采煤机扭矩轴设计.pdf

设备设计/诊断维修/再制造现代制造工程2009年第5期 采煤机扭矩轴设计 赵丽娟 1 ,周宇 2 1 东北大学,沈阳110004; 2辽宁工程技术大学,阜新123000 摘要基于有限元分析软件ANSYS和大型数学计算软件MATLAB对某煤机公司设计的薄煤层采煤机扭矩轴进行可靠 性分析,获取不同深度的U型卸荷槽、 不同开口角度的V型卸荷槽扭矩轴的应力变化规律;拟合出扭矩轴最大应力 2 时 间变化曲线,并优化出扭矩轴卸荷槽的结构尺寸,同时结合由机械系统运动学和动力学自动分析软件ADAMS,仿真生成 的扭矩轴所受峰值时刻的动载荷,验证改进后扭矩轴的可靠性和合理性。 关键词采煤机;扭矩离合器;扭矩轴;破坏扭矩;ANSYS;瞬态分析 中图分类号 TD42116 3; TH122 文献标识码A 文章编号 167131332009 05011104 Design of wrench moment axis of the thin coal seam shearer ZHAO Li2juan 1 , ZHOU Yu 2 1 Northeastern University, Shenyang 110004, CHN; 2 Liaoning TechnicalUniversity, Fuxin 123000,Liaoning, CHN AbstractAnalyse the dependability of the wrench moment axis of the thin coal seam shearerwhich designed by a coalmachine company based on the finite element analysis software ansys . Get the stress2change rule of differentU2groove wrench moment axis and V2groove wrench moment axis . Draw up the stress2time curve, and optimize the configuration of the wrench moment axis wrench moment axis . And examine the dependability and rationalityof the improvedwrenchmoment axiswith the active peak2val2 ue load,which got from the automatic dynamic analysis ofmechanical systems soft ware adams . Key words thin coal seam shearer;wrench moment clutch;wrench moment axis; destroymoment;ANSYS; transient analyse 0 引言 含硫化铁矿结核体的薄煤层采煤机,在工作过程 中不可避免地要碰到硫化铁结核,可能会发生过载、 闷车现象,使其无法正常工作,降低采煤机的使用寿 命。采煤机通常在离合器处设计成扭矩轴形式,它除 在截割电动机与机械传动系统之间传递功率外,还起 着过载保护作用。当设备处于超载工况时,扭矩轴自 身会首先受到损坏,使整个传动链断开,以保护其他 传动元件 [1]。传统的扭矩轴设计主要的根据是设计 者的经验并结合扭断试验。用这种方法设计出来的 扭矩轴常发生过载时未及时破坏的现象,起不到保护 传动系统的作用;或扭矩轴过于脆弱,在采煤机正常 工作时就提前破坏,而不能发挥各传动件强度潜力的 现象。因此,复杂煤层附存条件下工作的含硫化铁结 核体薄煤层采煤机过载保护装置的优化设计就显得尤 为必要。 