首页 >
论文范文 >
工程工业论文 >
工程综合论文 >
矿业工程论文 >
采煤机牵引部转矩限制器的仿真研究
摘要：采煤机牵引部发生严重过载时，通常采用花键轴在剪切槽处断裂的方法来保护牵引电动机，这种保护方式需要频繁更换花键轴，需要消耗大量的时间与成本。为了解决这一问题，文中提出一种依靠螺栓预紧力作用去保护牵引部的转矩限制器结构，同时进一步对其安全保护作用进行研究。基于某型采煤机参数，通过Creo软件建立三维转矩限制器模型，然后对转矩限制器的关键部件内弹性环、外弹性环、铜套在ABAQUS中柔性化，最后在动力学软件ADAMS中对转矩限制器的工作情况进行分析，得到柔性部件的位移、速度、角速度图。结果表明，该转矩限制器部件铜套在相应的时间里发生打滑，可以起到保护牵引部的作用。该转矩限制器结构设计合理，为采煤机牵引部的安全保护装置设计提供了新的思路。
加入收藏
采煤机牵引部作为采煤机重要的组成部分，它的安全运行对采煤机正常采煤有着重要意义。转矩限制器是采煤机牵引部重要的保护装置，主要用于采煤机牵引部过载时对其进行保护，近年来很多学者对其进行了研究。北京立信德华科技有限公司的黄锦新等[1]分析了刮板输送机过载刮卡机制后,经过理论计算和测试数据得出了设置转矩限制器的必要性。山西天地煤机装备有限公司的任晓力[2]设计的一种新型转矩限制器用来保护减速器，可以起到很好的保护效果。广州广电运通金融电子股份有限公司的周桂洪[3]设计的转矩限制器用于调节转矩。潞安环能股份公司的裴江涛[4]使用转矩限制器在综采工作面刮板输送机上保护电动机。烟台工程职业技术学院的陈瑛[5]设计的一种摩擦式转矩限制器实现了过载安全保护作用。煤炭工业济南设计研究院的董广起等[6]设计的转矩限制联轴器可以起到保护电动机与联接设备的作用。以上学者所设计研究的转矩限制器均在煤炭开采中应用广泛，但是它们的共同特点是一旦转矩限制器实施过载保护后，都需要或多或少更换相应的部件。本文采用在螺栓预紧力的弹性胀紧套的前提下，依靠铜套与花键套之间的摩擦打滑来实现过载安全保护采煤机牵引部，采用此种依靠弹性胀紧套摩擦打滑实现安全保护的装置与传统采用花键轴在剪切槽处断裂的方法相比较，不仅降低了维修成本，而且不需要更换零部件，这样节省了大量时间。文中通过柔性化转矩限制器内、外弹性环及铜套，在ADAMS中建立了刚柔耦合模型，研究转矩限制器在牵引部过载情况时的工作情形。
1、转矩限制器结构及工作原理
如图1所示，摩擦式转矩限制器属于无键连接，由弹性胀紧套（内含高强度螺栓、内弹性环、外弹性环、内锥环、外锥环）、铜套所组成。胀紧套的内、外锥环通过高强度螺栓进行连接,利用螺栓的预紧力去施加保护作用，对外部二级行星架产生压力同时对内部铜套产生压力。在采煤机装机工作时，工作人员提前将多根高强度螺栓拧入内锥环和外锥环施加预紧力来保护电动机。这样外弹性环和内弹性环同时会受到压力，造成一种外胀内压的现象。当采煤机正常工作时，采煤机牵引部电动机通过传动机构将转矩传递至二级行星轮处，转矩限制器与第二级行星轮连接一起进行转动。当采煤机牵引部过载时，转矩限制器发挥作用，这时花键套与铜套相对滑动进而传动停止，起到保护牵引电动机的作用。
图1 转矩限制器结构图
图2 铜套的结构图
图2为铜套的结构图。铜套内部有螺纹槽，加注少量润滑油。当牵引部过载时，铜套便会打滑，起到过载保护作用。
2、弹性胀紧套的选型与计算
胀紧套有许多种型号，从Z1到Z20。本文选择了ZJ5型号的胀紧套[7,8,9,10]。下面介绍其选型具体过程。
1）分析传递过程中载荷的关系。
传递转矩Mt≥M;
承受轴向力Ft≥Fx;
传递力
承受径向力
弹性胀紧套在铜套、二级行星架之间不对称度、弹塑性变形以及摩擦因数的不确定性，需传递的转矩远小于胀紧套的额定转矩。它们之间关系为
