礦井手動(dòng)變速裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值分析

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1、礦井手動(dòng)變速裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值分析 礦井手動(dòng)變速裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值分析 2018/12/14 本文設(shè)計(jì)了一種全新的手動(dòng)變速裝置，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)變速箱內(nèi)部齒輪轉(zhuǎn)速和嚙合力的合理性進(jìn)行了研究，此外認(rèn)為齒輪在嚙合過(guò)程中受到了明顯的振動(dòng)沖擊，而進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)齒輪振動(dòng)的主要影響因素為時(shí)變剛度激勵(lì)和嚙合沖擊激勵(lì)。 手動(dòng)變速裝置；仿真；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；嚙合 礦井液控閘閥最重要的功能之一為手動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，當(dāng)?shù)V井煤層開(kāi)采過(guò)程中排水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，只

2、有通過(guò)對(duì)閘閥的手動(dòng)控制才能保證礦井的正常開(kāi)采，這就要求手動(dòng)控制的步驟簡(jiǎn)便，而且手動(dòng)操作具有較高的安全保障。傳統(tǒng)的閘閥手動(dòng)控制的主要操控部件為手輪，操控較為費(fèi)勁；目前諸多礦井在進(jìn)行閘閥的手動(dòng)控制時(shí)需要與大排量的手泵站一起聯(lián)用，故操作局限性較大?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種全新的手動(dòng)變速裝置，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，從而對(duì)其設(shè)計(jì)的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 1礦井手動(dòng)變速裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手動(dòng)變速裝置最關(guān)鍵的構(gòu)件為行星齒輪變速箱，可以通過(guò)功率分流功能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳輸，而且該構(gòu)件的尺寸較小，具有較強(qiáng)的承載力；傳動(dòng)比較大，運(yùn)行較為穩(wěn)定；同時(shí)抗干擾和沖擊的能力較強(qiáng)?？紤]到排水系統(tǒng)的復(fù)雜性，本次

3、進(jìn)行礦井手動(dòng)變速裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在滿足操控簡(jiǎn)便的基礎(chǔ)上需要控制裝置的體積，這樣可適應(yīng)復(fù)雜的排水管路以及利于后期維修。手動(dòng)變速裝置如圖1所示。圖1所示的手動(dòng)變速裝置具體設(shè)計(jì)方案為：去掉電機(jī)風(fēng)扇，將風(fēng)扇一端的電動(dòng)機(jī)軸連接在變速箱上，在變速箱輸入端的行星架上設(shè)置手動(dòng)操控的接入口。在操控時(shí)，通過(guò)接入的手動(dòng)轉(zhuǎn)柄來(lái)使得電機(jī)工作，這樣液壓閘閥可在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉的一系列動(dòng)作，而且通過(guò)調(diào)節(jié)手動(dòng)操作的速率可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)起閘閥和關(guān)閉閘閥速率的控制。這樣設(shè)計(jì)一方面簡(jiǎn)化了操作步驟，另一方面可適應(yīng)不同的工況條件。行星齒輪變速箱的傳動(dòng)原理如圖2所示。圖1礦井手動(dòng)變速裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖圖2行星齒輪變速箱的傳動(dòng)原

4、理示意圖在圖2中，太陽(yáng)齒輪的模數(shù)為2，齒數(shù)為10，行星齒輪、行星齒輪軸以及內(nèi)齒輪的齒數(shù)分別為29、8以及48。由此構(gòu)建行星齒輪變速箱的仿真模型，在建模過(guò)程中，先修正行星齒輪軸的齒形，然后構(gòu)建變速箱箱體和行星架的模型，最后整體裝配，得到了3D模型如圖3所示。圖3行星齒輪變速箱的3D模型示意圖 2礦井手動(dòng)變速裝置的數(shù)值模擬研究 本文通過(guò)ADAMS數(shù)值模擬軟件對(duì)手動(dòng)變速裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模擬分析，將構(gòu)建的導(dǎo)入軟件中最終可得到變形、應(yīng)力以及速率等參數(shù)。導(dǎo)入模型后需要施加約束條件，由于齒輪通過(guò)碰撞接觸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的傳遞，故對(duì)旋轉(zhuǎn)副（內(nèi)齒輪和行星架之間、行星架和太陽(yáng)輪之間等）和固定