由于受煤层附存条件、 滚筒截齿的分布和采煤工 艺等因素的影响,采煤机扭矩轴所受载荷非常复杂, 采用传统的解析分析方法很难对其进行可靠性研究。 本文基于有限元分析软件ANSYS,并结合由机械系统 运动学和动力学自动分析软件ADAMS,仿真生成的动 载荷,以及MATLAB计算软件,对某煤机公司设计的、 含硫化铁矿结核的薄煤层采煤机扭矩轴,进行了可靠 性研究及优化设计,并结合刚柔耦合的采煤机截割部 虚拟样机仿真结果,用瞬态分析的方法验证设计的合 理性。 1 扭矩轴的结构 采煤机扭矩轴的基本结构是一空心的外花键轴, 在轴的一侧有U型或V型结构的卸荷槽,以产生缺口 效应,如图1所示。 扭矩轴通过花键安装在其所连接的两个齿轮之 间,组成扭矩离合器,如图2所示。 扭矩轴的破坏形式主要是扭转破坏,为了衡量其 过载断裂能力,通常要确定扭矩轴的破坏扭矩,即扭 111 现代制造工程2009年第5期设备设计/诊断维修/再制造 矩轴所能承受的最大扭矩,使其既能充分发挥各传动 件的强度潜力,又能保证过载太大时及时断裂以保护 传动系统 [2, 3 ]。 图1 扭矩轴的结构 图2 采煤机的扭矩离合器 2 扭矩轴的设计 211 扭矩轴破坏扭矩的确定 扭矩轴破坏扭矩通常依据对电动机的保护来确 定,该煤机公司设计的采煤机扭矩轴的破坏扭矩,按 电动机额定功率的两倍传递到扭矩轴时确定,其值为 137917Nmm,扭矩轴的破坏扭矩主要取决于扭矩轴 的结构、 材料和热处理方式等因素。本文主要通过优 化扭矩轴的卸荷槽,即确定扭矩轴的结构,使其破坏 扭矩达到137917Nmm。对于U型卸荷槽应确定合 适的深度h,V型卸荷槽应确定合适的开口角度α 。 212 扭矩轴的静力学分析 [4 ] ANSYS程序中的结构静力分析是用来计算在固 定不变的载荷作用下结构的效应,即用于稳态外载引 起的系统或部件的位移、 应力、 应变和力,其目的在于找 出扭矩轴结构的最大应力,为其优化设计提供依据。 扭矩轴所用材料的许用拉应力 [σ] 900MPa; 则其抗扭强度 [5 ] [τ]015 - 016 [ σ] 450 - 540MPa。 出于优先考虑扭矩轴应及时断裂,取材料抗扭强 度的最大值 [6] ,即[τ]540MPa。 按照该煤机公司设计的扭矩轴U型卸荷槽的深 度对其进行建模 [7 ] ,然后导入ANSYS中,如图3所示。 扭矩轴所用材料的力学性能 [8 ] 弹性模量为2112 10 5MPa,泊松比 0127,定义单元类型为solid45,进行网 格划分,并对卸荷槽部分进行局部细化,以使分析结 果更加准确。 图3 ANSYS中的扭矩轴模型 根据扭矩轴在实际工作中的载荷情况,在扭矩轴 的两端施加方向相反、 大小为137917MPa的转矩,并 在其内表面施加固定约束。 经过求解得到扭矩轴所受到的Von Mise应力云 图,如图4所示。 图4 求解后扭矩轴的应力云图 图4中显示出扭矩轴最大应力发生在产生应力集 中的卸荷槽处,应力值是369189MPa,未达到材料的抗 扭强度,很难起到过载保护的作用。 213 扭矩轴结构的确定 为了确定U型卸荷槽的合理深度,找出破坏扭矩 为137917Nmm的扭矩轴,分别建立了八种不同深 度的U型槽扭矩轴模型,并用同样的方法分析这些扭 211 设备设计/诊断维修/再制造现代制造工程2009年第5期 矩轴,结果如表1所示。 表1 不同深度的U型槽扭矩轴最大应力 U型槽的 深度/mm 215331531631653173175318 最大应 力/MPa 369189 48213 506139 514144 520133 528121 550123 570117 将以上结果进行比较,并用MAT LAB软件拟合出卸 荷槽深度和扭矩轴最大应力的关系曲线 [9] ,如图5所示。 图5 U型槽深度 2 最大应力拟合曲线 可见,当扭矩轴的最大应力为540MPa时,对应的 U型卸荷槽的深度为317278mm。 