煤矿提升绞车传动轮系优化设计*

2013-12-03李砚峰

机械研究与应用 2013年6期

高英, 李砚峰

(太原科技大学，山西太原 030024)

1 引言

绞车是煤矿中的重要机械设备，主要用在提升、调度、耙矿和凿井等采掘和运输场合，随着我国在装备制造、材料加工及控制技术方面的不断发展，矿用绞车在动力性、节能性和安全性等方面都取得了进步。由于绞车的工作负载变化范围、频率较大，所以需要保证其足够大的驱动力矩、平稳的调速性能及良好的操作性和可靠性[1]。

目前，在多数煤矿中使用的绞车设备普遍存在经济性、防爆性、调速性、操作性等方面中的一种或数种缺陷，难以达到各项指标的完美均衡。基于此，笔者提出一种使用行星差动技术实现无极调速的技术方案，并进行相关系统的设计和优化。

2 提升绞车传动系统总体设计

2.1 技术规格与参数

选定JTB-0.8×0.6A型绞车作为研究对象，其技术参数如表1所列。

2.2 提升绞车的整体设计

传动装置是决定绞车提升能力的核心所在，体积小、质量轻、承载能力大、效率高、寿命长是其考核标准和发展趋势的要求。若要通过普通齿轮来实现较

大的传动比，则需要进行多级啮合、配套使用，这将导致轮系机构繁琐、庞大、笨重及效率低等多种弊端，蜗轮蜗杆传动虽然较之普通齿轮传动比有所增大，但仍无法满足特殊场合的需要，且因磨损及应力集中的问题常表现出可靠性差、寿命短等缺点。

表1 技术规格及参数

行星齿轮是广泛应用在机械设备、仪器和仪表等领域的传动方式，按照齿轮的啮合方式不同，其传动方式有NGW、NW、NN、NGWN和ZUWGW型等，较之普通齿轮和蜗轮等传动方式，行星传动方式具有如下特点[2]：

(1) 均布在中心轮周围的行星轮可起到分担载荷的作用，从而可减小各齿轮的载荷及模数。

(2) 行星轮中独特的内啮合方式具有较高的承载力并空出较大容积；另外，各中心轮处在一条轴线上，这些都使机构整体外形尺寸减小，紧凑性好。

(3) 采用合理的传动类型及齿轮配合方案，可实现极大的传动比；由于行星轮机构中可转动的基本构件较多，易通过运动的合成与分解实现有级和无级变速传动。

(4) 均布在中心轮周围的行星轮可起到抵消中心轮和轴承反作用力、惯性力、冲击力的作用，分流效果较好，可大幅提高机械效率。

(5) 在拥有以上优越性的同时，行星齿轮传动存在结构复杂、制造精度要求高、润滑和散热性能差。

综上所述，可看出行星传动能够很好地契合该文提升绞车的应用特点，选择NGW啮合方式的行星轮展开分析。提升绞车的传动流程如图1所示。

图1 提升绞车的传动简图

从图1中可看出，其动力传递路线为：电机-太阳轮-行星轮-内齿轮-行星架-斜齿轮-滚筒。在该轮系中，可通过对内齿轮进行调速，实现行星架的无级调速输出，使卷筒达所需工作转速。除动力传动系统外，系统还需设置制动、操纵、指示及卷扬等系统装置[3]。

3 提升绞车各总成设计

3.1 轮系设计

根据表1中给出的数据，确定采用YZ00l2-6 型电机，同步转速为1 000 r/min。结合传动方案，选择直齿圆柱齿轮类型，8级精度的40 Cr调质钢材质。为满足行星轮传动时的传动比、邻接、同心、装配等条件，通过查表并结合经验确定得到太阳轮齿数为Za=25，内齿圈齿数为Zg=36，行星轮齿数为Zb=98，m值均为2.5；一大一小斜齿轮齿数分别为65和44，m=5；一大一小输出齿轮齿数分别为300和54，m=3。根据所确定的齿数，计算得出0～3轴的转速分别为：970 r/min，197 r/min，481 r/min，131 r/min；根据卷筒轴的最终输出功率(15 kW)结合查表得到的效率值可计算得0～2各轴对应的功率为：22 kW，18.5 kW，17.7 kW，转矩为215.9 N·m，298.4 N·m，1384.98 N·m。

3.2 箱体及提升系统设计

由于行星轮系布置较为复杂，所以采用铸铁箱体，将其分为上下两部分，便于拆卸。根据前文所述，确定箱体的外部尺寸为(长×宽×高)：642 mm×312 mm×435 mm，箱体壁厚58 mm。

提升绞车的滚筒有焊接和铸焊两种结构，根据本文提升机的使用特点，选择采用焊接方式，制动支轮和右支轮采用剖分结构。为保证轴承座的刚性，采用加强筋对关键部位进行辅助支撑，并保证座孔之间的同心度。

4 提升绞车轮系的优化设计

4.1 轴系优化设计

由于轮系中支撑齿轮的关键部件对其整体的工作寿命至关重要，因此选择太阳轮轴进行静力学分析，并将分析结果作为轴结构设计的指导要素。

在Pro/E三维造型软件中建立太阳轮轴模型，并将其导入ANSYS软件中进行分析，在其轴承位置加载20 kN载荷[4]。由于该部件受弯、扭合成作用，所以得到其在x、y方向上应力分布和xz和yz方向上的剪力分布云图如图2所示，可看出，在载荷作用点及轴承边与轴接触处的应力较大且趋于集中。

针对以上分析结果，需进行如下优化设计：对轴肩及接触处增加过渡圆角或采取表面强化处理。

图2 太阳轮轴应力分析云图

4.2 轮系优化设计

由于齿轮动态接触分析涉及到非线性的问题，结合以往的齿轮强度理论和实验分析方法，通过建立齿轮有限元模型并从动力学角度对其分析，基于LS-DYNA平台分析计算齿轮的应力应变情况。在LS-DYNA软件中选择实体solid164与shell163单元。由于齿轮网格划分较复杂，这里通过将三维模型导入软件中进行网格划分，并辅以布尔运算操作，最后得到行星轮系的整体有限元模型如图3所示。

图3 齿轮有限元模型

在模型网格划分之后要进行相关的自由度约束和载荷加载，对于提升绞车传动机构，动力由电机驱动轴输入，因此需要约束太阳轮x、y方向的转动自由度，在z方向施加转速；并限制行星轮x、y方向的位移及转动自由度；对内齿圈进行固定约束[5]。另外，较为真实的模拟齿轮实际运行情况，选用LS-DYNA中的接触控制程序，在软件后处理中得到运算结果如图4所示。