JWB—120型无极绳绞车减速器设计

王青

摘 要：在煤矿辅助传送系统中，无极绳绞车是主要轨道传送装置之一，它有着快速运输、长距离运输、适应多变轨道的特点，是实用新型的辅助传送装置。它借鉴了轨道牵引机车的优秀技术和参考了传统无极绳绞车的使用经验和结构特点，进一步提高和完善了无极绳辅助传送系统。本文旨在研究JWB-120型无极绳绞车，将传统设计方法与计算机技术相结合，通过PRO/E5.0建立传动装置模型，并进行动态仿真，获得其运动学、动力学曲线。这样不但可以为JWB-120型无极绳绞车的研制与开发提供参考依据，对矿用无极绳绞车的技术水平及在国内外市场的竞争能力等方面，具有重要的社会意义和巨大的经济效益。

关键词：无极绳绞车；建模；动力仿真

一、无极绳绞车的介绍

无极绳绞车主要由绞车、梭车、张紧装置、压绳轮组，牵引轮，导轮等零部件组成。绞车是无极绳连续牵引车的动力，它是由一个三相异步电动机带动，电机通过减速箱或者齿轮箱将动力传输给绞车滚筒，绳子的移动是靠绳子与滚筒之间的摩擦带动的。梭车和手推车被固定在绳子上、并且随着绳子的移动完成辅助运输工作。

摩擦卷筒是无极绳绞车的关键部件，它主要是用来卷绕绳子和提供摩擦来牵引绳子，然后完成动力的传动和材料运输的任务，它的性能对整个运输系统起着决定性的影响。由于绞车有着较强的适用性、系统严谨、外形尺寸小、质量轻、负载大、转移特别方便等优势，在矿山、煤矿、港口、建筑和海洋等众多工程领域得到普遍的应用。

二、JWB-120型无极绳绞车三维模型的建立

JWB-120型无极绳绞车的模型都是用PRO/E所建立的，值得一提的是齿轮的参数化建模。齿轮被认为是传动中的重要零件和它们的运动条件是复杂多变的，因为它们处在一直在变的驱动速度和频繁的齿轮变速环境下。以Pro/E软件为平台，对变速器中的螺旋齿轮采用三维参数实体化建模以及利用有限元分析软件ANSYS去分析齿轮模型的应力。通过这种方法，设计者能快速地、有效地、精确地去决策、分析、对比和绘制设计方案，并且结果是质量高的和设计周期短的。

（一）绞车的相关参数

根据具体要求，确定绞车的相关参数。绞车的电机：额定转速为990r/min ，功率为160kW；轴1：转速为990r/min，功率为152.1kW；轴2：转速为396r/min，功率为142.3kW；轴3：转速为82.5r/min，功率为134kW；轴4：转速为16r/min，功率为124kW。第一级圆锥齿轮传动比为2.5，第二级圆柱齿轮传动比为4.8，第三级圆柱齿轮传动比为5。

（二）绞车模型的建立

构建绞车模型，需要对滚筒，锥齿轮，第二级圆柱齿轮，第三级圆柱齿轮，四根轴，减速箱分别建立三维模型。采用PRO/E5.0参数化建模方法，具体步骤如下：

（1）新建并命名零件的模型，再创建用户参数：齿轮模数-M，齿轮齿数-Z，齿轮压力角-ANGLE，与之啮合的齿轮的齿数-Z_ASM，齿轮的宽度-B，齿顶高系数-HAX，齿底隙系数-CX，齿轮变位系数-X，并赋予各个参数初始值；

（2）在零件模型中创建关系；

（3）建立基准点、线、面；

（4）利用扫描混合、旋转、阵列等工具，并且应用编程的方法进行参数的输入控制，以达到快速设计新产品的目的；

（5）利用再生功能，重新鍵入大锥齿轮参数，最终生成大锥齿轮模型。

（三）JWB-120无极绳绞车零部件模型的装配

进行机构运动及动力仿真分析时，需要先创建机构的分析模型，在PRO/E5.0装配环境下，将在零件环境下设计好的零件用适当的方法连接起来，组成一组机构。连接类型选择约束连接， 4条轴与轴承连接是采用销钉连接，减速箱体是刚性连接，轴承与箱体，端盖与箱体，滚筒与轴，齿轮与轴、螺栓连接都是采用配对和对齐进行完全约束的。

