JSDB-19型雙速絞車關鍵部件強度分析

康曉光

(潞安化工集團 潞寧煤業有限責任公司,山西 寧武 036706)

0 引言

煤炭在我國所消耗的化石能源中占據著65%的份額，所以煤炭的開采對保障經濟的發展以及社會民生需求等方面具有重要意義。為了提高煤礦的開采效率，近年來煤礦開采設備有了一個較大的進步，尤其是機械化、自動化的發展，使得煤礦產量得到進一步提高。但隨之而來的就是開采設備結構安全的問題，如何保障煤礦開采設備在高強度、重載荷等的作用下安全可靠是一個重要的研究領域。

礦用絞車屬于井下煤礦開采作業的輔助運輸設備，雙速絞車具有快、慢兩種配速，適用范圍更廣，在低速狀態下的牽引質量較高速時的牽引質量更大。不同的調速適用于不同的應用場景，雙速絞車由雙聯齒輪結構和一個內齒圈以及一個可滑動的齒輪組合而成，因此絞車的雙齒輪結構的可靠性對保障絞車的穩定性具有重要意義。本文以JSDB-19型雙速絞車為研究對象，采用ADAMS動態仿真軟件對絞車關鍵部件進行強度分析。

1 JSDB-19型雙速絞車結構特征

JSDB-19型雙速多用絞車由電動機1、聯軸器2、變速箱3、卷筒機構4等組成，其結構示意圖如圖1所示。該絞車電機選用了ZC150M型驅動電機，電機額定功率為8 kW，額定工作轉速為1 100 r/min。

1-電動機；2-聯軸器；3-變速箱；4-卷筒機構

該絞車特點如下：

(1) 具有兩種調速，低速時平均速度為6 m/min～10 m/min，高速狀態下平均速度為50 m/min～70 m/min，通過雙齒輪離合內齒方式實現速比較大的兩檔切換，具有較強的實際應用意義。

(2) 在煤礦開采中可實現一機多用，代替調速絞車、慢速絞車、運輸絞車等設備。

(3) 設計使用壽命長，穩定性與可靠性較高，同時具有機構緊湊等優點，可以在狹小的空間內使用。

2 有限元模型的建立

使用UG創建雙速絞車減速器三維實體模型，如圖2所示。

圖2 雙速絞車減速器三維模型

JSDB-19型雙速多用絞車傳動系統中低速軸的轉動速度低，傳遞的功率較大，受到的扭矩較大。根據實際的應用情況，本文選擇低速傳動軸以及軸上齒輪作為分析對象。

在建立有限元仿真模型時，將模型中較小的特征去掉，如倒圓角、小孔等。軸與齒輪的材料均使用45鋼，材料的彈性模量為206 GPa、泊松比為0.3、密度為7.8 kg/mm3、屈服強度為482 MPa。

根據齒輪傳動的特點，模型網格劃分選擇單元類似的四面體單元，使用軟件自由網格劃分方法來劃分網格。網格單元基本尺寸設置為20 mm，單元類型設置為solid45，最終計算分析得到的有限元模型共有54 714個單元、72 562個節點。

低速軸兩端由軸承支撐，在工作時軸與齒輪一起轉動，軸與齒輪之間靠鍵鎖緊，仿真分析時將軸與齒輪作為單獨的對象施加載荷與邊界條件。在不考慮軸與軸承以及齒輪之間裝配誤差的情況下，軸兩端位移約束為零，約束軸的徑向旋轉自由度；齒輪為主動件，模型進行簡化處理，認為軸與齒輪之間是剛性連接，對齒輪安裝面施加固定約束。在驅動電機的輸入功率為6 kW，轉速為45 r/min工況下，齒輪傳遞的扭矩為1.8×106N·mm，在齒輪最惡劣工況下法向載荷為18 kN，齒輪的載荷傳遞為全齒寬接觸。

3 有限元分析計算結果

采用ADAMS動態仿真軟件計算最惡劣工況條件下低速轉軸與其上傳動齒輪的應力與應變。

3.1 低速轉軸計算結果

低速轉軸計算結果如圖3所示。軸的最大變形量為1.887×10-4mm，變形相對較小；軸的最大應力值為20.5 MPa，遠小于材料的屈服強度；最大應力與變形分布與軸和齒輪實際嚙合的情況類似，最大應力值出現于低速齒輪與軸相接觸的地方。根據計算結果，軸的設計滿足結構強度要求。

圖3 低速轉軸計算結果

3.2 齒輪計算結果

齒輪的應力云圖如圖4所示。齒輪最大應力值為386 MPa，出現在齒根位置，小于材料的屈服強度482 MPa，滿足結構強度的設計要求。但最大應力值與材料屈服強度接近，齒根處最容易產生齒輪輪齒斷裂失效，應對齒輪齒根位置應力集中情況進行處理。可以采用在齒輪根部圓弧過渡等方式來降低齒根的應力集中情況，同時應注意齒輪嚙合過程中不要發生偏載現象，如此將造成齒輪過度磨損。

圖4 齒輪應力云圖

4 結語

雙速絞車對于保障煤礦的安全開采具有重要作用，為了提高雙速絞車的可靠性以及經濟效益，以JSDB-19型雙速多用絞車為研究對象，利用ADAMS動態仿真軟件對絞車關鍵部件進行了強度分析。分析結果顯示，齒輪軸最大應力為20.5 MPa，應力值遠小于材料的屈服強度，最大應力值位于與齒輪相基礎的區域，相對比較安全；齒輪的最大應力值為386 MPa，小于材料的屈服強度，但齒根位置存在較為明顯的應力集中。提出對該齒輪的結構優化建議，即在齒根部應采用圓角過渡以減小應力集中，齒根位置是齒輪的薄弱區域，應注意針對該區域的結構優化設計。該研究對雙速絞車變速箱結構的設計具有參考意義，對于提升雙速絞車的可靠性具有重要意義。