對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部減速器的設(shè)計(jì)思考

摘 要：掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)成為工程施工的重要設(shè)備，被廣泛的應(yīng)用于礦井巷道、水利涵洞、以及公路隧道等工程的建設(shè)。為更好的提高其運(yùn)行效率，則需要對(duì)截割部減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，分析存在的各項(xiàng)影響因素，并從多個(gè)角度進(jìn)行分析，總結(jié)以往施工經(jīng)驗(yàn)來選擇合適的措施進(jìn)行處理。本文對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割部減速器的設(shè)計(jì)優(yōu)化措施進(jìn)行了簡要分析。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機(jī);截割部;減速器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.067

減速器作為掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，其是否能夠持續(xù)保持在良好狀態(tài)決定了掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的綜合性能。就實(shí)際應(yīng)用現(xiàn)狀來看，在工程施工中，掘進(jìn)機(jī)經(jīng)常會(huì)因?yàn)楦黜?xiàng)因素而導(dǎo)致減速器出現(xiàn)故障，因?yàn)樾行驱X輪傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、體積小、重量輕以及傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)，需要結(jié)合設(shè)備運(yùn)行特點(diǎn)來對(duì)截割部減速器進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，在確保設(shè)備維持良好運(yùn)行狀態(tài)的基礎(chǔ)上，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，并降低成本。

1 掘進(jìn)機(jī)截割部減速器問題分析

以EBZ45型掘進(jìn)機(jī)為例，其具有重量輕、體積小以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，在小型煤礦生產(chǎn)以及地下工程施工中具有良好的應(yīng)用效果，其截割部結(jié)構(gòu)主要包括截割臂、截割頭、截割減速器以及截割電動(dòng)機(jī)組成。其中，減速器結(jié)構(gòu)具有3個(gè)行星輪與1個(gè)太陽輪，行星輪通過定位軸被安裝在行星架上，而太陽輪通過截割懸臂花鍵軸與電機(jī)相連，最終行星架通過漸開線花鍵與輸出軸連接，截割頭利用螺栓與花鍵被固定在輸出軸末端[1]。在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中，受減速器影響，其為一級(jí)減速，對(duì)輸入軸電機(jī)功率要求比較嚴(yán)格，如果選擇小功率電機(jī)，一旦遇到較大的阻力時(shí)，很容易造成截割部卡死。同時(shí)，此設(shè)備減速器為NGW行星減速結(jié)構(gòu)，支撐部分需要利用軸承座來完成對(duì)行星架以及輸出軸兩端的作用，增加了箱體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，在實(shí)際操作中難度較大。另外，正常運(yùn)行過程中很容易出現(xiàn)軸承供油困難的問題，冷卻所需時(shí)間較長，進(jìn)而在實(shí)際應(yīng)用中很容易因?yàn)槔鋮s不及時(shí)而出現(xiàn)燒傷問題。

2 掘進(jìn)機(jī)行星減速器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）建立目標(biāo)函數(shù)。太陽輪體積、行星輪體積以及內(nèi)齒圈體積等因素均會(huì)對(duì)新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)體積造成影響，這樣即可以確定機(jī)構(gòu)總體積數(shù)學(xué)表達(dá)公式：V=Va1+n1Vg1+Vb1+Va2+n2Vg2+Vb2

其中，Va1、Vg1、Vb1、n1以及Va2、Vg2、Vb2、n2分別表示高速級(jí)與低速級(jí)傳動(dòng)的太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈體積，以及行星輪個(gè)數(shù)。齒輪體積受齒輪模數(shù)（m），齒數(shù)（z）以及齒輪厚度（b）等因素決定，則可以確定機(jī)構(gòu)總體積數(shù)字表達(dá)公式為：

令x={x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10}={b1，b2，m1，m2，za1，zb1，za2，zb2，zg2}

則可確定該機(jī)構(gòu)總體積目標(biāo)函數(shù)為：

（2）約束條件。1）傳動(dòng)比誤差。兩級(jí)傳動(dòng)必須要滿足一定條件的傳動(dòng)比要求，例如懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割機(jī)構(gòu)減速器實(shí)際傳動(dòng)比要與公稱傳動(dòng)比誤差相差-5%～5%。公式為：

