康曉光

(潞安化工集團(tuán) 潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 寧武 036706)

0 引言

煤炭在我國(guó)所消耗的化石能源中占據(jù)著65%的份額，所以煤炭的開(kāi)采對(duì)保障經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及社會(huì)民生需求等方面具有重要意義。為了提高煤礦的開(kāi)采效率，近年來(lái)煤礦開(kāi)采設(shè)備有了一個(gè)較大的進(jìn)步，尤其是機(jī)械化、自動(dòng)化的發(fā)展，使得煤礦產(chǎn)量得到進(jìn)一步提高。但隨之而來(lái)的就是開(kāi)采設(shè)備結(jié)構(gòu)安全的問(wèn)題，如何保障煤礦開(kāi)采設(shè)備在高強(qiáng)度、重載荷等的作用下安全可靠是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

礦用絞車屬于井下煤礦開(kāi)采作業(yè)的輔助運(yùn)輸設(shè)備，雙速絞車具有快、慢兩種配速，適用范圍更廣，在低速狀態(tài)下的牽引質(zhì)量較高速時(shí)的牽引質(zhì)量更大。不同的調(diào)速適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景，雙速絞車由雙聯(lián)齒輪結(jié)構(gòu)和一個(gè)內(nèi)齒圈以及一個(gè)可滑動(dòng)的齒輪組合而成，因此絞車的雙齒輪結(jié)構(gòu)的可靠性對(duì)保障絞車的穩(wěn)定性具有重要意義。本文以JSDB-19型雙速絞車為研究對(duì)象，采用ADAMS動(dòng)態(tài)仿真軟件對(duì)絞車關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度分析。

1 JSDB-19型雙速絞車結(jié)構(gòu)特征

JSDB-19型雙速多用絞車由電動(dòng)機(jī)1、聯(lián)軸器2、變速箱3、卷筒機(jī)構(gòu)4等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該絞車電機(jī)選用了ZC150M型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)額定功率為8 kW，額定工作轉(zhuǎn)速為1 100 r/min。

1-電動(dòng)機(jī)；2-聯(lián)軸器；3-變速箱；4-卷筒機(jī)構(gòu)

該絞車特點(diǎn)如下：

(1) 具有兩種調(diào)速，低速時(shí)平均速度為6 m/min～10 m/min，高速狀態(tài)下平均速度為50 m/min～70 m/min，通過(guò)雙齒輪離合內(nèi)齒方式實(shí)現(xiàn)速比較大的兩檔切換，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用意義。

(2) 在煤礦開(kāi)采中可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，代替調(diào)速絞車、慢速絞車、運(yùn)輸絞車等設(shè)備。

(3) 設(shè)計(jì)使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性與可靠性較高，同時(shí)具有機(jī)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可以在狹小的空間內(nèi)使用。

2 有限元模型的建立

使用UG創(chuàng)建雙速絞車減速器三維實(shí)體模型，如圖2所示。

圖2 雙速絞車減速器三維模型

JSDB-19型雙速多用絞車傳動(dòng)系統(tǒng)中低速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，傳遞的功率較大，受到的扭矩較大。根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用情況，本文選擇低速傳動(dòng)軸以及軸上齒輪作為分析對(duì)象。

在建立有限元仿真模型時(shí)，將模型中較小的特征去掉，如倒圓角、小孔等。軸與齒輪的材料均使用45鋼，材料的彈性模量為206 GPa、泊松比為0.3、密度為7.8 kg/mm3、屈服強(qiáng)度為482 MPa。

根據(jù)齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)，模型網(wǎng)格劃分選擇單元類似的四面體單元，使用軟件自由網(wǎng)格劃分方法來(lái)劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格單元基本尺寸設(shè)置為20 mm，單元類型設(shè)置為solid45，最終計(jì)算分析得到的有限元模型共有54 714個(gè)單元、72 562個(gè)節(jié)點(diǎn)。

低速軸兩端由軸承支撐，在工作時(shí)軸與齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，軸與齒輪之間靠鍵鎖緊，仿真分析時(shí)將軸與齒輪作為單獨(dú)的對(duì)象施加載荷與邊界條件。在不考慮軸與軸承以及齒輪之間裝配誤差的情況下，軸兩端位移約束為零，約束軸的徑向旋轉(zhuǎn)自由度；齒輪為主動(dòng)件，模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，認(rèn)為軸與齒輪之間是剛性連接，對(duì)齒輪安裝面施加固定約束。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸入功率為6 kW，轉(zhuǎn)速為45 r/min工況下，齒輪傳遞的扭矩為1.8×106N·mm，在齒輪最惡劣工況下法向載荷為18 kN，齒輪的載荷傳遞為全齒寬接觸。

3 有限元分析計(jì)算結(jié)果

采用ADAMS動(dòng)態(tài)仿真軟件計(jì)算最惡劣工況條件下低速轉(zhuǎn)軸與其上傳動(dòng)齒輪的應(yīng)力與應(yīng)變。

3.1 低速轉(zhuǎn)軸計(jì)算結(jié)果

低速轉(zhuǎn)軸計(jì)算結(jié)果如圖3所示。軸的最大變形量為1.887×10-4mm，變形相對(duì)較?。惠S的最大應(yīng)力值為20.5 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度；最大應(yīng)力與變形分布與軸和齒輪實(shí)際嚙合的情況類似，最大應(yīng)力值出現(xiàn)于低速齒輪與軸相接觸的地方。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，軸的設(shè)計(jì)滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

圖3 低速轉(zhuǎn)軸計(jì)算結(jié)果

3.2 齒輪計(jì)算結(jié)果

齒輪的應(yīng)力云圖如圖4所示。齒輪最大應(yīng)力值為386 MPa，出現(xiàn)在齒根位置，小于材料的屈服強(qiáng)度482 MPa，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。但最大應(yīng)力值與材料屈服強(qiáng)度接近，齒根處最容易產(chǎn)生齒輪輪齒斷裂失效，應(yīng)對(duì)齒輪齒根位置應(yīng)力集中情況進(jìn)行處理。可以采用在齒輪根部圓弧過(guò)渡等方式來(lái)降低齒根的應(yīng)力集中情況，同時(shí)應(yīng)注意齒輪嚙合過(guò)程中不要發(fā)生偏載現(xiàn)象，如此將造成齒輪過(guò)度磨損。

圖4 齒輪應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

雙速絞車對(duì)于保障煤礦的安全開(kāi)采具有重要作用，為了提高雙速絞車的可靠性以及經(jīng)濟(jì)效益，以JSDB-19型雙速多用絞車為研究對(duì)象，利用ADAMS動(dòng)態(tài)仿真軟件對(duì)絞車關(guān)鍵部件進(jìn)行了強(qiáng)度分析。分析結(jié)果顯示，齒輪軸最大應(yīng)力為20.5 MPa，應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，最大應(yīng)力值位于與齒輪相基礎(chǔ)的區(qū)域，相對(duì)比較安全；齒輪的最大應(yīng)力值為386 MPa，小于材料的屈服強(qiáng)度，但齒根位置存在較為明顯的應(yīng)力集中。提出對(duì)該齒輪的結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議，即在齒根部應(yīng)采用圓角過(guò)渡以減小應(yīng)力集中，齒根位置是齒輪的薄弱區(qū)域，應(yīng)注意針對(duì)該區(qū)域的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。該研究對(duì)雙速絞車變速箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有參考意義，對(duì)于提升雙速絞車的可靠性具有重要意義。