氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統運動特性分析研究

嚴通偉

（山西大同永定莊煤業公司，山西 大同 037024）

引言

氣動錨桿鉆機作為煤炭巷道掘進過程中的關鍵工具[1-3]，其運行的穩定性直接影響其工作效率，與錨固速度息息相關[4]。齒輪傳動系統作為氣動錨桿鉆機傳動部件，是其運行過程中的動力傳動部分，傳動穩定性要求較高[5-6]。但是氣動錨桿鉆機使用過程中發現煤層硬度變化對其掘進效率影響較大，因此，針對某煤炭企業應用的45kWMQT-130/2.7型氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統傳動性能展開分析，以期為氣動錨桿鉆機高效應用提供技術參考。

1 氣動錨桿鉆機結構概述

氣動錨桿鉆機作為國內外通用的煤炭掘進工具，常用的有齒輪式馬達錨桿鉆機和柱塞式馬達錨桿鉆機兩種，馬達形式是其主要的差異，其余的結構原理基本一樣。就目前國內的使用情況而言，齒輪式馬達錨桿鉆機應用較為廣泛，具有較好的運行穩定性。氣動錨桿鉆機結構包括驅動、控制和推進三部分組成，其中驅動部分由馬達、減速箱、消音器、鉆桿等部件組成[1-2]，是實現鉆削功能的主要動力來源，尤其是減速箱對于動力的傳輸直接決定了氣動錨桿鉆機動力輸出的穩定性。控制部分主要由氣路控制閥件和操作機構組成，實現對氣動錨桿鉆機的操作與控制。推進部分接收來自驅動部分的動力，在合理的工藝控制流程下，推動支腿完成切削功能。

2 齒輪傳動系統仿真模型的建立

為了完成齒輪傳動系統運動特性分析的效率和直觀性，采用ADMAS 仿真分析軟件完成。

2.1 建立三維模型

齒輪傳動系統穩定運行的關鍵是齒輪，精度差異直接與仿真結果息息相關。氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統為二級減速器，第一級為驅動齒輪，第二級為從動齒輪。為了保證仿真結果的準確性，齒輪傳動機構三維模型的建立未采用Pre/E、SolidWorks 等常用軟件，而是直接在ADMAS 軟件環境中完成了氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統三維模型的建立[3-4]，結果見圖1。

圖1 齒輪傳動系統三維模型

2.2 建立約束

氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統涉及固定副、齒輪副、轉動副等接觸關系，固定副用于約束各個齒輪與軸，限制二者之間的相對移動；轉動副使齒輪能夠在軸上進行自由旋轉；另外的約束體為大地。齒輪副建立時，需要關聯兩個運動副和一個方向坐標系，建立過程較為復雜，此處以接觸力代替齒輪副。定義接觸力的仿真速度相較于齒輪副設置的仿真速度較慢，但接觸力與齒輪的實際工況更接近，以此完成齒輪傳動系統的接觸定義。

2.3 添加驅動和載荷

2.3.1 載荷的確定

氣動錨桿鉆機作為煤炭巷道掘進工程的重要工具，需要適應不同硬度的巖層，鉆削工作過程中巖層的硬度差異會給齒輪傳動系統產生載荷沖擊，表現為明顯的扭轉振動。扭振強度大小不僅關系著氣動錨桿鉆機的工作效率，還關系著整個巷道掘進工程的行程。齒輪傳動系統作為氣動錨桿鉆機的動力傳動裝置，其運行的穩定性基本決定了整機的穩定性。因此，氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統的確定對不同硬度巖層下所受的載荷至關重要。

氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統仿真時不同巖層對應不同的載荷，巷道掘進過程中的煤巖硬度不是一成不變的，大多數情況下是一種或者多種巖層硬度的混合，其中涉及灰巖、煤層、細砂巖等等，查閱大量文獻資料得出，不同巖層對應的鉆削載荷如表1 所示[5]。

表1 錨桿鉆機鉆削載荷

2.3.2 載荷和驅動的施加

氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統載荷來自不同硬度的巖層鉆削反作用力，作用于鉆頭，為了提高仿真計算的效率，對模型進行了適當簡化。研究氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統不同負荷情況下的扭振，需要將不同巖層硬度時的載荷轉換為扭轉數據，施加在第二級減速器的輸出端，之后進行仿真計算。

氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統負責將氣動馬達輸出動力傳輸至花鍵主軸，驅動鉆頭完成煤巖的鉆削工作。根據氣動錨桿鉆機實際工況，確定馬達輸出轉速為1 400 r/min，第一級傳動小齒輪轉速為8 400 r/min。

3 仿真結果分析

3.1 仿真結果

氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統的仿真計算模型建立完成之后，設置仿真計算參數，仿真運行時間設置為0.01 s，步長設置為50 步，之后啟動Adams 仿真計算軟件自帶求解器進行仿真計算。計算完成調取不同載荷下系統中齒輪II、齒輪III、齒輪IV的角速度和角加速度變化曲線，如圖2、圖3 所示。

由圖2 可以看出，氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統中同一齒輪運行時，不同巖層硬度對應載荷下，巖層硬度越大，齒輪產生的扭轉振動幅度越大，所受載荷越大，扭轉振動幅值增加越明顯。觀察相同載荷作用下各個齒輪振動幅值變化情況可以發現，氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統中齒輪所處的傳動級數越高，齒輪的振動幅值越大。

圖2 不同載荷下各齒輪角速度

由圖3 可以看出，氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統中齒輪角加速度變化趨勢與齒輪角速度變化規律基本一致。同一齒輪運行時，巖層硬度載荷越大，齒輪產生的扭轉振動幅度越大，載荷越大，扭轉振動幅值增加越明顯。相同巖層硬度載荷作用下，齒輪的傳動級數越高，振動幅值變化越大，振動情況越激烈。

圖3 不同載荷下各齒輪角加速度

3.2 結果分析

由氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統仿真計算得到的各齒輪角速度和角加速度變化結果可以看出，齒輪傳動系統運行過程中所受的巖層硬度載荷越大，各個齒輪產生的振動趨勢越明顯，同時，齒輪的傳動級數越高，振動幅值變化越大，振動情況越激烈[6]。出現上述結果的原因可能是齒輪傳動系統由輸入端到輸出端的齒輪越來越接近鉆削載荷，并且傳動級數越來越高，較大的沖擊載荷作用于齒輪傳動系統的輸出端，之后逆向向輸入端傳輸，傳輸過程中存在能量損耗，導致振動趨勢逐漸降低。

4 結語

為了驗證氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統仿真計算結果的準確性，對某煤礦企業服役中的氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統進行了振動檢測，提取了氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統工作過程中實際的角速度和角加速度實測數值，相較于仿真計算結果，氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統實際的角速度和角加速度變化趨勢基本一致。相同載荷條件下，實際角速度與仿真計算得到的角速度最大值相差5%～10%，實際角加速度與仿真計算得到的角加速度最大值相差4%～9%。可以看出氣動錨桿鉆機齒輪傳動系統仿真計算結果與實際運行情況基本相同，能夠指導氣動錨桿鉆機施工作業與設計改進。