刮板輸送機(jī)行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

劉東平

（同煤集團(tuán)晉華宮礦，山西大同 037003）

0 引言

刮板輸送機(jī)作為一種撓性牽引機(jī)構(gòu)組成的運(yùn)輸設(shè)備，擔(dān)任煤礦生產(chǎn)工作面主要運(yùn)輸?shù)娜蝿?wù)，是實(shí)現(xiàn)高效與安全采煤的設(shè)備之一[1]。煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，對刮板輸送機(jī)也提出新要求，作為其傳動(dòng)部分的減速器，是設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵保障[2-3]。由于綜采工作面工況復(fù)雜，井下空間小，濕度大、散熱條件差，機(jī)器又處于重載、連續(xù)的工作狀態(tài)，減速器的傳動(dòng)性能難以保障，甚至可能發(fā)生故障[4-5]。過去幾年，該類型減速器經(jīng)過長足的發(fā)展，存在一定的先進(jìn)性，但是隨著安全、環(huán)保等新的要求提出，產(chǎn)品還存著一定的局限性，所以本文設(shè)計(jì)了一種行星齒輪減速器作為刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)部件。

1 減速器總體方案設(shè)計(jì)

本文基于SGZ800/800型刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)了一種新型的減速器。根據(jù)輸入軸與輸出軸位置的不同，減速器可分為垂直安裝和水平安裝，目前國內(nèi)大多數(shù)煤礦刮板輸送機(jī)采用的都是水平安裝型減速器，其主要由三級傳動(dòng)部分組成，第一級為弧形錐齒傳動(dòng)，第二級為圓柱斜齒輪傳動(dòng)，第三級為行星齒輪傳動(dòng)，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示[6-7]。這種減速器節(jié)約了刮板輸送機(jī)水平方向的安裝空間，但是其中圓柱斜齒傳動(dòng)部分的傳動(dòng)效率低，傳動(dòng)性能差。所以本文決定采用一級弧形錐齒傳動(dòng)和二級行星齒輪傳動(dòng)的水平安裝型減速器作為刮板輸送機(jī)的傳動(dòng)部分，該結(jié)構(gòu)繼承了原先節(jié)省空間的優(yōu)點(diǎn)，并且提升了減速器的傳動(dòng)效率與性能，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本文選用的行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)，其原理是通過太陽輪輸入，從外齒圈輸出，行星架通過箱體機(jī)構(gòu)固定。同傳統(tǒng)的減速器結(jié)構(gòu)相比，行星齒輪傳動(dòng)技術(shù)使得減速器在傳遞同樣功率和轉(zhuǎn)矩時(shí)，傳動(dòng)的效率更高，具有體積更小，重量更輕，使用壽命長的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 傳統(tǒng)減速器結(jié)構(gòu)示意圖

SGZ800/800型號(hào)刮板輸送機(jī)的電機(jī)輸出功率為800 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速1 470 r/min，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，減速器的總傳輸比約40，單向傳輸，劇烈振動(dòng)，三班工作(每天24 h)，工作10年的時(shí)間(以每年300天計(jì)算)。在傳動(dòng)比分配時(shí)，弧形錐齒傳動(dòng)比為2，行星齒輪傳動(dòng)部分為20，其中高速級為4，低速級為5。

圖2 二級行星減速器結(jié)構(gòu)示意圖

2 行星齒輪傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)

2.1 配齒數(shù)

（1）高速級

按設(shè)計(jì)要求，本文設(shè)計(jì)的行星齒輪采用非變位傳動(dòng)，根據(jù)傳動(dòng)比為4，查設(shè)計(jì)手冊可選配成Za=23，Zb=67，Zc=22[8]，其中Za、Zb、Zc分別為高速級行星齒輪的太陽輪、內(nèi)齒圈、行星輪齒數(shù)。

實(shí)際得到的高速級傳動(dòng)比：

（2）低速級

根據(jù)高速級實(shí)際得到的傳動(dòng)比計(jì)算低速級傳動(dòng)比

查設(shè)計(jì)手冊低速級行星齒輪的太陽輪、內(nèi)齒圈、行星輪齒數(shù)可選配成[8]：

實(shí)際得到的低速級傳動(dòng)比：

行星齒輪傳動(dòng)部分的總傳動(dòng)為高速級與低速級傳動(dòng)比相乘，其值為 i=iΙiΙΙ=3.913×5.053≈19.77 ，滿足原先的設(shè)計(jì)要求。

2.2 高速級行星齒輪參數(shù)計(jì)算

（1）通過計(jì)算齒面接觸強(qiáng)度得到太陽輪的分度圓直徑

用設(shè)計(jì)手冊中公式進(jìn)行計(jì)算[8]，式中所需要的系數(shù)KA，KH∑，?d，KHP等可通過查表得知，其值如表1所示。

電機(jī)效率η0=0.91，電機(jī)與液力耦合器之間的效率和弧形錐齒輪傳動(dòng)效率總和為 η1=0.8。

行星輪高速級的輸入功率：

表1 接觸強(qiáng)度有關(guān)系數(shù)

