SDB-19 型煤礦雙速絞車傳動(dòng)齒輪斷齒問題分析與改進(jìn)研究

張 強(qiáng)

（山西大同永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037024）

引言

礦用雙速絞車作為煤炭地面與井下運(yùn)輸?shù)募~帶，其工作的可靠性不僅關(guān)系著被運(yùn)人員、物料、設(shè)備等的安全性，還與煤炭采掘工作的效率息息相關(guān)，必須引起高度重視[1-3]。雙速絞車在工作過程中可以進(jìn)行雙速調(diào)整，即高度與低速，當(dāng)運(yùn)輸物料質(zhì)量較小時(shí)宜采用高速，保證物料的運(yùn)輸效率，當(dāng)運(yùn)輸物料質(zhì)量較大時(shí)宜采用低速，保證絞車具有足夠的牽引力[4-5]。絞車高速和低速轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)主要由齒輪完成，低速運(yùn)行下的絞車，傳動(dòng)齒輪將承受較大的載荷，一旦超過齒輪材料的屈服強(qiáng)度就會(huì)出現(xiàn)齒輪的破壞[6]。針對(duì)某企業(yè)在用SDB-19 雙速絞車低速齒輪斷齒問題，運(yùn)用ANSYS 有限元仿真分析，開展斷齒問題分析并進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于提高雙速絞車的可靠性具有重要意義。

1 雙速絞車結(jié)構(gòu)組成與工作原理

雙速絞車結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，其功能實(shí)現(xiàn)的動(dòng)力來源于電動(dòng)機(jī)，經(jīng)由帶式制動(dòng)輪聯(lián)軸器和減速箱進(jìn)行降速增扭，之后還要經(jīng)過開式的一級(jí)齒輪減速器傳輸至滾筒，驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。絞車內(nèi)部傳動(dòng)部件支撐位置均采用的滾動(dòng)軸承，底座為焊接結(jié)構(gòu)件，減速器包括兩種速度，即高速和低速。絞車呈現(xiàn)長條形，有利于設(shè)備的運(yùn)輸和安裝，同時(shí)高度尺寸不大，適應(yīng)于在采煤工作面較小的空間使用。使用的是較為成熟的傳動(dòng)方式，具有工作安全穩(wěn)定的特點(diǎn)，但是雙速絞車運(yùn)行過程中經(jīng)常出現(xiàn)低速齒輪斷齒的問題，嚴(yán)重影響了物料的運(yùn)輸效率和安全性，有必要進(jìn)行原因分析并提出改進(jìn)優(yōu)化措施。

圖1 雙速絞車結(jié)構(gòu)組成

2 低速傳動(dòng)齒輪有限元分析

2.1 齒輪三維模型建立

查閱雙速絞車低速傳動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)尺寸，運(yùn)用SolidWorks 三維建模軟件完成了低速傳功齒輪的模型建立。為了提高后續(xù)網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，減少仿真計(jì)算過程中的出錯(cuò)率，保證計(jì)算效率，對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡化，忽略了對(duì)齒輪防真計(jì)算結(jié)果影響不大的圓角、倒角等特征，建立完成的低速傳動(dòng)齒輪三維模型如圖2 所示。

圖2 低速傳動(dòng)齒輪三維模型

2.2 定義材料屬性與網(wǎng)格劃分

齒輪材料屬性定義之前需要將建立完成的三維模型另存為.igs 格式文件，之后直接導(dǎo)入ANSYS 仿真計(jì)算軟件中即可進(jìn)行材料屬性的定義，齒輪材料牌號(hào)為45 號(hào)鋼，熱處理工藝為正火處理，其彈性模量為 206 GPa，泊松比為 0.3，密度為 7 800 kg/m3，屈服強(qiáng)度約為420 MPa。有限元仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格劃分的質(zhì)量息息相關(guān)，依據(jù)低速傳動(dòng)齒輪的結(jié)構(gòu)及仿真分析要求，確定采用四面體網(wǎng)格類型，運(yùn)用自由劃分的方式完成齒輪網(wǎng)格的劃分工作，既能夠降低網(wǎng)格劃分的技術(shù)難度，又能節(jié)約網(wǎng)格劃分的時(shí)間，同時(shí)還能保證后續(xù)仿真計(jì)算過程的順利開展。

2.3 載荷和邊界條件施加

根據(jù)低速傳動(dòng)齒輪運(yùn)行實(shí)際情況，仿真過程中忽略齒輪制造安裝過程中制造誤差和安裝誤差，假設(shè)齒輪載荷能夠沿輪齒嚙合線均勻分布，齒輪軸的輸入功率約為6 kW，轉(zhuǎn)速為45 r/min，扭矩值為1.4×106N·mm，齒輪運(yùn)行過程中的法向力大小為21 kN，仿真時(shí)考慮不利條件下齒輪的應(yīng)力分布情況，即齒面為全齒寬接觸且接觸線靠近齒頂位置，輪齒所受的彎曲應(yīng)力最大。齒輪兩側(cè)為軸向固定，軸與齒輪之間采用鍵連接，實(shí)現(xiàn)齒輪的周向固定，軸與齒輪的配合限制了齒輪的徑向移動(dòng)，假設(shè)齒輪與軸之間為剛性連接，因此設(shè)置低速傳動(dòng)齒輪中心孔內(nèi)表面為全約束。

2.4 仿真結(jié)果分析

完成低速傳動(dòng)齒輪仿真分析前處理之后啟動(dòng)ANSYS 仿真分析軟件自帶求解器進(jìn)行強(qiáng)度分析計(jì)算，待仿真分析計(jì)算結(jié)束時(shí)調(diào)取低速傳動(dòng)齒輪的應(yīng)力應(yīng)變分布云圖，結(jié)果如圖3、圖4 所示。

