地面絞車安全性和可靠性仿真分析

王齊鋸

（陽煤集團壽陽景福煤業有限公司，山西 壽陽 045400）

引言

煤礦運輸系統直接決定生產的運輸效率和安全性，以提升絞車為代表的輔助運輸系統，主要承擔對人員和物料的運輸與調度任務，其具有較大的牽引功率和安全性。目前，地面提升絞車的傳動系統以齒輪傳動結構為主，該種傳動結構具有較大的承載能力、較高的傳動可靠性及較高的傳動效率等優勢，其也是地面絞車最為關鍵的受力和承載部件。針對齒輪疲勞壽命分析，可采用試驗法和試驗分析法兩種方式。其中，試驗法的成本較高且周期較長，不建議使用[1]。因此，本文將基于試驗分析法對地面絞車傳動系統的安全性和可靠性進行驗證。

1 地面提升絞車傳動系統的模型搭建及數字化設計

地面提升絞車傳動系統以齒輪傳動為主，采用試驗分析法對齒輪傳動系統的可靠性和安全性進行仿真分析的關鍵，在于保證所構建仿真模型的準確性，尤其是對齒輪結構參數的精準建模。本文將采用UG三維建模軟件對絞車的齒輪傳動系統模型進行建立。

傳動系統的可靠性和安全性仿真分析需要結合實際生產工況進行，才能夠指導下一步生產。本文所研究地面提升絞車的關鍵參數如表1 所示，在后續仿真模型的搭建和仿真參數設置時將依照表1 中的關鍵參數。

表1 地面提升絞車關鍵參數

地面提升絞車傳動系統傳動路徑為：電動機輸出的扭矩—高速級傳動機構—變速系統—低速級傳動機構—滾筒—鋼絲繩。

為保證所建立傳動系統模型的準確性，需要對傳統系統中的行星齒輪、變速系統、高速級錐齒輪傳動系統等部件進行參數化設計[2]。其中，重點關注齒輪的嚙合模型，變速系統中的行星傳動輪系和圓弧錐齒輪的參數化建模。

2 地面絞車傳動系統關鍵部件的有限元分析

本小節將重點對傳統系統中的行星傳動輪系和圓弧錐齒輪系開展有限元分析。

2.1 行星傳動輪系有限元分析

行星輪系為齒輪傳功系統的關鍵傳動分系統，其對于整個傳動系統的性能和質量保證具有重要意義[3]。根據對地面提升絞車傳動系統行星輪系參數化設計的基礎，將所構建的三維模型導入ADAMS 有限元分析軟件中。

本文所研究地面提升絞車行星輪系中太陽輪和行星輪均采用20CrMnTi 材料進行制造，該型材料對應的許用應力為1 483 MPa，許用疲勞強度為637.69 MPa。基于ADAMS 軟件所構建的行星傳動輪系的有限元仿真模型如圖1 所示。

圖1 行星傳動輪系有限元仿真分析模型

2.1.1 仿真參數設置

在實際生產中，根據電動機額定功率和絞車的生產工況，太陽輪所傳遞的扭矩為4 314 N·m；該行星傳動輪系中包括有1 個太陽輪和3 個行星輪，則對應的每個行星輪傳遞的扭矩為4 314 N·m÷3=1 438 N·m。根據行星輪系的齒寬載荷、潤滑油的動力黏度及兩齒廓在嚙合位置的綜合曲率半徑得出該行星輪系傳動過程中的摩擦系數為0.02；太陽輪和行星輪的泊松比為0.30[4]。將上述參數一一在ADAMS 仿真軟件中進行設置。

2.1.2 載荷施加

根據地面提升絞車在實際工況的參數，采用剛體運動控制法為主動齒輪施加相應的轉速和轉矩。其中，對主動齒輪所施加的轉速為0.314 rad/s，所施加的轉矩為1 438 N·m。通過仿真分析，可知兩齒輪在嚙合過程中齒根處所承受的應力值最大。得出主動齒輪、從動齒輪在嚙合過程中齒根所承受的彎曲應力隨時間的變化關系如圖2 所示。

