煤礦地面調(diào)度絞車傳動系統(tǒng)及卷筒的優(yōu)化

武嫻花

（華陽二礦經(jīng)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(xiàn)對物料、設(shè)備等提升和牽引任務(wù)，根據(jù)其應用場景的不同將其分為調(diào)度絞車、提升絞車、鑿井絞車等。調(diào)度絞車作為煤礦的輔助運輸設(shè)備，其主要完成礦山地面車輛的裝運和裝備的調(diào)度任務(wù)。目前，對于調(diào)度絞車在實際應用中傳動系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復雜、成本高、維護困難的缺陷，其制動系統(tǒng)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(chǎn)能力和效率，需對地面調(diào)度絞車的關(guān)鍵分系統(tǒng)和部件進行優(yōu)化。

1 調(diào)度絞車概述

一般的調(diào)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(wù)，其工作狀態(tài)包括有正常工作、制動工作以及下放工作。本文所研究調(diào)度絞車的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 調(diào)度絞車基本結(jié)構(gòu)示意圖

所研究調(diào)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(shè)備對應的總減速比為41。本文所研究的地面調(diào)度絞車關(guān)鍵分系統(tǒng)及設(shè)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(zhuǎn)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(diào)度絞車的主要執(zhí)行機構(gòu)，根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求，對應鋼絲繩直徑為11 mm，鋼絲繩參考質(zhì)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(diào)度絞車的另一執(zhí)行機構(gòu)，并作為主要受力構(gòu)件，其品質(zhì)和性能直接決定調(diào)度絞車的效率和安全性。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》及某礦的生產(chǎn)任務(wù)要求，卷筒所選用的材料為ZG340-640[2]。目前，調(diào)度絞車的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 卷筒主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

傳統(tǒng)系統(tǒng)作為調(diào)度絞車的另一關(guān)鍵分系統(tǒng)，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(diào)度絞車采用的傳統(tǒng)系統(tǒng)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(diào)度絞車傳動系統(tǒng)各級齒輪的參數(shù)及尺寸如下頁表2所示。

表2 調(diào)度絞車傳動系統(tǒng)各級齒輪的參數(shù)及尺寸

鑒于煤礦調(diào)度絞車傳動系統(tǒng)和卷筒在各分系統(tǒng)及部件的關(guān)鍵作用，本文將根據(jù)實際生產(chǎn)需求和當前參數(shù)對傳動系統(tǒng)和卷筒進行優(yōu)化設(shè)計。

2 調(diào)度絞車傳動系統(tǒng)的優(yōu)化

衡量調(diào)度絞車傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵指標為對其動態(tài)特性進行分析，主要包括有傳動齒輪的固有特性、動態(tài)特性、穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對整個傳動系統(tǒng)動態(tài)特性的影響[3]。為此，本節(jié)基于SolidWorks軟件建立調(diào)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(jù)實際運行中的約束條件對ADAMS模型進行設(shè)置，并得出如下仿真結(jié)論：

1）在行星輪系中，太陽輪與行星架的角速度參數(shù)一致，且行星輪系傳動分系統(tǒng)符合整體傳動系統(tǒng)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(jīng)分析可知，齒輪嚙合的振動是導致角速度出現(xiàn)波動的主要原因。

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

通過對調(diào)度絞車傳動系統(tǒng)的各種特性的仿真結(jié)論進行分析，需對其行星輪系的傳動分系統(tǒng)進行優(yōu)化。對于齒輪傳動系統(tǒng)而言，不同參數(shù)對傳動系統(tǒng)的影響機理不同。其中，齒輪模數(shù)主要影響其強度；齒數(shù)主要影響傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性；齒輪的寬度主要影響傳動系統(tǒng)齒數(shù)；行星輪的數(shù)量主要影響傳動系統(tǒng)的傳動性能。為提升調(diào)度絞車傳動的穩(wěn)定性，本文本著實現(xiàn)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(yōu)化函數(shù)數(shù)學模型，并通過matlab軟件對行星輪系各級齒輪的模數(shù)、齒數(shù)、齒輪寬度以及行星輪個數(shù)等參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化后行星輪系各級齒輪的參數(shù)如表3所示。

表3 行星輪系齒輪優(yōu)化參數(shù)對比

3 調(diào)度絞車卷筒的優(yōu)化

調(diào)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(xiàn)開裂、開焊等故障，從而影響調(diào)度絞車的整體性能和工作效率。因此，急需對調(diào)度絞車卷筒的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。為此，本文本節(jié)同樣基于SolidWorks軟件搭建卷筒的三維模型，并根據(jù)ZG340-640的材料屬性對模型中的參數(shù)進行設(shè)置，將其導入ADAMS仿真軟件中結(jié)合相應的驅(qū)動力對卷筒進行模態(tài)分析和動力學分析[4]。對仿真結(jié)果進行分析得出如下結(jié)論：

1）卷筒端面與鋼絲繩擋板的連接處存在應力集中現(xiàn)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(shè)圓角或者肋板以解決應力集中現(xiàn)象的問題。

2）對其進行模態(tài)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(tài)頻率為189.55 Hz，14階模態(tài)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(xiàn)象。經(jīng)深層次分析可知，導致其出現(xiàn)共振現(xiàn)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(zhì)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(yōu)化，以其質(zhì)量最小為目標函數(shù)，最大等效應力小于許用應力為約束條件，得出卷筒優(yōu)化后的參數(shù)如表4所示。

表4 卷筒尺寸優(yōu)化

4 結(jié)論

地面調(diào)度絞車作為煤礦生產(chǎn)的輔助運輸設(shè)備，其運行的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的合理性直接決定著絞車的穩(wěn)定性和安全性[5]。本文在分析地面調(diào)度絞車傳動系統(tǒng)和卷筒有限元的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)其傳動系統(tǒng)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(xiàn)象，故對地面絞車傳動系統(tǒng)做出如下優(yōu)化：

1）對傳動系統(tǒng)行星輪系太陽輪、行星輪與內(nèi)齒圈的模數(shù)、齒數(shù)以及寬度等進行優(yōu)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(yōu)化，總體質(zhì)量減少了1.46%。