魏晋东

（西山煤电（集团）有限责任公司机电厂， 山西 太原 030024）

引言

掘进机如图1所示，其主要结构分为：截割机构、行走机构、装载机构与液压机构。装载机构主要由星轮在铲板位置中通过其低速大扭矩马达与星轮内外花键的配合进行固定圆周转动，在转动的同时将物料扒装入刮板输送机中[1]。在煤矿井下工况中，连接星轮的转盘外花键轴通常会发生结构疲劳破坏，如图2所示。断裂的外花键轴将装载工作的连续性打断，造成严重的生产停机事故。本文将对本次发生断裂的外花键轴采用simulation软件，对不同结构的花键轴进行受力仿真分析，得出最优化结果。

图1 掘进机外形结构图

图2 断裂的花键轴

1 花键轴断裂原因分析

本次所分析的花键轴实际断裂处发生在花键轴与转盘焊接处的根部。在原因分析时主要采用理论计算与三维实体仿真两种方法[2]。

本次所计算配合外花键花键轴如图3所示。

参照装载要求50 m3/min设计，选型液压大扭矩马达性能参数Vmax=400 r/min，P额=130 kW，花键齿数n=400。强度校核计算如下所示：

图3 花键轴标准及规格

T=9 549P/n=9 549×130/400=3 103 N·m.

名义切向力为：

Ft=2 000×T/dm=2 000×3 103÷[（64.4+58.4）÷2]=101 kN。

式中：64.4 mm为外花键大径，58.4 mm为外花键小径。

花键所选材料为Q235，其屈服强度为235 kN，虽然名义切向力Ft＜235 kN。因此，原设计方案中花键轴并不会发生疲劳破坏。

在simulation软件中进行有限元分析如图4所示。

图4 simulation软件花键轴载荷分析

通过simulation有限元分析发现，疲劳破坏发生在花键轴根部，但是通过安全校核验证，材料满足屈服极限。考虑问题出现在设计方案上。原设计方案为：外花键轴根部直接采用焊接的方式焊到转盘上，在焊接过程中根部结构经过焊接受热后，根部产生的应力集中及热处理问题十分突出，在使用过程中极易发生疲劳破坏。

2 设计改进并有限元分析

对原设计方案进行更改，将直通式外花键轴更改为阶梯式花键轴，将原有焊接方式改为通过阶梯轴和螺栓定位方式，重新设计外花键轴如图5所示

图5 重新设计外花键轴

在有限元软件simulation中，将重新设计后的外花键轴进行有限元模拟其受力分析，结果如图6所示。

3 结论

通过对外花键轴的重新设计并进行有限元分析后发现：最初设计方案结构简单，但易发生疲劳破坏；通过改进设计方案，解决了这一问题。改进后的方案在实际使用过程中同一位置处未发生疲劳破坏现象。可见改进设计有效合理。

图6 重新设计的外花键轴有限元分析

[1] 闻邦椿.机械设计手册：第5版[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2] 杨哲勇.散料理论在掘进装备机械中的仿真应用[J].煤矿机械，2017，38（6）：121-123.