圖2 齒根彎曲應力變化情況

由圖2 可知，對于從動齒輪而言，齒根處所承受彎曲應力的最大值為104 MPa；對于主動齒輪而言，齒根處所承受彎曲應力的最大值為145 MPa；而且兩級齒輪的嚙合時間為1.1 s。與材料的需用應力相比較，該行星輪系的應力屬于可接受的范圍。

2.2 圓弧錐齒輪系有限元分析

除了行星傳動齒輪外，圓弧錐齒輪為另外一個關鍵的傳動部件。所建立的圓弧圓錐傳動齒輪輪系的模型如圖3 所示。

圖3 圓弧圓錐傳動齒輪輪系仿真模型

根據實際工況設定上述仿真模型的材料屬性，設定主動圓錐齒輪的力矩為1 438 N·m，主動輪轉速設定0.505 rad/s；根據傳動比設定從動圓錐齒輪轉速為0.314 rad/s；并設定兩級齒輪傳動的表面摩擦系數為0.1。

通過仿真分析可知，對于主動齒輪齒根處的最大應力峰值為816.2 MPa；而對于從動齒輪齒根處的最大應力峰值為44 MPa。與材料的需用應力相比較，該圓弧錐齒輪系的應力屬于可接受的范圍。

3 傳動系統疲勞壽命分析

疲勞損壞是機械部件失效的主要形式，地面絞車傳動系統在實際應用中所承受的載荷為交變載荷，使得齒輪的承受能力遠低于在靜態載荷下所估算得出的壽命和安全系數[5]。本節將基于MSC.Fatigue 方法對齒輪的壽命進行預測，該方法的準確預測需要準確掌握待預測部件的材料疲勞屬性、疲勞載荷信息及結構幾何特征等。行星齒輪和圓弧錐齒輪作為傳動系統的關鍵部件，本小節將在上述模型的基礎上分別對兩類傳動部件的疲勞壽命進行分析。

3.1 行星輪系疲勞壽命分析

經過仿真分析，考慮到行星傳動輪系的安全系數，得出行星傳動輪系主動齒輪的嚙合次數可達5.38×107次，結合絞車的工況，上述嚙合次數對應的工作時間可達66 650 h，與標準規定的壽命不低于50 000 h 相符。

3.2 圓弧錐齒輪系疲勞壽命分析

鑒于圓弧錐齒輪的輪廓相對復雜，很難用MSC.Fatigue 方法進行精準預測。因此，針對圓弧錐齒輪通過觀察圓弧齒輪的損壞程度直接評估其疲勞壽命。圓弧錐齒輪小弧齒初始裂紋如圖4 所示。

圖4 圓弧錐齒輪小弧齒初始裂紋云圖

由圖4 可知，圓弧錐齒輪在其小端的受拉側出現了較為明顯的應力集中現象，導致該處的壽命偏低，壽命不滿足大于50 000 h 的工作要求。

4 結論

絞車為煤礦生產必不可少的運輸系統，其以行星傳動輪系、高速級錐齒輪輪系等組成。齒輪傳動作為當前最主要的傳動方式之一，由于煤礦生產環境相對惡劣極易發生應力集中或者疲勞損傷。因此，對絞車傳動系統可靠性和安全性評估尤為重要。本文對55 kW 地面提升絞車傳動系統的關鍵部件開展有限元分析，并對其疲勞壽命進行評估，并總結如下：

1）行星輪系和圓弧錐齒輪系的主動和從動齒輪的應力值均小于材料的許用應力。

2）行星輪系的疲勞壽命滿足大于50 000 h 工作時間的要求；而圓弧錐齒輪由于存在應力集中，其疲勞壽命不滿足大于50 000 h 工作時間的要求。