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【摘要】本文設計了一種全新的手動變速裝置，并對其進行動力學仿真，對變速箱內部齒輪轉速和嚙合力的合理性進行了研究，此外認為齒輪在嚙合過程中受到了明顯的振動沖擊，而進一步研究發現齒輪振動的主要影響因素為時變剛度激勵和嚙合沖擊激勵。

【關鍵詞】手動變速裝置；仿真；結構設計；嚙合

礦井液控閘閥最重要的功能之一為手動開啟和關閉，當礦井煤層開采過程中排水系統發生故障時，只有通過對閘閥的手動控制才能保證礦井的正常開采，這就要求手動控制的步驟簡便，而且手動操作具有較高的安全保障。傳統的閘閥手動控制的主要操控部件為手輪，操控較為費勁；目前諸多礦井在進行閘閥的手動控制時需要與大排量的手泵站一起聯用，故操作局限性較大。基于此，本文設計了一種全新的手動變速裝置，并對其進行動力學仿真，從而對其設計的合理性進行評價。

1礦井手動變速裝置的結構設計

手動變速裝置最關鍵的構件為行星齒輪變速箱，可以通過功率分流功能實現動力的傳輸，而且該構件的尺寸較小，具有較強的承載力；傳動比較大，運行較為穩定；同時抗干擾和沖擊的能力較強。考慮到排水系統的復雜性，本次進行礦井手動變速裝置的機構設計時在滿足操控簡便的基礎上需要控制裝置的體積，這樣可適應復雜的排水管路以及利于后期維修。手動變速裝置如圖1所示。圖1所示的手動變速裝置具體設計方案為：去掉電機風扇，將風扇一端的電動機軸連接在變速箱上，在變速箱輸入端的行星架上設置手動操控的接入口。在操控時，通過接入的手動轉柄來使得電機工作，這樣液壓閘閥可在電機的驅動作用下實現開啟和關閉的一系列動作，而且通過調節手動操作的速率可以實現開起閘閥和關閉閘閥速率的控制。這樣設計一方面簡化了操作步驟，另一方面可適應不同的工況條件。行星齒輪變速箱的傳動原理如圖2所示。圖1礦井手動變速裝置的機構設計示意圖圖2行星齒輪變速箱的傳動原理示意圖在圖2中，太陽齒輪的模數為2，齒數為10，行星齒輪、行星齒輪軸以及內齒輪的齒數分別為29、8以及48。由此構建行星齒輪變速箱的仿真模型，在建模過程中，先修正行星齒輪軸的齒形，然后構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礦井手動變速裝置的數值模擬研究

本文通過ADAMS數值模擬軟件對手動變速裝置進行動力學模擬分析，將構建的導入軟件中最終可得到變形、應力以及速率等參數。導入模型后需要施加約束條件，由于齒輪通過碰撞接觸進行運動的傳遞，故對旋轉副（內齒輪和行星架之間、行星架和太陽輪之間等）和固定副（齒輪箱和大地以及內齒輪之間）進行約束；此外還需要添加接觸力，先將接觸力的類型選擇為固體對固體，然后對各個參數進行設定，接觸剛度反應兩個嚙合齒輪接觸面抗變形能力的大小，通過公式（1）進行計算:式中：R1和R2分別為兩個嚙合齒輪的半徑；E1和E2分別為兩個嚙合齒輪的楊氏模量；v1和v2分別為兩個嚙合齒輪的泊松比。阻尼系數反應兩個嚙合齒輪碰撞過程中損失的能量，這里取接觸剛度的0.5%；侵入深度為兩個嚙合齒輪接觸點的深度，這里取0.1mm；影響剛度的系數取1.3。

2.1齒輪轉速

假設手動操控時每秒可以轉動一圈，則在仿真模型中為每秒360°，由此計算得到理論上太陽輪和行星輪轉速分別為6660°和2532°，模型得到的各個齒輪的轉速分別如圖4的（a）~（c）所示。（a）行星架（b）太陽輪（c）行星輪圖4各個齒輪的模擬轉速示意圖從圖4中可以看出，太陽輪和行星輪轉速穩定后依然會發生波動，但波動幅度極小，太陽輪和行星輪波動轉速的最大值分別為6669°和2501°，與理論計算結果的誤差分別為0.15%和1.12%，誤差極小，說明模擬得到的齒輪轉速是合理的。