圖3 低速傳動(dòng)齒輪應(yīng)力分布云圖

圖4 低速傳動(dòng)齒輪應(yīng)變分布云圖

由圖2 低速傳動(dòng)齒輪應(yīng)力分布云圖可以看出齒輪齒根部位工作過程中所受的彎曲應(yīng)力最大，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力數(shù)值為386 MPa，與齒輪材料的屈服強(qiáng)度極為接近，一旦出現(xiàn)載荷波動(dòng)就有可能出現(xiàn)輪齒斷裂問題，這也正是低速傳動(dòng)齒輪使用過程中出現(xiàn)斷齒的主要原因。

由圖3 低速傳動(dòng)齒輪應(yīng)變分布云圖可以看出齒輪的齒頂靠近輪緣的邊緣位置存在較大的應(yīng)變，其數(shù)值為0.025，其變形量相較于齒輪結(jié)構(gòu)尺寸而言極小，不會(huì)影響齒輪的正常運(yùn)行。

3 低速傳動(dòng)齒輪改進(jìn)策略

3.1 改進(jìn)策略分析

通過對(duì)低速傳動(dòng)齒輪運(yùn)行過程中應(yīng)力應(yīng)變的分析，得出了齒輪出現(xiàn)斷齒問題的原因是齒根位置存在應(yīng)力集中，最大彎曲應(yīng)力值接近齒輪材料的屈服極限。為此提出了低速傳動(dòng)齒輪改進(jìn)的一些策略：

1）采用更好性能的材料制作低速傳動(dòng)齒輪，以此提高齒輪整體的強(qiáng)度和韌性，確保齒輪使用過程中能夠承受較大的載荷，避免斷齒問題的發(fā)生；

2）嚴(yán)格控制低速傳動(dòng)齒輪的質(zhì)量和制造精度，包括原材料的金相組織及內(nèi)部缺陷、夾雜等，同時(shí)加工完成的齒輪要進(jìn)行無損探傷及制造精度的檢測(cè)；

3）嚴(yán)格控制低速傳動(dòng)齒輪箱內(nèi)潤滑油的清潔度，確保相互嚙合的齒輪之間不存在異物或者磨粒等，降低齒輪嚙合位置的磨損速率，保證齒輪較長的使用壽命；

4）減小低速傳動(dòng)齒輪齒根位置的過渡圓角，提高齒輪中單個(gè)輪齒的抗彎強(qiáng)度，保證齒輪運(yùn)行過程中具有足夠的承載能力；

5）保證低速傳動(dòng)齒輪安裝過程中的裝配質(zhì)量，尤其是齒輪與軸的同軸度，是保證齒輪不承受偏載的前提，必須對(duì)裝配之后的同軸度進(jìn)行檢測(cè)，使其滿足裝配精度要求；

6）定期對(duì)低速傳動(dòng)齒輪進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，及時(shí)更換潤滑油，觀察齒輪輪齒狀況，一旦出現(xiàn)異常及時(shí)更換齒輪，避免出現(xiàn)斷齒問題。

3.2 齒輪改進(jìn)設(shè)計(jì)

結(jié)合低速傳動(dòng)齒輪實(shí)際運(yùn)行情況及其改進(jìn)的難易程度，選擇減小輪齒根部過渡圓角的方法進(jìn)行優(yōu)化，既能保證低速傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的一致性，又能提高輪齒的抗彎強(qiáng)度。初始低速傳動(dòng)齒輪齒根過渡圓角半徑為0.5 mm，在此基礎(chǔ)上將低速傳動(dòng)齒輪齒根過渡圓角半徑設(shè)計(jì)為0.4 mm、0.3 mm 和0.2 mm，之后再次進(jìn)行低速傳動(dòng)齒輪三維模型的建立，導(dǎo)入ANSYS 有限元仿真軟件進(jìn)行分析。由分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出不同過渡圓角半徑下，低速傳動(dòng)齒輪嚙合位置的最大彎曲應(yīng)力分別為342 MPa、326 MPa 和318 MPa。在低速傳動(dòng)齒輪齒根過渡圓角半徑由0.5 mm 減小至0.4 mm 時(shí)，最大彎曲應(yīng)力降低較為明顯，降低近11.4%，之后隨著低速傳動(dòng)齒輪齒根過渡圓角的減小，最大彎曲應(yīng)力降低不明顯?；谏鲜龇治鼋Y(jié)果可得，當(dāng)?shù)退賯鲃?dòng)齒輪齒根過渡圓角半徑為0.4 mm 時(shí)，齒輪改進(jìn)效果較好。

4 應(yīng)用效果

為了驗(yàn)證低速傳動(dòng)齒輪改進(jìn)的效果，按照仿真計(jì)算結(jié)果得出的最佳根過渡圓角半徑數(shù)值進(jìn)行齒輪的加工制造，將其應(yīng)用于SDB-19 雙速絞車當(dāng)中并進(jìn)行了為期半年時(shí)間的跟蹤記錄。結(jié)果表明，改進(jìn)之后的低速傳動(dòng)齒輪運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠滿足SDB-19型雙速絞車使用要求，拆下觀察齒輪的使用情況發(fā)現(xiàn)齒輪磨損較輕，不存在斷齒趨勢(shì)。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士估計(jì)，齒輪改進(jìn)后降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用近10%，提高雙速絞車?yán)寐式?%，預(yù)計(jì)為企業(yè)產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益近150 萬元/a，取得了很好的改進(jìn)效果。