煤礦提升絞車傳動(dòng)輪系優(yōu)化設(shè)計(jì)*

高 英, 李硯峰

(太原科技大學(xué)，山西 太原 030024)

1 引 言

絞車是煤礦中的重要機(jī)械設(shè)備，主要用在提升、調(diào)度、耙礦和鑿井等采掘和運(yùn)輸場(chǎng)合，隨著我國(guó)在裝備制造、材料加工及控制技術(shù)方面的不斷發(fā)展，礦用絞車在動(dòng)力性、節(jié)能性和安全性等方面都取得了進(jìn)步。由于絞車的工作負(fù)載變化范圍、頻率較大，所以需要保證其足夠大的驅(qū)動(dòng)力矩、平穩(wěn)的調(diào)速性能及良好的操作性和可靠性[1]。

目前，在多數(shù)煤礦中使用的絞車設(shè)備普遍存在經(jīng)濟(jì)性、防爆性、調(diào)速性、操作性等方面中的一種或數(shù)種缺陷，難以達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)的完美均衡?；诖?，筆者提出一種使用行星差動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速的技術(shù)方案，并進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

2 提升絞車傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)規(guī)格與參數(shù)

選定JTB-0.8×0.6A型絞車作為研究對(duì)象，其技術(shù)參數(shù)如表1所列。

2.2 提升絞車的整體設(shè)計(jì)

傳動(dòng)裝置是決定絞車提升能力的核心所在，體積小、質(zhì)量輕、承載能力大、效率高、壽命長(zhǎng)是其考核標(biāo)準(zhǔn)和發(fā)展趨勢(shì)的要求。若要通過(guò)普通齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)較

大的傳動(dòng)比，則需要進(jìn)行多級(jí)嚙合、配套使用，這將導(dǎo)致輪系機(jī)構(gòu)繁瑣、龐大、笨重及效率低等多種弊端，蝸輪蝸桿傳動(dòng)雖然較之普通齒輪傳動(dòng)比有所增大，但仍無(wú)法滿足特殊場(chǎng)合的需要，且因磨損及應(yīng)力集中的問(wèn)題常表現(xiàn)出可靠性差、壽命短等缺點(diǎn)。

表1 技術(shù)規(guī)格及參數(shù)

行星齒輪是廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)備、儀器和儀表等領(lǐng)域的傳動(dòng)方式，按照齒輪的嚙合方式不同，其傳動(dòng)方式有NGW、NW、NN、NGWN和ZUWGW型等，較之普通齒輪和蝸輪等傳動(dòng)方式，行星傳動(dòng)方式具有如下特點(diǎn)[2]：

(1) 均布在中心輪周圍的行星輪可起到分擔(dān)載荷的作用，從而可減小各齒輪的載荷及模數(shù)。

(2) 行星輪中獨(dú)特的內(nèi)嚙合方式具有較高的承載力并空出較大容積；另外，各中心輪處在一條軸線上，這些都使機(jī)構(gòu)整體外形尺寸減小，緊湊性好。

(3) 采用合理的傳動(dòng)類型及齒輪配合方案，可實(shí)現(xiàn)極大的傳動(dòng)比；由于行星輪機(jī)構(gòu)中可轉(zhuǎn)動(dòng)的基本構(gòu)件較多，易通過(guò)運(yùn)動(dòng)的合成與分解實(shí)現(xiàn)有級(jí)和無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)。

(4) 均布在中心輪周圍的行星輪可起到抵消中心輪和軸承反作用力、慣性力、沖擊力的作用，分流效果較好，可大幅提高機(jī)械效率。

(5) 在擁有以上優(yōu)越性的同時(shí)，行星齒輪傳動(dòng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度要求高、潤(rùn)滑和散熱性能差。

綜上所述，可看出行星傳動(dòng)能夠很好地契合該文提升絞車的應(yīng)用特點(diǎn)，選擇NGW嚙合方式的行星輪展開(kāi)分析。提升絞車的傳動(dòng)流程如圖1所示。

