采煤机摇臂扭矩轴设计
武文虎，杨兆建，范秋霞
太原理工大学机械工程学院 太原 030024
摘要：为充分发挥采煤机摇臂扭矩轴安全槽的过载保护功能，对安全槽进行结构改变及槽深改变，并用ANSYS进行静力学分析，结合扭转静强度安全系数获得安全槽的最优化结构来确保发挥扭矩轴在实际生产应用中作用。 关键词: 采煤机;扭矩轴;安全槽;设计
Design of wrench moment axis of Rocker-arm of the thin coal seam shearer
Wu Wenhu, Yang Zhaojian, Fan Qiuxia，
(Institute of Mechanical Engineering of Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024)
Abstract: In order to made the safety groove of wrench moment axis of Rocker-arm of the thin coal seam sheare play a protection when power is overloaded role,we change structure and groove depth of the safety groove and make static analysis of its.We determine the optimal structure of safety groove to ensure that the function of safety groove can be realized in the actual production. Key words:thin coal seam shearer;wrench moment axis; safety groove; design
*
由于截割条件恶劣,导致采煤机的滚筒在实际工作中所承受的外载荷是随机变化的[1]。如何保证采煤机摇臂在比较复杂的工作环境下能够长期使用是采煤机正常工作的关键问题。现在比较多见的是对摇臂壳体、传动零部件及液压系统进行优化，由于摇臂扭矩轴在电机内部且随同电机销售，摇臂扭矩轴作为摇臂工作的源动力反而被忽略。现在对于摇臂扭矩轴的分析也只是对安全槽进行简单的结构变化来获取最大应力作为安全槽的结构。本次通过对安全槽进行全方面的结构改变及深度变化并且结合扭转静强度安全系数来进行分析，确保发挥安全槽在实际生产应用中作用。 1 问题的提出
采煤机的截割动力是由电动机通过扭矩轴传给一轴齿轮，再由其它直齿轮和行星齿轮等传递给截割滚筒的。其中，电机的扭矩轴不仅起到传递动力的作
用，而且还承担过载保护的作用[2]。在实际生产应用中，为确保采煤机摇臂电机的长久的使用，扭矩轴需要在达到一定的载荷时断裂，而又得保证在正常载荷下能有一定的强度，这样就存在了扭转静强度安全系数。在以往的研究中，很多学者对摇臂扭矩轴也进行了分析，但是只是简单的改变安全槽的形状（三种形状）也没有结合扭转静强度安全系数进行分析，这样就疏漏了很多情况且无法保证扭矩轴在达到一定的载荷时发生断裂，本次分析采用七种情况来进行分析，同时结合安全系数进行对比计算，以保证达到一种很好的效果。 2 安全槽形状设计及参数确定
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[3],如图
图一 扭矩轴基本结构图
一所示。扭矩轴在正常工作时轴向受力图如图二所示，由图二可见扭矩轴的失效形式主要是卸载槽的断裂，在实际生产应用中既需要从分发挥其传动强度，又需要保证其起到过载保护的功用。安全槽的设计成为摇臂扭矩轴能否应用到实际生产中得关键问题。
图二 扭矩轴轴向受力分布图
2.1材料的选择
为合理选择扭矩轴材料，应综合考虑下列因素：为满足抗疲劳、抗冲击性能，要求由一定的芯部硬度；扭矩轴与第一级轴齿轮通过花键链接，其表面要和齿轮材料相啮合，故应保证扭矩轴材料在强度上与齿轮材料基本吻合；生产厂家对某种材料的热处理工艺的稳定程度及技术成熟情况应能满足一定的性能要求[4]。20CrNiMo是优质调质钢，调质后有良好的综合力学性能，低温冲击韧性很高，淬火低温回火或高温回火后都有较高的疲劳强度和低得缺口敏感度，中等淬透性，用于截面较大的，受冲击载荷的高强度零件。因此，本次试验选择材料20CrNiMo，其中δb=980Mpa，δs=785Mpa[5]。
2.2安全槽形状的设计
现在工程机械中常使用的安全槽的形状是U槽、V槽、矩形槽及梯形槽，本次设计安全槽结构的变化如下图三所示。分析首先对矩形槽、U形槽、梯形槽1、梯形槽2、梯形槽3及V形槽保
证深度一定、载荷与约束不变的情况下进行分析，以获得安全槽的最优形状，然后在对比图一的扭矩轴中设计如下的安全槽的形状，如图3
所示。
图三不同的安全槽
2.3扭转静强度安全系数的确定
由于扭矩轴只是受扭矩的作用，扭矩轴主要受扭转切应力的作用。扭转静强度安全系数受到电机启动要求、过载强度要求及系统的弹性缓冲要求的作用，根据[n]=3~2.2[6]，取n=2.5。 三：结果分析 由[τ]=（0.55~0.62）
δ[5]
s=432~487Mpa，为保证扭矩轴的过载保护能发挥作用，取[τ]=487Mpa，在此情况下求解得到的各种形状的安全槽所需要加载的扭矩见下表一。
）
此电机正常施加扭矩为4839.5N.M，根据扭转静强度安全系数得到安全槽在达到扭转静强度安全系数时断裂所需要的扭矩为12100N.M，对比表一得到最佳安全槽形状为U槽2。 四：结束语
本次试验对某煤机公司使用的摇臂扭矩轴进行了不同安全槽的扭断时所加载的扭矩分析，结果表明原设计的扭矩轴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安全槽形状, 对安全槽进行了形状的改变及对原安全槽进行加深，分别对其进行静力学分析，得到当U槽深度加深1mm时能很好的满足工程实际生产需要，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] 吴卫东,安兴伟.基于ANSYS的采煤机摇臂的有限元分析[J].煤矿机械 ,2009,30(5):77~78.
