礦用無(wú)極繩變頻雙速絞車傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)及性能測(cè)試分析

高鵬

（潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司 慈林山煤礦，山西 長(zhǎng)子 046600）

1 概況

雖然礦用無(wú)極繩絞車已廣泛應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中，但傳統(tǒng)的運(yùn)行模式仍然存在較大的問(wèn)題。當(dāng)前，慈林山煤礦JYB 型礦井無(wú)極繩絞車需通過(guò)人員操縱手柄來(lái)控制制動(dòng)器和離合器，存在人身安全隱患，同時(shí)，需通過(guò)移動(dòng)滑動(dòng)齒輪來(lái)達(dá)到變速目的，存在齒輪脫離的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高絞車的傳動(dòng)效率，設(shè)計(jì)了一種新型礦井無(wú)極繩變頻雙速絞車的傳動(dòng)方案，進(jìn)行絞車電磁輻射干擾性能測(cè)試研究，驗(yàn)證了新型結(jié)構(gòu)無(wú)極繩絞車的可靠性及可用性。

2 無(wú)極變速原理分析

2.1 運(yùn)行原理

礦用無(wú)極繩絞車的無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 礦用無(wú)極繩絞車的無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)Fig.1 Stepless variable speed mechanism of mine endless rope winch

圖1 中，ωi、ωo分別為輸入和輸出的角速度，①、②、③、④、⑤、⑥分別表示非圓齒輪1、非圓齒輪2、非圓齒輪3、非圓齒輪4、差速機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)選擇機(jī)構(gòu)。

礦用無(wú)極繩絞車的無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)的整體機(jī)構(gòu)由相位切換機(jī)構(gòu)、非圓齒輪機(jī)構(gòu)、差速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)選擇機(jī)構(gòu)等組成。使用單向離合器，只在一個(gè)方向上傳遞旋轉(zhuǎn)，當(dāng)離合器內(nèi)圈向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，將滾輪推到楔形槽的狹窄邊緣，夾緊離合器外環(huán)，帶動(dòng)離合器外環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)；內(nèi)圈反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾子滾動(dòng)至楔形槽，與外圈離合器分離，外圈離合器不旋轉(zhuǎn)，外圍輪廓就不旋轉(zhuǎn)。通過(guò)將傳輸回路連接到多個(gè)分支，實(shí)現(xiàn)了360°范圍內(nèi)恒定轉(zhuǎn)速的輸出。

2.2 運(yùn)行問(wèn)題

目前的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)中，沒(méi)有設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)軸在高速與低速旋轉(zhuǎn)時(shí)的傳動(dòng)比例變化。雖然設(shè)計(jì)有差速機(jī)構(gòu)，但是差速機(jī)構(gòu)對(duì)于高低速傳動(dòng)的區(qū)分不明顯，容易出現(xiàn)傳動(dòng)效率不高或者傳動(dòng)性能過(guò)剩的情況。因此需設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)高低速傳動(dòng)進(jìn)行有效區(qū)分的傳動(dòng)方案。

3 新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于慈林山煤礦JYB 型礦井無(wú)極繩絞車傳動(dòng)方式特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套新型絞車傳輸方案，如圖2、圖3 所示。在該方案中，當(dāng)調(diào)速制動(dòng)器A 關(guān)閉，調(diào)速制動(dòng)器B 打開，電機(jī)驅(qū)動(dòng)第一級(jí)太陽(yáng)齒輪，再帶動(dòng)第二級(jí)行星齒輪，此時(shí)第三級(jí)環(huán)齒輪固定在機(jī)架上，使絞車緩慢地通過(guò)三級(jí)行星齒輪變速器；當(dāng)調(diào)速制動(dòng)器A 打開，調(diào)速器B 關(guān)閉時(shí)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)第二級(jí)太陽(yáng)齒輪，由于沒(méi)有第一級(jí)齒輪的過(guò)渡，絞車將快速通過(guò)兩級(jí)行星齒輪傳輸，實(shí)現(xiàn)高速傳輸。方案將兩級(jí)行星齒輪列放置在滾輪中，能有效地利用空間。

圖2 新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Design of new transmission mechanism

圖3 新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)高、低速傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)示意Fig.3 Design schematic diagram of high and low speed transmission scheme of new transmission mechanism

當(dāng)絞車處于高速狀態(tài)時(shí)，有6 個(gè)部件，5 對(duì)低副，6 對(duì)高副，經(jīng)計(jì)算，絞車機(jī)構(gòu)的自由度為2。絞車處于低速狀態(tài)時(shí)，有8 個(gè)部件，7 對(duì)低副，8對(duì)高副，絞車機(jī)構(gòu)的自由度為2。根據(jù)機(jī)械理論，高速和低速狀態(tài)下絞車的可沿2 個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，形成周向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所設(shè)計(jì)的無(wú)極繩絞車新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)符合機(jī)械運(yùn)動(dòng)條件。

