雙速絞車傳動系統關鍵零件的靜力學分析

宋佼佼

（晉中職業技術學院，山西 晉中 030600）

引言

絞車為煤礦生產的輔助運輸設備，主要承擔煤礦生產相關物品的運輸，完成礦車的調度及相關設備的安裝等任務。絞車在發展近60 年的時間內，從結構特點、產品類別及相關技術水平方面均得到了顯著的提升，但是，絞車與采煤機、液壓支架等大型綜采設備的自動化、智能化水平還存在一定的差距，在現場表現為工作效率低、壽命低[1]。因此，開展絞車的系列技術化研究，對改進并升級絞車具有重要意義。本文將以雙速絞車為研究對象，重點對其傳動系統的零件進行靜力學分析，為其后續傳動系統的改進和升級工作奠定理論基礎。

1 雙速絞車傳動系統的設計

結合煤礦的實際生產需求，一般將雙速絞車的工況分為高速和低速兩種。本文所設計雙速絞車每天工作時長為8 h，每年工作天數為300 d，使用總壽命為5 年；結合雙速絞車的使用工況，對應高速和低速工況的工作參數如表1 所示。

表1 雙速絞車不同工況的工作參數

為滿足雙速絞車高速和低速兩種工作狀態，對應的傳動系統設置高速擋和低速擋。雙速絞車傳動系統傳動結構為電動機-直廓環面蝸桿傳動分系統-斜齒輪傳動分系統-高速擋/低速擋傳動分系統-3 級圓柱齒輪傳動分系統。其中，低速擋傳動分系統包括離合器和三級斜齒輪傳動分系統；高速擋傳動分系統只有離合器[2]。

根據雙速絞車傳動系統的生產要求，為其配置YB 系列的隔爆型三相異步電動機，具體型號為225M-6。該電動機的額定功率為30 kW，額定轉速為980 r/min。

為了便于后續建立雙速絞車傳動系統的三維模型開展靜力學仿真分析，基于雙速絞車的工況要求和電機選型結果對各級傳動齒輪的關鍵參數進行設計，設計結果如表2 所示。

表2 雙速絞車各級傳動齒輪主要參數

2 雙速絞車傳動系統關鍵零件的靜力學分析

本節按照表2 雙速絞車各級傳動齒輪的參數，基于Romax Designer 軟件建立雙速絞車傳動系統的模型，并對關鍵齒輪的靜力學進行仿真分析。

2.1 雙速絞車傳動系統模型建立

雙速絞車傳動系統的結構框圖如圖1 所示。

圖1 雙速絞車傳動系統結構框圖

根據圖1 中各級齒輪的布置情況和主要參數，分別完成斜齒圓柱齒輪、直齒圓柱齒輪、軸承、離合器等模型的建立，并根據相互之間的約束關系完成傳動系統模型的整體裝配[3]。圖1 中的斜齒輪3 為輸入齒輪，對應的轉速為98 r/min，輸入扭矩為2 923 N·m，輸入功率為30 kW。

雙速絞車傳動系統仿真工況設定：實際上雙速絞車每年工作時長為12 000 h，根據高速和低速兩種工況，對應的高速工況運行時間為6 000 h，低速工況運行時間為6 000 h。

低速工況設置：離合器12 合上，離合器12′脫開。

高速工況設置：離合器12 脫開，離合器12′合上。

根據各級齒輪的參數對模型中的材料屬性進行設置：各級齒輪的材料為40Cr，對應材料的表面硬度（HRC）為55.0，心部硬度（HRC）為30.0；齒輪表面的允許接觸應力為1 350 MPa，彎曲應力為920 MPa[4]。

2.2 雙速絞車傳動系統靜力學仿真分析

2.2.1 齒輪靜力學仿真結果

在上述模型的基礎上，對雙速絞車傳動系統的各級齒輪安全系數、最大接觸應力及最大彎曲應力進行仿真分析，仿真結果如圖2 所示。

圖2 雙速絞車傳動系統各級齒輪仿真結果

由圖2-1 所示，圓柱齒輪9 的接觸安全系數最大，3 級斜齒原值齒輪的彎曲安全系數最大；除了最大安全系數外，齒輪5 和齒輪6 對應的安全系數最低，而且齒輪6 的彎曲安全系數小于1。由圖2-2 所示，齒輪5 和齒輪6 的接觸應力最大，可達1 200 MPa，所選型齒輪的允許接觸應力為1 350 MPa，滿足要求。由圖2-3 所示，齒輪6 的彎曲應力最大，可達550 MPa，所選型齒輪允許的彎曲應力極限值為920 MPa，滿足要求。

2.2.2 不同工況下齒輪的靜力學仿真

以齒輪7、齒輪8 及齒輪9 為研究對象，分別對其高速和低速工況下3 級齒輪的接觸應力、彎曲應力和安全系數進行對比，對比結果如表3 所示。

表3 直齒圓柱齒輪不同工況仿真結果對比

由表3 可知，齒輪在高速擋運行下接觸應力和彎曲應力明顯大于低速擋；對應的在高速擋的安全系數均高于低速[5]。同時，以齒輪7 的接觸應力和彎曲應力最大，齒輪9 的接觸應力和彎曲應力最小。導致上述現象的主要原因為：在同一驅動功率下，當速度較大時，對應的輸出力矩較小，即對應的接觸應力和彎曲應力偏小。

3 結論

雙速絞車為煤礦生產的主要輔助運輸設備，其除了完成相關煤礦生產的物品運輸外，還要看對礦車進行調度和完成相關設備的安裝任務。為進一步提升雙速絞車運行的安全性和可靠性，通過提升設備的運輸效率和調度效率，以間接提升煤礦生產的效率。本文重點對雙速絞車傳動系統的齒輪進行靜力學仿真，總結如下：

1）圓柱齒輪9 的接觸安全系數最大，3 級斜齒原值齒輪的彎曲安全系數最大；

2）齒輪5 和齒輪6 的接觸應力最大，可達1 200 MPa，所選型齒輪的允許接觸應力為1 350 MPa，滿足要求。

3）齒輪6 的彎曲應力最大，可達550 MPa，所選型齒輪允許的彎曲應力極限值為920 MPa，滿足要求。

4）齒輪在高速擋運行下接觸應力和彎曲應力明顯大于低速擋；對應的在高速擋的安全系數均高于低速擋。