基于Witness的采煤機驅(qū)動齒輪加工過程仿真研究

任廣玉

（西山煤電集團有限責任公司，山西 太原 030053）

引言

驅(qū)動齒輪是采煤機行走的重要部件，由于在運行過程中受到極大的扭矩及牽引力，使得其極易發(fā)生損壞[1-2]，同時由于部件更換較為復雜，所以只能采用配件進行替代，嚴重影響著礦井的正產(chǎn)開采，因此對驅(qū)動齒輪進行優(yōu)化設計是十分重要的[3-4]。本文基于仿真模擬軟件，對采煤機驅(qū)動齒輪的運行情況進行研究，為采煤機驅(qū)動齒輪的優(yōu)化設計提供一定的參考。

1 仿真過程的設計

Witness仿真軟件可以實現(xiàn)離散部件的仿真模擬，同時軟件具備強大的后處理模塊，能夠較好地滿足用戶的使用需求，同時軟件可以將復雜的部件進行整合，且具有良好的可編程能力，使得通過特定函數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動處理。

傳統(tǒng)的加工過程使得齒輪的齒形加工效率較低且驅(qū)動齒輪的加工周轉(zhuǎn)能力不足，所以利用Witness仿真軟件進行加工過程的仿真研究。驅(qū)動齒輪主要分為漸開線面驅(qū)動齒輪和擺線齒面驅(qū)動齒輪，本文對漸開線面驅(qū)動齒輪進行仿真研究，采煤機的驅(qū)動齒輪模型示意圖如1所示。

圖1 采煤機的驅(qū)動齒輪模型示意圖

一般來說漸開線驅(qū)動齒輪的加工步驟一般按順序可以分為：鍛造、正火＋高回、時效、半精車、粗加工齒形、半精加工齒形、齒面滲碳、整體淬火、精車、精磨、內(nèi)花鍵加工、齒面精磨及鉗。對齒輪的設計加工主要包括滾齒、插齒、剃齒、磨齒等。首先進行目標模型元素的定義，本次研究共具有四種離散型元素，分別為生產(chǎn)機器制造元素、緩沖區(qū)制造元素、勞動者元素及零部件制造者元素。對元素的細節(jié)進行設計，原材的工藝路線設定為第一階段為熱處理組，時間設定為12 h，第二階段進入車床組，循環(huán)時間設定為25 h，第三階段為線切割組，循環(huán)時間設定為102 h，剩余階段依次為滾輪機組、磨床機組、磨齒組及鉗工組，其循環(huán)時間依次為31 h、4.5 h、9.25 h及2 h，最后達到外部系統(tǒng)，在清洗階段前由于機器類型均為單處理機。為了簡化仿真模擬過程，對整個過程進行分段驗證，根據(jù)設定可以車床組完成其階段的時間為37 h，所以在第37個小時軟件模擬動態(tài)可通過界面查看部件的運行狀態(tài)，同時可以生成報告用于后期查看，類似地可以對任何階段下部件的運行情況進行研究與查看。

仿真研究具有一定的隨機性，所以在進行研究時需要進行多次對比，由于其啟動時間、資源消耗及失效時間均為不確定時間，所以會導致輸出的隨機性。為解決此類問題，需要提前對系統(tǒng)進行預熱處理，本次模擬的工作時間設定為一個月30 d，工作時間8 h/天，所以仿真時間共有14 400 min，模擬發(fā)現(xiàn)整個加工過程中零件的平均逗留時間為157.2 min，其占據(jù)總運行時間的37%，而在熱處理設備上，由于加溫需要較長的時間，所以其逗留時間最大。在磨穿組和滾齒組的開動時間所占總時間的比列均不足10%，總的產(chǎn)出量為41個。可以看出整個運行過程效率較低，使得加工時間增大，所以為了降低加工所需時間，同時達到增加企業(yè)效益的目的，需要進行采煤機驅(qū)動齒輪生產(chǎn)過程的優(yōu)化研究。

2 加工過程的優(yōu)化研究

通過改變數(shù)量因數(shù)進行優(yōu)化，在生產(chǎn)工藝中增加一定可以降低瓶頸生產(chǎn)時間的工藝，從而提升生產(chǎn)車間的利用率。生產(chǎn)驅(qū)動齒輪的車床組數(shù)量增加為2個，而線切割組的數(shù)量增加為6個，仿真時間仍為14 400 min，進行仿真模擬。改變數(shù)量仿真模擬設備利用率對比表如1所示。

表1 不同設備數(shù)量的利用率 %

根據(jù)仿真研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化后設備的利用率均值分別為66.16%、96.86%、66.33%9.86%及76.72%，其中滾齒組的設備利用率增大至96.86%，此時屬于高負荷狀態(tài)，產(chǎn)量為51個，優(yōu)化效果不明顯。

為了降低滾齒組的高負荷狀態(tài)，在先前優(yōu)化的基礎上增加滾齒組數(shù)量，將其增加至3個，仿真后的設備利用率分別為74.64%、55.01%、75.75%、84.70%及55.39%，產(chǎn)量為58個，優(yōu)化效果依舊不太明顯。所以通過改變時間進行優(yōu)化，在原有的加工設備下對加工時間進行改變，將加工時間分別設定為車床組1 200 min、線切割組5 600 min、滾齒組及磨床組分別為1 660 min和270 min、磨齒組555 min、熱處理和鉗加工組分別設定為680 min和120 min，模擬后設備的利用率分別為98.53%、64.33%、57.40%、98.53%及8，17%，可以看出經(jīng)過優(yōu)化時間后，設備仍處于高負荷狀態(tài)，所以經(jīng)過優(yōu)化時間使得加工時間略有提升，但仍效果不佳。

從以上優(yōu)化分析可以看出，優(yōu)化工藝時間可以提升產(chǎn)出率，優(yōu)化數(shù)量可以解決生產(chǎn)逗留情況，所以綜合分析，我們將兩種優(yōu)化方式進行整合，通過增加關鍵設備數(shù)量，優(yōu)化加工時間進行研究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過綜合優(yōu)化后設備的利用率分別為67.54%、39.37%、66.47%、84.70%及39.35%，產(chǎn)出量增大為62個。所以可以看出經(jīng)過對時間及數(shù)量優(yōu)化后設備的利用率及產(chǎn)出率均有了大幅度的提升，有效地降低了設備負載大、逗留率高等問題，同時在此基礎上還提升了產(chǎn)量，優(yōu)化效果較為明顯。

3 結論

1）通過對采煤機驅(qū)動齒輪的加工過程進行分析，結合Witness仿真軟件，給出了采煤機驅(qū)動齒輪的生產(chǎn)過程仿真研究過程設定。

2）通過對設備數(shù)量和加工時間分別進行優(yōu)化研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化設備數(shù)量可以降低設備的負載率，降低加工時間并提升部件的生產(chǎn)率。

3）對時間及數(shù)量優(yōu)化后，設備的利用率及產(chǎn)出率均有了大幅度的提升，有效地降低了設備負載大、逗留率高的問題，優(yōu)化效果明顯。