太陽輪a1的傳遞扭矩為：

由下面公式計(jì)算太陽輪a1分度圓直徑為：

（2）通過計(jì)算彎曲強(qiáng)度得到高速級齒輪模數(shù)

用手冊中公式進(jìn)行計(jì)算[8]，式中所用到的系數(shù)如表2所示。

表2 接觸強(qiáng)度有關(guān)系數(shù)

σFlim取 σFlim1和中的較小值，因?yàn)樾行禽喤c太陽輪都采用20CrMnMo材料，滲碳淬火處理，所以其中σFlim1=420 N/mm2

則σFlim=418.45 N/mm2

則齒輪模數(shù)：

取模數(shù)m=8 mm，則：

故取da=184 mm，m=8 mm。

因aac=×8×(67-22)=180 mm，顯然aac=abc，滿足齒輪非變位傳動(dòng)要求。

根據(jù)以下公式計(jì)算的高速級齒輪齒寬為：

高速級行星輪如圖3所示。

圖3 高速級行星輪設(shè)計(jì)

2.3 低速級行星齒輪參數(shù)計(jì)算

（1）通過計(jì)算齒面接觸強(qiáng)度得到太陽輪的分度圓直徑

因?yàn)榈退偌壍妮斎刖褪歉咚偌壍妮敵觯酝ㄟ^高速級實(shí)際的傳動(dòng)比計(jì)算可得到轉(zhuǎn)臂x1的轉(zhuǎn)速：

高速級的傳動(dòng)效率為：

高速級的輸出功率即低速級的輸入功率：

太陽輪a2所需傳遞的扭矩：

（2）通過計(jì)算彎曲強(qiáng)度得到高速級齒輪模數(shù)

查設(shè)計(jì)手冊按公式進(jìn)行計(jì)算[8]，低速級齒輪模數(shù)：

試取齒輪模數(shù)m=12 mm，則：

故取 da=228 mm，m=12mm。

根據(jù)以下公式計(jì)算的低速級傳動(dòng)部分的齒輪齒寬為：

低速級行星傳動(dòng)部分內(nèi)齒圈如圖4所示。

圖4 低速級內(nèi)齒圈設(shè)計(jì)

3 其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 行星架設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的行星傳動(dòng)部分，太陽輪的直徑相比行星輪要小一些，所以在設(shè)計(jì)行星架時(shí)，行星輪采用齒軸分離式，通過滾動(dòng)軸承固定。太陽輪采用內(nèi)齒圈連接的形式實(shí)現(xiàn)固定。

考慮到刮板輸送機(jī)在運(yùn)行過程中可能受到?jīng)_擊的情況，本減速器采用高速級行星架浮動(dòng)和低速級太陽輪浮動(dòng)的形式。為了便于加工部件的裝配和拆卸，輸出軸與行星架分離并通過鍵連接，經(jīng)過幾種結(jié)構(gòu)的對比分析，最終高低速級的行星架都決定采用雙側(cè)板整體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是由兩塊環(huán)形側(cè)板支撐聯(lián)接組成的空間框架。其中撐柱的數(shù)量與行星輪個(gè)數(shù)相等，尺寸由各齒輪分度圓直徑及太陽輪與行星輪的中心距相關(guān)。在刮板輸送機(jī)高負(fù)載工作時(shí)，減速器會(huì)受到較大沖擊，箱體溫度升高，而雙側(cè)板整體結(jié)構(gòu)的剛度好，受熱膨脹的影響較小，不會(huì)發(fā)生工作失效的情況。

3.2 齒式聯(lián)軸器的設(shè)計(jì)

在高速級行星架與低速級太陽輪的連接方式選擇上，本文選用了目前市面上應(yīng)用較多的齒式聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)。作為一種可移式的剛性聯(lián)軸器，齒式聯(lián)軸器通過內(nèi)外齒嚙合來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)零部件之間扭矩與轉(zhuǎn)速的傳遞，適用于兩個(gè)同心軸之間傳動(dòng)。由于齒式聯(lián)軸器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、徑向尺寸小，可傳遞扭矩的范圍較大，并且可以對兩軸之間產(chǎn)生的相對位移進(jìn)行補(bǔ)償，所以在各類機(jī)械行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，尤其適合用于低速重載工況條件下的軸系轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于SGZ800/800型刮板輸送機(jī)的行星齒輪減速器，改變原先第二級傳動(dòng)部分為斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)，采用二級行星齒輪傳動(dòng)的方式降低了減速器在運(yùn)行過程中發(fā)生故障的概率，增加了系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，提高了傳動(dòng)性能。