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矿井手动变速装置结构设计与数值分析

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【摘要】本文设计了一种全新的手动变速装置,并对其进行动力学仿真,对变速箱内部齿轮转速和啮合力的合理性进行了研究,此外认为齿轮在啮合过程中受到了明显的振动冲击,而进一步研究发现齿轮振动的主要影响因素为时变刚度激励和啮合冲击激励。

【关键词】手动变速装置;仿真;结构设计;啮合

矿井液控闸阀最重要的功能之一为手动开启和关闭,当矿井煤层开采过程中排水系统发生故障时,只有通过对闸阀的手动控制才能保证矿井的正常开采,这就要求手动控制的步骤简便,而且手动操作具有较高的安全保障。传统的闸阀手动控制的主要操控部件为手轮,操控较为费劲;目前诸多矿井在进行闸阀的手动控制时需要与大排量的手泵站一起联用,故操作局限性较大。基于此,本文设计了一种全新的手动变速装置,并对其进行动力学仿真,从而对其设计的合理性进行评价。

1矿井手动变速装置的结构设计

手动变速装置最关键的构件为行星齿轮变速箱,可以通过功率分流功能实现动力的传输,而且该构件的尺寸较小,具有较强的承载力;传动比较大,运行较为稳定;同时抗干扰和冲击的能力较强。考虑到排水系统的复杂性,本次进行矿井手动变速装置的机构设计时在满足操控简便的基础上需要控制装置的体积,这样可适应复杂的排水管路以及利于后期维修。手动变速装置如图1所示。图1所示的手动变速装置具体设计方案为:去掉电机风扇,将风扇一端的电动机轴连接在变速箱上,在变速箱输入端的行星架上设置手动操控的接入口。在操控时,通过接入的手动转柄来使得电机工作,这样液压闸阀可在电机的驱动作用下实现开启和关闭的一系列动作,而且通过调节手动操作的速率可以实现开起闸阀和关闭闸阀速率的控制。这样设计一方面简化了操作步骤,另一方面可适应不同的工况条件。行星齿轮变速箱的传动原理如图2所示。图1矿井手动变速装置的机构设计示意图图2行星齿轮变速箱的传动原理示意图在图2中,太阳齿轮的模数为2,齿数为10,行星齿轮、行星齿轮轴以及内齿轮的齿数分别为29、8以及48。由此构建行星齿轮变速箱的仿真模型,在建模过程中,先修正行星齿轮轴的齿形,然后构建变速箱箱体和行星架的模型,最后整体装配,得到了3D模型如图3所示。图3行星齿轮变速箱的3D模型示意图

2矿井手动变速装置的数值模拟研究

本文通过ADAMS数值模拟软件对手动变速装置进行动力学模拟分析,将构建的导入软件中最终可得到变形、应力以及速率等参数。导入模型后需要施加约束条件,由于齿轮通过碰撞接触进行运动的传递,故对旋转副(内齿轮和行星架之间、行星架和太阳轮之间等)和固定副(齿轮箱和大地以及内齿轮之间)进行约束;此外还需要添加接触力,先将接触力的类型选择为固体对固体,然后对各个参数进行设定,接触刚度反应两个啮合齿轮接触面抗变形能力的大小,通过公式(1)进行计算:式中:R1和R2分别为两个啮合齿轮的半径;E1和E2分别为两个啮合齿轮的杨氏模量;v1和v2分别为两个啮合齿轮的泊松比。阻尼系数反应两个啮合齿轮碰撞过程中损失的能量,这里取接触刚度的0.5%;侵入深度为两个啮合齿轮接触点的深度,这里取0.1mm;影响刚度的系数取1.3。

2.1齿轮转速

假设手动操控时每秒可以转动一圈,则在仿真模型中为每秒360°,由此计算得到理论上太阳轮和行星轮转速分别为6660°和2532°,模型得到的各个齿轮的转速分别如图4的(a)~(c)所示。(a)行星架(b)太阳轮(c)行星轮图4各个齿轮的模拟转速示意图从图4中可以看出,太阳轮和行星轮转速稳定后依然会发生波动,但波动幅度极小,太阳轮和行星轮波动转速的最大值分别为6669°和2501°,与理论计算结果的误差分别为0.15%和1.12%,误差极小,说明模拟得到的齿轮转速是合理的。

