礦井提升機減速器箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計研究

郭 媛

（晉能控股山西科學(xué)技術(shù)研究院設(shè)計研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037042）

減速器是礦用提升機中的重要構(gòu)成部分，由提升機電機輸出的動力需要通過減速器后再進入滾筒，故要求其須具備良好的綜合性能[1-3]。減速器是提升機運行時的重要噪聲來源，在對減速器箱體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，為保障其強度并降低噪聲，通常會過多地增大箱體結(jié)構(gòu)尺寸，這會在一定程度上增加箱體結(jié)構(gòu)的材料成本[4-5]。岳南礦年產(chǎn)1.2×106t，煤層厚度范圍為5.3～6.0 m，平均厚度為5.5 m。礦井中需要利用提升機對煤礦物料、工具等進行運輸，使用的提升機型號為JK-2。以該提升機減速器箱體結(jié)構(gòu)為研究對象，在對箱體結(jié)構(gòu)的噪聲進行模擬分析的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，取得了一定的效果，對于提升減速器的整體性能具有一定的現(xiàn)實意義。

1 減速器箱體輻射噪聲分析模型建立

1.1 主要分析流程

進行礦井提升機減速器箱體輻射噪聲分析時（提升機的型號為JK-2），首先需要根據(jù)提升機減速器箱體結(jié)構(gòu)的實際尺寸，建立有限元模型并開展頻率響應(yīng)分析，作用是獲得箱體結(jié)構(gòu)所有表面節(jié)點的振動速度。然后建立邊界元模型，同時將箱體表面所有節(jié)點的振動速度輸入到模型中進行分析，可以獲得箱體表面的聲壓，再配合場點網(wǎng)格模型，可以獲得箱體外部的聲場情況。

1.2 模型的建立

主要介紹邊界元模型和場點網(wǎng)格模型的建立。建立聲學(xué)邊界元模型時要求整個模型處于封閉狀態(tài)。因此需要對減速器箱體結(jié)構(gòu)進行封閉處理，使箱體呈現(xiàn)出封閉狀態(tài)。對箱體外表面進行網(wǎng)格劃分時采用的是殼單元，且單元尺寸為聲波波長的1/6，最終確定的單元尺寸為35 mm，以確保模型計算速度以及結(jié)果精度。邊界元模型建立時，需要將有限元模型分析得到的表面節(jié)點振動速度輸入其中。但由于有限元模型和邊界元模型存在一定差異，表面節(jié)點之間無法一一匹配。本案例中，將邊界元模型中某節(jié)點附近的4 個有限元模型節(jié)點結(jié)果進行插值計算，將計算結(jié)果輸入到邊界元模型的節(jié)點中。建立場點網(wǎng)格模型時參考ISO3747-2000 標(biāo)準(zhǔn)，整個模型設(shè)置為矩形，各外表面與減速器箱體表面的距離均為1 m。構(gòu)建的減速器輻射噪聲分析模型，其中里面為邊界元模型，外面為場點網(wǎng)格模型，如圖1 所示。

圖1 減速器輻射噪聲分析模型

圖2 提升機箱體結(jié)構(gòu)的表面及外聲場聲壓云圖

2 減速器箱體輻射噪聲分析結(jié)果

完成模型的計算工作后，可以對減速器箱體表面的聲壓分布云圖以及外聲場聲壓分布云圖進行提取分析。由圖（a）可知，減速器箱體表面的聲壓分布呈現(xiàn)出不均勻性的特點，主要原因是箱體表面不同部位的振動狀態(tài)存在差異，而振動狀態(tài)會直接影響表面的聲壓分布。進一步分析可知，減速器箱體前后部分的聲壓相對較大，而底座部分的聲壓相對較小，聲壓最大值為104.09 dB（A），出現(xiàn)的位置為箱體前機蓋的下部分。由圖 （b）可知，減速器外聲場的聲壓分布云圖同樣呈現(xiàn)出不均勻性的特點，聲壓相對較大的部位主要集中在前后側(cè)面、上側(cè)面的中間區(qū)域，其他部位的聲壓均相對較小。以上結(jié)果表明，提升機減速器工作時，箱體的前后端蓋、上側(cè)面是噪聲的主要來源。外聲場聲壓最大值為97.9 dB（A），出現(xiàn)的位置為前機蓋下部分區(qū)域。

