高鵬

（潞安化工集團慈林山煤業(yè)公司 慈林山煤礦，山西 長子 046600）

1 概況

雖然礦用無極繩絞車已廣泛應用于煤礦生產(chǎn)中，但傳統(tǒng)的運行模式仍然存在較大的問題。當前，慈林山煤礦JYB 型礦井無極繩絞車需通過人員操縱手柄來控制制動器和離合器，存在人身安全隱患，同時，需通過移動滑動齒輪來達到變速目的，存在齒輪脫離的風險。為了提高絞車的傳動效率，設計了一種新型礦井無極繩變頻雙速絞車的傳動方案，進行絞車電磁輻射干擾性能測試研究，驗證了新型結構無極繩絞車的可靠性及可用性。

2 無極變速原理分析

2.1 運行原理

礦用無極繩絞車的無級變速機構如圖1 所示。

圖1 礦用無極繩絞車的無級變速機構Fig.1 Stepless variable speed mechanism of mine endless rope winch

圖1 中，ωi、ωo分別為輸入和輸出的角速度，①、②、③、④、⑤、⑥分別表示非圓齒輪1、非圓齒輪2、非圓齒輪3、非圓齒輪4、差速機構和傳動選擇機構。

礦用無極繩絞車的無級變速機構的整體機構由相位切換機構、非圓齒輪機構、差速機構傳動選擇機構等組成。使用單向離合器，只在一個方向上傳遞旋轉(zhuǎn)，當離合器內(nèi)圈向一個方向旋轉(zhuǎn)時，將滾輪推到楔形槽的狹窄邊緣，夾緊離合器外環(huán)，帶動離合器外環(huán)轉(zhuǎn)動；內(nèi)圈反向旋轉(zhuǎn)時，滾子滾動至楔形槽，與外圈離合器分離，外圈離合器不旋轉(zhuǎn)，外圍輪廓就不旋轉(zhuǎn)。通過將傳輸回路連接到多個分支，實現(xiàn)了360°范圍內(nèi)恒定轉(zhuǎn)速的輸出。

2.2 運行問題

目前的傳動方案設計中，沒有設計旋轉(zhuǎn)軸在高速與低速旋轉(zhuǎn)時的傳動比例變化。雖然設計有差速機構，但是差速機構對于高低速傳動的區(qū)分不明顯，容易出現(xiàn)傳動效率不高或者傳動性能過剩的情況。因此需設計一個對高低速傳動進行有效區(qū)分的傳動方案。

3 新型傳動機構設計

基于慈林山煤礦JYB 型礦井無極繩絞車傳動方式特點，設計了一套新型絞車傳輸方案，如圖2、圖3 所示。在該方案中，當調(diào)速制動器A 關閉，調(diào)速制動器B 打開，電機驅(qū)動第一級太陽齒輪，再帶動第二級行星齒輪，此時第三級環(huán)齒輪固定在機架上，使絞車緩慢地通過三級行星齒輪變速器；當調(diào)速制動器A 打開，調(diào)速器B 關閉時，電機直接驅(qū)動第二級太陽齒輪，由于沒有第一級齒輪的過渡，絞車將快速通過兩級行星齒輪傳輸，實現(xiàn)高速傳輸。方案將兩級行星齒輪列放置在滾輪中，能有效地利用空間。

圖2 新型傳動機構設計Fig.2 Design of new transmission mechanism

圖3 新型傳動機構高、低速傳動方案的設計示意Fig.3 Design schematic diagram of high and low speed transmission scheme of new transmission mechanism

當絞車處于高速狀態(tài)時，有6 個部件，5 對低副，6 對高副，經(jīng)計算，絞車機構的自由度為2。絞車處于低速狀態(tài)時，有8 個部件，7 對低副，8對高副，絞車機構的自由度為2。根據(jù)機械理論，高速和低速狀態(tài)下絞車的可沿2 個方向運動，形成周向的旋轉(zhuǎn)運動，所設計的無極繩絞車新型傳動機構符合機械運動條件。

4 新型傳動機構的動力學分析

為進一步驗證所設計的礦用無極繩變頻雙速絞車新型傳動機構的運動性能，建立了雙速絞車的三維簡化模型，如圖4 所示。主要是將第二級行星輪固定在地面，第一級太陽齒輪的設計速度為740 r/min。模擬時間設置為5 s。