[2] 王振乾,杨丽伟,陶震.采煤机摇臂扭矩轴的有限元分析[J].煤矿机电 ,2006,(5):92~93. [3] 赵丽娟,周宇.采煤机扭矩轴设计[J].现代制造工程,2009,(5):111~114.
[4] 赵晓斌.弹性扭矩轴的设计[J].煤炭技术,2004,23(7):23~24.
[5] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004
[6] 刘春生,靳立红,闫晓林.采煤机弹性扭矩轴功能设计[J].矿山机械,2009,37(9):1~2. 论文资助项目：
山西省科技基础条件平台建设项目、山西省科学技术发展计划项目、山西省科技重大专项项目资助（课题编号：2010091014、：[1**********]-04、[1**********])
作者简介：武文虎，1986.05，男，汉，山西吕梁，太原理工大学在读硕士，主要研究方向是数字化与智能化设计。
地址：山西太原市迎泽西大街79号太原理工大学机械工程学院中区煤机楼202 电话：[1**********] 邮编：030024
Email：[email protected] 通信作者： 杨兆建，太原理工大学机械工程学院 教授、博导，电子邮箱：[email protected]
采煤机摇臂扭矩轴设计
武文虎，杨兆建，范秋霞
太原理工大学机械工程学院 太原 030024
摘要：为充分发挥采煤机摇臂扭矩轴安全槽的过载保护功能，对安全槽进行结构改变及槽深改变，并用ANSYS进行静力学分析，结合扭转静强度安全系数获得安全槽的最优化结构来确保发挥扭矩轴在实际生产应用中作用。 关键词: 采煤机;扭矩轴;安全槽;设计
Design of wrench moment axis of Rocker-arm of the thin coal seam shearer
Wu Wenhu, Yang Zhaojian, Fan Qiuxia，
(Institute of Mechanical Engineering of Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024)
Abstract: In order to made the safety groove of wrench moment axis of Rocker-arm of the thin coal seam sheare play a protection when power is overloaded role,we change structure and groove depth of the safety groove and make static analysis of its.We determine the optimal structure of safety groove to ensure that the function of safety groove can be realized in the actual production. Key words:thin coal seam shearer;wrench moment axis; safety groove; design
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由于截割条件恶劣,导致采煤机的滚筒在实际工作中所承受的外载荷是随机变化的[1]。如何保证采煤机摇臂在比较复杂的工作环境下能够长期使用是采煤机正常工作的关键问题。现在比较多见的是对摇臂壳体、传动零部件及液压系统进行优化，由于摇臂扭矩轴在电机内部且随同电机销售，摇臂扭矩轴作为摇臂工作的源动力反而被忽略。现在对于摇臂扭矩轴的分析也只是对安全槽进行简单的结构变化来获取最大应力作为安全槽的结构。本次通过对安全槽进行全方面的结构改变及深度变化并且结合扭转静强度安全系数来进行分析，确保发挥安全槽在实际生产应用中作用。 1 问题的提出
采煤机的截割动力是由电动机通过扭矩轴传给一轴齿轮，再由其它直齿轮和行星齿轮等传递给截割滚筒的。其中，电机的扭矩轴不仅起到传递动力的作
用，而且还承担过载保护的作用[2]。在实际生产应用中，为确保采煤机摇臂电机的长久的使用，扭矩轴需要在达到一定的载荷时断裂，而又得保证在正常载荷下能有一定的强度，这样就存在了扭转静强度安全系数。在以往的研究中，很多学者对摇臂扭矩轴也进行了分析，但是只是简单的改变安全槽的形状（三种形状）也没有结合扭转静强度安全系数进行分析，这样就疏漏了很多情况且无法保证扭矩轴在达到一定的载荷时发生断裂，本次分析采用七种情况来进行分析，同时结合安全系数进行对比计算，以保证达到一种很好的效果。 2 安全槽形状设计及参数确定
