嚴(yán)通偉

（山西大同永定莊煤業(yè)公司，山西 大同 037024）

引言

氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)作為煤炭巷道掘進(jìn)過程中的關(guān)鍵工具[1-3]，其運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響其工作效率，與錨固速度息息相關(guān)[4]。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)傳動(dòng)部件，是其運(yùn)行過程中的動(dòng)力傳動(dòng)部分，傳動(dòng)穩(wěn)定性要求較高[5-6]。但是氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)使用過程中發(fā)現(xiàn)煤層硬度變化對(duì)其掘進(jìn)效率影響較大，因此，針對(duì)某煤炭企業(yè)應(yīng)用的45kWMQT-130/2.7型氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)性能展開分析，以期為氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)高效應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)概述

氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)作為國(guó)內(nèi)外通用的煤炭掘進(jìn)工具，常用的有齒輪式馬達(dá)錨桿鉆機(jī)和柱塞式馬達(dá)錨桿鉆機(jī)兩種，馬達(dá)形式是其主要的差異，其余的結(jié)構(gòu)原理基本一樣。就目前國(guó)內(nèi)的使用情況而言，齒輪式馬達(dá)錨桿鉆機(jī)應(yīng)用較為廣泛，具有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性。氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)結(jié)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)、控制和推進(jìn)三部分組成，其中驅(qū)動(dòng)部分由馬達(dá)、減速箱、消音器、鉆桿等部件組成[1-2]，是實(shí)現(xiàn)鉆削功能的主要?jiǎng)恿碓矗绕涫菧p速箱對(duì)于動(dòng)力的傳輸直接決定了氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)動(dòng)力輸出的穩(wěn)定性?？刂撇糠种饕蓺饴房刂崎y件和操作機(jī)構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)的操作與控制。推進(jìn)部分接收來自驅(qū)動(dòng)部分的動(dòng)力，在合理的工藝控制流程下，推動(dòng)支腿完成切削功能。

2 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的建立

為了完成齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性分析的效率和直觀性，采用ADMAS 仿真分析軟件完成。

2.1 建立三維模型

齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵是齒輪，精度差異直接與仿真結(jié)果息息相關(guān)。氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)為二級(jí)減速器，第一級(jí)為驅(qū)動(dòng)齒輪，第二級(jí)為從動(dòng)齒輪。為了保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三維模型的建立未采用Pre/E、SolidWorks 等常用軟件，而是直接在ADMAS 軟件環(huán)境中完成了氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型的建立[3-4]，結(jié)果見圖1。

圖1 齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)三維模型

2.2 建立約束

氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)涉及固定副、齒輪副、轉(zhuǎn)動(dòng)副等接觸關(guān)系，固定副用于約束各個(gè)齒輪與軸，限制二者之間的相對(duì)移動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)副使齒輪能夠在軸上進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)；另外的約束體為大地。齒輪副建立時(shí)，需要關(guān)聯(lián)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)副和一個(gè)方向坐標(biāo)系，建立過程較為復(fù)雜，此處以接觸力代替齒輪副。定義接觸力的仿真速度相較于齒輪副設(shè)置的仿真速度較慢，但接觸力與齒輪的實(shí)際工況更接近，以此完成齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的接觸定義。

2.3 添加驅(qū)動(dòng)和載荷

2.3.1 載荷的確定

氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)作為煤炭巷道掘進(jìn)工程的重要工具，需要適應(yīng)不同硬度的巖層，鉆削工作過程中巖層的硬度差異會(huì)給齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生載荷沖擊，表現(xiàn)為明顯的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。扭振強(qiáng)度大小不僅關(guān)系著氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)的工作效率，還關(guān)系著整個(gè)巷道掘進(jìn)工程的行程。齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)作為氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，其運(yùn)行的穩(wěn)定性基本決定了整機(jī)的穩(wěn)定性。因此，氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的確定對(duì)不同硬度巖層下所受的載荷至關(guān)重要。

氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真時(shí)不同巖層對(duì)應(yīng)不同的載荷，巷道掘進(jìn)過程中的煤巖硬度不是一成不變的，大多數(shù)情況下是一種或者多種巖層硬度的混合，其中涉及灰?guī)r、煤層、細(xì)砂巖等等，查閱大量文獻(xiàn)資料得出，不同巖層對(duì)應(yīng)的鉆削載荷如表1 所示[5]。