3 減速器箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

3.1 優(yōu)化設(shè)計方案

原設(shè)計在減速器箱體結(jié)構(gòu)尺寸方面存在一定的冗余[6]。本次優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)是在保證箱體噪聲基本不變的情況下，降低整個箱體結(jié)構(gòu)的重量。在分析減速器箱體結(jié)構(gòu)特點的基礎(chǔ)上確定了5 個主要優(yōu)化對象，如圖3 所示。由圖可知，優(yōu)化對象分別為底座的上端面和前后端面、底座下半部前后端面、箱體支撐面、箱體底面的鋼板厚度。以上5 個部位的鋼板厚度初始值分別為45 mm、40 mm、110 mm、35 mm 和40 mm。開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時，以上5 個優(yōu)化對象的取值范圍分別設(shè)置為35～55 mm、30 ～50 mm、85 ～120 mm、25 ～45 mm、30～50 mm。以減速器的振動噪聲為約束條件，以整體結(jié)構(gòu)的重量為優(yōu)化目標(biāo)，在以上范圍內(nèi)分別進行取值建模并進行分析，將結(jié)果進行對比后確定最終的優(yōu)化結(jié)果。

圖3 減速器箱體結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)化對象

3.2 箱體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果

經(jīng)過優(yōu)化分析計算后，最終確定的5 個優(yōu)化對象，其鋼板厚度分別為40 mm、35 mm、90 mm、30 mm 和30 mm。與優(yōu)化改進前相比較，以上5 個結(jié)構(gòu)參數(shù)的降低程度分別為11.11%、12.5%、18.18%、14.29%和25%。可以看出，主要優(yōu)化對象的鋼板厚度均出現(xiàn)了不同程度的減少，意味著提升機減速器整體的結(jié)構(gòu)重量會減輕。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的減速器整體重量為7 519 kg，與優(yōu)化前相比較重量減少了235 kg。對優(yōu)化后的減速器箱體結(jié)構(gòu)進行建模并對噪聲情況進行分析，發(fā)現(xiàn)箱體表面的聲壓和外聲場聲壓分布云圖，同樣分布非常不均勻，箱體表面聲壓最大值為104 dB（A），外聲場聲壓的最大值為98 dB（A）。可見，對箱體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進后，其工作時產(chǎn)生的噪聲與優(yōu)化改進前基本持平，但總重量卻變得更輕了，因此認(rèn)為達到了輕量化設(shè)計的效果。

3.3 箱體結(jié)構(gòu)校核

提升機減速器箱體結(jié)構(gòu)尺寸的變化，勢必會在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的強度。為了確保優(yōu)化后箱體結(jié)構(gòu)的強度能夠達到使用要求，基于有限元方法對優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)進行建模分析，獲得了正常工作時箱體的應(yīng)力分布云圖，結(jié)果如圖4 所示。由圖可知，減速器箱體的應(yīng)力分布非常不均勻，大部分區(qū)域的應(yīng)力相對較小，幾乎為0，只有部分位置的應(yīng)力相對較大，但是最大應(yīng)力只有140.7 MPa，出現(xiàn)最大應(yīng)力的位置為前端蓋部位。提升機減速器箱體結(jié)構(gòu)利用Q345 材料加工制作，該材料的屈服強度為345 MPa。箱體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)取1.5，則箱體結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力值為230 MPa。箱體的實際最大應(yīng)力要比材料的許用應(yīng)力低很多，完全能夠滿足其結(jié)構(gòu)的實際使用要求。

圖4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的箱體應(yīng)力分布云圖

3.4 應(yīng)用分析

將優(yōu)化后的減速器箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)用到岳南煤礦的JK-2 型提升機工程實踐中，以驗證優(yōu)化改進方案的合理性。目前該結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng)用時間大約為半年，通過對減速器結(jié)構(gòu)的調(diào)試觀察，發(fā)現(xiàn)運行期間減速機結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定可靠工作，驗證了優(yōu)化改進方案的科學(xué)性。通過此次優(yōu)化改進工作，使得提升機減速器在保持噪聲基本不變的情況下，適當(dāng)降低了整體重量，達到了節(jié)約資源的目的，同時能在一定程度上節(jié)約減速器的加工制作成本，降低幅度大約為3%～5%左右，產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)論

以JK-2 型礦用提升機減速器為研究對象，在對箱體結(jié)構(gòu)噪聲進行分析的基礎(chǔ)上，對箱體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化改進。所得結(jié)論主要有：利用邊界元模型對減速器箱體的表面聲壓和外聲場聲壓進行模擬分析，發(fā)現(xiàn)其最大值分別為104.09 dB （A）和97.9 dB（A）。結(jié)合箱體結(jié)構(gòu)特點，選擇5 個結(jié)構(gòu)優(yōu)化對象，以減速器噪聲為約束條件，以總重量為優(yōu)化目標(biāo)開展優(yōu)化改進工作，使得減速器箱體在噪聲基本保持不變的情況下，總重量減少了235 kg。對優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)進行強度校核，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力為140.7 MPa，比材料屈服強度小很多，能滿足實際使用要求； 將優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)應(yīng)用到提升機工程實踐中，驗證了優(yōu)化方案的有效性。