式中：M为需传递的转矩，kN·m;Fx为需承受的轴向力，kN;Mt为胀套的额定转矩，kN·m;Ft为胀套的额定轴向力，kN;Fr为需承受的径向力，kN;d、l为胀套内径和内环宽度，mm;pf为胀套与铜套结合面的压强，MPa;K为安全系数，区间为1.2～1.5，安全系数选择取决于联结轴（花键套）的直径大小，本文取K=1.5。
2)ZJ5型弹性胀紧套及铜套材料参数选择。
胀紧套连接方式为在二级行星架末端联接胀紧套，胀紧套总的夹紧力为单个螺栓的夹紧力乘以螺栓的个数，而单个螺栓拧紧后螺纹联接件的预紧应力不得超过其材料的屈服极限σs的80%。
一般推荐预紧力W按下式确定[11,12]：碳素钢螺栓；合金钢螺栓。式中：σs为螺栓材料的屈服极限；Ae为螺栓危险截面的面积。
本文螺栓材料选用12.9级高强度合金钢。所以预紧力W的范围为59 405～71 286 N。所以本文取单个螺栓预紧力W为70 000 N。
铜套的主要作用是在牵引部过载时，它会发生打滑，起到安全保护作用。所以选择铜套时主要是考虑其摩擦性能及强度。它的材料为ZCuZn25A16Fe3Mn3。具体部件材料参数如表1所示。
表1 弹性胀紧套材料参数
3、转矩限制器模型的建立
本文采用三维绘图软件CREO对采煤机牵引部转矩限制器进行几何模型建立，然后将其转化为Parasolid格式文件。在ABAQUS中对内、外弹性环及铜套进行柔性化，保存为.MNF文件。然后将Parasolid格式文件导入ADAMS中。设置其单位后，然后施加重力场及其质量属性。部件柔性化后需要对其运动副及其接触进行重新设置。
本文选择ABAQUS软件对需要的部件进行柔性化。首先把需要柔性化的部件保存为x＿t文件，导入模型部件，然后找到材料属性界面去设置材料属性（密度、弹性模量、泊松比）及材料界面。接下来将界面切换到装配体模块，然后将模型设置到实体。然后切换到分析步界面，创建分析步，创建两个分析步，第一个是线性摄动分析步，即求解模态，第二个是生成子模型分析步。然后使用RP功能创建一个点，创建MPC多点耦合，设置两个约束，第一个约束是将RP点的6个自由度固定，对应第一个分析步，第二个约束是将RP点输出，对应第二个分析步。最后划分网格，修改关键字，设置job,提交后等待结果。3个部件的柔性化过程相同。
将3个部件（铜套、内弹性环、外弹性环）柔性化后，分别重命名并同时保存为.MNF文件格式。在ADAMS中把原有刚性部件替换成柔性部件。
4、 ADAMS动态仿真研究
首先需要对求解器进行设置。ADAMS中常用的积分器有GSTIFF、WSTIFF、HHT、Newmark、HASTIFF，积分的形式有I3、SI2。本模型由于有较多接触且要稳定运行，所以选择GSTIFF积分器和SI2积分形式。
然后进行运动副及接触的设定。如表2所示，首先对内、外锥环连接的螺栓施加空间三维预紧力，然后对最外边的第二级行星架添加转矩，采用STEP(time,0,0,1,80000)+STEP(time,1,0,2,50594）函数,单位为N·m，这个转矩是左（右）牵引电动机经过三级直齿轮传动、二级行星轮传动到转矩限制器处计算得出的。
表2 运动副设置
在用ADAMS分析时，设置好接触关系后，可以通过看铜套的速度或角速度进而判断其是否发生打滑，也可以看二级行星架与铜套的接触的力与力矩进而判断其打滑情况。转矩限制器的工作情况表现为：采煤机正常进行采煤工作时，转矩限制器将伴随二级行星架一起转动，当采煤机牵引部受到非常大的转矩时，转矩限制器开始工作，铜套与之相邻的花键套首先发生打滑，起到阻断传动作用，进而保护牵引电动机。通过查资料得铜套与花键套在润滑状态下静摩擦因数为0.04，二级行星架与外弹性环静摩擦因数为0.19。
最后设置求解时间为2 s,步长为3000步。
4.1 速度、角速度分析