其中，ip表示總傳動(dòng)比。

2）接觸強(qiáng)度公式為：

其中，F(xiàn)u表示作用在第i級(jí)中心輪上的切向力;ui表示各級(jí)傳動(dòng)比;ZH表示節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù);ZE表示彈性系數(shù);Zε表示彈性系數(shù);Ti表示作用在第i級(jí)太陽輪上的轉(zhuǎn)矩。

（3）外徑尺寸。在對(duì)多級(jí)行星齒輪傳動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要求各級(jí)傳動(dòng)內(nèi)齒圈最大外徑尺寸差距不大，將減速器外徑尺寸控制在最小狀態(tài)。以參數(shù)c作為機(jī)構(gòu)減速器高速級(jí)與低速級(jí)內(nèi)齒圈外徑之比，則公式為：

其中，d1表示第一級(jí)齒圈外徑;d2表示第二級(jí)齒圈外徑

3 掘進(jìn)機(jī)截割部減速器設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。以上述問題為依據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)掘進(jìn)機(jī)將截割部減速器進(jìn)行優(yōu)化，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，選擇用二級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)替代原有的NGW行星減速機(jī)構(gòu)，并對(duì)輸入端以及輸出端部分設(shè)計(jì)圓筒形的法蘭，將其與機(jī)身以及截割懸臂進(jìn)行連接處理。對(duì)于高速級(jí)新型輪則選擇用3個(gè)行星輪與一個(gè)太陽輪組成，而低速級(jí)行星輪則由5個(gè)行星輪與一個(gè)太陽輪組成，其中所有機(jī)構(gòu)均選擇用鼓形齒形。此種設(shè)計(jì)方式，使得高速級(jí)太陽輪與減速器輸入軸為一個(gè)整體，并將其與電機(jī)軸進(jìn)行連接處理，將高級(jí)行星輪安裝在高速級(jí)定位軸上，這樣就可以利用漸開線齒輪來實(shí)現(xiàn)與低速級(jí)太陽輪的連接[2]。最后，低速級(jí)行星架利用漸開線花鍵與輸出軸進(jìn)行配合，由輸出軸來帶動(dòng)截割部的運(yùn)動(dòng)，滿足工程施工的實(shí)際需求。

（2）優(yōu)化效果。第一，機(jī)構(gòu)減速器箱體可以通過法蘭與機(jī)身以及截割懸臂相互連接，這樣就可以采取鑄造的方式直接成型，與原有設(shè)計(jì)方式相比，可以降低構(gòu)件加工難度。并且從機(jī)構(gòu)焊接效果上來看，可以避免因?yàn)楹缚p應(yīng)力過于集中而出現(xiàn)微裂紋，對(duì)提高箱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有良好效果。第二，設(shè)計(jì)法蘭連接后，箱體與機(jī)身以及懸臂之間連接為剛性，這樣在承受軸向推進(jìn)力的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)掘進(jìn)施工過程中因?yàn)樯舷伦笥覕[動(dòng)造成的不穩(wěn)定性與振動(dòng)問題進(jìn)行優(yōu)化[3]。第三，設(shè)計(jì)為兩級(jí)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)的模式，可以降低箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，對(duì)機(jī)構(gòu)加工以及安裝操作均降低了難度，同時(shí)兩級(jí)行星輪與太陽輪均采用了鼓形齒形，更有利于實(shí)現(xiàn)重載傳動(dòng)。

4 結(jié)束語

掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到工程建設(shè)中，但是受工藝等因素影響，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)存在眾多不合理問題，這樣就影響了其在實(shí)際施工中的使用效果。因此在對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，必須要基于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，做好參數(shù)優(yōu)化，對(duì)各機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行分析，爭取不斷提高其設(shè)計(jì)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]高楊.掘進(jìn)機(jī)截割部減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[2]孫建軍.懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部減速器動(dòng)態(tài)特性研究[D].吉林大學(xué)，2011.

[3]李松衛(wèi).EBZ160型掘進(jìn)機(jī)截割減速器的動(dòng)態(tài)仿真研究[D].太原理工大學(xué)，2014.

作者簡介：張博（1986-），男，吉林遼源人，?？?，研究方向：掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)。endprint