礦用絞車變速箱輸出軸結(jié)構(gòu)性能的研究

張繼發(fā)

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦用絞車作為煤礦開采中的重要設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用到了煤礦開采中[1]。變速箱輸出軸則是煤礦絞車中的重要部件，由于其使用環(huán)境惡劣，經(jīng)常受到較大外界載荷作用，導(dǎo)致輸出軸在使用過程中極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、磨損嚴重、結(jié)構(gòu)開裂等現(xiàn)象，輸出軸一旦出現(xiàn)故障，將對絞車的正常運行構(gòu)成重要威脅[2]。因此，在絞車工作原理分析基礎(chǔ)上，通過建立變速箱輸出軸的仿真模型，并有針對性地進行了輸出軸的優(yōu)化設(shè)計。這為提高輸出軸的結(jié)構(gòu)強度提供了重要研究保證。

1 絞車工作原理的分析

在煤礦開采中，礦用絞車主要起到對井下煤礦進行提升的作用，其結(jié)構(gòu)主要包括變速箱、變速箱輸出軸、滾筒、一級行星架、二級行星架、聯(lián)軸器、制動器、齒輪、電動機、鋼絲繩等部件，根據(jù)其不同的分類方式，可將絞車分為防爆型絞車、非防爆型絞車、單滾筒絞車、多滾筒絞車、電動絞車及風(fēng)動絞車等類型[3]。而本文研究的礦用絞車主要是防爆型絞車，主要通過液力傳動方式，將動力傳遞至滾筒處，并由此驅(qū)動變速機構(gòu)進行絞車速度的調(diào)節(jié)，最終實現(xiàn)將電能、液壓動能轉(zhuǎn)換為機械能的過程，絞車的工作原理圖如圖1所示[4]。此液壓傳動方式具有穩(wěn)定性好、自適應(yīng)性強、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點，可較好地實現(xiàn)對絞車電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與控制，并實現(xiàn)電機在一定范圍內(nèi)的無極調(diào)速操作[5]。目前，礦用絞車較多采用此驅(qū)動方式進行操作。

2 絞車變速箱輸出軸模型的建立

2.1 三維模型的建立

變速箱輸出軸作為礦用絞車中的重要部件，掌握其使用過程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律至關(guān)重要。因此，采用了Solidworks軟件，按照1：1比例，對輸出軸進行了三維模型建立。在建模過程中，為保證后文仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及較快的分析速度，首先將輸出軸上的螺紋孔、圓角、倒角進行特征省略，僅保留軸上的軸本體、鍵槽及花鍵槽等特征，由此，完成了變速箱輸出軸的三維模型建立，如圖2所示。

圖1 礦用絞車工作原理圖

圖2 絞車輸出軸三維模型

2.2 仿真模型的建立

結(jié)合建立的輸出軸三維模型，將其導(dǎo)入至Workbench軟件中，進行了仿真模型建立。由于整個絞車結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各部件的材料屬性也各不相同，而輸出軸實際使用時一般采用Q345、40Cr材料等[6]，因此，在該軟件中，對輸出軸進行了40Cr材料設(shè)置，該材料的主要性能參數(shù)如下頁表1所示。根據(jù)輸出軸端的結(jié)構(gòu)特點，對其進行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，并對輸出軸末端的花鍵處進行了網(wǎng)格加密，其網(wǎng)格劃分圖如下頁圖3所示。由于輸出軸的兩端分別與軸承與花鍵進行連接，故在其兩端承受著較大的載荷作用。結(jié)合實際情況，對輸出軸的首端施加了7 290 N的圓周力，對花鍵末端施加了2 650 N的圓周力[7]。最終，將輸出軸的首端進行旋轉(zhuǎn)約束。由此，完成了變速箱輸出軸的仿真模型建立。

表1 40Cr材料主要性能參數(shù)

