王青

摘 要：在煤礦輔助傳送系統(tǒng)中，無極繩絞車是主要軌道傳送裝置之一，它有著快速運(yùn)輸、長距離運(yùn)輸、適應(yīng)多變軌道的特點(diǎn)，是實(shí)用新型的輔助傳送裝置。它借鑒了軌道牽引機(jī)車的優(yōu)秀技術(shù)和參考了傳統(tǒng)無極繩絞車的使用經(jīng)驗(yàn)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)一步提高和完善了無極繩輔助傳送系統(tǒng)。本文旨在研究JWB-120型無極繩絞車，將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過PRO/E5.0建立傳動(dòng)裝置模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，獲得其運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)曲線。這樣不但可以為JWB-120型無極繩絞車的研制與開發(fā)提供參考依據(jù)，對礦用無極繩絞車的技術(shù)水平及在國內(nèi)外市場的競爭能力等方面，具有重要的社會(huì)意義和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：無極繩絞車；建模；動(dòng)力仿真

一、無極繩絞車的介紹

無極繩絞車主要由絞車、梭車、張緊裝置、壓繩輪組，牽引輪，導(dǎo)輪等零部件組成。絞車是無極繩連續(xù)牽引車的動(dòng)力，它是由一個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)通過減速箱或者齒輪箱將動(dòng)力傳輸給絞車滾筒，繩子的移動(dòng)是靠繩子與滾筒之間的摩擦帶動(dòng)的。梭車和手推車被固定在繩子上、并且隨著繩子的移動(dòng)完成輔助運(yùn)輸工作。

摩擦卷筒是無極繩絞車的關(guān)鍵部件，它主要是用來卷繞繩子和提供摩擦來牽引繩子，然后完成動(dòng)力的傳動(dòng)和材料運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，它的性能對整個(gè)運(yùn)輸系統(tǒng)起著決定性的影響。由于絞車有著較強(qiáng)的適用性、系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)、外形尺寸小、質(zhì)量輕、負(fù)載大、轉(zhuǎn)移特別方便等優(yōu)勢，在礦山、煤礦、港口、建筑和海洋等眾多工程領(lǐng)域得到普遍的應(yīng)用。

二、JWB-120型無極繩絞車三維模型的建立

JWB-120型無極繩絞車的模型都是用PRO/E所建立的，值得一提的是齒輪的參數(shù)化建模。齒輪被認(rèn)為是傳動(dòng)中的重要零件和它們的運(yùn)動(dòng)條件是復(fù)雜多變的，因?yàn)樗鼈兲幵谝恢痹谧兊尿?qū)動(dòng)速度和頻繁的齒輪變速環(huán)境下。以Pro/E軟件為平臺(tái)，對變速器中的螺旋齒輪采用三維參數(shù)實(shí)體化建模以及利用有限元分析軟件ANSYS去分析齒輪模型的應(yīng)力。通過這種方法，設(shè)計(jì)者能快速地、有效地、精確地去決策、分析、對比和繪制設(shè)計(jì)方案，并且結(jié)果是質(zhì)量高的和設(shè)計(jì)周期短的。

（一）絞車的相關(guān)參數(shù)

根據(jù)具體要求，確定絞車的相關(guān)參數(shù)。絞車的電機(jī)：額定轉(zhuǎn)速為990r/min ，功率為160kW；軸1：轉(zhuǎn)速為990r/min，功率為152.1kW；軸2：轉(zhuǎn)速為396r/min，功率為142.3kW；軸3：轉(zhuǎn)速為82.5r/min，功率為134kW；軸4：轉(zhuǎn)速為16r/min，功率為124kW。第一級圓錐齒輪傳動(dòng)比為2.5，第二級圓柱齒輪傳動(dòng)比為4.8，第三級圓柱齒輪傳動(dòng)比為5。

（二）絞車模型的建立

構(gòu)建絞車模型，需要對滾筒，錐齒輪，第二級圓柱齒輪，第三級圓柱齒輪，四根軸，減速箱分別建立三維模型。采用PRO/E5.0參數(shù)化建模方法，具體步驟如下：

