矿用绞车变速箱输出轴结构性能的研究.pdf

引言 矿用绞车作为煤矿开采中的重要设备， 已被广泛 应用到了煤矿开采中[1]。 变速箱输出轴则是煤矿绞车 中的重要部件， 由于其使用环境恶劣， 经常受到较大 外界载荷作用，导致输出轴在使用过程中极容易出 现结构变形、 磨损严重、 结构开裂等现象， 输出轴一 旦出现故障， 将对绞车的正常运行构成重要威胁[2]。 因此， 在绞车工作原理分析基础上， 通过建立变速箱 输出轴的仿真模型，并有针对性地进行了输出轴的 优化设计。这为提高输出轴的结构强度提供了重要 研究保证。 1绞车工作原理的分析 在煤矿开采中， 矿用绞车主要起到对井下煤矿进 行提升的作用， 其结构主要包括变速箱、 变速箱输出 轴、 滚筒、 一级行星架、 二级行星架、 联轴器、 制动器、 齿轮、 电动机、 钢丝绳等部件， 根据其不同的分类方 式， 可将绞车分为防爆型绞车、 非防爆型绞车、 单滚筒 绞车、 多滚筒绞车、 电动绞车及风动绞车等类型[3]。而 本文研究的矿用绞车主要是防爆型绞车，主要通过 液力传动方式， 将动力传递至滚筒处， 并由此驱动变 速机构进行绞车速度的调节， 最终实现将电能、 液压 动能转换为机械能的过程，绞车的工作原理图如图 1 所示[4]。此液压传动方式具有稳定性好、 自适应性 强、 结构紧凑、 体积小等特点， 可较好地实现对绞车 电机转速的调节与控制，并实现电机在一定范围内 的无极调速操作[5]。 目前， 矿用绞车较多采用此驱动 方式进行操作。 2绞车变速箱输出轴模型的建立 变速箱输出轴作为矿用绞车中的重要部件， 掌 握其使用过程中的结构变化规律至关重要。 因此， 采 用了 Solidworks 软件， 按照 1 1 比例， 对输出轴进行 了三维模型建立。 在建模过程中， 为保证后文仿真结 果的准确性及较快的分析速度，首先将输出轴上的 螺纹孔、 圆角、 倒角进行特征省略， 仅保留轴上的轴 本体、 键槽及花键槽等特征， 由此， 完成了变速箱输 出轴的三维模型建立， 如图 2 所示。 结合建立的输出轴三维模型，将其导入至 Workbench 软件中， 进行了仿真模型建立。由于整个 绞车结构较为复杂， 各部件的材料属性也各不相同， 而输出轴实际使用时一般采用 Q345、 40Cr 材料等[6]， 因此， 在该软件中， 对输出轴进行了 40Cr 材料设置， 该材料的主要性能参数如下页表 1 所示。根据输出 轴端的结构特点， 对其进行了六面体网格划分， 网格 大小设置为 10 mm，并对输出轴末端的花键处进行 了网格加密， 其网格划分图如下页图 3 所示。 由于输 出轴的两端分别与轴承与花键进行连接，故在其两 端承受着较大的载荷作用。 结合实际情况， 对输出轴 的首端施加了 7 290 N 的圆周力， 对花键末端施加了 矿用绞车变速箱输出轴结构性能的研究 张继发 （同煤浙能麻家梁煤业公司， 山西朔州036000） 摘要 变速箱输出轴的结构极容易出现结构变形、 磨损等故障现象， 严重时将会对绞车及井下作业安全构成 重要威胁。因此， 在分析矿用绞车工作原理的基础上， 开展了输出轴结构性能的仿真分析研究， 找到输出轴结构 的薄弱部位， 即以末端花键处最为薄弱， 进而针对性地对输出轴进行优化改进设计， 以提升输出轴的结构强度， 保证绞车的作业安全性， 也为后期开展输出轴的优化改进设计提供了重要参考。 关键词 煤矿绞车变速箱输出轴 中图分类号 TD50文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 05-0072-02 收稿日期 2020-03-19 作者简介 张继发 （1992） ， 男， 本科， 毕业于天津理工大学中环 学院机械工程及其自动化专业， 助理工程师， 辅运科技术员。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.05.030 总第 205 期 2020 年第5 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 205 No.5， 2020 图 1矿用绞车工作原理图 图 2绞车输出轴三维模型 防爆电机液力传动输出 电机损耗小部分内能 液力元件损耗小部分内能 电能转化机械能液体动能转化机械能输出机械能 机械分析与设计 2020 年第 5 期 2 650 N 的圆周力[7]。 最终， 将输出轴的首端进行旋转 约束。由此， 完成了变速箱输出轴的仿真模型建立。 3输出轴结构性能的分析 结合前文建立的输出轴仿真模型，得到了其在 使用过程中的应力变化图， 如图 4 所示。由图可知， 输出轴的首端第二级轴、末端的花键处均出现了较 大应力集中现象， 且主要集中在第二级轴的轴肩处、 花键的尾部处， 呈圆周分布在整个输出轴上， 最大应 力值为 71.65 MPa。