礦用絞車變速箱輸出軸結構性能的研究

張繼發

（同煤浙能麻家梁煤業公司， 山西 朔州 036000）

引言

礦用絞車作為煤礦開采中的重要設備，已被廣泛應用到了煤礦開采中[1]。變速箱輸出軸則是煤礦絞車中的重要部件，由于其使用環境惡劣，經常受到較大外界載荷作用，導致輸出軸在使用過程中極容易出現結構變形、磨損嚴重、結構開裂等現象，輸出軸一旦出現故障，將對絞車的正常運行構成重要威脅[2]。因此，在絞車工作原理分析基礎上，通過建立變速箱輸出軸的仿真模型，并有針對性地進行了輸出軸的優化設計。這為提高輸出軸的結構強度提供了重要研究保證。

1 絞車工作原理的分析

在煤礦開采中，礦用絞車主要起到對井下煤礦進行提升的作用，其結構主要包括變速箱、變速箱輸出軸、滾筒、一級行星架、二級行星架、聯軸器、制動器、齒輪、電動機、鋼絲繩等部件，根據其不同的分類方式，可將絞車分為防爆型絞車、非防爆型絞車、單滾筒絞車、多滾筒絞車、電動絞車及風動絞車等類型[3]。而本文研究的礦用絞車主要是防爆型絞車，主要通過液力傳動方式，將動力傳遞至滾筒處，并由此驅動變速機構進行絞車速度的調節，最終實現將電能、液壓動能轉換為機械能的過程，絞車的工作原理圖如圖1所示[4]。此液壓傳動方式具有穩定性好、自適應性強、結構緊湊、體積小等特點，可較好地實現對絞車電機轉速的調節與控制，并實現電機在一定范圍內的無極調速操作[5]。目前，礦用絞車較多采用此驅動方式進行操作。

2 絞車變速箱輸出軸模型的建立

2.1 三維模型的建立

變速箱輸出軸作為礦用絞車中的重要部件，掌握其使用過程中的結構變化規律至關重要。因此，采用了Solidworks軟件，按照1：1比例，對輸出軸進行了三維模型建立。在建模過程中，為保證后文仿真結果的準確性及較快的分析速度，首先將輸出軸上的螺紋孔、圓角、倒角進行特征省略，僅保留軸上的軸本體、鍵槽及花鍵槽等特征，由此，完成了變速箱輸出軸的三維模型建立，如圖2所示。

圖1 礦用絞車工作原理圖

圖2 絞車輸出軸三維模型

2.2 仿真模型的建立

結合建立的輸出軸三維模型，將其導入至Workbench軟件中，進行了仿真模型建立。由于整個絞車結構較為復雜，各部件的材料屬性也各不相同，而輸出軸實際使用時一般采用Q345、40Cr材料等[6]，因此，在該軟件中，對輸出軸進行了40Cr材料設置，該材料的主要性能參數如下頁表1所示。根據輸出軸端的結構特點，對其進行了六面體網格劃分，網格大小設置為10 mm，并對輸出軸末端的花鍵處進行了網格加密，其網格劃分圖如下頁圖3所示。由于輸出軸的兩端分別與軸承與花鍵進行連接，故在其兩端承受著較大的載荷作用。結合實際情況，對輸出軸的首端施加了7 290 N的圓周力，對花鍵末端施加了2 650 N的圓周力[7]。最終，將輸出軸的首端進行旋轉約束。由此，完成了變速箱輸出軸的仿真模型建立。

表1 40Cr材料主要性能參數

圖3 變形箱輸出軸網格劃分圖

3 輸出軸結構性能的分析

3.1 輸出軸應力變化的分析

結合前文建立的輸出軸仿真模型，得到了其在使用過程中的應力變化圖，如圖4所示。由圖可知，輸出軸的首端第二級軸、末端的花鍵處均出現了較大應力集中現象，且主要集中在第二級軸的軸肩處、花鍵的尾部處，呈圓周分布在整個輸出軸上，最大應力值為71.65 MPa。分析其原因為：第二級軸及末端花鍵等部位受到前端的較大圓周力及花鍵處的圓周力作用，導致其結構因受到旋轉扭矩而出現了較大的應力集中現象；輸出軸中間兩端的應力則相對較小，且呈均勻圓周分布狀態，輸出軸的中部軸階應力則相對最小。由此可知，輸出軸的前端第二級軸、末端花鍵處成為整個結構的薄弱部位，在使用中極容易率先發生結構失效現象。

圖4 輸出軸應力（MPa）變化圖

3.2 輸出軸結構位移變化的分析

結合前文仿真分析結果，得到了輸出軸在使用過程中的結構位移變化圖，如圖5所示。由圖可知，輸出軸整體結構出現了結構位移變化不均勻現象，其中，輸出軸末端花鍵處的變形位移較為明顯，最大變形位移為0.205 mm，主要集中在花鍵槽內部，并由末端向前端呈逐漸減小的變化趨勢，當達到輸出軸前端第二階軸時，整個輸出軸基本無結構位移變化。分析其原因為：輸出軸末端的花鍵處通過與絞車滾筒內部太陽輪行星輪進行連接，在花鍵傳遞過程中，受到了較大的旋轉力矩作用，導致在該處不僅出現了較大的應力集中現象，也出現了較大的結構變形。因此，有效減小輸出軸末端花鍵處的結構變形成為整個結構研究的關鍵。

圖5 輸出裝結構位移（mm）變化圖

4 輸出軸結構的改進

結合前文分析，得到了輸出軸在使用過程中的結構變化規律，得出其軸末端花鍵處、軸首端臺階處為整個結構的薄弱部件，而以末端花鍵處最為薄弱，對其結構進行優化改進，成為提升輸出軸安全作業的關鍵。因此，制定了如下改進方向：

1）對整個變速箱輸出軸進行材料的調質處理，調質硬度（HB）控制在230～280范圍內，以此提高整個輸出軸的結構強度；

2）鑒于花鍵連接處所受扭矩相對較大，對輸出軸具有較大程度的結構削弱，故可將輸出軸末端花鍵由原來的圓弧形花鍵改為矩形花鍵結構，以此提高花鍵處的結構受力情況；

3）針對花鍵受力較大及變形較大問題，也可通過增加軸的結構尺寸及花鍵數量來進行結構改進，由此可使變速箱輸出更大的輸出力矩；

4）增加輸出軸末端的幾個臺階外圓直徑，并在各臺階過渡處設置圓角，有效減少在輸出軸的臺階過渡部位產生應力集中現象；

5）定期加強對輸出軸運行情況、磨損情況、變形情況等方面的檢查及維護，針對出現模型嚴重、鍵齒斷裂等故障問題時，應及時對輸出軸進行維護保養或更換，以此保證輸出軸的正常運行及礦用絞車的運行安全。

5 結論

在使用過程中，變速箱輸出軸因受到較大的外界沖擊載荷，導致其整體結構出現了不同程度的結構變形或磨損現象。由此，通過建立變速箱輸出軸的仿真模型，開展了其結構強度的分析研究，得出輸出軸末端的花鍵連接處、前端第二級軸處等部位均存在較大程度的應力集中及結構變形現象，是整個結構中最為薄弱的部位，并找到了輸出軸使用中的結構變化規律。由此為基礎，有針對性地開展了輸出軸的結構優化設計。這對提高輸出軸的結構強度及絞車的使用安全具有重要作用。