5、副（齒輪箱和大地以及內(nèi)齒輪之間）進(jìn)行約束；此外還需要添加接觸力，先將接觸力的類型選擇為固體對(duì)固體，然后對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，接觸剛度反應(yīng)兩個(gè)嚙合齒輪接觸面抗變形能力的大小，通過(guò)公式（1）進(jìn)行計(jì)算:式中：Ｒ１和Ｒ２分別為兩個(gè)嚙合齒輪的半徑；Ｅ１和Ｅ２分別為兩個(gè)嚙合齒輪的楊氏模量；v1和v2分別為兩個(gè)嚙合齒輪的泊松比。阻尼系數(shù)反應(yīng)兩個(gè)嚙合齒輪碰撞過(guò)程中損失的能量，這里取接觸剛度的0.5%；侵入深度為兩個(gè)嚙合齒輪接觸點(diǎn)的深度，這里取0.1mm；影響剛度的系數(shù)取1.3。 2.1齒輪轉(zhuǎn)速 假設(shè)手動(dòng)操控時(shí)每秒可以轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，則在仿真模型中為每秒360，由此計(jì)算得到理論上太陽(yáng)輪和

6、行星輪轉(zhuǎn)速分別為6660和2532，模型得到的各個(gè)齒輪的轉(zhuǎn)速分別如圖4的（a）~（c）所示。（a）行星架（b）太陽(yáng)輪（c）行星輪圖4各個(gè)齒輪的模擬轉(zhuǎn)速示意圖從圖4中可以看出，太陽(yáng)輪和行星輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后依然會(huì)發(fā)生波動(dòng)，但波動(dòng)幅度極小，太陽(yáng)輪和行星輪波動(dòng)轉(zhuǎn)速的最大值分別為6669和2501，與理論計(jì)算結(jié)果的誤差分別為0.15%和1.12%，誤差極小，說(shuō)明模擬得到的齒輪轉(zhuǎn)速是合理的。 2.2齒輪嚙合力 當(dāng)閘閥處于通電狀態(tài)時(shí)太陽(yáng)輪為輸入端，在本次模擬中兩個(gè)行星輪的力學(xué)性質(zhì)是一致的，故本次只研究太陽(yáng)輪與一個(gè)行星輪的嚙合力，二者之間嚙合力如圖5所示。圖5太陽(yáng)輪與一個(gè)行星輪的嚙

7、合力示意圖在圖5中，T為轉(zhuǎn)矩，F(xiàn)n為咬合齒輪間的法向力，F(xiàn)n（x）和Fn（y）分別為法向力在X和Y方向的分量。由于兩個(gè)齒輪是不斷轉(zhuǎn)動(dòng)的，經(jīng)歷著齒輪咬合和分離的循環(huán)過(guò)程，故法向力是不斷變化的，這就導(dǎo)致法向力在X和Y方向的分量也是不斷變化的。通過(guò)Matlab軟件可得到，F(xiàn)n（x）和Fn（y）的變化特征，如圖6的（a）和（b）所示。（a）法向力在X方向分量的變化趨勢(shì)圖6法向力在X和Y方向分量的變化特征示意圖（b）法向力在Y方向分量的變化趨勢(shì)在數(shù)值模擬過(guò)程中，設(shè)置計(jì)算步數(shù)為3000步，仿真時(shí)間為2s，則模擬得到的法向力在X和Y方向的分量的變化特征如圖7的（a）和（b）所示。（a）法向力在X方向分量的變

8、化趨勢(shì)圖7法向力在X和Y方向分量的模擬結(jié)果示意圖（b）法向力在Y方向分量的變化趨勢(shì)從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析結(jié)果較為一致，整體上法向力在X和Y方向的分量呈正弦曲線變化。仿真結(jié)果顯示法向力分量有波動(dòng)，究其原因，一方面，理論分析結(jié)果顯示的是接觸點(diǎn)的受力特征，而數(shù)值模擬結(jié)果顯示的是兩個(gè)齒輪接觸面的受力特征；另一方面，兩個(gè)齒輪在嚙合過(guò)程中受到了明顯的振動(dòng)沖擊；在圖7（a）中，X軸方向的法向分力為131.5kN，而理論計(jì)算結(jié)果為133kN，誤差為1%。 2.3齒輪振動(dòng) 在上述仿真研究結(jié)果中可知兩個(gè)齒輪在嚙合過(guò)程中受到了振動(dòng)沖擊，故對(duì)引發(fā)振動(dòng)的緣由進(jìn)行研究。通

