雙速絞車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零件的靜力學(xué)分析

宋佼佼

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

引言

絞車為煤礦生產(chǎn)的輔助運輸設(shè)備，主要承擔(dān)煤礦生產(chǎn)相關(guān)物品的運輸，完成礦車的調(diào)度及相關(guān)設(shè)備的安裝等任務(wù)。絞車在發(fā)展近60 年的時間內(nèi)，從結(jié)構(gòu)特點、產(chǎn)品類別及相關(guān)技術(shù)水平方面均得到了顯著的提升，但是，絞車與采煤機(jī)、液壓支架等大型綜采設(shè)備的自動化、智能化水平還存在一定的差距，在現(xiàn)場表現(xiàn)為工作效率低、壽命低[1]。因此，開展絞車的系列技術(shù)化研究，對改進(jìn)并升級絞車具有重要意義。本文將以雙速絞車為研究對象，重點對其傳動系統(tǒng)的零件進(jìn)行靜力學(xué)分析，為其后續(xù)傳動系統(tǒng)的改進(jìn)和升級工作奠定理論基礎(chǔ)。

1 雙速絞車傳動系統(tǒng)的設(shè)計

結(jié)合煤礦的實際生產(chǎn)需求，一般將雙速絞車的工況分為高速和低速兩種。本文所設(shè)計雙速絞車每天工作時長為8 h，每年工作天數(shù)為300 d，使用總壽命為5 年；結(jié)合雙速絞車的使用工況，對應(yīng)高速和低速工況的工作參數(shù)如表1 所示。

表1 雙速絞車不同工況的工作參數(shù)

為滿足雙速絞車高速和低速兩種工作狀態(tài)，對應(yīng)的傳動系統(tǒng)設(shè)置高速擋和低速擋。雙速絞車傳動系統(tǒng)傳動結(jié)構(gòu)為電動機(jī)-直廓環(huán)面蝸桿傳動分系統(tǒng)-斜齒輪傳動分系統(tǒng)-高速擋/低速擋傳動分系統(tǒng)-3 級圓柱齒輪傳動分系統(tǒng)。其中，低速擋傳動分系統(tǒng)包括離合器和三級斜齒輪傳動分系統(tǒng)；高速擋傳動分系統(tǒng)只有離合器[2]。

根據(jù)雙速絞車傳動系統(tǒng)的生產(chǎn)要求，為其配置YB 系列的隔爆型三相異步電動機(jī)，具體型號為225M-6。該電動機(jī)的額定功率為30 kW，額定轉(zhuǎn)速為980 r/min。

為了便于后續(xù)建立雙速絞車傳動系統(tǒng)的三維模型開展靜力學(xué)仿真分析，基于雙速絞車的工況要求和電機(jī)選型結(jié)果對各級傳動齒輪的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計結(jié)果如表2 所示。

表2 雙速絞車各級傳動齒輪主要參數(shù)

2 雙速絞車傳動系統(tǒng)關(guān)鍵零件的靜力學(xué)分析

本節(jié)按照表2 雙速絞車各級傳動齒輪的參數(shù)，基于Romax Designer 軟件建立雙速絞車傳動系統(tǒng)的模型，并對關(guān)鍵齒輪的靜力學(xué)進(jìn)行仿真分析。

2.1 雙速絞車傳動系統(tǒng)模型建立

雙速絞車傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 雙速絞車傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)圖1 中各級齒輪的布置情況和主要參數(shù)，分別完成斜齒圓柱齒輪、直齒圓柱齒輪、軸承、離合器等模型的建立，并根據(jù)相互之間的約束關(guān)系完成傳動系統(tǒng)模型的整體裝配[3]。圖1 中的斜齒輪3 為輸入齒輪，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速為98 r/min，輸入扭矩為2 923 N·m，輸入功率為30 kW。