2.2齒輪嚙合力

當閘閥處于通電狀態時太陽輪為輸入端，在本次模擬中兩個行星輪的力學性質是一致的，故本次只研究太陽輪與一個行星輪的嚙合力，二者之間嚙合力如圖5所示。圖5太陽輪與一個行星輪的嚙合力示意圖在圖5中，T為轉矩，Fn為咬合齒輪間的法向力，Fn（x）和Fn（y）分別為法向力在X和Y方向的分量。由于兩個齒輪是不斷轉動的，經歷著齒輪咬合和分離的循環過程，故法向力是不斷變化的，這就導致法向力在X和Y方向的分量也是不斷變化的。通過Matlab軟件可得到，Fn（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在數值模擬過程中，設置計算步數為3000步，仿真時間為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方向分量的變化趨勢圖7法向力在X和Y方向分量的模擬結果示意圖（b）法向力在Y方向分量的變化趨勢從圖7中可以發現，數值模擬結果與理論分析結果較為一致，整體上法向力在X和Y方向的分量呈正弦曲線變化。仿真結果顯示法向力分量有波動，究其原因，一方面，理論分析結果顯示的是接觸點的受力特征，而數值模擬結果顯示的是兩個齒輪接觸面的受力特征；另一方面，兩個齒輪在嚙合過程中受到了明顯的振動沖擊；在圖7（a）中，X軸方向的法向分力為131.5kN，而理論計算結果為133kN，誤差為1%。

2.3齒輪振動

在上述仿真研究結果中可知兩個齒輪在嚙合過程中受到了振動沖擊，故對引發振動的緣由進行研究。通常引發振動的緣由為內部激勵和外部激勵，前者指時變剛度激勵、齒形誤差和嚙合沖擊激勵等，為齒輪引起的激勵，后者為齒輪外部干擾引起的激勵，為除齒輪外其他構件引起的激勵。在仿真模擬時，構建模型的齒形合理，故不存在齒形誤差，同時仿真研究的是理想工況條件下手動變速裝置的動力學表征，由此認為沖擊振動不受外部激勵的影響，主要影響因素為時變剛度激勵和嚙合沖擊激勵。設置太陽輪轉速為每秒1.5轉，此時輸出軸的轉動頻率和齒輪的嚙合頻率分別為9.3HZ和88HZ，得到太陽輪的角加速度特征如圖8的（a）和（b）所示。（a）角加速度時域特征從圖8（a）中可以發現，在剛開始隨著時間的延長角加速度不斷增大，當太陽輪轉速穩定后，角加速度在平衡值附近不斷波動，但動載成分明顯，這是因為太陽輪和行星輪在嚙合時嚙合沖擊引起的激振力所致。從圖8（b）中可以看出，峰值點較多，振動頻率成分復雜，究其原因，一方面設置太陽輪轉速較大，齒輪嚙合引起的沖擊振動明顯，另一方面受到了內齒輪和行星齒輪軸嚙合頻率的影響；當頻率為265HZ，峰值明顯，與齒輪的嚙合頻率相近；當頻率為530HZ時，又出現一處顯著峰值，大約2倍于第一處明顯峰值對應的頻率，為其諧波，總體上時域圖中的峰值頻率主要為齒輪的嚙合頻率以及其諧波，由此得知齒輪振動的主要影響因素為時變剛度激勵和嚙合沖擊激勵。

3結束語

本文設計了一種全新的手動變速裝置，并對其進行動力學仿真，設置變速箱內部太陽輪和行星輪轉速分別為6660°和2532°，同時驗證了齒輪轉速的合理性；將太陽輪與行星輪間的嚙合力進行了理論計算和仿真對比，認為兩個齒輪在嚙合過程中受到了明顯的振動沖擊，而進一步研究發現齒輪振動的主要影響因素為時變剛度激勵和嚙合沖擊激勵。

【參考文獻】

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作者：侯智東 單位：山西鉅盛能源集團有限公司