礦用調度絞車傳動系統動態特性及有限元分析

張 玲

（西山煤電集團有限責任公司屯蘭礦， 山西 古交 030206）

引言

調度絞車為煤礦生產中的輔助運輸設備，其主要承擔著綜采工作面大、中、小設備的調度任務，該裝置的結構性能間接關系著整個工作面生產運行的安全性和可靠性。在當前工作面高效率、高自動化方向發展的時代，對調度絞車的工作效率、節能效果及使用壽命等方面提出了更高的要求。尤其是傳統調度絞車傳動系統在其原理和結構上存在一定的局限性，導致其很難使用在較為狹窄且惡劣的工作面中并無法高效發揮搬遷綜采設備的任務[1]。因此，本文將設計一款新型礦用調度絞車，并對其傳動系統的動態特性進行有限元分析。

1 新型調度絞車的總體設計

本節根據調度絞車在工作面的實際應用需求，從結構外形、關鍵尺寸及關鍵傳動機構、執行機構、制動機構進行選型設計，并建立新型調度絞車的虛擬樣機模型，為后續調度絞車傳動系統的動態特性奠定基礎。

1.1 新型調度絞車的結構設計

傳統礦用調度絞車由于其在傳動原理和結構上存在局限性，導致無法充分發揮其牽引力；同時，傳動系統的局限性也導致其無法在狹窄的空間內實現自主移動，極大地增加了現場作業人員的勞動強度。針對傳統調度絞車的上述局限性，為保證設備的整體牽引能力，需對傳統調度絞車的傳動裝置進行改進設計，使其具有更大的傳動比，在減小調度絞車整體尺寸和質量的同時保證其具有足夠的牽引力[2]。

本文以牽引力為110 kN 的調度絞車為例開展研究，設計如圖1 所示的傳動結構。

由圖1 可知，新型調度絞車傳動系統主要由圓錐齒輪、行星輪系和圓柱齒輪輪系組成。為保證其能夠在狹窄的工作面通暢運行，將其整體結構排布為長條形的對稱結構。同時，為保證其適應綜采工作面的應用要求，設計的鋼絲繩的外層靜張力為110 kN、容繩量為700 m。

圖1 新型調度絞車傳動結構

1.2 關鍵部件的設計與選型

1.2.1 電動機的選型

電動機為調度絞車的動力源，根據調度絞車傳動系統各部件的傳動效率，得出整個傳動系統的傳動效率為0.768。結合調度絞車牽引力和最大牽引速度，得出其最大功率為148.5 kW，對應的電機輸出功率為193.4 kW。綜上，所選型電動機的具體型號為YB2-355s1-4，具體參數如表1 所示。

表1 YB2-355s1-4 電動機主要參數

1.2.2 鋼絲繩的選型

目前，可應用的鋼絲繩類型包括單繞繩、雙繞繩和三繞繩。根據調度絞車110 kN 的牽引力需求，為其配置雙繞繩，具體型號為6×19+IWR-30-1870。該型鋼絲繩的直徑為30 mm，最小破斷拉力為555 kN，破斷拉力總和為673.77 kN。對應的配置鋼絲繩卷筒的直徑為750 mm，寬度為800 mm。為保證實際鋼絲繩卷筒的承載能力，采用ZG45 為原材料并按照整體鑄造工藝完成。

1.2.3 其他部件的選型

其他部件包括彈性聯軸器和制動器等，根據調度絞車的實際應用需求，所選型其他部件的型號及參數如表2 所示。

表2 其他部件選型及主要參數

2 調度絞車傳動系統動態特性分析

2.1 仿真模型的建立

在上述設計的基礎上，基于Pro/E 三維建模軟件在對調度絞車各個部件模型搭建后，通過其各個部件之間的關系完成裝配，最終完成對礦用調度絞車傳動系統模型的建立，并將模型導入ADAMS 軟件中，為后續傳動系統動態特性的仿真分析奠定基礎[3]。所建立的虛擬樣機模型如圖2 所示。

圖2 礦用調度絞車傳動系統虛擬樣機模型

2.2 仿真分析

2.2.1 仿真模型的驗證

將模型導入ADAMS 軟件中，根據各零部件之間的相互關系添加彼此之間的約束關系。為仿真所添加的驅動為：調度絞車啟動時間為5 s，并在5 s 后電機轉速達到1 488 r/min；設定仿真時長為15 s。系統在完全啟動后，調度絞車傳動系統中的大錐齒輪、行星架、過橋齒輪及大齒輪的仿真轉速和理論轉速如表3所示。

由表3 可知，仿真所得各零部件的轉速與理論轉速的相對誤差非常小，控制在0.1%以內[4]。由此說明，所搭建的仿真模型可進一步應用于對傳動系統動態特性的仿真分析中。

表3 調度絞車傳動系統仿真轉速與理論轉速對比

2.2.2 動態特性仿真結果分析

本文重點對變載荷工況下調度絞車傳動系統的動態特性進行仿真分析，從而能夠更加準確地反映調度絞車在實際工況下的動態特性。結合調度絞車傳動系統的實際運行工況，為仿真模型所添加的變載荷如圖3 所示。

圖3 調度絞車傳動系統施加的變載荷

在施加上述變載荷的基礎上，重點對傳動系統中第三級圓柱齒輪傳動的嚙合力特性進行仿真分析，仿真結果如圖4 所示。

圖4 調度絞車傳動系統嚙合力時域仿真結果

由圖4 可知，從整個上分析上看，隨著時間的延長第三級圓柱齒輪的嚙合力整體上呈現增大的趨勢，且波動幅度較大。而且，具有代表性的在0.5～1.5 s 仿真時間段內的平均嚙合力為62 073.9 N，在5.3～6.3 s仿真時間段內的平均嚙合力為81 204.3 N，在10.1～11.0 s 仿真時間段內的平均嚙合力為101 820.6 N。由此充分說明，調度絞車傳動系統的齒輪嚙合力與系統的負載相關。

3 結論

調度絞車為煤礦綜采工作面的輔助運輸設備，其承擔著工作面大型機電設備的搬運任務[5]。針對傳統調度絞車傳動系統尺寸過大且牽引力不足的問題，在傳統調度絞車傳動系統的基礎上以圓錐齒輪、行星輪系和圓柱齒輪輪系設計了新型調度絞車傳動系統，并對所設計傳動系統的動態特性進行仿真分析，得出如下結論：

1）通過對比傳動系統各級齒輪的理論轉速和仿真轉速，驗證了仿真模型的準確性，為后續動態特性仿真分析奠定基礎。

2）隨著時間的延長第三級圓柱齒輪的嚙合力整體上呈現增大的趨勢，且波動幅度較大。充分說明，調度絞車傳動系統的齒輪嚙合力與系統的負載相關。