吳衛(wèi)東,郭昌利

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，河北 張家口 075000)

采煤機(jī)扭矩軸卸載槽表面粗糙度的穩(wěn)健特性

吳衛(wèi)東1,郭昌利2

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱 150022；2.張家口中地裝備探礦工程機(jī)械有限公司，河北 張家口 075000)

采煤機(jī)截割部扭矩軸卸載槽表面粗糙度對(duì)其使用性能有著密切的關(guān)系。從斷裂力學(xué)角度分析表面粗糙度穩(wěn)健特性，應(yīng)用Ansys軟件建立了扭矩軸卸載槽表面粗糙度裂紋簡(jiǎn)化有限元模型。用不同裂紋長(zhǎng)度來模擬表面粗糙度大小，并求解出相應(yīng)裂紋尖端場(chǎng)應(yīng)力強(qiáng)度因子，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab擬合，得到扭矩軸卸荷槽表面粗糙度數(shù)值大小與應(yīng)力強(qiáng)度因子存在非線性函數(shù)關(guān)系。當(dāng)粗糙度超過某一數(shù)值后，應(yīng)力強(qiáng)度因子迅速增加。表面粗糙度穩(wěn)健性較好的區(qū)域是0.4～4.8 μm。該研究為采煤機(jī)扭矩軸卸載槽的表面粗糙度設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

采煤機(jī)；扭矩軸；穩(wěn)??；應(yīng)力強(qiáng)度因子

采煤機(jī)截割部扭矩軸除傳遞功率、彈性緩沖外，當(dāng)采煤機(jī)處于嚴(yán)重超載時(shí)，其卸載槽處發(fā)生斷裂，使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)與截割電機(jī)斷開，避免其他傳動(dòng)件因載荷過大而損壞，從而實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)的作用[1-3]。由于扭矩軸設(shè)計(jì)參數(shù)、表面加工質(zhì)量等原因，扭矩軸在工作過程中可靠性較低。有時(shí)，嚴(yán)重超載而未及時(shí)斷裂；又有時(shí)，超載負(fù)荷在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)而出現(xiàn)斷裂，導(dǎo)致不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

從斷裂力學(xué)角度，應(yīng)力強(qiáng)度因子是表征裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)弱的一個(gè)量，也是線彈性斷裂力學(xué)中判定裂紋擴(kuò)展的最重要的量，裂紋的靜止、平衡或擴(kuò)展，都與裂紋尖端附近的應(yīng)力強(qiáng)度因子有直接關(guān)系。將扭矩軸卸載槽表面加工刀痕簡(jiǎn)化為裂紋，故采煤機(jī)扭矩軸表面加工質(zhì)量的優(yōu)劣與它的斷裂參數(shù)有著密切的關(guān)系。若表面粗糙度值過大，在工作中會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并在峰谷間容易產(chǎn)生裂紋，使扭矩軸發(fā)生非保護(hù)性斷裂失效，直接影響著扭矩軸的使用性能。

由于有限元方法不受裂紋體幾何以及載荷形式的限制，在裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用[4-9]。文中應(yīng)用ANSYS軟件，通過創(chuàng)建一個(gè)表征表面粗糙度大小的裂紋微結(jié)構(gòu)，對(duì)裂紋進(jìn)行控制分網(wǎng)，對(duì)扭矩軸卸載槽進(jìn)行斷裂力學(xué)分析，研究扭矩軸卸載槽表面粗糙度大小與應(yīng)力強(qiáng)度因子關(guān)系。

1 表面粗糙度裂紋模型

采煤機(jī)扭矩軸卸載槽的基本結(jié)構(gòu)大多采用 U、V 或二次曲線形，以產(chǎn)生缺口效應(yīng)。某型采煤機(jī)截割電機(jī)額定功率為300 kW、額定轉(zhuǎn)速為1 475 r/min、額定扭矩為1 942 Nm，扭矩軸外徑72.2 mm，采用U形卸載槽結(jié)構(gòu)，卸載槽內(nèi)徑42 mm、外徑為68 mm、圓弧半徑10 mm，如圖1所示。

圖1 扭矩軸結(jié)構(gòu)Fig.1 Torque shaft structure

1.1 裂紋基本類型

從外載荷對(duì)其作用形式的不同，裂紋基本可以分為三種類型，即張開型(Ⅰ型)、滑開型(Ⅱ型)、撕開型(Ⅲ型)，如圖2所示。

a 張開型 b 滑開型 c 撕開型

當(dāng)含有裂紋的構(gòu)件既受到正應(yīng)力的作用，同時(shí)又受剪應(yīng)力的作用，或正應(yīng)力方向和裂紋方向存在一個(gè)角度，那么就會(huì)產(chǎn)生復(fù)合型裂紋。因此，實(shí)際含裂紋構(gòu)件的裂紋形態(tài)大多是兩種基本型或三者的混合。