分析其原因为 第二级轴及末端 花键等部位受到前端的较大圆周力及花键处的圆周 力作用，导致其结构因受到旋转扭矩而出现了较大 的应力集中现象；输出轴中间两端的应力则相对较 小， 且呈均匀圆周分布状态， 输出轴的中部轴阶应力 则相对最小。由此可知， 输出轴的前端第二级轴、 末 端花键处成为整个结构的薄弱部位，在使用中极容 易率先发生结构失效现象。 结合前文仿真分析结果，得到了输出轴在使用 过程中的结构位移变化图， 如图 5 所示。由图可知， 输出轴整体结构出现了结构位移变化不均匀现象， 其中， 输出轴末端花键处的变形位移较为明显， 最大 变形位移为 0.205 mm，主要集中在花键槽内部， 并 由末端向前端呈逐渐减小的变化趋势，当达到输出 轴前端第二阶轴时，整个输出轴基本无结构位移变 化。 分析其原因为 输出轴末端的花键处通过与绞车 滚筒内部太阳轮行星轮进行连接，在花键传递过程 中， 受到了较大的旋转力矩作用， 导致在该处不仅出 现了较大的应力集中现象，也出现了较大的结构变 形。 因此， 有效减小输出轴末端花键处的结构变形成 为整个结构研究的关键。 4输出轴结构的改进 结合前文分析，得到了输出轴在使用过程中的 结构变化规律， 得出其轴末端花键处、 轴首端台阶处 为整个结构的薄弱部件， 而以末端花键处最为薄弱， 对其结构进行优化改进，成为提升输出轴安全作业 的关键。因此， 制定了如下改进方向 1） 对整个变速箱输出轴进行材料的调质处理， 调质硬度 （HB） 控制在 230280 范围内， 以此提高整 个输出轴的结构强度； 2） 鉴于花键连接处所受扭矩相对较大， 对输出 轴具有较大程度的结构削弱，故可将输出轴末端花 键由原来的圆弧形花键改为矩形花键结构，以此提 高花键处的结构受力情况； 3） 针对花键受力较大及变形较大问题， 也可通 过增加轴的结构尺寸及花键数量来进行结构改进， 由此可使变速箱输出更大的输出力矩； 4） 增加输出轴末端的几个台阶外圆直径， 并在 各台阶过渡处设置圆角，有效减少在输出轴的台阶 过渡部位产生应力集中现象； 5） 定期加强对输出轴运行情况、 磨损情况、 变形 情况等方面的检查及维护， 针对出现模型严重、 键齿 断裂等故障问题时，应及时对输出轴进行维护保养 或更换，以此保证输出轴的正常运行及矿用绞车的 运行安全。 5结论 在使用过程中，变速箱输出轴因受到较大的外 界冲击载荷，导致其整体结构出现了不同程度的结 构变形或磨损现象。 由此， 通过建立变速箱输出轴的 仿真模型， 开展了其结构强度的分析研究， 得出输出 轴末端的花键连接处、前端第二级轴处等部位均存 在较大程度的应力集中及结构变形现象，是整个结 构中最为薄弱的部位，并找到了输出轴使用中的结 构变化规律。 由此为基础， 有针对性地开展了输出轴 的结构优化设计。这对提高输出轴 弹性模量 /GPa屈服强度 /MPa密度 / （g cm-3）泊松比 2207857.820.3 表 140Cr 材料主要性能参数 图 3变形箱输出轴网格划分图 图 4输出轴应力 （MPa） 变化图 图 5输出装结构位移 （mm） 变化图 7.9612 15.922 23.883 31.844 39.806 47.767 55.728 63.689 71.65 Max 0.00015658 Min Z 0.20048 0.20104 0.20159 0.20215 0.20271 0.20326 0.20382 0.20437 0.20493 Max 0.19992 Min Z （下转第 76 页） 张继发 矿用绞车变速箱输出轴结构性能的研究 73 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 传统采煤机的工况响应特征，发现传统的主从控制 控制效果极差， 采煤机容易出现偏载现象， 对设备损 害严重。 2） 通过对不同控制方式进行仿真模拟， 发现并 行控制方式和交叉耦合控制方式下的设备响应速度 快， 设备偏载现象相对较轻， 双电机同步精度更高。 3） 交叉耦合控制方式下， 采煤机抗外界干扰能 力更强， 其牵引电机转速误差和偏载率更低， 偏载率 较并行控制方式下的偏载率最高降低 9.6％， 考虑采 煤机实际运行过程中载荷的不均匀性和随机性， 采 用交叉耦合控制方式更容易实现采煤机的高效运 行， 更适应采煤机的双牵引电机控制。 参考文献 [1]成凤凤， 杨兆建， 王淑平， 等.采煤机牵引轮与刮板输送机销轨 的啮合仿真[J].煤矿机械， 2013 （7） 55-57. [2]周笛， 张旭方， 杨周， 等.采煤机牵引部传动系统动态可靠性分 析[J].煤炭学报， 2015 （11） 2 546-2 551. [3]赵丽娟， 孙东阁， 孙林.釆煤机牵引部刚柔耦合系统仿真研究 [J].机械传动， 2012， 36 （3） 17-20. [4]徐建超， 谭超， 赵亚东.采煤机行走轮的参数建模与有限元分析 [J].