采煤机扭矩轴喉颈结构优化设计研究

马泽贤

（山西焦煤集团西山煤电有限责任公司白家庄矿业公司，山西 太原 030000）

引言

滚筒采煤机是煤矿行业中重要的机械设备，结构复杂，任何一个结构零部件出现问题都会影响整个机械设备的正常工作[1-2]。扭矩轴是采煤机传动系统中的重要零部件，在采煤机中发挥着重要作用，如传递扭矩、保护其他重要结构件等[3-4]。功能的特殊性决定了扭矩轴强度必须要适中，强度太大或过小均不利于采煤机的稳定工作。本文对某型号采煤机扭矩轴喉颈部位的结构形状进行优化设计，取得了良好的效果，保障了采煤机的稳定运行。

1 采煤机扭矩轴结构特点及功能分析

采煤机在正常工作过程中由电动机提供动力，电动机输出的动力需经过扭矩轴才能够传递到采煤机摇臂，进而完成采煤工作。扭矩轴的两端都是通过花键方式与其他零部件进行连接，连接的零部件分别为电动机和摇臂轴。扭矩轴在与电动机临近侧设计有一个喉颈，喉颈的结构形式有很多种，常见的有U 型、V 型和圆型[5-6]。采煤机扭矩轴的作用主要表现在下述几个方面：

1）传递动力。采煤机由电动机驱动，电动机的动力必须通过扭矩轴才能够传递到工作部件，扭矩轴与其他零部件通过花键的形式进行连接。虽然整体体积相对较小，但是能够传递的扭矩较大。

2）缓冲减振。采煤机扭矩轴是一个长宽比较大的零部件，因此具备一定的柔性。当采煤机遇到外界较大瞬间冲击力时，扭矩轴可以在中间起到缓冲的作用，确保了整个机械设备运行的稳定性和可靠性。

3）过载保护。扭矩轴的强度与其他重要零部件相比较而言较低，如果采煤机在工作过程中遇到严重的超载现象，如滚筒被突然卡住无法正常运转，但电动机却在不停地输出动力。此时若没有扭矩轴，这种现象势必会对减速器齿轮、电动机等重要零部件和电气设备造成损伤，严重时可能导致零部件报废。而扭矩轴在中间可以起到保护的作用，当外界力达到一定程度时，由于扭矩轴的强度相对较低，因此会首先发生断裂，从而达到保护减速器齿轮和电动机的目的。

2 采煤机扭矩轴模型的建立

2.1 三维模型的建立

某型号滚筒采煤机扭矩轴喉颈形状为U 型，根据扭矩轴的真实尺寸利用UG 三维造型软件绘制三维模型。扭矩轴的主要作用为传递扭矩，两端实际均为花键形状，但本文的研究重点是扭矩轴喉颈部分，花键复杂的结构形状会在很大程度上延长模型计算时间。因此，为了降低模型的复杂性以缩短有限元模型计算时间，在三维造型时将花键结构形状省略，不会对本文的计算结果造成很大影响。在UG 中完成三维模型绘制工作后将其导出为STL 文件格式。

2.2 有限元模型的建立

将建立好的三维模型导入ABAQUS 非线性有限元软件中。首先需要对模型划分网格，网格数量越多计算结果越精确，但需要花费较长的计算时间，相反的，如果网格较粗糙，则计算时间相对较短，所得结果精度有限。本研究采用非均匀网格进行划分，在保障计算结果精度的同时尽可能缩短模型计算时间。扭矩轴喉颈部分是本文研究的重点，因此在这部分区域附近将网格划分得较细，以提升该部分的计算精度，其他部分则采用相对较粗糙的网格，以缩短模型计算时间。另外，采用的网格类型为四面体单元网格。

材料属性设置的准确性同样会影响计算结果。在实际生产制作中，42CrMoA 为制作扭矩轴的常见材料，所以本文以此种材料为例进行分析计算。该材料的弹性模量和泊松比分别为2.1×1011Pa 和0.27，抗压强度极限为1 300 MPa。再就是设置模型的边界条件和外部载荷。扭矩轴在工作时主要受扭矩作用，不会发生轴向方向移动，所以本文研究扭矩轴在受到外界扭矩作用时的受力情况。设置扭矩轴右端部分完全固定，即六个自由度全部被限制，将外界扭矩施加在左端部分。现有采煤机上的最大牵引力值设置为1 000 kN，故在建模过程中，经过公式计算后，在扭矩轴上施加的扭矩为176 563 N·m。如图1 所示为采煤机扭矩轴的有限元模型。

