礦用刮板輸送機(jī)齒輪結(jié)構(gòu)修形研究

梁偉麗

（大同煤礦集團(tuán)機(jī)電裝備制造有限公司，山西大同 037001）

0 引言

隨著我國(guó)煤炭行業(yè)的快速發(fā)展壯大，在煤炭開采及運(yùn)輸過程中煤礦設(shè)備對(duì)礦業(yè)的發(fā)展越來越凸顯出重要地位。其中，刮板輸送機(jī)在煤礦的運(yùn)輸過程中就起到了至關(guān)重要的作用，一旦刮板輸送機(jī)出現(xiàn)故障或者工作效率低，將直接影響著煤礦生產(chǎn)[1-3]。

本文對(duì)刮板輸送機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以此進(jìn)一步提高刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、壽命和動(dòng)力性能，并提出行之有效的改進(jìn)建議，使刮板輸送機(jī)不斷向高效化方向轉(zhuǎn)變，從而提高了礦業(yè)生產(chǎn)的效率[4-6]。

1 礦用刮板輸送機(jī)常見故障

礦用刮板輸送機(jī)在工作過程中常見的失效現(xiàn)象主要為電機(jī)、減速機(jī)、液壓系統(tǒng)、鏈條故障以及齒輪故障等。在這幾類故障中齒輪故障又顯得尤為突出，出現(xiàn)的次數(shù)更加頻繁，嚴(yán)重程度更加惡劣，且齒輪故障比較隱蔽，同時(shí)又更加具有危險(xiǎn)性[7-8]。為了提高齒輪的工作性能，對(duì)齒輪的齒形進(jìn)行修形，以便進(jìn)一步延長(zhǎng)齒輪的工作能力和使用壽命，以此延長(zhǎng)刮板輸送機(jī)的工作效率和壽命。

2 齒輪修形設(shè)計(jì)

2.1 齒輪建模

結(jié)合齒輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及尺寸，采用Romax Designer設(shè)計(jì)方法，建立了斜齒輪組模型，如圖1所示。該齒輪組模型主要由軸承斜齒輪組成，建模所需要的齒輪各項(xiàng)尺寸如表1所示。

2.2 齒輪疲勞壽命影響因素

Romax Designer齒輪結(jié)構(gòu)分析軟件可以通過載荷譜和S-N材料曲線來預(yù)測(cè)齒輪的壽命。通過對(duì)齒輪變形尺寸、應(yīng)力情況等的分析計(jì)算，找到影響齒輪壽命的關(guān)鍵因素，從而針對(duì)關(guān)鍵因素開展刮板輸送機(jī)改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 斜齒輪組模型

表1 齒輪基本幾何尺寸

首先根據(jù)實(shí)際工況，編輯載荷譜，添加實(shí)際工況。根據(jù)實(shí)際工況運(yùn)行過程分析齒輪的壽命、損傷、應(yīng)力和安全系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定齒輪基本的壽命為2.0×104h，不同齒輪壽命分析結(jié)果如表2所示。通過分析表格中的數(shù)據(jù)可以初步判定齒輪的壽命、應(yīng)力都是滿足設(shè)計(jì)要求的，從而說明齒輪是滿足工作使用要求的。

但是從表3所示的彎曲安全系數(shù)可以看出齒輪的彎曲安全系數(shù)均大于接觸安全系數(shù)，從而說明輪齒更容易發(fā)生接觸破壞，而接觸破壞則主要是由于齒輪接觸面的干涉導(dǎo)致。因此，可通過對(duì)齒輪齒面進(jìn)行修形的方法來降低齒輪接觸破壞程度，以此改善齒輪的彎曲和接觸應(yīng)力。

表2 預(yù)測(cè)齒輪壽命

表3 齒輪接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和安全系數(shù)

3 齒輪結(jié)構(gòu)修形與仿真分析

在齒輪工作過程中由于制造精度和變形等原因，造成齒輪在工作過程中發(fā)生傳動(dòng)不夠平穩(wěn)、發(fā)生噪聲和振動(dòng)沖擊等情況。因此，現(xiàn)在對(duì)齒輪的傳動(dòng)精度要求越來越高，加大對(duì)齒輪的修形也就顯得尤為重要。2.2節(jié)的分析已經(jīng)可以說明齒輪容易發(fā)生接觸破壞，通過提高齒輪的安裝制造精度方法，可以提高齒輪的承載能力、力學(xué)性能和延長(zhǎng)壽命，接下來將通過軟件的仿真分析對(duì)齒輪的齒形進(jìn)行修形研究。其中，衡量齒輪修形效果的主要指標(biāo)是通過分析齒輪的傳動(dòng)線性誤差、單位長(zhǎng)度法向載荷、最大接觸應(yīng)力和齒根應(yīng)力分布情況等重要參數(shù)來進(jìn)一步說明。