对于V型卸荷槽的扭矩轴采用同样的分析方法, 结果如表2所示。 表2 不同开口角度的V型槽扭矩轴的最大应力 V形槽开口 角度α / 202526261527271528 最大应 力/MPa 6081417 554114 535149 515101 504136 500136 454115 将所得数据进行拟合得到V型槽角度 2 最大应力 拟合曲线,如图6所示。 图6 V型槽角度 2 最大应力拟合曲线 当扭矩轴的最大应力为540MPa时, V型卸荷槽 开口角度为2517535 。 3 扭矩轴的瞬态分析 [10 ] 在采煤机工作过程中,由于煤层附存条件、 滚筒 自身截齿分布和采煤工艺等因素的影响,滚筒的瞬时 负载变化非常大,当截齿遇到大块、 硬包裹体时,采煤 机系统将受到“ 最大 ” 载荷的冲击,这也是使截齿折断 和使采煤机关键零/部件损坏的主要原因。 为了验证所设计扭矩轴的可靠性,根据实际工 况,在所选择的两种扭矩轴上施加随时间变化的载 荷,对其进行瞬态分析,模拟实际工况下扭矩轴的受 力情况。 311 载荷的选取 图7、 图8所示是在采煤机截割部,系统受到“ 最 大 ” 载荷冲击的工况下,且滚筒上有两个截齿参与截 割含硫化铁的煤层时,扭矩轴的载荷曲线,该载荷曲 线取自基于ADAMS的刚柔耦合的采煤机截割部虚拟 样机仿真结果。本文借用其分析的结果数据,作为分 析时加在扭矩轴两端的扭矩。 图7 扭矩轴与七轴之间扭矩的变化曲线 图8 扭矩轴与六轴之间扭矩的变化曲线 312 加载、 求解并查看结果 为了节约计算成本,分析时只需用载荷比较剧烈 的时间段01590～01676s,将这段载荷以载荷文件的 形式导入ANSYS中,定义单元类型为solid45,弹性模 量为211210 5MPa,泊松比为 0127,对模型进行网格 划分,然后将载荷施加在扭矩轴的两端,对扭矩轴进 行瞬态分析,得到扭矩轴卸荷槽处随时间变化受到的 311 现代制造工程2009年第5期设备设计/诊断维修/再制造 应力情况,如图9、 图10所示。 图9 U型卸荷槽时间 2 应力曲线 图10 V型卸荷槽时间 2 应力曲线 结合载荷文件和瞬态分析的结果可知,扭矩轴的 载荷超过137917Nmm的时刻是01611s、01612s,这 两个 时 刻U型 槽 扭 矩 轴 的 最 大 应 力 分 别 为 5861706MPa和5541027MPa,V型槽扭矩轴的最大应 力分别为6441739MPa和5671126MPa,均达到了材料 的抗扭强度,同时,电动机也处于过载状态;而载荷未 超过137917Nmm的时刻,扭矩轴最大应力均小于 抗扭强度。这表明扭矩轴既能在截割电动机与机械 传动系统之间传递功率,也能在设备处于超载工况时 及时破坏,使整个传动链断开,以保护其他传动元件, 起到过载保护作用,具有很好的可靠性 [11 ]。 4 结语 使用有限元分析软件ANSYS,对某煤机公司设计 的薄煤层采煤机扭矩轴进行了可靠性分析,结果表明 原设计的扭矩轴由于U型槽深度过浅,当发生过载时 不能及时破坏,未能起到保护作用。为了确定合适的 扭矩轴,分别对不同深度的U型卸荷槽、 不同开口角 度的V型卸荷槽扭矩轴进行了静力学分析,找到了条 件改变时应力变化的规律,并用MATLAB软件拟合出 扭矩轴最大应力随时间变化的曲线,借助拟合曲线预 测出满足要求的U型槽深度为317671mm, V型槽开 口角度为2517536 。 结合由机械系统运动学和动力学自动分析软件 ADAMS仿真生成的扭矩轴所受的动载荷,使用AN2 SYS软件对所设计的扭矩轴进行了动态分析,结果表 明在采煤机发生过载时,扭矩轴能及时破坏,起到了 过载保护的作用,具有较好的可靠性。 参 考 文 献 [1 ] 李贵轩,李晓豁.采煤机械设计[M ].沈阳辽宁大学 出版社, 1994. 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