（1）新建并命名零件的模型，再創(chuàng)建用戶參數(shù)：齒輪模數(shù)-M，齒輪齒數(shù)-Z，齒輪壓力角-ANGLE，與之嚙合的齒輪的齒數(shù)-Z_ASM，齒輪的寬度-B，齒頂高系數(shù)-HAX，齒底隙系數(shù)-CX，齒輪變位系數(shù)-X，并賦予各個(gè)參數(shù)初始值；

（2）在零件模型中創(chuàng)建關(guān)系；

（3）建立基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面；

（4）利用掃描混合、旋轉(zhuǎn)、陣列等工具，并且應(yīng)用編程的方法進(jìn)行參數(shù)的輸入控制，以達(dá)到快速設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的目的；

（5）利用再生功能，重新鍵入大錐齒輪參數(shù)，最終生成大錐齒輪模型。

（三）JWB-120無極繩絞車零部件模型的裝配

進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力仿真分析時(shí)，需要先創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的分析模型，在PRO/E5.0裝配環(huán)境下，將在零件環(huán)境下設(shè)計(jì)好的零件用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟB接起來，組成一組機(jī)構(gòu)。連接類型選擇約束連接， 4條軸與軸承連接是采用銷釘連接，減速箱體是剛性連接，軸承與箱體，端蓋與箱體，滾筒與軸，齒輪與軸、螺栓連接都是采用配對和對齊進(jìn)行完全約束的。

三、減速器的運(yùn)動(dòng)仿真分析及動(dòng)力學(xué)分析

PRO/E5.0中機(jī)構(gòu)分析模塊可以進(jìn)行裝配的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析和仿真，在二維上一些難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)，PRO/E5.0中表達(dá)起這些運(yùn)動(dòng)卻是非常形象直觀和易于修改的，相比于以前的開發(fā)過程，利用計(jì)算機(jī)輔助工具來進(jìn)行機(jī)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)其開發(fā)過程和開發(fā)周期被簡化和縮短了許多，以最少的費(fèi)用獲得最好的產(chǎn)品質(zhì)量，這是相當(dāng)經(jīng)濟(jì)的。仿真結(jié)果輸出形式是多樣的，既可以以動(dòng)畫的形式也可以以參數(shù)的形式，這樣是很形象直觀的，用戶看起來一目了然，因此可以檢查出零部件之間是否有干涉以及干涉的范圍有多大。根據(jù)動(dòng)畫仿真結(jié)果我們可以對設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行修改一直到不產(chǎn)生干涉為止。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括觀察并記錄分析和測量位置、速度、加速度、力等運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并且可以圖形的方式進(jìn)行輸出。

（一）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

1.仿真步驟

（1）點(diǎn)擊應(yīng)用程序的機(jī)構(gòu)按鈕，進(jìn)入到機(jī)械設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。接下來就是檢查裝配的連接情況，點(diǎn)擊連接組件對話框的運(yùn)行按鈕，出現(xiàn)確認(rèn)對話框連接成功；

（2）再定義圓錐齒輪連接，點(diǎn)擊模型工具欄的齒輪按鈕，出現(xiàn)齒輪副定義窗口，選擇錐齒輪傳動(dòng)類型，選擇高速輸入軸作為齒輪1連接軸，選擇軸2作為齒輪2連接軸，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)選取齒輪的主體和托架，在屬性欄輸入傳動(dòng)比30：75；

（3）再定義第二級齒輪連接，點(diǎn)擊模型工具欄的齒輪按鈕，出現(xiàn)齒輪副定義窗口，接受默認(rèn)的名稱和傳動(dòng)類型，選擇軸2作為齒輪1連接軸，選擇軸3作為齒輪2連接軸，系統(tǒng)自動(dòng)選取齒輪的主體和托架，屬性欄輸入傳動(dòng)比30：144；

（4）再定義第三級齒輪連接，點(diǎn)擊模型工具欄的齒輪按鈕，出現(xiàn)齒輪副定義窗口，接受默認(rèn)的名稱和傳動(dòng)類型，選擇軸3作為齒輪1連接軸，選擇軸4作為齒輪2連接軸，系統(tǒng)自動(dòng)選取齒輪的主體和托架，屬性欄輸入傳動(dòng)比30：150；

