電牽引單軌吊齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

權(quán) 飛

QUAN Fei

（中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221000）

0 引言

輔助運(yùn)輸?shù)默F(xiàn)代化程度是衡量一個(gè)煤礦現(xiàn)代化水平的重要指標(biāo)[1]。單軌吊作為煤礦輔助運(yùn)輸?shù)囊环N高效快捷的新型裝備，憑借體積小、機(jī)動(dòng)靈活、通過巷道斷面小、轉(zhuǎn)彎半徑小、無需轉(zhuǎn)載和停頓、運(yùn)輸效率高等優(yōu)點(diǎn)，在煤礦得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

目前，各種井下設(shè)備都趨于電氣化，然而單軌吊大部分仍由柴油機(jī)牽引，一定程度上增加了成本投入；且液壓牽引導(dǎo)致的漏油及排氣污染等缺陷也同樣影響井下正常作業(yè)。近年來，我國陸續(xù)對(duì)電牽引單軌吊做了研究，內(nèi)容涉及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方案、蓄電池選擇、驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)等多個(gè)方面[3～5]。我們針對(duì)電牽引單軌吊的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證優(yōu)化效果，為電牽引單軌吊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)[6,7]。

1 基于MATLAB的單軌吊驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 初始傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)參數(shù)

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定單軌吊最高速度不得高于2m/s。選取電牽引單軌吊驅(qū)動(dòng)輪直徑D=340mm，則輸出轉(zhuǎn)速為：

選取額定功率為7.5kW，額定轉(zhuǎn)速為1500r/min，型號(hào)為SRM-132S2-2的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，總傳動(dòng)比為：

2）初步設(shè)計(jì)方案

采用一級(jí)直齒，一級(jí)行星減速，直齒傳動(dòng)比i1和行星傳動(dòng)比i2，初步分配i1=2，i2=6.676。

傳動(dòng)系統(tǒng)齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)初定如表1所示。

表1 初定齒輪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

1.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)變量

對(duì)于該二級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)，總傳動(dòng)比確定，取np=4，將直齒傳動(dòng)的大小齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、齒寬及行星傳動(dòng)的太陽輪和行星輪的齒數(shù)、模數(shù)、齒寬作為設(shè)計(jì)變量，即：

其中np為行星輪個(gè)數(shù)，z1、z2、za、zc為大小直齒輪、太陽輪、行星輪的齒數(shù)，mz、mx為直齒傳動(dòng)、行星傳動(dòng)的模數(shù)，bz、bx為直齒傳動(dòng)、行星傳動(dòng)的齒寬。

2）建立目標(biāo)函數(shù)

井下空間有限，為最大化利用空間，就要使驅(qū)動(dòng)減速部分體積盡可能的小。

將整個(gè)減速箱看作長方體，則其體積函數(shù)表達(dá)式為：

其中V(x)為長方體體積，L、W、H為長方體的長、寬、高。根據(jù)直齒傳動(dòng)與行星傳動(dòng)的相對(duì)大小分三種情況進(jìn)行表達(dá)，其主視圖和俯視圖如圖1所示。其中陰影是行星傳動(dòng)部分，空白表示直齒傳動(dòng)部分。

圖1 體積表達(dá)的三種情況

根據(jù)圖1，將設(shè)計(jì)變量代入式(1)，得到該優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)：

3）約束條件

根據(jù)傳動(dòng)比，同心及裝配條件，得到以下等式約束：

對(duì)于齒寬系數(shù)、接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度條件，得到以下非線性不等式約束[8]：

根據(jù)鄰接條件，得到以下線性不等式約束：

根據(jù)齒數(shù)，齒寬以及模數(shù)限制，確定部分變量的上下限：

4）建立數(shù)學(xué)模型

Fmincon函數(shù)是用于求解非線性多元函數(shù)最小值的MATLAB函數(shù)，其調(diào)用方式如下：

根據(jù)非線性約束條件，編寫非線性約束函數(shù)nonlconstr(x)。其M文件代碼如下：

根據(jù)優(yōu)化目的，編寫目標(biāo)函數(shù)objectfun(x)。其M文件代碼如下：

優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 Fmincon函數(shù)優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)裝配條件與實(shí)際情況，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行圓整處理，最終確定設(shè)計(jì)方案與原方案對(duì)比如表3所示。

