張繼發(fā)

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦用絞車作為煤礦開采中的重要設(shè)備，已被廣泛應(yīng)用到了煤礦開采中[1]。變速箱輸出軸則是煤礦絞車中的重要部件，由于其使用環(huán)境惡劣，經(jīng)常受到較大外界載荷作用，導(dǎo)致輸出軸在使用過(guò)程中極容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、磨損嚴(yán)重、結(jié)構(gòu)開裂等現(xiàn)象，輸出軸一旦出現(xiàn)故障，將對(duì)絞車的正常運(yùn)行構(gòu)成重要威脅[2]。因此，在絞車工作原理分析基礎(chǔ)上，通過(guò)建立變速箱輸出軸的仿真模型，并有針對(duì)性地進(jìn)行了輸出軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)。這為提高輸出軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提供了重要研究保證。

1 絞車工作原理的分析

在煤礦開采中，礦用絞車主要起到對(duì)井下煤礦進(jìn)行提升的作用，其結(jié)構(gòu)主要包括變速箱、變速箱輸出軸、滾筒、一級(jí)行星架、二級(jí)行星架、聯(lián)軸器、制動(dòng)器、齒輪、電動(dòng)機(jī)、鋼絲繩等部件，根據(jù)其不同的分類方式，可將絞車分為防爆型絞車、非防爆型絞車、單滾筒絞車、多滾筒絞車、電動(dòng)絞車及風(fēng)動(dòng)絞車等類型[3]。而本文研究的礦用絞車主要是防爆型絞車，主要通過(guò)液力傳動(dòng)方式，將動(dòng)力傳遞至滾筒處，并由此驅(qū)動(dòng)變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行絞車速度的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)將電能、液壓動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的過(guò)程，絞車的工作原理圖如圖1所示[4]。此液壓傳動(dòng)方式具有穩(wěn)定性好、自適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等特點(diǎn)，可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)絞車電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與控制，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)在一定范圍內(nèi)的無(wú)極調(diào)速操作[5]。目前，礦用絞車較多采用此驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行操作。

2 絞車變速箱輸出軸模型的建立

2.1 三維模型的建立

變速箱輸出軸作為礦用絞車中的重要部件，掌握其使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律至關(guān)重要。因此，采用了Solidworks軟件，按照1：1比例，對(duì)輸出軸進(jìn)行了三維模型建立。在建模過(guò)程中，為保證后文仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性及較快的分析速度，首先將輸出軸上的螺紋孔、圓角、倒角進(jìn)行特征省略，僅保留軸上的軸本體、鍵槽及花鍵槽等特征，由此，完成了變速箱輸出軸的三維模型建立，如圖2所示。

圖1 礦用絞車工作原理圖

圖2 絞車輸出軸三維模型

2.2 仿真模型的建立

結(jié)合建立的輸出軸三維模型，將其導(dǎo)入至Workbench軟件中，進(jìn)行了仿真模型建立。由于整個(gè)絞車結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，各部件的材料屬性也各不相同，而輸出軸實(shí)際使用時(shí)一般采用Q345、40Cr材料等[6]，因此，在該軟件中，對(duì)輸出軸進(jìn)行了40Cr材料設(shè)置，該材料的主要性能參數(shù)如下頁(yè)表1所示。根據(jù)輸出軸端的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm，并對(duì)輸出軸末端的花鍵處進(jìn)行了網(wǎng)格加密，其網(wǎng)格劃分圖如下頁(yè)圖3所示。由于輸出軸的兩端分別與軸承與花鍵進(jìn)行連接，故在其兩端承受著較大的載荷作用。結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)輸出軸的首端施加了7 290 N的圓周力，對(duì)花鍵末端施加了2 650 N的圓周力[7]。最終，將輸出軸的首端進(jìn)行旋轉(zhuǎn)約束。由此，完成了變速箱輸出軸的仿真模型建立。

表1 40Cr材料主要性能參數(shù)