9、常引發(fā)振動(dòng)的緣由為內(nèi)部激勵(lì)和外部激勵(lì)，前者指時(shí)變剛度激勵(lì)、齒形誤差和嚙合沖擊激勵(lì)等，為齒輪引起的激勵(lì)，后者為齒輪外部干擾引起的激勵(lì)，為除齒輪外其他構(gòu)件引起的激勵(lì)。在仿真模擬時(shí)，構(gòu)建模型的齒形合理，故不存在齒形誤差，同時(shí)仿真研究的是理想工況條件下手動(dòng)變速裝置的動(dòng)力學(xué)表征，由此認(rèn)為沖擊振動(dòng)不受外部激勵(lì)的影響，主要影響因素為時(shí)變剛度激勵(lì)和嚙合沖擊激勵(lì)。設(shè)置太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速為每秒1.5轉(zhuǎn)，此時(shí)輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和齒輪的嚙合頻率分別為9.3HZ和88HZ，得到太陽(yáng)輪的角加速度特征如圖8的（a）和（b）所示。（a）角加速度時(shí)域特征從圖8（a）中可以發(fā)現(xiàn)，在剛開(kāi)始隨著時(shí)間的延長(zhǎng)角加速度不斷增大，當(dāng)太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，

10、角加速度在平衡值附近不斷波動(dòng)，但動(dòng)載成分明顯，這是因?yàn)樘?yáng)輪和行星輪在嚙合時(shí)嚙合沖擊引起的激振力所致。從圖8（b）中可以看出，峰值點(diǎn)較多，振動(dòng)頻率成分復(fù)雜，究其原因，一方面設(shè)置太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速較大，齒輪嚙合引起的沖擊振動(dòng)明顯，另一方面受到了內(nèi)齒輪和行星齒輪軸嚙合頻率的影響；當(dāng)頻率為265HZ，峰值明顯，與齒輪的嚙合頻率相近；當(dāng)頻率為530HZ時(shí)，又出現(xiàn)一處顯著峰值，大約2倍于第一處明顯峰值對(duì)應(yīng)的頻率，為其諧波，總體上時(shí)域圖中的峰值頻率主要為齒輪的嚙合頻率以及其諧波，由此得知齒輪振動(dòng)的主要影響因素為時(shí)變剛度激勵(lì)和嚙合沖擊激勵(lì)。 3結(jié)束語(yǔ) 本文設(shè)計(jì)了一種全新的手動(dòng)變速裝置

11、，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，設(shè)置變速箱內(nèi)部太陽(yáng)輪和行星輪轉(zhuǎn)速分別為6660和2532，同時(shí)驗(yàn)證了齒輪轉(zhuǎn)速的合理性；將太陽(yáng)輪與行星輪間的嚙合力進(jìn)行了理論計(jì)算和仿真對(duì)比，認(rèn)為兩個(gè)齒輪在嚙合過(guò)程中受到了明顯的振動(dòng)沖擊，而進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)齒輪振動(dòng)的主要影響因素為時(shí)變剛度激勵(lì)和嚙合沖擊激勵(lì)。 ［1］張敬云，謝作如.自制實(shí)驗(yàn)裝置探究勻變速直線運(yùn)動(dòng)［J］.中國(guó)信息技術(shù)教育，2016（11）:56-57. ［2］孟增榮，程曉鳴.手動(dòng)換檔變速手柄檢測(cè)裝置的檔位識(shí)別及數(shù)據(jù)處理方法［J］.傳動(dòng)技術(shù)，2005（1）:26-28. ［3］王琦.可手動(dòng)、自動(dòng)并與微機(jī)接口的小型變速裝置［J］.新技術(shù)新工藝，1988（4）:26，28.