高凤伟

（赵庄煤业有限公司，山西 长治 046000）

引言

我国煤炭资源储量丰富，但赋存不均，由于煤矿资源是我国最为重要的一次性能源，因此随着煤炭资源的开采量不断增加，我国煤炭资源赋存简单的煤层大部分已经得到开采，所以目前我国煤炭资源的开采重点逐步转移至赋存条件较为复杂的煤层。在进行复杂煤层开采时，煤矿机械的稳定性是十分关键的，煤矿机械效率及稳定性越好，煤炭资源的开采效率越高。采煤机作为我国主要的煤矿开采设备，其工作性能直接关系到煤炭的产量。由于工况环境较为恶劣，造成采煤机截割机构受力十分复杂[1-2]，极易造成采煤机电机发生损坏。扭矩轴是保护截割电机极为重要的元件，提升扭矩轴的性能对于保证采煤机工作效率十分重要，此前众多学者对采煤机扭矩轴进行过一定的研究[3-4]，本文利用数值模拟软件对采煤机扭矩轴进行优化设计，为采煤机正常工作提供一定的保障。

1 数值模拟分析

为了对采煤机扭矩轴卸荷槽进行优化设计，首先对扭矩轴的卸荷槽进行静力学分析，计算在固定荷载下结构的应力、应变情况。首先选定ABAQUS数值模拟软件进行模型的建立，模型的建立选定CAD建模导入，导入模型后对模型的材料进行选定，由于扭矩轴的芯部需要一定的强度和刚度，所以选定扭矩轴的材料为42CrMo，材料的弹性模量为210 GPa，屈服应力为900 MPa，材料的密度及泊松比分别为9.8 g/cm3和0.3，完成模型材料属性设定后对模型进行网格划分，在进行网格划分时，充分考虑分析需求，保证一定的计算时间要求的同时，满足计算精度的要求，综合考虑后选定四面体C3D8R进行网格划分，在扭矩轴的卸荷槽部位进行细划分，划分完成后共有22 803个单元，完成模型网格划分后对模型的边界条件和加载进行设定。通过电机的计算功率及转速得出扭矩设定值为7 233 N·m，固定模型的边界，完成模型设定后对模型进行计算分析，本文仅展示U型卸荷槽下扭矩轴的应力应变云图（见图1）。

图1 U型槽下扭矩轴应力应变云图

通过对模型进行模拟分析，发现在三种卸荷槽形状下，扭矩轴的最大应力出现的位置均为轴颈部的位置，且应力集中现象较为明显，其中V型卸荷槽下扭矩轴的最大应力值达到507 MPa，应力值最大，I型卸荷槽下扭矩轴的最大应力值为454 MPa，U型卸荷槽下扭矩轴的最大应力值为436 MPa，较V型卸荷槽最大应力降低了71 MPa，最大应力值是三种槽型中最小的。分析三种槽型下扭矩轴的变形情况可以看出，在U型卸荷槽下扭矩轴的变形量最小，最小是为1.43×10-3mm，应变最大值出现在轴颈部。考虑到三种槽型下的最大应力值均小于材料的屈服极限，所以三种卸荷槽应力均满足要求的情况下选定U型槽可以很好地限制扭矩轴的变形。

2 不同结构参数下扭矩轴效果分析

在选定U型槽后，对不同结构参数下扭矩轴的力学性能进行分析。

2.1 对卸荷槽槽深进行对比分析

选定槽深h分别为7 mm、8 mm、9 mm和10 mm分别进行模拟计算，将不同槽深下扭矩轴的应力应变曲线进行对比分析如图2所示。

图2 不同槽深下沿路径应力应变曲线

如图2可以看出，不同卸荷槽深度下随着U型槽前沿角的增大，扭矩轴的应力呈现先快速增加后缓慢增加的趋势，同时根据应力云图可以看出，卸荷槽两端受力呈现对称分布的趋势，对称轴为扭矩轴的中轴线，在卸荷槽槽口底部出现应力集中，且应力最大值同样出现在此位置，随着距离槽底距离的增大，应力集中现象逐步减弱，深度7 mm时，扭矩轴的应力最大值为401 MPa，当槽深增大至8 mm时，此时的应力最大值为451，较槽深7 mm时增大了50 MPa，当槽深增大至9 mm时，此时的应力最大值为482，较槽深7 mm时增大了81 MPa，当槽深增大至10 mm时，此时的应力最大值为534，较槽深7 mm时增大了133 MPa，此时的应力值最大。对比槽深对应变的影响可以看出，槽深对应力应变的影响效果几乎相似，随着槽深的增大，扭矩轴的应变也呈现出逐步增大的趋势，当槽深为7 mm时，此时的变形量最大仅为2.754×10-3mm，在槽深10 mm的位置应变最大，最大值为5.504×10-3mm。通过分析可以看出，最佳的槽深为7 mm。

2.2 对不同卸荷槽槽宽进行对比分析

选定槽宽t分别为3 mm、3.5 mm、4 mm和4.5 mm分别进行模拟计算，将不同槽宽下扭矩轴的应力应变曲线进行对比分析如图3所示。

图3 不同槽宽下沿路径应力应变曲线

从图3可以看出，不同卸荷槽槽宽下应力曲线在U型前沿角为5°以下时，应力曲线几乎重合，此时说明槽宽对扭矩轴的应力影响在此范围内时较小，甚至可以说无影响；当U型前沿角大于5°时，此时随着槽宽的增大扭矩轴的最大应力值呈现逐步增大的趋势，同时随着U型前沿角的增大，扭矩轴的应力值逐步增大；当槽宽为3.5 mm时，此时的应力最大值最小仅为330.5 MPa，当卸荷槽的槽宽增大至4.5 mm时，此时的应力值最大为465 MPa，最大值降低了134.5 MPa，应变曲线呈现出随着U型前沿角的增大逐步增大的趋势，增长的趋势类似，同时随着槽宽的增大，扭矩轴的变形量逐步增大，综合比较可以得出最佳的槽宽为4 mm。

2.3 对不同卸荷槽位置进行分析

卸荷槽轴向位置L0作为唯一变量，选定L0分别为290 mm、300 mm、310 mm、320 mm，对不同卸荷槽轴向位置下扭矩轴应力应变进行分析如下页图4所示。

图4 不同轴向位置下沿路径应力应变曲线

从图4可以看出，随着U型槽前沿角的增大，不同轴向位置下沿路径应力应变曲线均呈现出逐步增大的趋势，同时对比可以看出，当L0为320 mm时，此时的应力最大值为460 MPa；当L0为300 mm时，此时的应力最大值最小仅为352 MPa，较轴向位置L0=300 mm降低了108 MPa，对比不同卸荷槽轴向位置下扭矩轴应变曲线可以看出，最大的变形量出现在轴向位置L0=320 mm的位置，此时的最大变形量为3.26×10-3mm，当U型槽前沿角在0°~5°时，此时的位移变形最为剧烈，最小的变形量出现在轴向位置L0=300 mm的位置，此时的最大变形量为2.98×10-3mm，所以最佳的轴向位置L0=300 mm最佳。

3 结论

1）通过对比三种槽型应力应变云图可以看出，三种槽型下的最大应力值均小于材料的屈服极限，同时U型槽应变值最小。

2）对比不同槽深及不同槽宽下扭矩轴的应力应变曲线可以得出，最佳的扭矩轴槽深和槽宽分别为7 mm和4 mm。

3）对比不同轴向位置下扭矩轴的应力应变曲线可以得出，当L0=300 mm时，此时的扭矩轴效果最佳。