采煤机截割部扭转轴优化设计研究(1).pdf

总第209期 2020年第9期 机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total 209 No.9, 2020 设计理论与方法设计理论与方法 D0110.16525/l4-1134/th.2020.09.022 采煤机截割部扭转轴优化设计研究 史岩鹏 山西焦煤集团有限责任公司官地煤矿， 山 西 太 原 030000 摘 要 为了解决采煤机在复杂工况条件下， 扭转轴在受到过栽条件下发生断裂不及时造成截割电机损坏的情 况， 以MG900/2210-GWD型采煤机机为研究对象， 利 用abaqus数 值 模拟软件对U型 、V型 及I型扭转轴的应 力应变进行分析， 综合分析给出扭转轴的最优设计， 为采煤机扭转轴的设计提供一定的借鉴。 关键词 扭转 轴 卸 荷 槽 数 值 模 拟 中图分类号TD421 文献标识码A 文章编号 1003-773X202009-0051-02 引言 我国煤矿资源储量丰富但赋存条件较为复杂, 在开采复杂煤层时，常常由于工作面的地质较为复 杂造成采煤机工作时受到不同强度载荷的冲击发生 故障，同时在采煤机进行工作时由于夹矸造成采煤 机截割部电机发生故障,造成煤矿产煤率降低， 所以 采用扭矩轴来保护截割部电机及采煤机的传动系 统d旦在采煤机的实际操作过程中， 由于截割部受到 的载荷过大等因素造成扭矩轴未发生断裂，不能有 效地保障采煤机的安全运行， 为解决此问题,许多学 者对其进行研究。闫云飞[ 1 ] 以王村煤业采煤机为研 究对象，研究截割电机在超载情况下扭转轴未发生 断裂的问题， 提出一种扭矩轴的设计方案， 通过对卸 荷槽及材料的优化，有效地解决了超载未断裂的问 题。 韩飞[ 2 ] 为了保障采煤机截割部的安全运行， 在原 有对采煤机过载保护的基础上，利用限距器对采煤 机的截割部扭转轴进行设计，通过现场实测验证了 设计的可行性。赵丽娟[ 3 ] 通过建立刚柔虚拟样机模 型对采煤机扭转轴的断裂特性进行模拟分析，并利 用断裂力学理论对采煤机扭转轴的受力进行研究， 为后续的对采煤机扭转轴的优化提供一定的借鉴。 谭永跃[ 4 ] 为了提升采煤机摇臂扭矩轴的安全槽过载 保护性能， 利 用ANSYS数值模拟软件对扭转轴进行 静力学分析,结合扭转静强度的安全系数， 得到了安 全槽的优化结构，有效地提升了采煤机摇臂的安全 性。本文通过数值模拟软件对采煤机扭转轴的三种 槽型进行静力学分析，通过对比分析给出了扭矩轴 卸荷槽最优尺寸及槽型。 1三种槽型应力对比分析 采煤机截割部的扭转轴其实际是一根传动轴， 在扭转轴的端头位置设置为空心圆轴直齿渐开线花 键形状， 用于动力的传递。在采煤机工作过程中， 当 截割电机所受的载荷强度大于额定负载时，此时的 采煤机摇臂部位的扭转轴发生断裂，及时保证电机 的安全。所以在进行扭转轴的设计时需要在接触电 机的位置进行卸荷槽的设计， 用于实现过载断裂， 保 证采煤机截割系统的安全。 为了对扭转轴进行优化设计，本文利用ahaqus 数值模拟软件对不同槽型U型 、V型 、I型 ） 的扭转 轴进行模拟。 首先进行模型的建模。 模型的建模利用 Solidworks进行模型的建立，分别对U型、V型、I型 三种槽型的扭转轴进行建模。模型尺寸建立后对模 型进行网格划分， 本文网格划分选用四边形划分法， 完成网格划分后对模型进行材料属性设置，根据扭 转轴的实际力学参数对模型进行设置，对模型的边 界条件及载荷进行设置， 提交作业进行模拟计算。 首先对U型槽型最小截面尺寸（ 直径）分别为 55 m m和57 m m的模型进行对比分析，计算结果图 如 1所示。 收稿日期2020-05-13 作者简介 史岩鹏（1 9 8 6 - ,男， 硕士， 毕业于太原科技大学， 工 程师,从事煤矿开采方面的工作。 1 - 2 横截面最小尺寸直径57 mm 图 1 U型槽不同横截面最小尺寸直径 应力M Pa 对比图 52 第3 5卷 根 据 图 1 可以看出，当横截面最小直径为55 mm时， 此时应力集中部位出现在卸荷槽的位置， 应 力的最大值为0.83 MPa,应力值明显较小， 应力分布 较为均匀， 此时模型整体的卸压效果较好。 当横截面 的最小直径增大至57 mm时 ， 此时卸荷槽的应力最 大值为6.96 MPa, 应力集中效果较横截面最小直径 55 mm时有所降低， 卸荷槽的应力集中效果减弱， 扭 转轴的断裂位置不明显。 对V型卸荷槽进行模拟，同样对不同最小截面 尺寸直径55 mm和 57 mm进行对比， 对比图如2所7K。 _ y i_ 2 - 1 横截面最小尺寸直径55 mm 图2 V型槽不同横截面最小尺寸直径应力M Pa 对比图 如 图 2 所示，当横截面最小尺寸为55 mm时， 此时应力集中部位出现在卸荷槽的位置，应力的最 大值为0.55 MPa， 应力分布较为均匀， 应力值较低， 对 比U型槽时应力分布均匀性有所降低， 此时卸荷 槽的最大应力值小于其工作额定载荷，在未发生超 载时也会发生断裂， 所以不符合要求。 当横截面的最 小尺寸增大至57 mm时 ， 此时卸荷槽的应力最大值 为 7.75 MPa，应力集中效果较横截面最小直径55 mm时有所降低， 卸荷槽的应力集中效果减弱， 槽径 所受的最大应力有所增大，但扭转轴的断裂位置仍 不明显。 对I型卸荷槽进行对比分析， 最小截面直径 选 择 55 mm和 57 mm,对比图如3 所示。 如 图 3 所示， 当横截面最小尺寸（ 直 径 ） 为 55 mm时 ， 此时应力集中部位出现在卸荷槽的位置， 应 力的最大值为0.87 MPa,应力分布最为均匀， 但应力 值较低， 且在卸荷槽位置的应力集中效果较差， 应力 的传递较好。当横截面的最小直径增大至57 mm 时 ， 此时卸荷槽的应力最大值为5.76 MPa,应力集中 分布的效果较U型和V型有所加强， 但卸荷槽的应 力集中现象减弱， 横截面的断裂不明显， 极易造成断 3 - 2 横截面最小尺寸直径57 mm 图3丨型槽不同横截面最小尺寸直径应力（MPa 对比图 裂面的不均性。 对比三种槽型扭转轴的应力云图可以看出， 当 卸荷槽为U行时，此时卸荷槽的应力效果减弱， 保 护截割部的效果较好， 且断裂形成后,卸荷槽形成的 断面效果最为理想。当卸荷槽选择为V型时， 此时 的卸荷槽应力集中减弱， 扭矩轴的传动效果较差， 导 致的传动效果不佳。当卸荷槽选择为I型时， 此时卸 荷槽的应力集中效果处于U型槽之后， 形成的断面 形状不明显， 影响截割机构对扭转轴的保护。 2应变对比及优化 同样对不同槽型下不同横截面积扭转轴的应变 进行对比， 发现在横截面尺寸直径55 mm下的应 变量分别为 3.54E-05、 3.27E-05、 3.165E-05,三种槽 型的变形量几乎相同， 将截面尺寸从55 mm提升至 57 mm时， 此时的卸荷槽的应变量分别为3.28E-09、 1.9E-05、 3.165E-05。 可以看出经过优化后U型槽的 抗变形能力明显加强， 在相同载荷下,其保护作用最 为明显， 对采煤机截割部的冲击保护最为明显。 综上所述，经过对三种槽型不同尺寸卸荷槽应 力应变的对比分析发现，将卸荷槽的直径从55 mm 提升至57 mm后 ， 应力集中现象减弱， 较为符合电 机的安全倍数， 且断裂时截面整齐， 保证了传动的 效率。 3结语 通过对采煤机扭转轴在三种槽型（U型 、I型及 V型进行静力学分析,给出了三种槽型下应力应变 云图， 经过对应力云图进行分析， 给出了各种槽型在 不同卸荷槽尺寸下的优缺点， 综合对比后发现U型 卸荷槽最为合理，在发生过载情况（下 转 第55页） 2020年第9期张俊杰关于SGB4318型刮板输送机驱动链轮的仿真与优化 55 效果明显， 优化方案是针对链轮的设计参数改进的， 所以对驱动链轮的结构设计具有参考意义。 5结论5结论 1 对影响链轮接触应力的三个因素作为变量建 模求解。 对九个试验分析模型进行分析， 选择了两个 影响最大的因素，并确定相对最优的链轮优化参数 为 a45 mm、 /30 mm、r24.2 mm。 2 优化后最大接触应力减小了 6.84， 最大应 变减少了 9.61， 对链轮结构参数的设计改进效果 明显， 为链轮的优化设计提供了理论指导， 为提高 链轮可靠性以及输送机整体的生产效益具有重要 意义。 参考文献参考文献 [ 1 ] 焦宏章， 杨兆建， 王淑平.刮板输送机链轮卡链工况下的动力学 特性分析[J].煤炭科学技术，2012，406 66-69. [ 2 ] 乔金虎.提高矿用刮板输送机链轮耐磨损性能的试验研究[J]. 山西煤炭管理干部学院学报，20084 108-109. [ 3 ] 马丽.国内外刮板输送机链轮组件的结构分析[J].煤矿机电， 20074-.42-43. [ 4 ] 毛君， 吴平稳， 张东升.刮板输送机机尾伸缩装置的理论研究 [J].起重运输机械，2004 11 39-42. [ 5 ] 刘广利， 吴坤， 魏泰.SGZ630刮板运输机链轮的有限元分析[J]. 中国产业，2011431. [ 6 ] 王淑平， 杨兆建， 王学文.