4 新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的礦用無(wú)極繩變頻雙速絞車新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能，建立了雙速絞車的三維簡(jiǎn)化模型，如圖4 所示。主要是將第二級(jí)行星輪固定在地面，第一級(jí)太陽(yáng)齒輪的設(shè)計(jì)速度為740 r/min。模擬時(shí)間設(shè)置為5 s。

圖4 仿真建模示意Fig.4 Simulation modeling schematic

由圖4 可知，在新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中新增加了一個(gè)行星架（圖4 中10 號(hào)機(jī)構(gòu)），通過(guò)齒輪與其的分離和接觸，可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)軸在高低速轉(zhuǎn)動(dòng)下的運(yùn)行切換。

如圖5 所示，通過(guò)對(duì)新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析，得出輸出端齒輪滾子的低速下角速度平均值約為44.12°/s，數(shù)據(jù)波動(dòng)率為9.18%；高速下角速度平均值約為412.69°/s，數(shù)據(jù)波動(dòng)率為7.21%。該絞車新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在高速和低速條件下是可行的，新型結(jié)構(gòu)對(duì)于滾子高低角度的調(diào)節(jié)有良好的區(qū)分度。在惡劣的礦井環(huán)境下，輸出端的速度也沒(méi)有發(fā)生較大的波動(dòng)，維持了一個(gè)均勻的水平。

圖5 新型系統(tǒng)滾子角速度變化Fig.5 Diagram of angular velocity change of roller in new system

圖6 為原機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的角速度變化，可以看出速度曲線波動(dòng)較大，波動(dòng)率達(dá)到了近250%，系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行單獨(dú)的高低速輸出區(qū)分，對(duì)于機(jī)械零部件的沖擊震蕩較大，降低了機(jī)械使用壽命。

圖6 原有系統(tǒng)角速度變化Fig.6 Change of angular velocity of original system

5 電磁輻射干擾性能測(cè)試分析

5.1 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于礦井環(huán)境是防爆安全要求，為驗(yàn)證新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射是否滿足安全工程條件，除傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出穩(wěn)定性以外，還需對(duì)其進(jìn)行電磁輻射干擾性能測(cè)試。

設(shè)計(jì)了一套基于新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的雙速絞車的交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行電磁輻射干擾性能測(cè)試，總體結(jié)構(gòu)如圖7 所示。該結(jié)構(gòu)中主要包括變頻器、電機(jī)和電纜。變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的每個(gè)部分都是一個(gè)電磁干擾源，電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中各部分的電磁輻射各不相同。

圖7 交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.7 Overall structure of AC motor drive system

新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)測(cè)試系統(tǒng)逆變器電源開關(guān)以1～20 kHz 為主，電源開關(guān)的開啟或關(guān)閉時(shí)間為0.1～1 μs，輸出電壓波形是陡峭的上升邊緣和后緣的圖形，這是由于分貝電路和電機(jī)中的電流突然發(fā)生變化所致。電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中高頻電流和電壓的電磁輻射可相當(dāng)于電路的差分模輻射和沿導(dǎo)線的共模輻射。

5.2 測(cè)量結(jié)果與分析

為了獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，在地下絞車室測(cè)量了新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輻射電磁場(chǎng)，測(cè)量點(diǎn)距變頻器徑向1 m，距絞車室地面1 m。

不同頻率測(cè)試結(jié)果波形如圖8 所示。

圖8 不同頻率測(cè)試結(jié)果波形Fig.8 Waveforms of test results at different frequencies

可以看出，新型變頻雙速絞車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的輻射噪聲主要來(lái)自變頻器和電機(jī)，但此輻射噪聲值相對(duì)較弱，對(duì)設(shè)備周邊的電磁輻射環(huán)境影響較小，符合煤礦安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)語(yǔ)

以慈林山煤礦JYB 型礦井無(wú)極繩絞車為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種新型礦用無(wú)極繩變頻雙速絞車的傳動(dòng)方案，通過(guò)理論分析及動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證了此新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及可行性，提高了絞車的作業(yè)效率，穩(wěn)定了輸出端角速度，由原來(lái)近250%波動(dòng)率降低至10%左右。通過(guò)對(duì)新型結(jié)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的電磁輻射干擾性能測(cè)試得出，新型變頻雙速絞車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的輻射噪聲主要來(lái)自變頻器和電機(jī)，輻射噪聲值較弱，對(duì)設(shè)備周邊的電磁輻射環(huán)境影響較小，符合煤礦安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。