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[3],如图
图一 扭矩轴基本结构图
一所示。扭矩轴在正常工作时轴向受力图如图二所示，由图二可见扭矩轴的失效形式主要是卸载槽的断裂，在实际生产应用中既需要从分发挥其传动强度，又需要保证其起到过载保护的功用。安全槽的设计成为摇臂扭矩轴能否应用到实际生产中得关键问题。
图二 扭矩轴轴向受力分布图
2.1材料的选择
为合理选择扭矩轴材料，应综合考虑下列因素：为满足抗疲劳、抗冲击性能，要求由一定的芯部硬度；扭矩轴与第一级轴齿轮通过花键链接，其表面要和齿轮材料相啮合，故应保证扭矩轴材料在强度上与齿轮材料基本吻合；生产厂家对某种材料的热处理工艺的稳定程度及技术成熟情况应能满足一定的性能要求[4]。20CrNiMo是优质调质钢，调质后有良好的综合力学性能，低温冲击韧性很高，淬火低温回火或高温回火后都有较高的疲劳强度和低得缺口敏感度，中等淬透性，用于截面较大的，受冲击载荷的高强度零件。因此，本次试验选择材料20CrNiMo，其中δb=980Mpa，δs=785Mpa[5]。
2.2安全槽形状的设计
现在工程机械中常使用的安全槽的形状是U槽、V槽、矩形槽及梯形槽，本次设计安全槽结构的变化如下图三所示。分析首先对矩形槽、U形槽、梯形槽1、梯形槽2、梯形槽3及V形槽保
证深度一定、载荷与约束不变的情况下进行分析，以获得安全槽的最优形状，然后在对比图一的扭矩轴中设计如下的安全槽的形状，如图3
所示。
图三不同的安全槽
2.3扭转静强度安全系数的确定
由于扭矩轴只是受扭矩的作用，扭矩轴主要受扭转切应力的作用。扭转静强度安全系数受到电机启动要求、过载强度要求及系统的弹性缓冲要求的作用，根据[n]=3~2.2[6]，取n=2.5。 三：结果分析 由[τ]=（0.55~0.62）
δ[5]
s=432~487Mpa，为保证扭矩轴的过载保护能发挥作用，取[τ]=487Mpa，在此情况下求解得到的各种形状的安全槽所需要加载的扭矩见下表一。
）
此电机正常施加扭矩为4839.5N.M，根据扭转静强度安全系数得到安全槽在达到扭转静强度安全系数时断裂所需要的扭矩为12100N.M，对比表一得到最佳安全槽形状为U槽2。 四：结束语
本次试验对某煤机公司使用的摇臂扭矩轴进行了不同安全槽的扭断时所加载的扭矩分析，结果表明原设计的扭矩轴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安全槽形状, 对安全槽进行了形状的改变及对原安全槽进行加深，分别对其进行静力学分析，得到当U槽深度加深1mm时能很好的满足工程实际生产需要，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] 吴卫东,安兴伟.基于ANSYS的采煤机摇臂的有限元分析[J].煤矿机械 ,2009,30(5):77~78.
[2] 王振乾,杨丽伟,陶震.采煤机摇臂扭矩轴的有限元分析[J].煤矿机电 ,2006,(5):92~93. [3] 赵丽娟,周宇.采煤机扭矩轴设计[J].现代制造工程,2009,(5):111~114.
[4] 赵晓斌.弹性扭矩轴的设计[J].煤炭技术,2004,23(7):23~24.
[5] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2004
[6] 刘春生,靳立红,闫晓林.采煤机弹性扭矩轴功能设计[J].矿山机械,2009,37(9):1~2. 论文资助项目：
山西省科技基础条件平台建设项目、山西省科学技术发展计划项目、山西省科技重大专项项目资助（课题编号：2010091014、：[1**********]-04、[1**********])
作者简介：武文虎，1986.05，男，汉，山西吕梁，太原理工大学在读硕士，主要研究方向是数字化与智能化设计。
地址：山西太原市迎泽西大街79号太原理工大学机械工程学院中区煤机楼202 电话：[1**********] 邮编：030024
Email：[email protected] 通信作者： 杨兆建，太原理工大学机械工程学院 教授、博导，电子邮箱：[email protected]