刮板输送机驱动链轮磨损与啮合力学 行为[J].煤炭学报，2014，39 1 166-171. 编 辑 王 瑾 ） Simulation Optimal Design of Drive Sprocket of SGB4318 Scraper Conveyor Zhang Junjie Huozhou Coal Power Group Lyuliangshan Coal Power Co. , . , Ltd. , . , Fangshan Shanxi 033100033100 Abstract In view of the loss of key parts of scraper conveying mechanism, the stress of sprocket is studied based on mechanical analysis, the main failure s of driving sprocket are analyzed, and the structure of sprocket is optimized on this basis, and the stress distribution of optimized sprocket is compared with the original state to verify the effectiveness of the optimized design. The optimization results show that the maximum contact stress decreases by 6.84 and the maximum strain decreases by 9.61. The effect of improving the structural parameters of sprocket is obvious. Key words conveyor; drive wheel; optimized design 上 接 第52页） 时会及时发生断裂，发生断裂的位置较为集中且断 裂面较为平整， 对 壁 55 mm和 57 mm的应力分布发 现， 直径为57 mm时， 此时扭转轴的效果最佳。 参考文献参考文献 [ 1 ]闫云飞.王村煤业MG400/930-WD3.3型电牵引采煤机截割部 扭矩轴优化设计研究[J].山东煤炭科技，2020 2 118-119. [ 2 ] 韩飞.采煤机截割部过载保护分析[J].能源与节能，20187 34-35. [ 3 ] 赵丽娟， 李明昊， 范佳艺， 等.采煤机扭矩轴断裂特性数值模拟 [J].机械设计，2018，35 4 67-70. [ 4 ] 谭永跃.采煤机摇臂扭矩轴安全槽的设计[J].机械制造， 2015,53350-51. 编 辑 赵 婧 Research on the Optimal Design of the Torsional Shaft of the Shearer Cutting Part Shi Yanpeng Guandi Coal Mine of Shanxi Coking Coal Group Co. , . , Ltd. , . , Taiyuan Shanxi 030000 030000 Abstract In order to solve the problem that the shearers torsional shaft breaks under the condition of overload and the shearers cutting motor is not damaged in time, this paper takes mg900 / 2210-grd shearer as the research object, uses ABAQUS numerical simulation software to analyze the stress and strain of U-type, V-type and I-type torsional shaft, and gives the optimal design of torsional shaft for the shearer The design of the machine torsion shaft provides some reference. Key words torsion shaft; unloading groove; numerical simulation