圖1 提升絞車的傳動(dòng)簡(jiǎn)圖

從圖1中可看出，其動(dòng)力傳遞路線為：電機(jī)-太陽(yáng)輪-行星輪-內(nèi)齒輪-行星架-斜齒輪-滾筒。在該輪系中，可通過(guò)對(duì)內(nèi)齒輪進(jìn)行調(diào)速，實(shí)現(xiàn)行星架的無(wú)級(jí)調(diào)速輸出，使卷筒達(dá)所需工作轉(zhuǎn)速。除動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)外，系統(tǒng)還需設(shè)置制動(dòng)、操縱、指示及卷?yè)P(yáng)等系統(tǒng)裝置[3]。

3 提升絞車各總成設(shè)計(jì)

3.1 輪系設(shè)計(jì)

根據(jù)表1中給出的數(shù)據(jù)，確定采用YZ00l2-6 型電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。結(jié)合傳動(dòng)方案，選擇直齒圓柱齒輪類型，8級(jí)精度的40 Cr調(diào)質(zhì)鋼材質(zhì)。為滿足行星輪傳動(dòng)時(shí)的傳動(dòng)比、鄰接、同心、裝配等條件，通過(guò)查表并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)確定得到太陽(yáng)輪齒數(shù)為Za=25，內(nèi)齒圈齒數(shù)為Zg=36，行星輪齒數(shù)為Zb=98，m值均為2.5；一大一小斜齒輪齒數(shù)分別為65和44，m=5；一大一小輸出齒輪齒數(shù)分別為300和54，m=3。根據(jù)所確定的齒數(shù)，計(jì)算得出0～3軸的轉(zhuǎn)速分別為：970 r/min，197 r/min，481 r/min，131 r/min；根據(jù)卷筒軸的最終輸出功率(15 kW)結(jié)合查表得到的效率值可計(jì)算得0～2各軸對(duì)應(yīng)的功率為：22 kW，18.5 kW，17.7 kW，轉(zhuǎn)矩為215.9 N·m，298.4 N·m，1384.98 N·m。

3.2 箱體及提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于行星輪系布置較為復(fù)雜，所以采用鑄鐵箱體，將其分為上下兩部分，便于拆卸。根據(jù)前文所述，確定箱體的外部尺寸為(長(zhǎng)×寬×高)：642 mm×312 mm×435 mm，箱體壁厚58 mm。

提升絞車的滾筒有焊接和鑄焊兩種結(jié)構(gòu)，根據(jù)本文提升機(jī)的使用特點(diǎn)，選擇采用焊接方式，制動(dòng)支輪和右支輪采用剖分結(jié)構(gòu)。為保證軸承座的剛性，采用加強(qiáng)筋對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行輔助支撐，并保證座孔之間的同心度。

4 提升絞車輪系的優(yōu)化設(shè)計(jì)

4.1 軸系優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于輪系中支撐齒輪的關(guān)鍵部件對(duì)其整體的工作壽命至關(guān)重要，因此選擇太陽(yáng)輪軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，并將分析結(jié)果作為軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)要素。

在Pro/E三維造型軟件中建立太陽(yáng)輪軸模型，并將其導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行分析，在其軸承位置加載20 kN載荷[4]。由于該部件受彎、扭合成作用，所以得到其在x、y方向上應(yīng)力分布和xz和yz方向上的剪力分布云圖如圖2所示，可看出，在載荷作用點(diǎn)及軸承邊與軸接觸處的應(yīng)力較大且趨于集中。

針對(duì)以上分析結(jié)果，需進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：對(duì)軸肩及接觸處增加過(guò)渡圓角或采取表面強(qiáng)化處理。

