張 玲

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦， 山西 古交 030206）

引言

調(diào)度絞車為煤礦生產(chǎn)中的輔助運(yùn)輸設(shè)備，其主要承擔(dān)著綜采工作面大、中、小設(shè)備的調(diào)度任務(wù)，該裝置的結(jié)構(gòu)性能間接關(guān)系著整個(gè)工作面生產(chǎn)運(yùn)行的安全性和可靠性。在當(dāng)前工作面高效率、高自動(dòng)化方向發(fā)展的時(shí)代，對(duì)調(diào)度絞車的工作效率、節(jié)能效果及使用壽命等方面提出了更高的要求。尤其是傳統(tǒng)調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)在其原理和結(jié)構(gòu)上存在一定的局限性，導(dǎo)致其很難使用在較為狹窄且惡劣的工作面中并無法高效發(fā)揮搬遷綜采設(shè)備的任務(wù)[1]。因此，本文將設(shè)計(jì)一款新型礦用調(diào)度絞車，并對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有限元分析。

1 新型調(diào)度絞車的總體設(shè)計(jì)

本節(jié)根據(jù)調(diào)度絞車在工作面的實(shí)際應(yīng)用需求，從結(jié)構(gòu)外形、關(guān)鍵尺寸及關(guān)鍵傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、制動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，并建立新型調(diào)度絞車的虛擬樣機(jī)模型，為后續(xù)調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性奠定基礎(chǔ)。

1.1 新型調(diào)度絞車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)礦用調(diào)度絞車由于其在傳動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)上存在局限性，導(dǎo)致無法充分發(fā)揮其牽引力；同時(shí)，傳動(dòng)系統(tǒng)的局限性也導(dǎo)致其無法在狹窄的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)，極大地增加了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。針對(duì)傳統(tǒng)調(diào)度絞車的上述局限性，為保證設(shè)備的整體牽引能力，需對(duì)傳統(tǒng)調(diào)度絞車的傳動(dòng)裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其具有更大的傳動(dòng)比，在減小調(diào)度絞車整體尺寸和質(zhì)量的同時(shí)保證其具有足夠的牽引力[2]。

本文以牽引力為110 kN 的調(diào)度絞車為例開展研究，設(shè)計(jì)如圖1 所示的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。

由圖1 可知，新型調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)主要由圓錐齒輪、行星輪系和圓柱齒輪輪系組成。為保證其能夠在狹窄的工作面通暢運(yùn)行，將其整體結(jié)構(gòu)排布為長條形的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。同時(shí)，為保證其適應(yīng)綜采工作面的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)的鋼絲繩的外層靜張力為110 kN、容繩量為700 m。

圖1 新型調(diào)度絞車傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

1.2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與選型

1.2.1 電動(dòng)機(jī)的選型

電動(dòng)機(jī)為調(diào)度絞車的動(dòng)力源，根據(jù)調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)各部件的傳動(dòng)效率，得出整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率為0.768。結(jié)合調(diào)度絞車牽引力和最大牽引速度，得出其最大功率為148.5 kW，對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出功率為193.4 kW。綜上，所選型電動(dòng)機(jī)的具體型號(hào)為YB2-355s1-4，具體參數(shù)如表1 所示。

表1 YB2-355s1-4 電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

1.2.2 鋼絲繩的選型

目前，可應(yīng)用的鋼絲繩類型包括單繞繩、雙繞繩和三繞繩。根據(jù)調(diào)度絞車110 kN 的牽引力需求，為其配置雙繞繩，具體型號(hào)為6×19+IWR-30-1870。該型鋼絲繩的直徑為30 mm，最小破斷拉力為555 kN，破斷拉力總和為673.77 kN。對(duì)應(yīng)的配置鋼絲繩卷筒的直徑為750 mm，寬度為800 mm。為保證實(shí)際鋼絲繩卷筒的承載能力，采用ZG45 為原材料并按照整體鑄造工藝完成。