3.1 齒輪修形參數(shù)

齒輪修形主要是通過在齒輪嚙合面上修剪一定的材料，使嚙合處不產(chǎn)生干涉，一般通過小齒輪修薄，大齒輪齒根處倒圓角或者只調(diào)整小齒輪的齒輪齒形，修剪長(zhǎng)度以及外形曲線來達(dá)到齒輪修形的目的。因此，確定了此次齒輪修改的主要參數(shù)包括齒輪修形長(zhǎng)度和修形量，而修形量和修形長(zhǎng)度主要通過不同的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行調(diào)整。Romax Designer軟件是專業(yè)的齒輪結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件，可以對(duì)齒輪漸開線處進(jìn)行線性調(diào)整、拋物線形調(diào)整以及其他適合的形式進(jìn)行調(diào)整。本文通過線性修形方法，通過選擇適當(dāng)?shù)凝X輪修形長(zhǎng)度、修形量、齒輪齒面目標(biāo)形態(tài)，開展齒輪齒頂及齒根的修復(fù)研究。

3.2 齒輪結(jié)構(gòu)仿真分析

3.2.1 齒輪傳動(dòng)線性誤差

通過齒輪的傳動(dòng)線性誤差分析，得到修形前后齒輪傳動(dòng)精度變化情況，如圖2所示。從圖中可以看出修形前齒輪線性傳動(dòng)誤差為2.41 μm，修形后齒輪線性傳動(dòng)誤差為1.8 μm。從而說明齒輪此次修形對(duì)線性傳動(dòng)誤差有明顯改善，可以降低齒輪在傳動(dòng)過程中產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)沖擊。

3.2.2 單位長(zhǎng)度法向載荷

通過齒輪單位長(zhǎng)度法向載荷的分析，得到了齒輪在工作過程中應(yīng)力的分布情況，如圖3所示。通過對(duì)比修形前后的單位長(zhǎng)度法向載荷可以看出：修形后最小載荷為413 N/m，修形前的最小載荷為508 N/m，而且修形后的載荷分布曲線更加均勻，所以修形后齒輪受力更加合理。因此，采用單位長(zhǎng)度法對(duì)齒輪進(jìn)行修改，能大大改善齒輪的受力情況及提高齒輪的工作能力。

圖2 傳動(dòng)線性誤差對(duì)比圖

圖3 單位長(zhǎng)度法向載荷對(duì)比圖

3.2.3 齒輪最大接觸應(yīng)力

通過對(duì)修形前后最大接觸應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，得到了齒輪在工作過程中的動(dòng)力學(xué)性能變化情況，如圖4所示。從圖中可以看出修形后的最大接觸應(yīng)力為1 430 MPa，相比于修形前降低了75 MPa，而且最大接觸應(yīng)力不再在齒輪的根部，而是向接觸面移動(dòng)，在徑向方向上應(yīng)力更加均勻。從而說明通過修形改善了齒輪的動(dòng)力性能。

3.2.4 齒輪齒根應(yīng)力分布

齒輪的齒根處應(yīng)力過大容易造成應(yīng)力集中斷裂風(fēng)險(xiǎn)，如圖5所示，通過對(duì)齒輪修形前后齒根應(yīng)力分布的分析可以看出在修形前齒根應(yīng)力最大值為277 N/mm，修形后齒根應(yīng)力最大值為263 N/mm，有明顯的下降，提高了齒輪的強(qiáng)度。

圖4 最大接觸應(yīng)力對(duì)比圖

圖5 齒根應(yīng)力分布對(duì)比圖

綜上分析，通過專業(yè)的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件Romax Designer對(duì)齒輪齒形修形的修形長(zhǎng)度和修形量進(jìn)行分析，在齒輪的傳動(dòng)線性誤差、單位長(zhǎng)度法向載荷、最大接觸應(yīng)力和齒根應(yīng)力分布情況等方面有明顯的改善，進(jìn)而提高了齒輪的傳動(dòng)穩(wěn)定性、承載能力和使用壽命，對(duì)礦用刮板輸送機(jī)的工作效率有了明顯的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)現(xiàn)有礦用刮板輸送機(jī)關(guān)鍵零部件齒輪存在主要失效模式進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，通過齒輪的壽命分析，找到影響齒輪失效的關(guān)鍵因素，通過Romax Designer軟件進(jìn)行建模，從齒輪修形長(zhǎng)度和修形量2個(gè)方面開展了齒輪的修形仿真研究，主要對(duì)齒輪的傳動(dòng)線性誤差、單位長(zhǎng)度法向載荷、最大接觸應(yīng)力和齒根應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，得出修復(fù)后的齒輪具有更高的結(jié)構(gòu)性能，這對(duì)提高刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)性能及使用壽命具有重要作用，也為后期開展齒輪的修復(fù)研究提供了參考。