图1 采煤机扭矩轴的有限元模型

3 扭矩轴受力分析结果分析

对建立好的扭矩轴有限元模型进行受力分析计算，如图2 所示为采煤机扭矩轴受力分析结果。从图中可以看出，扭矩轴最大应力值达到了1 493 MPa，其最大应力值出现的部位就是喉颈位置。查阅资料可以发现，本文使用材料的抗压强度值为1 300 MPa左右。根据实践经验可知，金属材料的许用剪切应力值通常为抗压强度值的0.6 倍，所以可以计算得到42CrMoA 材料的许用剪切应力值为780 MPa。采用传统方法对零部件进行校核时，无法顾及零部件的应力集中现象，所以有时采用传统方法校核得到的零部件，在实际使用过程中存在一定风险。

图2 采煤机扭矩轴受力分析结果

4 扭矩轴喉颈结构优化设计

基于上述有限元分析结果可以看出，扭矩轴喉颈部位容易出现应力集中现象，不利于采煤机工作的稳定性。本文通过两种方案对扭矩轴喉颈部位形状进行结构优化改进，以期达到降低该部位应力集中的目的。如图3 所示为两种优化改进方案的结构图。第一种方案：移动圆心点位置，并且将半径扩大至15 mm，喉颈位置的最小直径保持不变，为121 mm。第二种方案：对喉颈部位形状的变化梯度进行优化，使半径的变化程度降低，中间为平缓过渡，具体尺寸见图3。

图3 两种优化改进方案的结构图（单位：mm）

对采煤机扭矩轴喉颈部位的形状尺寸进行优化改善，然后利用同样的方法对其进行建模分析计算，设置的材料属性、边界条件和外界载荷全部相同。如图4 所示为两种方案得到的计算结果。从图中可以看出，第一种方案得到的最大应力值为1 075 MPa，虽然与原始结构形状的最大应力值相比有所降低，但仍然比材料许用剪切应力值要大很多，第一种优化方案不值得推荐。第二种优化方案计算得到的最大应力值为752 MPa，与原始结构形状和第一种优化方案相比较，喉颈部位的最大应力值出现了显著降低，且降低到了材料的最大许用剪切应力值780 MPa 以下。基于上述分析结果可以看出第二种优化方案能够满足实际使用需要。

图4 两种优化改进方案的受力计算结果

根据相关实践经验，当电动机实际输出功率为额定输出功率的2.5 倍时，电动机内部元件将会出现不同程度的损伤。从保护电动机的角度出发，当电动机输出功率达到一定程度时，扭矩轴需要被扭断。当电动机输出功率为额定功率的2.5 倍时，经过计算得到扭矩轴承受的扭矩大小为193 292 N·m。将该数据代入有限元模型中再次计算，可以得到扭矩轴喉颈部位的最大应力值为910 MPa，该数据已经远远超过了材料的最大许用剪切应力值。可见，当电动机的输出功率为额定功率的2.5 倍时，扭矩轴早已经被扭断，可以起到保护电动机的作用。

综上所述，根据第二种优化方案，对扭矩轴喉颈部位的结构形状进行优化改善，不仅能够保证扭矩轴正常工作的稳定性，同时还能够确保电动机输出功率较大时，扭矩轴能够及时扭断，达到保护电动机的目的。将本文的研究方案应用到实际中，结果发现取得了较好的应用效果。在一年时间的实践应用中，采煤机正常工作时未出现扭矩轴故障导致的停机事件。

5 结论

扭矩轴是采煤机中重要的结构件，不仅要传输电动机的输出扭距至工作部件完成采煤工作，同时还必须具备一定的缓冲作用，达到保护采煤机重要零部件的作用。本文对扭矩轴喉颈部位的结构形状进行了优化设计，取得了良好的效果。优化改进后，当采煤机处于较大牵引力时，扭矩轴喉颈部位的应力没有超过材料的最大许用应力，提升的扭矩轴的服役稳定性和可靠性。且最大应力值比较接近许用应力值，当采煤机遇到突发情况，电动机输出功率进一步增大时，扭矩轴承受的扭矩将会超过材料的许用值，最终使扭矩轴断裂，达到保护采煤机重要零部件的目的。