三邊型面連接在連續(xù)采煤機(jī)上的應(yīng)用

張小峰

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

三邊型面連接也稱等厚形三面型面連接，屬無(wú)鍵連接，是輪轂與軸沿光滑非圓表面接觸而構(gòu)成的連接，具有拆裝方便、自動(dòng)定心、抗振性好、疲勞強(qiáng)度高、傳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)。在相同直徑情況下，三邊型面連接剪切強(qiáng)度是漸開線花鍵的2倍，疲勞壽命高35%左右。該連接方式非常適用于空間受限、傳遞扭矩大，可靠性高的場(chǎng)合，在國(guó)外許多重型設(shè)備上已廣泛運(yùn)用，德國(guó)已制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

由于加工制造、檢驗(yàn)檢測(cè)等方面的原因，我國(guó)機(jī)械行業(yè)未重點(diǎn)關(guān)注三邊型面連接的應(yīng)用。隨著我國(guó)煤機(jī)裝備水平的不斷發(fā)展，高端煤機(jī)需要傳動(dòng)減速器的功率體積比越來(lái)越大，三邊型面連接的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。我國(guó)首臺(tái)連續(xù)采煤機(jī)的研制過(guò)程中，技術(shù)人員通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，成功在截割減速器上箱體和下箱體的連接上運(yùn)用了三邊型面連接(圖1)，提高了上、下箱之間連接安裝的便利性和可靠性。

圖1 連續(xù)采煤機(jī)截割減速器三邊型面連接結(jié)構(gòu)

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 曲線設(shè)計(jì)

三邊型面連接廓形曲線為等值三邊曲線，按圖2所示的坐標(biāo)可建立三邊型面連接的參數(shù)方程如式(1)：

3e1sin(3φ)cosφ

(1)

式中：d1為等距直徑，mm；d2為最大直徑，mm；d3為最小直徑，mm；e1為偏心量，mm。

圖2 三邊型面連接廓形

我國(guó)目前尚未制定三邊型面連接的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)可參考選用表1中提供的DIN32712的數(shù)據(jù)。表1數(shù)據(jù)不滿足要求時(shí)，可按插值法選取參數(shù)值。

連續(xù)采煤機(jī)截割減速器上箱體和下箱體之間的連接筋寬度僅為80 mm，故選擇d1為60的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，代入式(1)可得式(2)，利用二維設(shè)計(jì)軟件中的公式曲線功能可繪制精確的二維圖形。

6.75sin(3φ)cosφ

(2)

1.2 結(jié)合長(zhǎng)度設(shè)計(jì)

三邊型面連接主要失效表現(xiàn)為工作面壓潰或磨損，其強(qiáng)度計(jì)算一般按擠壓強(qiáng)度計(jì)算，其工作面的最大壓強(qiáng)應(yīng)滿足式(3)：

(3)

式中：T為傳遞的轉(zhuǎn)矩，N·mm；lt為結(jié)合長(zhǎng)度，mm。

傳動(dòng)軸單向旋轉(zhuǎn)，靜載荷pΡ=1.1p0，輕沖擊pΡ=1.0p0，較大沖擊pΡ=0.75p0；傳動(dòng)軸雙向旋轉(zhuǎn)，輕沖擊pΡ=0.6p0，較大沖擊pΡ=0.45p0。p0為基本壓強(qiáng)，鋼和鑄鋼p0=150 MPa，鋼件淬火后p0=200 MPa。

表1 三邊型面連接參數(shù)值 mm

連續(xù)采煤機(jī)截割減速器三邊型面連接處為單向傳動(dòng)，沖擊劇烈，故pΡ=0.75p0=112.5 MPa，該處傳遞扭矩T=3 360 N·m，代入式(3)可得：

lt≥59.9 mm

選取1.5的安全系數(shù)，確定結(jié)合長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為90 mm。

1.3 配合選取

三邊型面連接推薦采用間隙配合，優(yōu)先采用基孔制，其中H7/g6、H7/h6、H7/k6是推薦使用的配合。當(dāng)傳遞扭矩時(shí)，軸和孔之間可產(chǎn)生微小角位移，從而實(shí)現(xiàn)以間隙配合裝配，以過(guò)盈配合工作。連續(xù)采煤機(jī)截割減速器三邊型面連接處屬于盲裝，故選取H7/k6的配合。

2 加工檢驗(yàn)

2.1 工藝流程

連續(xù)采煤機(jī)截割減速器三邊型面連接包括三邊型面連接軸和三邊型面連接齒輪，需求量小，精度要求高，可選擇利用臥式數(shù)控加工中心加工，工藝流程為：

1) 編程，根據(jù)臥式數(shù)控加工中心型號(hào)，編寫與式(2)相符合的數(shù)控方程(切削軟性材料驗(yàn)證程序正確性)。

2) 粗加工，選用普通柱狀銑刀粗加工，長(zhǎng)度方向可接刀加工，需保證加工一周后重新找正。

3) 精加工，精加工采用高速小切削量加工模式，保證表面粗糙度達(dá)到1.6 μm，且長(zhǎng)度方向必須一次成型，普通柱狀銑刀長(zhǎng)度不足時(shí)，需訂購(gòu)高剛度的加長(zhǎng)銑刀(避免精加工產(chǎn)生錐度)。

4) 滲硬氮處理，常規(guī)軸和孔加工方法是半精加工后淬火處理，然后磨削，但三邊型面連接一次成型才能保證高精度，因此不采用磨削，實(shí)踐中用精加工確保表面粗糙度達(dá)到1.6 μm，再滲硬氮處理，取得較理想的效果。

5) 拋光。

6) 檢驗(yàn)。

2.2 測(cè)量方法

檢驗(yàn)三邊型面連接采用兩種測(cè)量方法：

1) 普通量具(如游標(biāo)卡尺、內(nèi)徑百分表等)檢驗(yàn)，測(cè)量等距直徑d1，只有測(cè)量處的等距直徑d1全部符合要求才表明工件合格，該方法易于操作，但精度較差。

2) 三座標(biāo)檢測(cè)儀檢驗(yàn)，在其軸和孔上任意測(cè)量一些點(diǎn)，然后將測(cè)量值帶入式(1)進(jìn)行驗(yàn)算，這種測(cè)量方法精度高。

實(shí)際操作時(shí)可先采用第一種方法進(jìn)行初檢，然后利用第二種方法抽檢，這樣既能保證批次的質(zhì)量，也能控制檢測(cè)成本。

3 實(shí)際驗(yàn)證

國(guó)產(chǎn)連續(xù)采煤機(jī)采用的三邊型面連接結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)經(jīng)受了超載25%的試驗(yàn)(圖3)，目前國(guó)產(chǎn)連續(xù)采煤機(jī)已累積使用近百臺(tái)(圖4)，截割減速器三邊型面連接軸和連接孔均未出現(xiàn)影響生產(chǎn)的故障，使用壽命可達(dá)百萬(wàn)噸過(guò)煤量。

圖3 連續(xù)采煤機(jī)截割減速器加載試驗(yàn)

圖4 連續(xù)采煤機(jī)截割減速器井下工作實(shí)景

4 結(jié)論

三邊型面連接在連續(xù)采煤機(jī)截割減速器上的成功應(yīng)用，表明國(guó)內(nèi)也已可經(jīng)濟(jì)可靠地加工制造三邊型面連接軸及與之匹配的孔。因此，國(guó)產(chǎn)高端機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中可合理選擇應(yīng)用型面連接，降低長(zhǎng)傳動(dòng)軸的安裝難度，提高連接的可靠性和使用壽命。