以铜套速度、内（外）弹性环的速度、角速度结果为例，研究采煤机牵引部过载时转矩限制器的工作状态。图3为铜套的速度曲线图，图4和图5分别为外弹性环和内弹性环的速度曲线图。图6为铜套角速度曲线图，图7和图8分别为外弹性环和内弹性环的角速度曲线图。
图3 铜套速度曲线
需要说明的是，这里物体的质心在物体中部，所以图中负号表示不同的方向。通过铜套的角速度及速度曲线可以得出采煤机牵引部过载时，外部力矩超过弹性胀紧套的预紧力矩，这一瞬间受到的力非常大，铜套随即打滑，起到保护牵引电动机的作用。随后速度便稳定到零值，弹性胀紧套便又开始胀紧，转矩限制器便又回到初始状态。同时也可以看到内、外弹性环的角速度及速度也相应地发生了变化，都是先发生大的变动然后回归到零值附近。这是与实际情况相吻合的。
图4 外弹性环速度曲线
图5 内弹性环速度曲线
图6 铜套角速度曲线
图7 外弹性环角速度曲线
图8 内弹性环角速度曲线
4.2 部件之间接触力、应力分析
前面分析了速度、角速度，还可以通过部件之间的接触力矩、力曲线去分析其打滑的过程。同时分析铜套的应力以验证其实际可靠性。图9为二级行星架与铜套的接触力曲线图，图10为二级行星架与铜套的接触力矩曲线图。
图9 二级行星架与铜套接触力曲线
图1 0 二级行星架与铜套接触力矩曲线
通过分析铜套与二级行星架的受力及力矩曲线图，可以看到力及力矩都是在1 s附近时间段受到大的力矩后先增大然后稳定在零值附近，说明转矩限制器起到了作用。
5、结论
本文基于某型矿用采煤机，通过理论分析及ADAMS软件刚柔耦合仿真研究采煤机牵引部转矩限制器在过载时的角速度、速度、接触力及力矩曲线，得到如下结论。
1）当采煤机牵引部过载时，转矩限制器发挥作用，铜套与弹性胀紧套发生打滑，可以起到保护牵引电动机的作用，这样节省了大部分更换时间。
2）通过分析转矩限制器关键打滑部件内弹性环、外弹性环、铜套的角速度、速度图以及接触力矩图，得出其可以满足使用要求，同时部件所受压力在承受范围之内。
3）通过对比其它的牵引部保护措施，本文这种创新的转矩限制器的保护方法不仅起到保护作用，同时避免了频繁更换转矩轴的缺点，同时也为创新采煤机牵引部保护装置提供了理论依据。
参考文献:
[1]黄锦新,孙全.变频驱动刮板输送机配置扭矩限制器必要性阐述[J].智能矿山,2022(9):58-62.
[2]任晓力.一种新型扭矩限制器的设计[J].煤矿机电,2015(3):28-30.
[3]周桂洪.一种扭矩限制器的设计方案[J].现代信息科技,2020,4(3):170-172.
[4]裴江涛.扭矩限制器在综采工作面刮板输送机上的应用[J].煤,2019(2):70-71.
[5]陈瑛.摩擦式扭矩限制器的结构设计与应用[J].煤矿机械,2015,36(11):242-243.
[6]董广起,蒋守勇,马明燕.一种扭矩限制联轴器[J].锻压装备与制造技术,2009(6):47-49.
[7]成大先,王德夫,姬奎生.机械设计手册:第2卷[M].6版.北京:化学工业出版社,2016:308-309.
[8]张锋,任德睦,赖强.胀紧联接套的设计及其制造加工技术[J].机械设计与制造,2005(11):37-38.
[9]徐东升,晏先毅.胀紧套联接的应用[J].矿山机械,1991(8):37-39.
[10]庞素平,相吉安,郭玉华,等.胀紧联接套的选型与安装[J].煤矿机械,2010(3):203-204.
[11]王启广.胀紧套联接装置的设计[J].矿山机械,2001(9):48-49.
[12]赵峰,丁华,杨兆建.基于云仿真的采煤机动力学分析系统[J].机械设计与制造,2018(8):177-180.
文章来源:张敬芳,谷永永,王佳东,等.采煤机牵引部转矩限制器的仿真研究[J].机械工程师,2024(06):34-37.
