煤礦地面調度絞車傳動系統及卷筒的優化

武嫻花

（華陽二礦經營管理部，山西 陽泉 045008）

引言

絞車俗稱為卷揚機，通過卷筒上的鋼絲繩實現對物料、設備等提升和牽引任務，根據其應用場景的不同將其分為調度絞車、提升絞車、鑿井絞車等。調度絞車作為煤礦的輔助運輸設備，其主要完成礦山地面車輛的裝運和裝備的調度任務。目前，對于調度絞車在實際應用中傳動系統存在結構復雜、成本高、維護困難的缺陷，其制動系統存在操作困難、噪聲大以及制動效果差等缺陷[1]，為保證煤礦的生產能力和效率，需對地面調度絞車的關鍵分系統和部件進行優化。

1 調度絞車概述

一般的調度絞車為卷筒纏繞式，通過電機帶動卷筒上的鋼絲繩完成其提升、下放以及制動等任務，其工作狀態包括有正常工作、制動工作以及下放工作。本文所研究調度絞車的基本結構如圖1所示。

圖1 調度絞車基本結構示意圖

所研究調度絞車鋼絲繩的最大靜張力為10 kN，提升、下方的最大速度為1 m/s，卷筒可容納鋼絲繩的長度為400 m，該設備對應的總減速比為41。本文所研究的地面調度絞車關鍵分系統及設備的選型如下：

1）電動機具體型號為YBJ11.4-4，其對應的額定功率為11.4 kW，額定轉速為1 470 r/min，可在380 V和660 V下的電壓下運行；

2）鋼絲繩作為調度絞車的主要執行機構，根據《煤炭安全規程》的相關要求，對應鋼絲繩直徑為11 mm，鋼絲繩參考質量為0.468 kg/100 m，可承受的最大破斷拉力為76.9 kN。

卷筒作為調度絞車的另一執行機構，并作為主要受力構件，其品質和性能直接決定調度絞車的效率和安全性。根據《煤炭安全規程》及某礦的生產任務要求，卷筒所選用的材料為ZG340-640[2]。目前，調度絞車的主要結構參數如表1所示。

表1 卷筒主要結構參數

傳統系統作為調度絞車的另一關鍵分系統，其傳動效率直接決定絞車的提升速度和性能，本文所研究的地面調度絞車采用的傳統系統形式為一級定軸輪系與一級行星輪系組合而成的復合傳動輪系，總的傳動比為41，其中定軸輪系的傳動比為4.5，行星輪系的傳動比為9.1。目前，調度絞車傳動系統各級齒輪的參數及尺寸如下頁表2所示。

表2 調度絞車傳動系統各級齒輪的參數及尺寸

鑒于煤礦調度絞車傳動系統和卷筒在各分系統及部件的關鍵作用，本文將根據實際生產需求和當前參數對傳動系統和卷筒進行優化設計。

2 調度絞車傳動系統的優化

衡量調度絞車傳動系統的關鍵指標為對其動態特性進行分析，主要包括有傳動齒輪的固有特性、動態特性、穩定性以及結構參數對整個傳動系統動態特性的影響[3]。為此，本節基于SolidWorks軟件建立調度絞車定軸輪系和行星輪系的三維模型，將所建立的三維模型導入ADAMS仿真軟件中，并根據實際運行中的約束條件對ADAMS模型進行設置，并得出如下仿真結論：

1）在行星輪系中，太陽輪與行星架的角速度參數一致，且行星輪系傳動分系統符合整體傳動系統減速特性；

2）在仿真中添加相應的負載后，行星輪系中太陽輪與行星架的角速度存在一定的周期的波動。經分析可知，齒輪嚙合的振動是導致角速度出現波動的主要原因。

3）系統在啟動瞬間，由于各級齒輪在嚙合時產生交的沖擊力，導致嚙合力存在波動。

通過對調度絞車傳動系統的各種特性的仿真結論進行分析，需對其行星輪系的傳動分系統進行優化。對于齒輪傳動系統而言，不同參數對傳動系統的影響機理不同。其中，齒輪模數主要影響其強度；齒數主要影響傳動系統的穩定性；齒輪的寬度主要影響傳動系統齒數；行星輪的數量主要影響傳動系統的傳動性能。為提升調度絞車傳動的穩定性，本文本著實現行星輪系輕量化的思想減少行星輪系傳動的振動和嚙合的沖擊力。為此，以行星輪系的最小體積為目標建立優化函數數學模型，并通過matlab軟件對行星輪系各級齒輪的模數、齒數、齒輪寬度以及行星輪個數等參數進行優化，優化后行星輪系各級齒輪的參數如表3所示。

表3 行星輪系齒輪優化參數對比

3 調度絞車卷筒的優化

調度絞車卷筒為其主要的承載部件，長期在高速、高負荷的運行條件下容易導致卷筒出現開裂、開焊等故障，從而影響調度絞車的整體性能和工作效率。因此，急需對調度絞車卷筒的結構進行優化。為此，本文本節同樣基于SolidWorks軟件搭建卷筒的三維模型，并根據ZG340-640的材料屬性對模型中的參數進行設置，將其導入ADAMS仿真軟件中結合相應的驅動力對卷筒進行模態分析和動力學分析[4]。對仿真結果進行分析得出如下結論：

1）卷筒端面與鋼絲繩擋板的連接處存在應力集中現象，容易導致卷筒端面與鋼絲繩擋板開裂。針對上述問題，可在卷筒端面與鋼絲繩擋板的連接處增設圓角或者肋板以解決應力集中現象的問題。

2）對其進行模態仿真分析得知：低速級齒輪的嚙合頻率為103.45 Hz，高速級齒輪的嚙合頻率為514.5 Hz，而在卷筒的1階模態頻率為189.55 Hz，14階模態頻率為411.90 Hz。因此，實際運行中可能存在卷筒與定軸輪系共振現象。經深層次分析可知，導致其出現共振現象的根源為卷筒上的制動盤所導致的，因此將制動盤從卷筒上分離出來。

此外，卷筒質量過大為導致其開裂和開焊的原因之一，為此對卷筒的尺寸進行優化，以其質量最小為目標函數，最大等效應力小于許用應力為約束條件，得出卷筒優化后的參數如表4所示。

表4 卷筒尺寸優化

4 結論

地面調度絞車作為煤礦生產的輔助運輸設備，其運行的穩定性和結構的合理性直接決定著絞車的穩定性和安全性[5]。本文在分析地面調度絞車傳動系統和卷筒有限元的基礎上發現其傳動系統存在沖擊和振動的問題，卷筒存在容易開裂，與定軸輪系存在共振等現象，故對地面絞車傳動系統做出如下優化：

1）對傳動系統行星輪系太陽輪、行星輪與內齒圈的模數、齒數以及寬度等進行優化；

2）在卷筒端面與鋼絲繩擋板增加圓角或者肋板，提升卷筒的強度；

3）對卷筒厚度和寬度進行優化，總體質量減少了1.46%。