表3 Fmincon優(yōu)化與原方案結(jié)果比較

由表可知，采用體積優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，體積減小了20.44%，在一定程度上節(jié)省了成本和材料。

2 優(yōu)化效果仿真分析

為了觀察體積減小后對(duì)整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的影響，因此對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了Pro/E建模與ADAMS與Workbench仿真分析。

2.1 三維建模仿真分析

采用體積優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用Pro/E建模，如圖2所示，觀察到整體傳動(dòng)系統(tǒng)橫向尺寸大幅減小，縱向尺寸小幅增加，整體結(jié)構(gòu)緊湊，更加適應(yīng)于井下作業(yè)。

圖2 優(yōu)化前后齒輪傳動(dòng)整體變化

2.2 關(guān)鍵部位受力分析

在ADAMS中，依次對(duì)各個(gè)部件添加約束與負(fù)載，如圖3所示，進(jìn)行仿真獲取齒面受力情況分析。

圖3 優(yōu)化后ADAMS模型建模

優(yōu)化前太陽輪與行星輪齒面嚙合力如圖4所示，平均值約為1536N。優(yōu)化后太陽輪與行星輪齒面嚙合力如圖5所示，平均值為1323N。通過圖4和圖5對(duì)比可知，優(yōu)化后太陽輪與行星輪齒面嚙合力不僅平均值降低，且嚙合力的幅值變化也趨于穩(wěn)定，這對(duì)行星傳動(dòng)的齒輪是有益的，可以提高齒輪的使用壽命。

圖4 優(yōu)化前太陽輪與行星輪齒面嚙合力

圖5 優(yōu)化后太陽輪與行星輪齒面嚙合力

2.3 關(guān)鍵部位應(yīng)力分析

在Workbench中，對(duì)優(yōu)化模型進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，觀察它們的應(yīng)力云圖。由于太陽輪與行星輪的嚙合處是齒輪受力的關(guān)鍵部位，在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)齒面進(jìn)行細(xì)化，網(wǎng)格劃分情況如圖6所示。

圖6 行星傳動(dòng)網(wǎng)格劃分

在仿真過程中，為了簡化模型，我們只選取了一個(gè)行星輪與太陽輪和內(nèi)齒圈進(jìn)行嚙合，瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模型如圖7所示。

圖7 行星部分瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析模型

優(yōu)化前太陽輪與行星輪應(yīng)力云圖如圖8所示。最大應(yīng)力出現(xiàn)在太陽輪和行星的接觸面上，最大值達(dá)到7.2173Mpa。

圖8 優(yōu)化前太陽輪與行星輪應(yīng)力云圖

優(yōu)化后太陽輪與行星輪應(yīng)力云圖如圖9所示。最大應(yīng)力值減少到4.47Mpa。可見該優(yōu)化在減少體積的同時(shí)，也有效的降低了齒輪疲勞強(qiáng)度，提高了齒輪使用年限。

3 結(jié)論

圖9 優(yōu)化后太陽輪與行星輪應(yīng)力云圖

針對(duì)電牽引單軌吊的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，以齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)體積最小為設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證優(yōu)化效果，為電牽引單軌吊的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。

1）電牽引單軌吊齒輪傳動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)具有多變量、有約束非線性的復(fù)雜問題。MATLAB中的Fmincon函數(shù)能較好的對(duì)該問題進(jìn)行優(yōu)化搜索，體積減小了20.44%，不光節(jié)省了制造成本和材料，也在一定程度上降低了設(shè)計(jì)成本。

2）優(yōu)化設(shè)計(jì)后，整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，關(guān)鍵位置的齒面所受合力的平均值降低了13.13%，整體合力也趨于穩(wěn)定，減少了受力沖擊引起的齒面損壞，減少了系統(tǒng)振動(dòng)。

3）優(yōu)化設(shè)計(jì)后，齒輪受力更加合理，在關(guān)鍵的行星傳動(dòng)部分，應(yīng)力最大值降低了38%，有效的降低了齒輪疲勞強(qiáng)度，提高了齒輪使用年限。

[1]徐虎.煤礦高效開采的前提是現(xiàn)代化的井下輔助運(yùn)輸[J].同煤科技2004,1:19-20,49.

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