（5）創(chuàng)建伺服電動(dòng)機(jī)：

點(diǎn)擊工具欄的伺服電動(dòng)機(jī)按鈕，選擇小錐齒輪軸為伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)對象，在輪廓面板，輸入轉(zhuǎn)速；

（6）拍攝快照：

選擇視圖中的拖動(dòng)元件按鈕，在繪圖區(qū)拖動(dòng)滾筒到一定位置，按下快照鍵，完成快照；

（7）點(diǎn)擊機(jī)構(gòu)分析按鈕，在類型下選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)選項(xiàng)，選擇上一步創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)分析，保存有.pbk擴(kuò)展名的文件，以備以后分析時(shí)使用，在分析滾筒上的一點(diǎn)的位移、速度及加速度，最后輸出測量結(jié)果。

2.機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

（1）要進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，首先定義重力，在質(zhì)量屬性中參照類型選擇組件，定義屬性為缺省，再添加阻尼器；

（2）定義外載荷。

在本仿真過程中，忽略了齒輪和軸的變形，將所有零部件均視為剛體，為了簡化模型，對絞車的剛體模型做了如下假設(shè)：忽略制造誤差及安裝誤差；不考慮齒輪嚙合過程中的摩擦熱及嚙合變形；忽略軸承及軸之間的徑向竄動(dòng)，且它們之間的相對轉(zhuǎn)動(dòng)為理想約束。從仿真結(jié)果看，滾筒所受的轉(zhuǎn)矩最大，與實(shí)際情況相符。在時(shí)間歷程方面，絞車啟動(dòng)的瞬間，各個(gè)齒輪間產(chǎn)生一個(gè)很大的沖擊，大約是齒輪平均嚙合力的1.3到1.5倍。在0～0.05s這段時(shí)間，為絞車的加速階段，隨著速度的增加，齒輪嚙合力的波動(dòng)幅度增加，但波動(dòng)周期卻在減少，在此段時(shí)間之后，絞車以恒定的速度運(yùn)行，齒輪的嚙合力在一個(gè)均值附近上下波動(dòng)，波動(dòng)周期和幅度都為一穩(wěn)定值，這體現(xiàn)了齒輪傳動(dòng)周期嚙入嚙出的特點(diǎn)。且各個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速方向滿足內(nèi)外嚙合的關(guān)系，且傳動(dòng)比與實(shí)際傳動(dòng)比幾乎完全一致，說明了新型運(yùn)輸絞車虛擬樣機(jī)滿足傳動(dòng)比要求。

四、結(jié)論

該絞車為長型結(jié)構(gòu)，能在煤礦巷道的狹窄空間進(jìn)行使用，牽引力大大提高，并且能雙向運(yùn)轉(zhuǎn)，平均牽引速度達(dá)60m/min，是同種功用的絞車的6-8倍，工作效率大大提高。本著對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行安全校驗(yàn)和進(jìn)一步優(yōu)化的目的，我對四個(gè)軸進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果如上面所示。根據(jù)結(jié)果我們可以知道絞車的設(shè)計(jì)方案較為合理。不僅可以按設(shè)計(jì)者思路通過變速箱變速實(shí)現(xiàn)重物的起吊，同時(shí)通過傳統(tǒng)計(jì)算獲得的結(jié)構(gòu)尺寸可以保證絞車安全穩(wěn)定的運(yùn)行。即絞車的設(shè)計(jì)達(dá)到要求。

但是根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)常用的有限元軟件分析可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案整體過于笨重，影響絞車的運(yùn)行性能，具有較大的減重空間?；跒樘岣呓g車的運(yùn)行性能及節(jié)約成本考慮，我們考慮對軸的尺寸進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p小。

總體而言，本文絞車的設(shè)計(jì)方案合理。使用有限元軟件進(jìn)行分析也驗(yàn)證其滿足強(qiáng)度要求。在有限元軟件分析結(jié)果的指導(dǎo)下對絞車進(jìn)行合理的減重，提高了絞車運(yùn)行性能同時(shí)節(jié)約了成本。

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