基于Witness的采煤機驅動齒輪加工過程仿真研究

任廣玉

（西山煤電集團有限責任公司，山西 太原 030053）

引言

驅動齒輪是采煤機行走的重要部件，由于在運行過程中受到極大的扭矩及牽引力，使得其極易發生損壞[1-2]，同時由于部件更換較為復雜，所以只能采用配件進行替代，嚴重影響著礦井的正產開采，因此對驅動齒輪進行優化設計是十分重要的[3-4]。本文基于仿真模擬軟件，對采煤機驅動齒輪的運行情況進行研究，為采煤機驅動齒輪的優化設計提供一定的參考。

1 仿真過程的設計

Witness仿真軟件可以實現離散部件的仿真模擬，同時軟件具備強大的后處理模塊，能夠較好地滿足用戶的使用需求，同時軟件可以將復雜的部件進行整合，且具有良好的可編程能力，使得通過特定函數能夠實現自動處理。

傳統的加工過程使得齒輪的齒形加工效率較低且驅動齒輪的加工周轉能力不足，所以利用Witness仿真軟件進行加工過程的仿真研究。驅動齒輪主要分為漸開線面驅動齒輪和擺線齒面驅動齒輪，本文對漸開線面驅動齒輪進行仿真研究，采煤機的驅動齒輪模型示意圖如1所示。

圖1 采煤機的驅動齒輪模型示意圖

一般來說漸開線驅動齒輪的加工步驟一般按順序可以分為：鍛造、正火＋高回、時效、半精車、粗加工齒形、半精加工齒形、齒面滲碳、整體淬火、精車、精磨、內花鍵加工、齒面精磨及鉗。對齒輪的設計加工主要包括滾齒、插齒、剃齒、磨齒等。首先進行目標模型元素的定義，本次研究共具有四種離散型元素，分別為生產機器制造元素、緩沖區制造元素、勞動者元素及零部件制造者元素。對元素的細節進行設計，原材的工藝路線設定為第一階段為熱處理組，時間設定為12 h，第二階段進入車床組，循環時間設定為25 h，第三階段為線切割組，循環時間設定為102 h，剩余階段依次為滾輪機組、磨床機組、磨齒組及鉗工組，其循環時間依次為31 h、4.5 h、9.25 h及2 h，最后達到外部系統，在清洗階段前由于機器類型均為單處理機。為了簡化仿真模擬過程，對整個過程進行分段驗證，根據設定可以車床組完成其階段的時間為37 h，所以在第37個小時軟件模擬動態可通過界面查看部件的運行狀態，同時可以生成報告用于后期查看，類似地可以對任何階段下部件的運行情況進行研究與查看。

仿真研究具有一定的隨機性，所以在進行研究時需要進行多次對比，由于其啟動時間、資源消耗及失效時間均為不確定時間，所以會導致輸出的隨機性。為解決此類問題，需要提前對系統進行預熱處理，本次模擬的工作時間設定為一個月30 d，工作時間8 h/天，所以仿真時間共有14 400 min，模擬發現整個加工過程中零件的平均逗留時間為157.2 min，其占據總運行時間的37%，而在熱處理設備上，由于加溫需要較長的時間，所以其逗留時間最大。在磨穿組和滾齒組的開動時間所占總時間的比列均不足10%，總的產出量為41個。可以看出整個運行過程效率較低，使得加工時間增大，所以為了降低加工所需時間，同時達到增加企業效益的目的，需要進行采煤機驅動齒輪生產過程的優化研究。

2 加工過程的優化研究

通過改變數量因數進行優化，在生產工藝中增加一定可以降低瓶頸生產時間的工藝，從而提升生產車間的利用率。生產驅動齒輪的車床組數量增加為2個，而線切割組的數量增加為6個，仿真時間仍為14 400 min，進行仿真模擬。改變數量仿真模擬設備利用率對比表如1所示。

表1 不同設備數量的利用率 %

根據仿真研究發現經過優化后設備的利用率均值分別為66.16%、96.86%、66.33%9.86%及76.72%，其中滾齒組的設備利用率增大至96.86%，此時屬于高負荷狀態，產量為51個，優化效果不明顯。

為了降低滾齒組的高負荷狀態，在先前優化的基礎上增加滾齒組數量，將其增加至3個，仿真后的設備利用率分別為74.64%、55.01%、75.75%、84.70%及55.39%，產量為58個，優化效果依舊不太明顯。所以通過改變時間進行優化，在原有的加工設備下對加工時間進行改變，將加工時間分別設定為車床組1 200 min、線切割組5 600 min、滾齒組及磨床組分別為1 660 min和270 min、磨齒組555 min、熱處理和鉗加工組分別設定為680 min和120 min，模擬后設備的利用率分別為98.53%、64.33%、57.40%、98.53%及8，17%，可以看出經過優化時間后，設備仍處于高負荷狀態，所以經過優化時間使得加工時間略有提升，但仍效果不佳。

從以上優化分析可以看出，優化工藝時間可以提升產出率，優化數量可以解決生產逗留情況，所以綜合分析，我們將兩種優化方式進行整合，通過增加關鍵設備數量，優化加工時間進行研究，發現經過綜合優化后設備的利用率分別為67.54%、39.37%、66.47%、84.70%及39.35%，產出量增大為62個。所以可以看出經過對時間及數量優化后設備的利用率及產出率均有了大幅度的提升，有效地降低了設備負載大、逗留率高等問題，同時在此基礎上還提升了產量，優化效果較為明顯。

3 結論

1）通過對采煤機驅動齒輪的加工過程進行分析，結合Witness仿真軟件，給出了采煤機驅動齒輪的生產過程仿真研究過程設定。

2）通過對設備數量和加工時間分別進行優化研究發現，優化設備數量可以降低設備的負載率，降低加工時間并提升部件的生產率。

3）對時間及數量優化后，設備的利用率及產出率均有了大幅度的提升，有效地降低了設備負載大、逗留率高的問題，優化效果明顯。