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）

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

2.1 三维模型的建立

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。

图1 矿用绞车工作原理图

图2 绞车输出轴三维模型

2.2 仿真模型的建立

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。

表1 40Cr材料主要性能参数

图3 变形箱输出轴网格划分图

3 输出轴结构性能的分析

3.1 输出轴应力变化的分析

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。

图4 输出轴应力（MPa）变化图

3.2 输出轴结构位移变化的分析

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。

图5 输出装结构位移（mm）变化图

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230～280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。这对提高输出轴的结构强度及绞车的使用安全具有重要作用。