JWB—120型無極繩絞車減速器設計

王青

摘 要：在煤礦輔助傳送系統中，無極繩絞車是主要軌道傳送裝置之一，它有著快速運輸、長距離運輸、適應多變軌道的特點，是實用新型的輔助傳送裝置。它借鑒了軌道牽引機車的優秀技術和參考了傳統無極繩絞車的使用經驗和結構特點，進一步提高和完善了無極繩輔助傳送系統。本文旨在研究JWB-120型無極繩絞車，將傳統設計方法與計算機技術相結合，通過PRO/E5.0建立傳動裝置模型，并進行動態仿真，獲得其運動學、動力學曲線。這樣不但可以為JWB-120型無極繩絞車的研制與開發提供參考依據，對礦用無極繩絞車的技術水平及在國內外市場的競爭能力等方面，具有重要的社會意義和巨大的經濟效益。

關鍵詞：無極繩絞車；建模；動力仿真

一、無極繩絞車的介紹

無極繩絞車主要由絞車、梭車、張緊裝置、壓繩輪組，牽引輪，導輪等零部件組成。絞車是無極繩連續牽引車的動力，它是由一個三相異步電動機帶動，電機通過減速箱或者齒輪箱將動力傳輸給絞車滾筒，繩子的移動是靠繩子與滾筒之間的摩擦帶動的。梭車和手推車被固定在繩子上、并且隨著繩子的移動完成輔助運輸工作。

摩擦卷筒是無極繩絞車的關鍵部件，它主要是用來卷繞繩子和提供摩擦來牽引繩子，然后完成動力的傳動和材料運輸的任務，它的性能對整個運輸系統起著決定性的影響。由于絞車有著較強的適用性、系統嚴謹、外形尺寸小、質量輕、負載大、轉移特別方便等優勢，在礦山、煤礦、港口、建筑和海洋等眾多工程領域得到普遍的應用。

二、JWB-120型無極繩絞車三維模型的建立

JWB-120型無極繩絞車的模型都是用PRO/E所建立的，值得一提的是齒輪的參數化建模。齒輪被認為是傳動中的重要零件和它們的運動條件是復雜多變的，因為它們處在一直在變的驅動速度和頻繁的齒輪變速環境下。以Pro/E軟件為平臺，對變速器中的螺旋齒輪采用三維參數實體化建模以及利用有限元分析軟件ANSYS去分析齒輪模型的應力。通過這種方法，設計者能快速地、有效地、精確地去決策、分析、對比和繪制設計方案，并且結果是質量高的和設計周期短的。

（一）絞車的相關參數

根據具體要求，確定絞車的相關參數。絞車的電機：額定轉速為990r/min ，功率為160kW；軸1：轉速為990r/min，功率為152.1kW；軸2：轉速為396r/min，功率為142.3kW；軸3：轉速為82.5r/min，功率為134kW；軸4：轉速為16r/min，功率為124kW。第一級圓錐齒輪傳動比為2.5，第二級圓柱齒輪傳動比為4.8，第三級圓柱齒輪傳動比為5。

（二）絞車模型的建立

構建絞車模型，需要對滾筒，錐齒輪，第二級圓柱齒輪，第三級圓柱齒輪，四根軸，減速箱分別建立三維模型。采用PRO/E5.0參數化建模方法，具體步驟如下：

（1）新建并命名零件的模型，再創建用戶參數：齒輪模數-M，齒輪齒數-Z，齒輪壓力角-ANGLE，與之嚙合的齒輪的齒數-Z_ASM，齒輪的寬度-B，齒頂高系數-HAX，齒底隙系數-CX，齒輪變位系數-X，并賦予各個參數初始值；

（2）在零件模型中創建關系；

（3）建立基準點、線、面；

（4）利用掃描混合、旋轉、陣列等工具，并且應用編程的方法進行參數的輸入控制，以達到快速設計新產品的目的；

（5）利用再生功能，重新鍵入大錐齒輪參數，最終生成大錐齒輪模型。

（三）JWB-120無極繩絞車零部件模型的裝配

進行機構運動及動力仿真分析時，需要先創建機構的分析模型，在PRO/E5.0裝配環境下，將在零件環境下設計好的零件用適當的方法連接起來，組成一組機構。連接類型選擇約束連接， 4條軸與軸承連接是采用銷釘連接，減速箱體是剛性連接，軸承與箱體，端蓋與箱體，滾筒與軸，齒輪與軸、螺栓連接都是采用配對和對齊進行完全約束的。