煤矿机械， 2011， 32 （5） 91-92. （编辑 贾娟） Coordinated Mathematical Model and Joint Simulation Analysis of Twin Motors in Haulage Department of Shearer Meng Yuantai （Shouyang Kaiyuan Mining Co., Ltd., Shouyang Shanxi 045400） Abstract Taking an MG300/700 coal winning machine as the research object, and compares the shearer traction under different coordination control of dynamic mechanical response of double motor drive system, get the traditional master-slave control mode of coal winning machine is easy to cause partial load operation, damage to equipment, cross-coupling control mode, coal winning machine antijamming ability strong, can effectively control pin pin wheel rail asymmetrical loading rate, therefore, good robustness cross-coupling control mode is more suitable for shearer traction of double motor drive coordination. Key words MG 300/700 shearer; master-slave control; cross coupling control; partial load rate 的结构强度及绞车的使用安全具有重要作用。 参考文献 [1]冯冠一.基于 ANSYS 的矿用绞车滚筒结构特性的分析[J].机械 管理开发， 2019， 34 （12） 41-42； 46. [2]师帅.矿用提升绞车行星架结构强度的分析研究[J].机械管理 开发， 2019， 34 （12） 86-87. [3]李福固.矿用绞车技术改造的部件安装[J].煤矿机械， 2019， 40 （10） 96-97. [4]王子刚.矿用提升绞车的故障分析与维护[J].机械管理开发， 2019， 34 （9） 287-288. [5]秦亚洲.矿用液压绞车结构设计与性能分析[D].淮南 安徽理工 大学， 2018. [6]刘宝峰.矿用调度绞车排绳装置的设计研究[J].山东煤炭科技， 2018 （5） 150-151； 154. [7]陈志辉.新型矿用气动绞车滚筒的设计和研究[J].煤矿机械， 2018， 39 （5） 99-101.（编辑 贾娟） Study on Structure Perance of Output Shaft of Mine Winch Gearbox Zhang Jifa （Zheneng Majialiang Coal Co., Ltd., Shuozhou Shanxi 036000） Abstract The structure of the output shaft of the gearbox is prone to structural deation, wear and other fault phenomena, which will pose an important threat to the safety of winch and underground operation when serious. Therefore, on the basis of analyzing the working principle of mine winch, the simulation analysis of output shaft structure perance is carried out, and the weak part of output shaft structure is found, while the end spline is the weakest, and then the output shaft is optimized and improved in order to enhance the structural strength of output shaft and ensure the safety of winch operation. Key words coal mine; winch; gearbox; output shaft （上接第 73 页） 76