圖3 變形箱輸出軸網(wǎng)格劃分圖

3 輸出軸結(jié)構(gòu)性能的分析

3.1 輸出軸應(yīng)力變化的分析

結(jié)合前文建立的輸出軸仿真模型，得到了其在使用過(guò)程中的應(yīng)力變化圖，如圖4所示。由圖可知，輸出軸的首端第二級(jí)軸、末端的花鍵處均出現(xiàn)了較大應(yīng)力集中現(xiàn)象，且主要集中在第二級(jí)軸的軸肩處、花鍵的尾部處，呈圓周分布在整個(gè)輸出軸上，最大應(yīng)力值為71.65 MPa。分析其原因?yàn)椋旱诙?jí)軸及末端花鍵等部位受到前端的較大圓周力及花鍵處的圓周力作用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)因受到旋轉(zhuǎn)扭矩而出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象；輸出軸中間兩端的應(yīng)力則相對(duì)較小，且呈均勻圓周分布狀態(tài)，輸出軸的中部軸階應(yīng)力則相對(duì)最小。由此可知，輸出軸的前端第二級(jí)軸、末端花鍵處成為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部位，在使用中極容易率先發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。

圖4 輸出軸應(yīng)力（MPa）變化圖

3.2 輸出軸結(jié)構(gòu)位移變化的分析

結(jié)合前文仿真分析結(jié)果，得到了輸出軸在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)位移變化圖，如圖5所示。由圖可知，輸出軸整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)位移變化不均勻現(xiàn)象，其中，輸出軸末端花鍵處的變形位移較為明顯，最大變形位移為0.205 mm，主要集中在花鍵槽內(nèi)部，并由末端向前端呈逐漸減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到輸出軸前端第二階軸時(shí)，整個(gè)輸出軸基本無(wú)結(jié)構(gòu)位移變化。分析其原因?yàn)椋狠敵鲚S末端的花鍵處通過(guò)與絞車滾筒內(nèi)部太陽(yáng)輪行星輪進(jìn)行連接，在花鍵傳遞過(guò)程中，受到了較大的旋轉(zhuǎn)力矩作用，導(dǎo)致在該處不僅出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，也出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)變形。因此，有效減小輸出軸末端花鍵處的結(jié)構(gòu)變形成為整個(gè)結(jié)構(gòu)研究的關(guān)鍵。

圖5 輸出裝結(jié)構(gòu)位移（mm）變化圖

4 輸出軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

結(jié)合前文分析，得到了輸出軸在使用過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，得出其軸末端花鍵處、軸首端臺(tái)階處為整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱部件，而以末端花鍵處最為薄弱，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，成為提升輸出軸安全作業(yè)的關(guān)鍵。因此，制定了如下改進(jìn)方向：

1）對(duì)整個(gè)變速箱輸出軸進(jìn)行材料的調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)硬度（HB）控制在230～280范圍內(nèi)，以此提高整個(gè)輸出軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；

2）鑒于花鍵連接處所受扭矩相對(duì)較大，對(duì)輸出軸具有較大程度的結(jié)構(gòu)削弱，故可將輸出軸末端花鍵由原來(lái)的圓弧形花鍵改為矩形花鍵結(jié)構(gòu)，以此提高花鍵處的結(jié)構(gòu)受力情況；

3）針對(duì)花鍵受力較大及變形較大問(wèn)題，也可通過(guò)增加軸的結(jié)構(gòu)尺寸及花鍵數(shù)量來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，由此可使變速箱輸出更大的輸出力矩；

4）增加輸出軸末端的幾個(gè)臺(tái)階外圓直徑，并在各臺(tái)階過(guò)渡處設(shè)置圓角，有效減少在輸出軸的臺(tái)階過(guò)渡部位產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象；

5）定期加強(qiáng)對(duì)輸出軸運(yùn)行情況、磨損情況、變形情況等方面的檢查及維護(hù)，針對(duì)出現(xiàn)模型嚴(yán)重、鍵齒斷裂等故障問(wèn)題時(shí)，應(yīng)及時(shí)對(duì)輸出軸進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)或更換，以此保證輸出軸的正常運(yùn)行及礦用絞車的運(yùn)行安全。

5 結(jié)論

在使用過(guò)程中，變速箱輸出軸因受到較大的外界沖擊載荷，導(dǎo)致其整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)變形或磨損現(xiàn)象。由此，通過(guò)建立變速箱輸出軸的仿真模型，開展了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析研究，得出輸出軸末端的花鍵連接處、前端第二級(jí)軸處等部位均存在較大程度的應(yīng)力集中及結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，是整個(gè)結(jié)構(gòu)中最為薄弱的部位，并找到了輸出軸使用中的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。由此為基礎(chǔ)，有針對(duì)性地開展了輸出軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。這對(duì)提高輸出軸的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及絞車的使用安全具有重要作用。