三、減速器的運動仿真分析及動力學分析

PRO/E5.0中機構分析模塊可以進行裝配的運動學、動力學分析和仿真，在二維上一些難以表達和設計的運動，PRO/E5.0中表達起這些運動卻是非常形象直觀和易于修改的，相比于以前的開發過程，利用計算機輔助工具來進行機構協同設計其開發過程和開發周期被簡化和縮短了許多，以最少的費用獲得最好的產品質量，這是相當經濟的。仿真結果輸出形式是多樣的，既可以以動畫的形式也可以以參數的形式，這樣是很形象直觀的，用戶看起來一目了然，因此可以檢查出零部件之間是否有干涉以及干涉的范圍有多大。根據動畫仿真結果我們可以對設計的零件進行修改一直到不產生干涉為止。運動學分析包括觀察并記錄分析和測量位置、速度、加速度、力等運動參數，并且可以圖形的方式進行輸出。

（一）機構運動仿真分析

1.仿真步驟

（1）點擊應用程序的機構按鈕，進入到機械設計環節。接下來就是檢查裝配的連接情況，點擊連接組件對話框的運行按鈕，出現確認對話框連接成功；

（2）再定義圓錐齒輪連接，點擊模型工具欄的齒輪按鈕，出現齒輪副定義窗口，選擇錐齒輪傳動類型，選擇高速輸入軸作為齒輪1連接軸，選擇軸2作為齒輪2連接軸，系統會自動選取齒輪的主體和托架，在屬性欄輸入傳動比30：75；

（3）再定義第二級齒輪連接，點擊模型工具欄的齒輪按鈕，出現齒輪副定義窗口，接受默認的名稱和傳動類型，選擇軸2作為齒輪1連接軸，選擇軸3作為齒輪2連接軸，系統自動選取齒輪的主體和托架，屬性欄輸入傳動比30：144；

（4）再定義第三級齒輪連接，點擊模型工具欄的齒輪按鈕，出現齒輪副定義窗口，接受默認的名稱和傳動類型，選擇軸3作為齒輪1連接軸，選擇軸4作為齒輪2連接軸，系統自動選取齒輪的主體和托架，屬性欄輸入傳動比30：150；

（5）創建伺服電動機：

點擊工具欄的伺服電動機按鈕，選擇小錐齒輪軸為伺服電動機的驅動對象，在輪廓面板，輸入轉速；

（6）拍攝快照：

選擇視圖中的拖動元件按鈕，在繪圖區拖動滾筒到一定位置，按下快照鍵，完成快照；

（7）點擊機構分析按鈕，在類型下選擇運動學選項，選擇上一步創建的運動分析，保存有.pbk擴展名的文件，以備以后分析時使用，在分析滾筒上的一點的位移、速度及加速度，最后輸出測量結果。

2.機構動力學分析

（1）要進行動力學分析，首先定義重力，在質量屬性中參照類型選擇組件，定義屬性為缺省，再添加阻尼器；

（2）定義外載荷。

在本仿真過程中，忽略了齒輪和軸的變形，將所有零部件均視為剛體，為了簡化模型，對絞車的剛體模型做了如下假設：忽略制造誤差及安裝誤差；不考慮齒輪嚙合過程中的摩擦熱及嚙合變形；忽略軸承及軸之間的徑向竄動，且它們之間的相對轉動為理想約束。從仿真結果看，滾筒所受的轉矩最大，與實際情況相符。在時間歷程方面，絞車啟動的瞬間，各個齒輪間產生一個很大的沖擊，大約是齒輪平均嚙合力的1.3到1.5倍。在0～0.05s這段時間，為絞車的加速階段，隨著速度的增加，齒輪嚙合力的波動幅度增加，但波動周期卻在減少，在此段時間之后，絞車以恒定的速度運行，齒輪的嚙合力在一個均值附近上下波動，波動周期和幅度都為一穩定值，這體現了齒輪傳動周期嚙入嚙出的特點。且各個齒輪的轉速方向滿足內外嚙合的關系，且傳動比與實際傳動比幾乎完全一致，說明了新型運輸絞車虛擬樣機滿足傳動比要求。

四、結論

該絞車為長型結構，能在煤礦巷道的狹窄空間進行使用，牽引力大大提高，并且能雙向運轉，平均牽引速度達60m/min，是同種功用的絞車的6-8倍，工作效率大大提高。本著對設計參數進行安全校驗和進一步優化的目的，我對四個軸進行了有限元分析，分析結果如上面所示。根據結果我們可以知道絞車的設計方案較為合理。不僅可以按設計者思路通過變速箱變速實現重物的起吊，同時通過傳統計算獲得的結構尺寸可以保證絞車安全穩定的運行。即絞車的設計達到要求。

但是根據現代設計常用的有限元軟件分析可以發現，傳統的設計方案整體過于笨重，影響絞車的運行性能，具有較大的減重空間。基于為提高絞車的運行性能及節約成本考慮，我們考慮對軸的尺寸進行適當的減小。

總體而言，本文絞車的設計方案合理。使用有限元軟件進行分析也驗證其滿足強度要求。在有限元軟件分析結果的指導下對絞車進行合理的減重，提高了絞車運行性能同時節約了成本。

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