圖4 仿真建模示意Fig.4 Simulation modeling schematic

由圖4 可知，在新型傳動機構中新增加了一個行星架（圖4 中10 號機構），通過齒輪與其的分離和接觸，可以實現(xiàn)傳動軸在高低速轉(zhuǎn)動下的運行切換。

如圖5 所示，通過對新型傳動機構的動力學分析，得出輸出端齒輪滾子的低速下角速度平均值約為44.12°/s，數(shù)據(jù)波動率為9.18%；高速下角速度平均值約為412.69°/s，數(shù)據(jù)波動率為7.21%。該絞車新型傳動機構在高速和低速條件下是可行的，新型結構對于滾子高低角度的調(diào)節(jié)有良好的區(qū)分度。在惡劣的礦井環(huán)境下，輸出端的速度也沒有發(fā)生較大的波動，維持了一個均勻的水平。

圖5 新型系統(tǒng)滾子角速度變化Fig.5 Diagram of angular velocity change of roller in new system

圖6 為原機構系統(tǒng)的角速度變化，可以看出速度曲線波動較大，波動率達到了近250%，系統(tǒng)沒有進行單獨的高低速輸出區(qū)分，對于機械零部件的沖擊震蕩較大，降低了機械使用壽命。

圖6 原有系統(tǒng)角速度變化Fig.6 Change of angular velocity of original system

5 電磁輻射干擾性能測試分析

5.1 變頻驅(qū)動系統(tǒng)的輻射發(fā)射測試系統(tǒng)設計

由于礦井環(huán)境是防爆安全要求，為驗證新型傳動機構的運行時產(chǎn)生的電磁輻射是否滿足安全工程條件，除傳動機構的輸出穩(wěn)定性以外，還需對其進行電磁輻射干擾性能測試。

設計了一套基于新型傳動機構的雙速絞車的交流電機驅(qū)動測試系統(tǒng)，進行電磁輻射干擾性能測試，總體結構如圖7 所示。該結構中主要包括變頻器、電機和電纜。變頻驅(qū)動系統(tǒng)的每個部分都是一個電磁干擾源，電力驅(qū)動系統(tǒng)中各部分的電磁輻射各不相同。

圖7 交流電機驅(qū)動系統(tǒng)總體結構Fig.7 Overall structure of AC motor drive system

新型傳動機構測試系統(tǒng)逆變器電源開關以1～20 kHz 為主，電源開關的開啟或關閉時間為0.1～1 μs，輸出電壓波形是陡峭的上升邊緣和后緣的圖形，這是由于分貝電路和電機中的電流突然發(fā)生變化所致。電力驅(qū)動系統(tǒng)中高頻電流和電壓的電磁輻射可相當于電路的差分模輻射和沿導線的共模輻射。

5.2 測量結果與分析

為了獲得更準確的測量數(shù)據(jù)，在地下絞車室測量了新型傳動機構的輻射電磁場，測量點距變頻器徑向1 m，距絞車室地面1 m。

不同頻率測試結果波形如圖8 所示。

圖8 不同頻率測試結果波形Fig.8 Waveforms of test results at different frequencies

可以看出，新型變頻雙速絞車傳動機構運行時的輻射噪聲主要來自變頻器和電機，但此輻射噪聲值相對較弱，對設備周邊的電磁輻射環(huán)境影響較小，符合煤礦安全技術標準。

6 結語

以慈林山煤礦JYB 型礦井無極繩絞車為研究對象，設計了一種新型礦用無極繩變頻雙速絞車的傳動方案，通過理論分析及動力學分析，驗證了此新型傳動機構設計的合理性及可行性，提高了絞車的作業(yè)效率，穩(wěn)定了輸出端角速度，由原來近250%波動率降低至10%左右。通過對新型結構運行時的電磁輻射干擾性能測試得出，新型變頻雙速絞車傳動機構運行時的輻射噪聲主要來自變頻器和電機，輻射噪聲值較弱，對設備周邊的電磁輻射環(huán)境影響較小，符合煤礦安全技術標準。