1.2 裂紋對(duì)材料強(qiáng)度的影響

如圖3所示，一受拉力作用的板，如果沒有裂紋存在，其應(yīng)力流線均布于整個(gè)板；如果存在裂紋，在裂尖區(qū)域一定會(huì)有應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)力流線則會(huì)在裂尖周圍高度密布，而在裂尖稍遠(yuǎn)處，應(yīng)力流線的分布又變得均勻。

a 無(wú)裂紋板 b 含裂紋板

由于與裂紋尖端的曲率半徑直接影響到裂紋尖端部分的應(yīng)力集中程度。因此，應(yīng)力集中程度隨著裂紋尖銳程度的升高而越發(fā)變得嚴(yán)重，這種現(xiàn)象最終使得材料的理論斷裂強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其實(shí)際斷裂強(qiáng)度。

1.3 表面粗糙度裂紋模型的簡(jiǎn)化

為了研究卸載槽處表面粗糙度與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系，考慮機(jī)械加工特性，作如下簡(jiǎn)化處理：

(1)為方便分析及節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將扭矩軸軸向進(jìn)行簡(jiǎn)化，只取卸載槽部分進(jìn)行分析；

(2)為了模擬表面粗糙度，假設(shè)在卸載槽根部有一個(gè)表面線狀裂紋，如圖4所示。

a 卸載槽局部三維圖

b 裂紋位置

2 有限元模型的建立

采煤機(jī)扭矩軸材料為40Cr，材料力學(xué)彈性模量為2.06×105MPa、泊松比為0.3。

2.1 單元類項(xiàng)的選擇

由于尖端位移處的奇異性，若采用有限元分析中的常規(guī)單元位移模式，即使采用很密的有限元網(wǎng)格也亦出現(xiàn)應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的奇異問題，不僅增加計(jì)算量而且達(dá)不到足夠的計(jì)算精度。因此，為了保證結(jié)果收斂性，裂紋前沿的單元應(yīng)該采用具有中節(jié)點(diǎn)位于四分之一處的奇異單元。在ANSYS軟件中20節(jié)點(diǎn)的SOLID95具有塑性、蠕變、應(yīng)力剛度、大變形和大應(yīng)變能力，特別是其裂紋前緣可蛻變成的四分之一奇異單元。

2.2 卸載槽裂紋模型的建立

采用 ANSYS軟件逐節(jié)點(diǎn)建模和實(shí)體建模相結(jié)合的方法，完成帶裂紋卸載槽實(shí)體模型的建立。

(1)在卸載槽處通過旋轉(zhuǎn)建立兩個(gè)面，在裂紋前緣兩端產(chǎn)生關(guān)鍵點(diǎn)，如圖5所示。其中關(guān)鍵點(diǎn)137和140所在直線為裂紋前緣。

圖5 旋轉(zhuǎn)生成面Fig.5 Sketch of rotating face

(2)將上一步創(chuàng)建的兩個(gè)面沿徑向拉伸，形成兩個(gè)微結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 拉伸成的微結(jié)構(gòu)Fig.6 Small body by extruding

(3)用Booleans>Subtract>With Optio-ns>Volums命令對(duì)體進(jìn)行布爾運(yùn)算，將上一步驟中產(chǎn)生的微結(jié)構(gòu)與卸載槽合并成為一個(gè)整體。

(4)為了滿足裂紋前緣奇異性的要求，利用ANSYS自帶的命令KSCON(Main Menu>Preprocessor>Meshing-SizeCntrls>Concentrat KPs-Create)，對(duì)裂紋前緣兩端點(diǎn)137和140進(jìn)行設(shè)置。

(5)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，特別注意網(wǎng)格的尺寸盡可能小以達(dá)到較高的精度，如圖7所示。

圖7 卸載槽整體網(wǎng)格Fig.7 Rrid of relief groove entity

2.3 邊界及載荷條件處理

在計(jì)算模型的一個(gè)端面施加固定約束，另一個(gè)面施加扭矩；并按截割電機(jī)額定功率的3倍扭矩加載，如圖8所示。

圖8 約束與加載Fig.8 Constraints and loading

3 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

在ANSYS軟件后處理過程中，首先定義局部坐標(biāo)系，其次定義節(jié)點(diǎn)路徑，然后計(jì)算出不同裂紋長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)張開型(Ⅰ型)、滑開型(Ⅱ型)、撕開型(Ⅲ型)三種裂紋下其尖端場(chǎng)應(yīng)力強(qiáng)度因子KI、KII、KIII，如表1所示。

表1 不同裂紋長(zhǎng)度下的應(yīng)力強(qiáng)度因子Table 1 Stress intensity factor of crack by different length

利用Matlab軟件，得到裂紋長(zhǎng)度亦即表面粗糙度與KI、KII、KIII三種裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)據(jù)擬合關(guān)系曲線，如圖9所示。