1.2.3 其他部件的選型

其他部件包括彈性聯(lián)軸器和制動(dòng)器等，根據(jù)調(diào)度絞車的實(shí)際應(yīng)用需求，所選型其他部件的型號(hào)及參數(shù)如表2 所示。

表2 其他部件選型及主要參數(shù)

2 調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

2.1 仿真模型的建立

在上述設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于Pro/E 三維建模軟件在對(duì)調(diào)度絞車各個(gè)部件模型搭建后，通過其各個(gè)部件之間的關(guān)系完成裝配，最終完成對(duì)礦用調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)模型的建立，并將模型導(dǎo)入ADAMS 軟件中，為后續(xù)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的仿真分析奠定基礎(chǔ)[3]。所建立的虛擬樣機(jī)模型如圖2 所示。

圖2 礦用調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)模型

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真模型的驗(yàn)證

將模型導(dǎo)入ADAMS 軟件中，根據(jù)各零部件之間的相互關(guān)系添加彼此之間的約束關(guān)系。為仿真所添加的驅(qū)動(dòng)為：調(diào)度絞車啟動(dòng)時(shí)間為5 s，并在5 s 后電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 488 r/min；設(shè)定仿真時(shí)長為15 s。系統(tǒng)在完全啟動(dòng)后，調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)中的大錐齒輪、行星架、過橋齒輪及大齒輪的仿真轉(zhuǎn)速和理論轉(zhuǎn)速如表3所示。

由表3 可知，仿真所得各零部件的轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速的相對(duì)誤差非常小，控制在0.1%以內(nèi)[4]。由此說明，所搭建的仿真模型可進(jìn)一步應(yīng)用于對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的仿真分析中。

表3 調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)仿真轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速對(duì)比

2.2.2 動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果分析

本文重點(diǎn)對(duì)變載荷工況下調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，從而能夠更加準(zhǔn)確地反映調(diào)度絞車在實(shí)際工況下的動(dòng)態(tài)特性。結(jié)合調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行工況，為仿真模型所添加的變載荷如圖3 所示。

圖3 調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)施加的變載荷

在施加上述變載荷的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)中第三級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)的嚙合力特性進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)嚙合力時(shí)域仿真結(jié)果

由圖4 可知，從整個(gè)上分析上看，隨著時(shí)間的延長第三級(jí)圓柱齒輪的嚙合力整體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且波動(dòng)幅度較大。而且，具有代表性的在0.5～1.5 s 仿真時(shí)間段內(nèi)的平均嚙合力為62 073.9 N，在5.3～6.3 s仿真時(shí)間段內(nèi)的平均嚙合力為81 204.3 N，在10.1～11.0 s 仿真時(shí)間段內(nèi)的平均嚙合力為101 820.6 N。由此充分說明，調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪嚙合力與系統(tǒng)的負(fù)載相關(guān)。

3 結(jié)論

調(diào)度絞車為煤礦綜采工作面的輔助運(yùn)輸設(shè)備，其承擔(dān)著工作面大型機(jī)電設(shè)備的搬運(yùn)任務(wù)[5]。針對(duì)傳統(tǒng)調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)尺寸過大且牽引力不足的問題，在傳統(tǒng)調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上以圓錐齒輪、行星輪系和圓柱齒輪輪系設(shè)計(jì)了新型調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)所設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，得出如下結(jié)論：

1）通過對(duì)比傳動(dòng)系統(tǒng)各級(jí)齒輪的理論轉(zhuǎn)速和仿真轉(zhuǎn)速，驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)動(dòng)態(tài)特性仿真分析奠定基礎(chǔ)。

2）隨著時(shí)間的延長第三級(jí)圓柱齒輪的嚙合力整體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且波動(dòng)幅度較大。充分說明，調(diào)度絞車傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪嚙合力與系統(tǒng)的負(fù)載相關(guān)。