圖3 變形箱輸出軸網(wǎng)格劃分圖

3 輸出軸結(jié)構(gòu)性能的分析

3.1 輸出軸應(yīng)力變化的分析

結(jié)合前文建立的輸出軸仿真模型，得到了其在使用過程中的應(yīng)力變化圖，如圖4所示。由圖可知，輸出軸的首端第二級軸、末端的花鍵處均出現(xiàn)了較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，且主要集中在第二級軸的軸肩處、花鍵的尾部處，呈圓周分布在整個輸出軸上，最大應(yīng)力值為71.65 MPa。分析其原因為：第二級軸及末端花鍵等部位受到前端的較大圓周力及花鍵處的圓周力作用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)因受到旋轉(zhuǎn)扭矩而出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象；輸出軸中間兩端的應(yīng)力則相對較小，且呈均勻圓周分布狀態(tài)，輸出軸的中部軸階應(yīng)力則相對最小。由此可知，輸出軸的前端第二級軸、末端花鍵處成為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用中極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

圖4 輸出軸應(yīng)力（MPa）變化圖

3.2 輸出軸結(jié)構(gòu)位移變化的分析

結(jié)合前文仿真分析結(jié)果，得到了輸出軸在使用過程中的結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖5所示。由圖可知，輸出軸整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)位移變化不均勻現(xiàn)象，其中，輸出軸末端花鍵處的變形位移較為明顯，最大變形位移為0.205 mm，主要集中在花鍵槽內(nèi)部，并由末端向前端呈逐漸減小的變化趨勢，當(dāng)達到輸出軸前端第二階軸時，整個輸出軸基本無結(jié)構(gòu)位移變化。分析其原因為：輸出軸末端的花鍵處通過與絞車滾筒內(nèi)部太陽輪行星輪進行連接，在花鍵傳遞過程中，受到了較大的旋轉(zhuǎn)力矩作用，導(dǎo)致在該處不僅出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，也出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形。因此，有效減小輸出軸末端花鍵處的結(jié)構(gòu)變形成為整個結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵。

圖5 輸出裝結(jié)構(gòu)位移（mm）變化圖

4 輸出軸結(jié)構(gòu)的改進

結(jié)合前文分析，得到了輸出軸在使用過程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，得出其軸末端花鍵處、軸首端臺階處為整個結(jié)構(gòu)的薄弱部件，而以末端花鍵處最為薄弱，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進，成為提升輸出軸安全作業(yè)的關(guān)鍵。因此，制定了如下改進方向：

1）對整個變速箱輸出軸進行材料的調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)硬度（HB）控制在230～280范圍內(nèi)，以此提高整個輸出軸的結(jié)構(gòu)強度；

2）鑒于花鍵連接處所受扭矩相對較大，對輸出軸具有較大程度的結(jié)構(gòu)削弱，故可將輸出軸末端花鍵由原來的圓弧形花鍵改為矩形花鍵結(jié)構(gòu)，以此提高花鍵處的結(jié)構(gòu)受力情況；

3）針對花鍵受力較大及變形較大問題，也可通過增加軸的結(jié)構(gòu)尺寸及花鍵數(shù)量來進行結(jié)構(gòu)改進，由此可使變速箱輸出更大的輸出力矩；

4）增加輸出軸末端的幾個臺階外圓直徑，并在各臺階過渡處設(shè)置圓角，有效減少在輸出軸的臺階過渡部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；

5）定期加強對輸出軸運行情況、磨損情況、變形情況等方面的檢查及維護，針對出現(xiàn)模型嚴重、鍵齒斷裂等故障問題時，應(yīng)及時對輸出軸進行維護保養(yǎng)或更換，以此保證輸出軸的正常運行及礦用絞車的運行安全。

5 結(jié)論

在使用過程中，變速箱輸出軸因受到較大的外界沖擊載荷，導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)變形或磨損現(xiàn)象。由此，通過建立變速箱輸出軸的仿真模型，開展了其結(jié)構(gòu)強度的分析研究，得出輸出軸末端的花鍵連接處、前端第二級軸處等部位均存在較大程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，是整個結(jié)構(gòu)中最為薄弱的部位，并找到了輸出軸使用中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。由此為基礎(chǔ)，有針對性地開展了輸出軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。這對提高輸出軸的結(jié)構(gòu)強度及絞車的使用安全具有重要作用。