礦用提升機(jī)鋼絲繩換繩車同步齒輪特性分析（4）(圖文)
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4 輸出轉(zhuǎn)矩波動齒輪嚙合運(yùn)動分析
在換繩機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作過程中，由于液壓馬達(dá)的流量波動，導(dǎo)致液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩的突然波動，從而使與液壓馬達(dá)相連的同步齒輪所受轉(zhuǎn)矩突變。這種波動不僅影響換繩機(jī)構(gòu)的正常工作，而且存在一定的安全隱患。依據(jù)液壓馬達(dá)理論轉(zhuǎn)矩輸出，設(shè)置了3種不同的波動系數(shù)，分別為 λ=1000 t，λ=300 sin 32t，λ=20 e10 t，從而得出3個(gè)不同波動系數(shù)下的液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)矩波動函數(shù)。
4.1 齒輪邊界條件
選用 ANSYS/Workbench 中的瞬態(tài)動力學(xué)模塊，對同步齒輪的嚙合過程繼續(xù)動態(tài)仿真分析。齒輪嚙合分析主要針對齒輪的接觸壓力以及zui大等效應(yīng)力特性。設(shè)置同步齒輪嚙合仿真時(shí)間為0.3s，選取28個(gè)齒面進(jìn)行14對接觸，接觸類型為摩擦接觸，摩擦因數(shù)為0.2，法向剛度系數(shù)為1。根據(jù)同步齒輪的運(yùn)動特性，確保齒輪只能繞 z 軸轉(zhuǎn)動。齒輪瞬態(tài)分析約束與載荷施加情況如圖8所示。
圖8 約束與載荷施加
結(jié)合礦用提升機(jī)鋼絲繩換繩車實(shí)際工作過程，設(shè)置主動輪角速度為1.2rad/s，對從動輪施加轉(zhuǎn)矩。
4.2 齒輪接觸壓力分析
在有限元分析原理中，力通過各單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞。當(dāng)齒面接觸點(diǎn)隨嚙合運(yùn)動經(jīng)過齒面節(jié)點(diǎn)位置時(shí)，會在節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)應(yīng)力集中，接觸應(yīng)力出現(xiàn)波動，同時(shí)接觸壓力也會出現(xiàn)波動。嚙合仿真分析之后，在有限元模型中提取一對接觸齒輪面的齒面壓力，得到接觸壓力變化圖。分析發(fā)現(xiàn)，隨著齒輪嚙合，在恒定轉(zhuǎn)矩下的齒面接觸壓力雖然會出現(xiàn)波動，但是幅值趨于一個(gè)定值，且接觸壓力波動穩(wěn)定。
如圖9所示，一次波動轉(zhuǎn)矩下，齒面接觸壓力的變化趨勢與一次波動轉(zhuǎn)矩函數(shù)基本相符；在波動轉(zhuǎn)矩到達(dá)zui高峰時(shí)，對應(yīng)的齒面接觸壓力達(dá)到zui大值；與恒定轉(zhuǎn)矩相比較，一次波動轉(zhuǎn)矩的齒面接觸壓力波動幅度更大。由此可以推斷，波動轉(zhuǎn)矩的增 大也會引起應(yīng)力集中幅值的增 大。
圖9 恒定轉(zhuǎn)矩與一次波動轉(zhuǎn)矩接觸壓力的對比
如圖10所示，三角波動轉(zhuǎn)矩下齒面接觸壓力的變化趨勢與三角波動轉(zhuǎn)矩函數(shù)基本相符；當(dāng)三角波動轉(zhuǎn)矩到達(dá)波峰時(shí)，所對應(yīng)的zui大接觸壓力也達(dá)到zui大值；隨著三角波動轉(zhuǎn)矩開始下降到達(dá)底峰，所對應(yīng)的zui大接觸壓力同樣趨于減小。與恒定轉(zhuǎn)矩相比較，雖然zui大接觸壓力的峰值變化不大，且在嚙合時(shí)間0.10～0.15s 時(shí)間內(nèi)，接觸壓力處于ji小值；但當(dāng)三角波動轉(zhuǎn)矩下一個(gè)波峰來臨時(shí)，其zui大接觸壓力會陡增到之前的峰值。由此可見，三角波動轉(zhuǎn)矩帶來的接觸壓力波動幅度依然很大。
圖10 恒定轉(zhuǎn)矩與三角波動轉(zhuǎn)矩接觸壓力的對比
如圖11所示，指數(shù)波動轉(zhuǎn)矩下，齒面接觸壓力的變化趨勢與指數(shù)波動轉(zhuǎn)矩函數(shù)基本相符；當(dāng)指數(shù)波動轉(zhuǎn)矩在0.16s 附近達(dá)到頂 峰時(shí)，所對應(yīng)的接觸壓力也達(dá)到zui大值；在0～0.13s 之間，由于波動轉(zhuǎn)矩增加較緩，其接觸壓力相對穩(wěn)定；在0.13～0.16s 之間，由于指數(shù)波動轉(zhuǎn)矩陡增，其接觸壓力也從較小值直接增加到zui高點(diǎn)。與恒定轉(zhuǎn)矩相比較，當(dāng)指數(shù)波動轉(zhuǎn)矩增加趨于平緩時(shí)，接觸壓力變化幅度與恒定轉(zhuǎn)矩變化幅度基本持平；但一旦指數(shù)波動轉(zhuǎn)矩陡增，其接觸壓力的變化幅度增 大，且幅值比恒定轉(zhuǎn)矩的幅值大很多。
圖11 恒定轉(zhuǎn)矩與指數(shù)波動轉(zhuǎn)矩接觸壓力的對比
結(jié)合圖9～11可得到結(jié)論：在恒定轉(zhuǎn)矩下，齒面接觸壓力幅值基本不變；在一次波動轉(zhuǎn)矩、三角波動轉(zhuǎn)矩、指數(shù)波動轉(zhuǎn)矩下，齒面接觸壓力幅值變化趨勢與轉(zhuǎn)矩變化趨勢基本一致。由此可見，齒面接觸壓力幅值隨轉(zhuǎn)矩變化而變化，這也表明了計(jì)算結(jié)果的合理性。