雙速絞車傳動系統(tǒng)仿真工況設(shè)定：實際上雙速絞車每年工作時長為12 000 h，根據(jù)高速和低速兩種工況，對應(yīng)的高速工況運行時間為6 000 h，低速工況運行時間為6 000 h。

低速工況設(shè)置：離合器12 合上，離合器12′脫開。

高速工況設(shè)置：離合器12 脫開，離合器12′合上。

根據(jù)各級齒輪的參數(shù)對模型中的材料屬性進(jìn)行設(shè)置：各級齒輪的材料為40Cr，對應(yīng)材料的表面硬度（HRC）為55.0，心部硬度（HRC）為30.0；齒輪表面的允許接觸應(yīng)力為1 350 MPa，彎曲應(yīng)力為920 MPa[4]。

2.2 雙速絞車傳動系統(tǒng)靜力學(xué)仿真分析

2.2.1 齒輪靜力學(xué)仿真結(jié)果

在上述模型的基礎(chǔ)上，對雙速絞車傳動系統(tǒng)的各級齒輪安全系數(shù)、最大接觸應(yīng)力及最大彎曲應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 雙速絞車傳動系統(tǒng)各級齒輪仿真結(jié)果

由圖2-1 所示，圓柱齒輪9 的接觸安全系數(shù)最大，3 級斜齒原值齒輪的彎曲安全系數(shù)最大；除了最大安全系數(shù)外，齒輪5 和齒輪6 對應(yīng)的安全系數(shù)最低，而且齒輪6 的彎曲安全系數(shù)小于1。由圖2-2 所示，齒輪5 和齒輪6 的接觸應(yīng)力最大，可達(dá)1 200 MPa，所選型齒輪的允許接觸應(yīng)力為1 350 MPa，滿足要求。由圖2-3 所示，齒輪6 的彎曲應(yīng)力最大，可達(dá)550 MPa，所選型齒輪允許的彎曲應(yīng)力極限值為920 MPa，滿足要求。

2.2.2 不同工況下齒輪的靜力學(xué)仿真

以齒輪7、齒輪8 及齒輪9 為研究對象，分別對其高速和低速工況下3 級齒輪的接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和安全系數(shù)進(jìn)行對比，對比結(jié)果如表3 所示。

表3 直齒圓柱齒輪不同工況仿真結(jié)果對比

由表3 可知，齒輪在高速擋運行下接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力明顯大于低速擋；對應(yīng)的在高速擋的安全系數(shù)均高于低速[5]。同時，以齒輪7 的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力最大，齒輪9 的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力最小。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因為：在同一驅(qū)動功率下，當(dāng)速度較大時，對應(yīng)的輸出力矩較小，即對應(yīng)的接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力偏小。

3 結(jié)論

雙速絞車為煤礦生產(chǎn)的主要輔助運輸設(shè)備，其除了完成相關(guān)煤礦生產(chǎn)的物品運輸外，還要看對礦車進(jìn)行調(diào)度和完成相關(guān)設(shè)備的安裝任務(wù)。為進(jìn)一步提升雙速絞車運行的安全性和可靠性，通過提升設(shè)備的運輸效率和調(diào)度效率，以間接提升煤礦生產(chǎn)的效率。本文重點對雙速絞車傳動系統(tǒng)的齒輪進(jìn)行靜力學(xué)仿真，總結(jié)如下：

1）圓柱齒輪9 的接觸安全系數(shù)最大，3 級斜齒原值齒輪的彎曲安全系數(shù)最大；

2）齒輪5 和齒輪6 的接觸應(yīng)力最大，可達(dá)1 200 MPa，所選型齒輪的允許接觸應(yīng)力為1 350 MPa，滿足要求。

3）齒輪6 的彎曲應(yīng)力最大，可達(dá)550 MPa，所選型齒輪允許的彎曲應(yīng)力極限值為920 MPa，滿足要求。

4）齒輪在高速擋運行下接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力明顯大于低速擋；對應(yīng)的在高速擋的安全系數(shù)均高于低速擋。