圖2 太陽(yáng)輪軸應(yīng)力分析云圖

4.2 輪系優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于齒輪動(dòng)態(tài)接觸分析涉及到非線性的問(wèn)題，結(jié)合以往的齒輪強(qiáng)度理論和實(shí)驗(yàn)分析方法，通過(guò)建立齒輪有限元模型并從動(dòng)力學(xué)角度對(duì)其分析，基于LS-DYNA平臺(tái)分析計(jì)算齒輪的應(yīng)力應(yīng)變情況。 在LS-DYNA軟件中選擇實(shí)體solid164與shell163單元。由于齒輪網(wǎng)格劃分較復(fù)雜，這里通過(guò)將三維模型導(dǎo)入軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并輔以布爾運(yùn)算操作，最后得到行星輪系的整體有限元模型如圖3所示。

圖3 齒輪有限元模型

在模型網(wǎng)格劃分之后要進(jìn)行相關(guān)的自由度約束和載荷加載，對(duì)于提升絞車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，動(dòng)力由電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸輸入，因此需要約束太陽(yáng)輪x、y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在z方向施加轉(zhuǎn)速；并限制行星輪x、y方向的位移及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；對(duì)內(nèi)齒圈進(jìn)行固定約束[5]。另外，較為真實(shí)的模擬齒輪實(shí)際運(yùn)行情況，選用LS-DYNA中的接觸控制程序，在軟件后處理中得到運(yùn)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 行星齒輪結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況

從圖4中可看出，行星齒輪嚙合過(guò)程中的最大應(yīng)力集中在太陽(yáng)輪上，是由于其受到的接觸應(yīng)力較為復(fù)雜。截取1s內(nèi)的應(yīng)力變化情況如圖5所示，可看出齒輪嚙合過(guò)程中，動(dòng)態(tài)碰撞導(dǎo)致輪齒接觸處應(yīng)力最大。

圖5 行星齒輪結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力變化

針對(duì)以上分析結(jié)果，需要進(jìn)行如下優(yōu)化設(shè)計(jì)：對(duì)齒輪表面采取滲碳+淬火+低溫回火，并進(jìn)行表面發(fā)黑處理。

5 結(jié) 論

選定JTB-0.8×0.6A型絞車作為研究對(duì)象，結(jié)合其技術(shù)參數(shù)提出選用NGW嚙合方式的行星輪作為其傳動(dòng)方式，再將行星輪系作為主要優(yōu)化對(duì)象進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

(1) 通過(guò)基于ANSYS 平臺(tái)進(jìn)行太陽(yáng)輪軸進(jìn)行應(yīng)力分析，得出軸肩及與齒輪和軸的接觸處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，對(duì)軸肩及接觸處增加過(guò)渡圓角或采取表面強(qiáng)化處理。

(2) 通過(guò)基于LS-DYNA平臺(tái)分析計(jì)算齒輪的應(yīng)力應(yīng)變情況，得出行星齒輪嚙合過(guò)程中的最大應(yīng)力集中在太陽(yáng)輪上，且動(dòng)態(tài)碰撞導(dǎo)致輪齒接觸處應(yīng)力最大，需要對(duì)齒輪表面采取滲碳+淬火+低溫回火，并進(jìn)行表面發(fā)黑處理。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳桂權(quán)．煤礦斜巷絞車的選型與驗(yàn)算[J]．科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(9)：88-89．

[2] 高曉轉(zhuǎn)．生產(chǎn)礦井主提升絞車更換改造方法[J]．煤礦機(jī)械，2011，32(11)：184-185．

[3] 楊志強(qiáng)．煤礦提升絞車設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]．科技與企業(yè)，2012(5)：141-143．

[4] 劉慶水，梁慶前，莫 魁，等．礦用提升絞車改進(jìn)后的先進(jìn)性[J]．煤礦機(jī)械，2008，29(5)：133-144．

[5] 趙金明，毛寶霞，張 豪．煤礦矸石山的提升機(jī)的技術(shù)改造[J]．煤礦機(jī)電，2010(6)：101-102．