表1 錨桿鉆機(jī)鉆削載荷

2.3.2 載荷和驅(qū)動(dòng)的施加

氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)載荷來自不同硬度的巖層鉆削反作用力，作用于鉆頭，為了提高仿真計(jì)算的效率，對(duì)模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化。研究氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)不同負(fù)荷情況下的扭振，需要將不同巖層硬度時(shí)的載荷轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，施加在第二級(jí)減速器的輸出端，之后進(jìn)行仿真計(jì)算。

氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)將氣動(dòng)馬達(dá)輸出動(dòng)力傳輸至花鍵主軸，驅(qū)動(dòng)鉆頭完成煤巖的鉆削工作。根據(jù)氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)實(shí)際工況，確定馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，第一級(jí)傳動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)速為8 400 r/min。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果

氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真計(jì)算模型建立完成之后，設(shè)置仿真計(jì)算參數(shù)，仿真運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為0.01 s，步長(zhǎng)設(shè)置為50 步，之后啟動(dòng)Adams 仿真計(jì)算軟件自帶求解器進(jìn)行仿真計(jì)算。計(jì)算完成調(diào)取不同載荷下系統(tǒng)中齒輪II、齒輪III、齒輪IV的角速度和角加速度變化曲線，如圖2、圖3 所示。

由圖2 可以看出，氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中同一齒輪運(yùn)行時(shí)，不同巖層硬度對(duì)應(yīng)載荷下，巖層硬度越大，齒輪產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅度越大，所受載荷越大，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值增加越明顯。觀察相同載荷作用下各個(gè)齒輪振動(dòng)幅值變化情況可以發(fā)現(xiàn)，氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪所處的傳動(dòng)級(jí)數(shù)越高，齒輪的振動(dòng)幅值越大。

圖2 不同載荷下各齒輪角速度

由圖3 可以看出，氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪角加速度變化趨勢(shì)與齒輪角速度變化規(guī)律基本一致。同一齒輪運(yùn)行時(shí)，巖層硬度載荷越大，齒輪產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅度越大，載荷越大，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)幅值增加越明顯。相同巖層硬度載荷作用下，齒輪的傳動(dòng)級(jí)數(shù)越高，振動(dòng)幅值變化越大，振動(dòng)情況越激烈。

圖3 不同載荷下各齒輪角加速度

3.2 結(jié)果分析

由氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真計(jì)算得到的各齒輪角速度和角加速度變化結(jié)果可以看出，齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過程中所受的巖層硬度載荷越大，各個(gè)齒輪產(chǎn)生的振動(dòng)趨勢(shì)越明顯，同時(shí)，齒輪的傳動(dòng)級(jí)數(shù)越高，振動(dòng)幅值變化越大，振動(dòng)情況越激烈[6]。出現(xiàn)上述結(jié)果的原因可能是齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)由輸入端到輸出端的齒輪越來越接近鉆削載荷，并且傳動(dòng)級(jí)數(shù)越來越高，較大的沖擊載荷作用于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的輸出端，之后逆向向輸入端傳輸，傳輸過程中存在能量損耗，導(dǎo)致振動(dòng)趨勢(shì)逐漸降低。

4 結(jié)語(yǔ)

為了驗(yàn)證氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)某煤礦企業(yè)服役中的氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了振動(dòng)檢測(cè)，提取了氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)工作過程中實(shí)際的角速度和角加速度實(shí)測(cè)數(shù)值，相較于仿真計(jì)算結(jié)果，氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)際的角速度和角加速度變化趨勢(shì)基本一致。相同載荷條件下，實(shí)際角速度與仿真計(jì)算得到的角速度最大值相差5%～10%，實(shí)際角加速度與仿真計(jì)算得到的角加速度最大值相差4%～9%?？梢钥闯鰵鈩?dòng)錨桿鉆機(jī)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行情況基本相同，能夠指導(dǎo)氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)施工作業(yè)與設(shè)計(jì)改進(jìn)。