矿用无极绳变频双速绞车传动方案设计及性能测试分析

高鹏

（潞安化工集团慈林山煤业公司 慈林山煤矿，山西 长子 046600）

1 概况

虽然矿用无极绳绞车已广泛应用于煤矿生产中，但传统的运行模式仍然存在较大的问题。当前，慈林山煤矿JYB 型矿井无极绳绞车需通过人员操纵手柄来控制制动器和离合器，存在人身安全隐患，同时，需通过移动滑动齿轮来达到变速目的，存在齿轮脱离的风险。为了提高绞车的传动效率，设计了一种新型矿井无极绳变频双速绞车的传动方案，进行绞车电磁辐射干扰性能测试研究，验证了新型结构无极绳绞车的可靠性及可用性。

2 无极变速原理分析

2.1 运行原理

矿用无极绳绞车的无级变速机构如图1 所示。

图1 矿用无极绳绞车的无级变速机构Fig.1 Stepless variable speed mechanism of mine endless rope winch

图1 中，ωi、ωo分别为输入和输出的角速度，①、②、③、④、⑤、⑥分别表示非圆齿轮1、非圆齿轮2、非圆齿轮3、非圆齿轮4、差速机构和传动选择机构。

矿用无极绳绞车的无级变速机构的整体机构由相位切换机构、非圆齿轮机构、差速机构传动选择机构等组成。使用单向离合器，只在一个方向上传递旋转，当离合器内圈向一个方向旋转时，将滚轮推到楔形槽的狭窄边缘，夹紧离合器外环，带动离合器外环转动；内圈反向旋转时，滚子滚动至楔形槽，与外圈离合器分离，外圈离合器不旋转，外围轮廓就不旋转。通过将传输回路连接到多个分支，实现了360°范围内恒定转速的输出。

2.2 运行问题

目前的传动方案设计中，没有设计旋转轴在高速与低速旋转时的传动比例变化。虽然设计有差速机构，但是差速机构对于高低速传动的区分不明显，容易出现传动效率不高或者传动性能过剩的情况。因此需设计一个对高低速传动进行有效区分的传动方案。

3 新型传动机构设计

基于慈林山煤矿JYB 型矿井无极绳绞车传动方式特点，设计了一套新型绞车传输方案，如图2、图3 所示。在该方案中，当调速制动器A 关闭，调速制动器B 打开，电机驱动第一级太阳齿轮，再带动第二级行星齿轮，此时第三级环齿轮固定在机架上，使绞车缓慢地通过三级行星齿轮变速器；当调速制动器A 打开，调速器B 关闭时，电机直接驱动第二级太阳齿轮，由于没有第一级齿轮的过渡，绞车将快速通过两级行星齿轮传输，实现高速传输。方案将两级行星齿轮列放置在滚轮中，能有效地利用空间。

图2 新型传动机构设计Fig.2 Design of new transmission mechanism

图3 新型传动机构高、低速传动方案的设计示意Fig.3 Design schematic diagram of high and low speed transmission scheme of new transmission mechanism

当绞车处于高速状态时，有6 个部件，5 对低副，6 对高副，经计算，绞车机构的自由度为2。绞车处于低速状态时，有8 个部件，7 对低副，8对高副，绞车机构的自由度为2。根据机械理论，高速和低速状态下绞车的可沿2 个方向运动，形成周向的旋转运动，所设计的无极绳绞车新型传动机构符合机械运动条件。

4 新型传动机构的动力学分析

为进一步验证所设计的矿用无极绳变频双速绞车新型传动机构的运动性能，建立了双速绞车的三维简化模型，如图4 所示。主要是将第二级行星轮固定在地面，第一级太阳齿轮的设计速度为740 r/min。模拟时间设置为5 s。

图4 仿真建模示意Fig.4 Simulation modeling schematic

由图4 可知，在新型传动机构中新增加了一个行星架（图4 中10 号机构），通过齿轮与其的分离和接触，可以实现传动轴在高低速转动下的运行切换。

如图5 所示，通过对新型传动机构的动力学分析，得出输出端齿轮滚子的低速下角速度平均值约为44.12°/s，数据波动率为9.18%；高速下角速度平均值约为412.69°/s，数据波动率为7.21%。该绞车新型传动机构在高速和低速条件下是可行的，新型结构对于滚子高低角度的调节有良好的区分度。在恶劣的矿井环境下，输出端的速度也没有发生较大的波动，维持了一个均匀的水平。

图5 新型系统滚子角速度变化Fig.5 Diagram of angular velocity change of roller in new system

图6 为原机构系统的角速度变化，可以看出速度曲线波动较大，波动率达到了近250%，系统没有进行单独的高低速输出区分，对于机械零部件的冲击震荡较大，降低了机械使用寿命。

图6 原有系统角速度变化Fig.6 Change of angular velocity of original system

5 电磁辐射干扰性能测试分析

5.1 变频驱动系统的辐射发射测试系统设计

由于矿井环境是防爆安全要求，为验证新型传动机构的运行时产生的电磁辐射是否满足安全工程条件，除传动机构的输出稳定性以外，还需对其进行电磁辐射干扰性能测试。

设计了一套基于新型传动机构的双速绞车的交流电机驱动测试系统，进行电磁辐射干扰性能测试，总体结构如图7 所示。该结构中主要包括变频器、电机和电缆。变频驱动系统的每个部分都是一个电磁干扰源，电力驱动系统中各部分的电磁辐射各不相同。

图7 交流电机驱动系统总体结构Fig.7 Overall structure of AC motor drive system

新型传动机构测试系统逆变器电源开关以1～20 kHz 为主，电源开关的开启或关闭时间为0.1～1 μs，输出电压波形是陡峭的上升边缘和后缘的图形，这是由于分贝电路和电机中的电流突然发生变化所致。电力驱动系统中高频电流和电压的电磁辐射可相当于电路的差分模辐射和沿导线的共模辐射。

5.2 测量结果与分析

为了获得更准确的测量数据，在地下绞车室测量了新型传动机构的辐射电磁场，测量点距变频器径向1 m，距绞车室地面1 m。

不同频率测试结果波形如图8 所示。

图8 不同频率测试结果波形Fig.8 Waveforms of test results at different frequencies

可以看出，新型变频双速绞车传动机构运行时的辐射噪声主要来自变频器和电机，但此辐射噪声值相对较弱，对设备周边的电磁辐射环境影响较小，符合煤矿安全技术标准。

6 结语

以慈林山煤矿JYB 型矿井无极绳绞车为研究对象，设计了一种新型矿用无极绳变频双速绞车的传动方案，通过理论分析及动力学分析，验证了此新型传动机构设计的合理性及可行性，提高了绞车的作业效率，稳定了输出端角速度，由原来近250%波动率降低至10%左右。通过对新型结构运行时的电磁辐射干扰性能测试得出，新型变频双速绞车传动机构运行时的辐射噪声主要来自变频器和电机，辐射噪声值较弱，对设备周边的电磁辐射环境影响较小，符合煤矿安全技术标准。