三、减速器的运动仿真分析及动力学分析

PRO/E5.0中机构分析模块可以进行装配的运动学、动力学分析和仿真，在二维上一些难以表达和设计的运动，PRO/E5.0中表达起这些运动却是非常形象直观和易于修改的，相比于以前的开发过程，利用计算机辅助工具来进行机构协同设计其开发过程和开发周期被简化和缩短了许多，以最少的费用获得最好的产品质量，这是相当经济的。仿真结果输出形式是多样的，既可以以动画的形式也可以以参数的形式，这样是很形象直观的，用户看起来一目了然，因此可以检查出零部件之间是否有干涉以及干涉的范围有多大。根据动画仿真结果我们可以对设计的零件进行修改一直到不产生干涉为止。运动学分析包括观察并记录分析和测量位置、速度、加速度、力等运动参数，并且可以图形的方式进行输出。

（一）机构运动仿真分析

1.仿真步骤

（1）点击应用程序的机构按钮，进入到机械设计环节。接下来就是检查装配的连接情况，点击连接组件对话框的运行按钮，出现确认对话框连接成功；

（2）再定义圆锥齿轮连接，点击模型工具栏的齿轮按钮，出现齿轮副定义窗口，选择锥齿轮传动类型，选择高速输入轴作为齿轮1连接轴，选择轴2作为齿轮2连接轴，系统会自动选取齿轮的主体和托架，在属性栏输入传动比30：75；

（3）再定义第二级齿轮连接，点击模型工具栏的齿轮按钮，出现齿轮副定义窗口，接受默认的名称和传动类型，选择轴2作为齿轮1连接轴，选择轴3作为齿轮2连接轴，系统自动选取齿轮的主体和托架，属性栏输入传动比30：144；

（4）再定义第三级齿轮连接，点击模型工具栏的齿轮按钮，出现齿轮副定义窗口，接受默认的名称和传动类型，选择轴3作为齿轮1连接轴，选择轴4作为齿轮2连接轴，系统自动选取齿轮的主体和托架，属性栏输入传动比30：150；

（5）创建伺服电动机：

点击工具栏的伺服电动机按钮，选择小锥齿轮轴为伺服电动机的驱动对象，在轮廓面板，输入转速；

（6）拍摄快照：

选择视图中的拖动元件按钮，在绘图区拖动滚筒到一定位置，按下快照键，完成快照；

（7）点击机构分析按钮，在类型下选择运动学选项，选择上一步创建的运动分析，保存有.pbk扩展名的文件，以备以后分析时使用，在分析滚筒上的一点的位移、速度及加速度，最后输出测量结果。

2.机构动力学分析

（1）要进行动力学分析，首先定义重力，在质量属性中参照类型选择组件，定义属性为缺省，再添加阻尼器；

（2）定义外载荷。

在本仿真过程中，忽略了齿轮和轴的变形，将所有零部件均视为刚体，为了简化模型，对绞车的刚体模型做了如下假设：忽略制造误差及安装误差；不考虑齿轮啮合过程中的摩擦热及啮合变形；忽略轴承及轴之间的径向窜动，且它们之间的相对转动为理想约束。从仿真结果看，滚筒所受的转矩最大，与实际情况相符。在时间历程方面，绞车启动的瞬间，各个齿轮间产生一个很大的冲击，大约是齿轮平均啮合力的1.3到1.5倍。在0～0.05s这段时间，为绞车的加速阶段，随着速度的增加，齿轮啮合力的波动幅度增加，但波动周期却在减少，在此段时间之后，绞车以恒定的速度运行，齿轮的啮合力在一个均值附近上下波动，波动周期和幅度都为一稳定值，这体现了齿轮传动周期啮入啮出的特点。且各个齿轮的转速方向满足内外啮合的关系，且传动比与实际传动比几乎完全一致，说明了新型运输绞车虚拟样机满足传动比要求。

四、结论

该绞车为长型结构，能在煤矿巷道的狭窄空间进行使用，牵引力大大提高，并且能双向运转，平均牵引速度达60m/min，是同种功用的绞车的6-8倍，工作效率大大提高。本着对设计参数进行安全校验和进一步优化的目的，我对四个轴进行了有限元分析，分析结果如上面所示。根据结果我们可以知道绞车的设计方案较为合理。不仅可以按设计者思路通过变速箱变速实现重物的起吊，同时通过传统计算获得的结构尺寸可以保证绞车安全稳定的运行。即绞车的设计达到要求。

但是根据现代设计常用的有限元软件分析可以发现，传统的设计方案整体过于笨重，影响绞车的运行性能，具有较大的减重空间。基于为提高绞车的运行性能及节约成本考虑，我们考虑对轴的尺寸进行适当的减小。

总体而言，本文绞车的设计方案合理。使用有限元软件进行分析也验证其满足强度要求。在有限元软件分析结果的指导下对绞车进行合理的减重，提高了绞车运行性能同时节约了成本。

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