采煤机扭矩轴的设计及分析验证

2024-01-11 98 上传者：管理员

摘要：对某采煤机的扭矩轴进行了设计，通过理论分析确定了扭矩轴的材料、外形尺寸及卸荷槽形式。运用有限元分析软件对所设计的扭矩轴进行静力学验证，仿真结果表明，其最大应力位于卸荷槽处，最大值为618 MPa，仿真值准确度为95%，可以实现过载保护。通过有限元方法得到了所设计的扭矩轴6阶模态，为其使用条件提供了理论依据。

关键词：
扭矩轴设计
有限元分析
模态分析
理论分析
采煤机
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采煤机主要通过电机及传动装置带动滚筒进行截煤，采煤机进刀量过大、采煤工作面落煤量突然增大或者采煤工作面夹矸增多，均会导致采煤机过载闷车，长时间过载会使采煤机电机或者传动装置损坏，给矿方造成严重的经济损失。扭矩轴不仅能为采煤机传递动力，还起着弹性缓冲及过载保护的作用，其具有传递可靠，过载破断响应快的特点。

本文对MG500/670-BD采煤机进行扭矩轴设计，传递截割功率500 k W，电机转速1 485 r/min。通过有限元分析软件对所设计扭矩轴进行静力学及模态分析，验证设计的准确性。

1、MG500/670-BD采煤机扭矩轴的设计

(1）扭矩轴的设计要求

MG500/670-BD采煤机采用500 k W截割电机，电机输入端为内花键（DIN5480 N72×3×30×22×11H），为保证加工便利性，扭矩轴输入端和输出端采用相同的与电机匹配的外花键。扭矩轴一端和电机配合，另一端和输入传动装置的直齿轮配合，经直齿轮及行星减速器后将动力传递到滚筒上。扭矩轴必须具备以下功能：

(1)可靠地传递动力在电机和减速器之间起到桥梁作用；

(2)有一定的缓冲作用抵抗采煤机截割状态下受到的冲击载荷；

(3)及时的破断响应能力在采煤机受到非正常截割载荷时，扭矩轴必须在极短的时间内先行断裂，阻断采煤机动力的传递。

(2）材料选择

扭矩轴的抗冲击性以及过载破断性都要求其材料具有良好的力学性能。根据工程经验及文献参考，主流的扭矩轴材料为合金钢40Cr或者42Cr Mo。二者的综合力学性能良好，都具有强度高、韧性好的特点，且热处理后性能更佳，本文设计采用42Cr Mo作为扭矩轴材料，其性能参数如表1所示。

表1 42Cr Mo性能参数表

(3）最大传递扭矩

电机的额定扭矩

式中P———电机的额定功率，P=500 k W;

n———电机的额定转速，n=1 485 r/min。

绝大多数文献中采用电机所能承受的最大扭矩不大于其额定转矩的2.5倍。实际上这并不是通用的，该采煤机所用的电机设计最大转矩和额定转矩的比值为2.7，堵转电流与额定电流的比值为6.2，且通过与厂家交流，电机所能承受的最大转矩还有一定裕度。为了充分发挥电机工作性能，取电机最大承受扭矩Tmax=3T，即扭矩轴最大传递扭矩为9 645 N·m。

(4）扭矩轴的剪切应力

扭矩轴能承受的最大剪切应力

抗扭截面系数

式中D———扭矩轴喉颈处的外径，mm;

d———扭矩轴喉颈处的内径，mm。

设计中要求最大剪切应力满足

扭矩轴的许用剪切应力

式中[σb]———扭矩轴抗拉强度，[σb]=1 080 MPa。

最终分析比较后取d=φ13 mm、D=φ53 mm。

(5）卸荷槽形式

扭矩轴常见的卸荷槽形式有U形、V形和I形，诸多文献通过仿真模拟得出U形卸荷槽应力集中小，更适合作为扭矩轴卸荷槽形，结合工程实际运用，本文设计选用U形卸荷槽。根据采煤机布置形式，最终设计的扭矩轴如图1所示，其外径φ65 mm、长度980 mm，卸荷槽与扭矩轴端距离120 mm。

图1扭矩轴示意图

2、基于有限元分析的扭矩轴验证

有限元分析在产品设计及研发阶段得到了广泛的应用，其主要步骤为三维建模、模型处理、导入分析软件、定义结构材料、网格划分、添加约束、添加载荷以及后处理等。

由于扭矩轴两端花键只起联接作用，为减少计算量，故将该特征进行简化处理。处理后的模型导入到有限元分析软件中，并以表1所示42Cr Mo材料属性添加到扭矩轴上。采用网格自动划分技术进行网格化，产生网格数7 257，模型及网格化如图2所示。

利用静力学模块，对扭矩轴输入端施加最大转矩9 645 N·m，输出端进行固定约束，通过应变及应力计算模块进行求解。

图2扭矩轴简化模型及网格化

机械结构的固有振动特性就是所谓的模态，固有频率阻尼比和模态振型是每一个模态所具有的特定参数。本文利用有限元分析，对扭矩轴前6阶模态进行分析，得到了高速旋转的扭矩轴容易发生共振的频率。

3、仿真结果

静力学分析应力云图如图3所示，最大应力出现在所设计的扭矩轴喉颈处，且最大值为618 MPa，大于扭矩轴最大剪切力，仿真值与计算值比较，准确度为95%，因此设计可靠。

图3扭矩轴应力云图

利用有限元软件模拟了所设计扭矩轴的前6阶模态。计算结果如表2所示。结果显示扭矩轴共振频率相对宽泛且属于低频振动，因此扭矩轴使用条件应避开以下共振频率。

表2设计扭矩轴模态分析结果

4、结语

对MG500/670-BD采煤机进行了扭矩轴的理论设计，最终确定了扭矩轴材料、外形尺寸及卸荷槽形式，并通过有限元软件对所设计扭矩轴进行静力学及模态仿真，结果表明，扭矩轴在电机能承受的最大扭矩作用下，卸荷槽处受到的最大应力值大于材料许用应力值，可实现及时破断保护，所设计扭矩轴合理。另通过有限元分析软件得到了所设计扭矩轴的前6阶模态，使用时应避开这些频率，以免共振现象的发生。

参考文献:

[1]李谨.采煤机截割部扭矩轴的设计及试验研究[D].太原:太原理工大学,2015.

[2]吴娜,崔立军.基于Workbench的采煤机截割部扭矩轴有限元分析[J].煤炭技术,2022,41(3):184-187.

[3]刘晓.基于ANSYS的采煤机截割部扭矩轴有限元分析[J].煤矿机械,2020,41(4):178-180.

基金资助:山西省科技重大专项计划“揭榜挂帅”项目(202201100401016);

文章来源:郤云鹏.采煤机扭矩轴的设计及分析验证[J].煤矿机械,2024,45(01):9-10.