(1)從結(jié)果中看出，對(duì)于受扭轉(zhuǎn)載荷的扭矩軸類零件，III型應(yīng)力強(qiáng)度因子的數(shù)值要大于I型和II型，即表現(xiàn)為撕開型裂紋。

(2)從圖9a中可以看出，裂紋長(zhǎng)度0.4～4.8 μm時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KI增加相對(duì)比較平緩；裂紋長(zhǎng)度4.8～8.0 μm時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KI增幅變化明顯；裂紋長(zhǎng)度8.0～12.5 μm時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KI增幅變化放緩。穩(wěn)健性較好的區(qū)域是0.4～4.8 μm和8～10 μm。

(3)從圖9b中可以看出，裂紋長(zhǎng)度小于0.4～4.8 μm時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KII增加相對(duì)比較平緩；裂紋長(zhǎng)度4.8～8.0 μm時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KII增幅變化明顯；裂紋長(zhǎng)度8～11 μm時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KII增幅變得相對(duì)平穩(wěn)；裂紋長(zhǎng)度超過11 μm時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KII又出現(xiàn)增幅上升趨勢(shì)。其中穩(wěn)健性較好的區(qū)域是0.4～4.8和8.0～11.0 μm。

a 張開型

b 滑開型

c 撕開型

(4)從圖9c中可以看出，裂紋長(zhǎng)度小于6.4 μm時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KIII增幅相對(duì)平緩；裂紋長(zhǎng)度大于6.4 μm時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子KIII增幅變化明顯。穩(wěn)健性較好的區(qū)域是0.4～6.4 μm。

4 結(jié) 論

在對(duì)采煤機(jī)扭矩軸卸載槽表面加工質(zhì)量分析模型簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上，依據(jù)斷裂力學(xué)理論從粗糙度角度對(duì)扭矩軸表面質(zhì)量特性進(jìn)行了一些探索研究，求解出不同卸載槽表面粗糙度數(shù)值所對(duì)應(yīng)的裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子，得到如下結(jié)論：

(1)采用逐節(jié)點(diǎn)建模和實(shí)體建模相結(jié)合方法，建立利用構(gòu)造裂紋模擬表面粗糙度的有限元奇異單元法模型。該方法可行，應(yīng)力強(qiáng)度因子可以更為準(zhǔn)確地反映表征粗糙度大小裂紋處的應(yīng)力場(chǎng)狀況。

(2) 對(duì)采煤機(jī)扭矩軸卸載槽表面粗糙度與KI、KII、KIII三種應(yīng)力強(qiáng)度因子存在非線性關(guān)系；隨著粗糙度數(shù)值的增大，三種類型的應(yīng)力強(qiáng)度因子整體上都是逐漸增加，亦即裂紋尖端處應(yīng)力場(chǎng)逐漸增強(qiáng)，且以撕開型裂紋為主。

(3)采煤機(jī)扭矩軸卸載槽表面粗糙度穩(wěn)健性較好的區(qū)域是0.4～4.8 μm，從實(shí)際應(yīng)用角度，卸載槽表面粗糙度建議取0.8～3.2 μm。

致謝：

該論文獲得黑龍江省領(lǐng)軍人才梯隊(duì)后備帶頭人項(xiàng)目的支持。

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(編輯 晁曉筠 校對(duì) 李德根)

Robust characteristic research on roughness of shearer torque shaft

WuWeidong1，GuoChangli2

(1.School of Mechanical Engineering，Heilongjiang University of Science & Technology， Harbin 150022，China; 2.Zhangjiakou Geo-Machinery Co.Ltd.,Zhangjiakou 075000，China)

This paper provides a better insight into the close relationship between the surface roughness of the torque shaft relief groove on the shearer cutting unit and its performance.The study building on the analysis of the robustness of surface roughness from the perspective of fracture mechanics includes the development of a finite element model of the torque shaft relief groove’s surface roughness crack using Ansys; and the simulation of the surface roughness with different crack lengths to address the stress intensity factor at the crack tip,followed by the application of the data fitting with Matlab for the identification of the nonlinear function relationship between the numerical value of the surface roughness and the stress intensity factor——the stress intensity factor tends to show a rapid increases when the roughness exceeds a certain value.The results demonstrate that the ranges with a better robustness for surface roughness are 0.4 ～ 4.8 μm,providing a basis for the design of the surface roughness of the torque shaft relief groove on the shearer cutting unit.

shearer; torque shaft; robust; stress intensity factor

2017-02-20

吳衛(wèi)東(1967-)，男，江蘇省沛縣人，教授，研究方向：礦山機(jī)械設(shè)計(jì)及理論，E-mail:wu-weidong@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.02.002

TD421.61

2095-7262(2017)02-0104-05

A