分享：
围岩松动圈是指地下工程开挖后,由于应力重分布和爆破等因素影响,在洞室周围形成的具有一定厚度的破裂､松动区域[1]｡这一区域内的岩体力学性质发生显著变化,主要表现为强度降低､渗透性增加等特征｡围岩松动圈的形成和发展直接影响地下工程的稳定性和安全性｡
2025-09-07
钻孔探测作为矿井地质分析预测及灾害处理的重要手段,具有实揭性､灵活性及长距离等优点,常用于煤矿瓦斯抽放､探放水及地质填图等勘探工程｡然而,受限于软碎岩层､断层发育带等井下复杂地质条件,常规钻孔极易产生塌孔､缩径的问题,严重影响钻孔的成孔效率及施工效果｡
2025-08-03
断层是地壳中常见的地质构造之一,是由破断面两层岩体发生明显位移而形成的｡在采煤过程中,断层的发育增加了开采的难度,影响采煤方法的选择和回采速度｡断层的大小､走向､数量,均会加剧煤层漏风问题,进而增加煤层自燃的风险,对此,诸多学者开展了大量研究[1-2]｡
2025-08-03
贵州省具有丰富的煤炭资源,素有“西南煤海”之称,是我国华南型煤田中最大的产煤省区｡贵州省喀斯特矿区在高强度开采扰动后,极易造成矿井突水事故,给井下开采工作带来极大的安全隐患和经济损失[1]｡导水裂缝带,即垮落带和裂缝带,是贯通采空区与上部水体的通道,覆岩“两带”的高度及特征对于矿井井下水害防治具有重要的意义[2-3]｡
2025-08-03
采煤机自动拖缆是指采煤机在工作运行过程中,采用特定的拖曳装置移动电缆,替代人工来管理电缆,避免采煤机往复运行中,电缆因多次叠加引起电缆出槽､损伤等现象｡采煤机自动拖缆装置对于采煤机的正常运行至关重要,特别是对电缆槽高度较低的薄煤层工作面,效果更为显著,它确保了电缆不被损坏,从而保证了采煤机的电力供应｡
2025-08-03
光纤技术是基于光传播原理的高新技术创新,广泛应用于通信､传感､医疗等领域,光纤传感器利用光波在光纤内部的传播特性,这些特性使得光纤传感器在复杂环境中,特别是需要长期监测的工程领域中,应用更加广泛[1]｡在采矿作业中,随着深部采矿技术的不断发展,围岩的复杂性和变异性不断增加,对支护结构的稳定性提出了新的挑战[2]｡
2025-08-03
陶文斌[8]研究了大断面过破碎带失稳变形原因,提出了“预注浆+超前支护+架棚+二次注浆”的支护方案,有效保证了巷道围岩的稳定;伊丽娟[9]以某煤矿大巷过破碎带为工程背景,提出“锚杆+锚索+U型钢”的联合支护技术,成功控制了巷道围岩变形问题｡针对不同地质环境应确定相应的巷道支护技术｡
2025-08-03
煤炭企业的环境会计信息披露通常在社会责任报告中设专章,内容涉及环保管理体系､环保投资､污染物排放､重大环境问题及整改情况､节能减排等｡随着“双碳”目标的提出,许多煤炭企业深刻认识到低碳的重要性,开始在年度财务报告中披露环境会计信息｡
2025-07-12
针对荫营煤矿密闭区域检测环节操作繁琐，检测结果反馈时间长、效率低等问题，归纳了密闭“呼吸”现象的影响因素，基于现场测试分析了密闭“呼吸”现象的基本特征，对煤自燃气体产生的规律进行研究，结果表明：大气参数的变化导致密闭区出现“呼吸”效应，密闭内外压差的变化范围为-160～350 Pa,说明荫营煤矿密闭存在“呼吸”效应，且密闭内外气体交换量较大。研究结果对荫营煤矿快捷高效地实现井下密闭火情智能监测预警及风险管控以预防煤自燃具有重要指导和现实意义。
2025-07-07
煤炭服务企业与新一代信息技术的深度融合势在必行｡许多企业正在有序构建及优化管理､业务及服务三大核心系统,以实现信息化､数字化与智能化的融合升级｡管理层面涵盖企业资源规划(ERP)系统､办公自动化(OA)系统以及管理信息系统(MIS)等模块;业务层面涉及数字化协同设计系统､数字化设计交付系统以及工程采购与施工(EPC)总承包管理系统等。
2025-07-07我要评论
期刊名称：煤矿机械
期刊人气：2116
主管单位：国家煤矿安全监察局
主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
国内刊号：23-1280/TD
邮发代号：14-38
创刊时间：1980年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：1年以上
影响因子：0.463
影响因子：0.673
影响因子：0.642
影响因子：1.307
影响因子：0.480
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2024-06-11
57
上传者：管理员