2.2齿轮啮合力

当闸阀处于通电状态时太阳轮为输入端,在本次模拟中两个行星轮的力学性质是一致的,故本次只研究太阳轮与一个行星轮的啮合力,二者之间啮合力如图5所示。图5太阳轮与一个行星轮的啮合力示意图在图5中,T为转矩,Fn为咬合齿轮间的法向力,Fn(x)和Fn(y)分别为法向力在X和Y方向的分量。由于两个齿轮是不断转动的,经历着齿轮咬合和分离的循环过程,故法向力是不断变化的,这就导致法向力在X和Y方向的分量也是不断变化的。通过Matlab软件可得到,Fn(x)和Fn(y)的变化特征,如图6的(a)和(b)所示。(a)法向力在X方向分量的变化趋势图6法向力在X和Y方向分量的变化特征示意图(b)法向力在Y方向分量的变化趋势在数值模拟过程中,设置计算步数为3000步,仿真时间为2s,则模拟得到的法向力在X和Y方向的分量的变化特征如图7的(a)和(b)所示。(a)法向力在X方向分量的变化趋势图7法向力在X和Y方向分量的模拟结果示意图(b)法向力在Y方向分量的变化趋势从图7中可以发现,数值模拟结果与理论分析结果较为一致,整体上法向力在X和Y方向的分量呈正弦曲线变化。仿真结果显示法向力分量有波动,究其原因,一方面,理论分析结果显示的是接触点的受力特征,而数值模拟结果显示的是两个齿轮接触面的受力特征;另一方面,两个齿轮在啮合过程中受到了明显的振动冲击;在图7(a)中,X轴方向的法向分力为131.5kN,而理论计算结果为133kN,误差为1%。

2.3齿轮振动

在上述仿真研究结果中可知两个齿轮在啮合过程中受到了振动冲击,故对引发振动的缘由进行研究。通常引发振动的缘由为内部激励和外部激励,前者指时变刚度激励、齿形误差和啮合冲击激励等,为齿轮引起的激励,后者为齿轮外部干扰引起的激励,为除齿轮外其他构件引起的激励。在仿真模拟时,构建模型的齿形合理,故不存在齿形误差,同时仿真研究的是理想工况条件下手动变速装置的动力学表征,由此认为冲击振动不受外部激励的影响,主要影响因素为时变刚度激励和啮合冲击激励。设置太阳轮转速为每秒1.5转,此时输出轴的转动频率和齿轮的啮合频率分别为9.3HZ和88HZ,得到太阳轮的角加速度特征如图8的(a)和(b)所示。(a)角加速度时域特征从图8(a)中可以发现,在刚开始随着时间的延长角加速度不断增大,当太阳轮转速稳定后,角加速度在平衡值附近不断波动,但动载成分明显,这是因为太阳轮和行星轮在啮合时啮合冲击引起的激振力所致。从图8(b)中可以看出,峰值点较多,振动频率成分复杂,究其原因,一方面设置太阳轮转速较大,齿轮啮合引起的冲击振动明显,另一方面受到了内齿轮和行星齿轮轴啮合频率的影响;当频率为265HZ,峰值明显,与齿轮的啮合频率相近;当频率为530HZ时,又出现一处显著峰值,大约2倍于第一处明显峰值对应的频率,为其谐波,总体上时域图中的峰值频率主要为齿轮的啮合频率以及其谐波,由此得知齿轮振动的主要影响因素为时变刚度激励和啮合冲击激励。

3结束语

本文设计了一种全新的手动变速装置,并对其进行动力学仿真,设置变速箱内部太阳轮和行星轮转速分别为6660°和2532°,同时验证了齿轮转速的合理性;将太阳轮与行星轮间的啮合力进行了理论计算和仿真对比,认为两个齿轮在啮合过程中受到了明显的振动冲击,而进一步研究发现齿轮振动的主要影响因素为时变刚度激励和啮合冲击激励。

【参考文献】

[1]张敬云,谢作如.自制实验装置探究匀变速直线运动[J].中国信息技术教育,2016(11):56-57.

[2]孟增荣,程晓鸣.手动换档变速手柄检测装置的档位识别及数据处理方法[J].传动技术,2005(1):26-28.

[3]王琦.可手动、自动并与微机接口的小型变速装置[J].新技术新工艺,1988(4):26,28.

作者:侯智东 单位:山西钜盛能源集团有限公司

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