掘進(jìn)機(jī)行星減速器的改進(jìn)

閆 偉

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦， 太原 古交 030206）

引言

掘進(jìn)機(jī)為應(yīng)用于大傾角煤巷、半煤巖巷道、隧道以及軟巖巷道的掘進(jìn)設(shè)備。截割部為掘進(jìn)機(jī)直接與巖層、煤層接觸的載體，處于掘進(jìn)機(jī)懸臂之中，主要任務(wù)是將掘進(jìn)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞至截割頭，根據(jù)巖層、煤層變化對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。鑒于掘進(jìn)工作面空間狹小，要求掘進(jìn)機(jī)截割部減速器結(jié)構(gòu)必須緊湊；但是，為保證實(shí)際的截割需要，要求截割部減速器必須具備較大的扭矩[1]。因此，綜合體積小和大扭矩的矛盾對(duì)掘進(jìn)機(jī)減速器提出了更高的要求。同時(shí)，掘進(jìn)機(jī)行星減速器齒輪的模數(shù)和齒數(shù)按照經(jīng)驗(yàn)所得，為保證實(shí)際的需求需對(duì)行星減速器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。本文重點(diǎn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)行星減速器進(jìn)行改進(jìn)。

1 掘進(jìn)機(jī)概述

掘進(jìn)機(jī)用于對(duì)煤礦巷道的掘進(jìn)，其具備截割、裝載以及噴霧等功能。根據(jù)斷面形狀的不同將其分為連續(xù)作業(yè)式全斷面掘進(jìn)機(jī)和循環(huán)作業(yè)式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。其中，連續(xù)作業(yè)式全斷面掘進(jìn)機(jī)適用于單軸抗壓強(qiáng)度為50～350 MPa 的硬度較大的巷道，巷道成型后的直徑為2.5～10 m；部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)適用于單軸抗壓強(qiáng)度小于60 MPa 的硬度較小相對(duì)較軟的巷道。一般的掘進(jìn)機(jī)由工作機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)以及噴霧降塵系統(tǒng)組成[2]。本文以EBZ160 懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例開(kāi)展研究。

根據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭的分布方式可將其分為縱軸式懸臂式掘進(jìn)機(jī)和橫軸式懸臂式掘進(jìn)機(jī)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，裝載機(jī)構(gòu)主要功能是將截割頭截割的巖石或煤層運(yùn)送至輸送機(jī)構(gòu)；輸送機(jī)構(gòu)將截割下來(lái)的煤塊或巖石運(yùn)送至后方裝備中；工作結(jié)構(gòu)主要為截割頭與煤層或巖層直接接觸，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層或巖層的破碎；行走機(jī)構(gòu)控制掘進(jìn)機(jī)的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，保證掘進(jìn)機(jī)在預(yù)定軌跡上跟蹤運(yùn)行；除塵裝置將一定壓力的水噴出，現(xiàn)場(chǎng)的煤塵或粉塵濃度降低。本文重點(diǎn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)行星減速器進(jìn)行改進(jìn)，保證其在滿足實(shí)際掘進(jìn)強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)行星減速器的小型化、輕量化設(shè)計(jì)。

2 掘進(jìn)機(jī)行星減速器的改進(jìn)

EBZ160 掘進(jìn)機(jī)雖然能夠滿足實(shí)際的掘進(jìn)強(qiáng)度要求，但是其與功率相近的掘進(jìn)機(jī)相比較具有齒輪模數(shù)較大、傳統(tǒng)體積龐大的問(wèn)題，與工作面相對(duì)狹小的空間相背離。因此本節(jié)重點(diǎn)對(duì)EBZ160 掘進(jìn)機(jī)滿足掘進(jìn)強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變其行星減速輪系的模數(shù)、齒數(shù)以及傳動(dòng)比的重新分配，實(shí)現(xiàn)其小型化、輕量化的目的[3]。

針對(duì)掘進(jìn)機(jī)行星減速器的改進(jìn)，本文采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和可靠性設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式進(jìn)行。其中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法保證掘進(jìn)機(jī)基本功能和大體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；可靠性設(shè)計(jì)是在保證掘進(jìn)機(jī)截割部可靠性的基礎(chǔ)上，采用有限元分析方法對(duì)齒輪傳動(dòng)的力場(chǎng)進(jìn)行分析，解決體積龐大、材料過(guò)設(shè)計(jì)的問(wèn)題，最終達(dá)到節(jié)約材料和成本的目的。

2.1 EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)改進(jìn)基礎(chǔ)

EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)配置電機(jī)的額定功率為160 kW，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1 470 r/min。該型掘進(jìn)機(jī)行星減速輪系各級(jí)齒輪的材質(zhì)均為20Cr2Ni4A，各級(jí)齒輪的加工精度為7-8 級(jí)，并采用型號(hào)為N320 的齒輪油進(jìn)行潤(rùn)滑。

EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)行星減速器包括有一級(jí)太陽(yáng)輪、二級(jí)太陽(yáng)輪、一級(jí)行星輪、二級(jí)行星輪、一級(jí)內(nèi)齒圈和二級(jí)內(nèi)齒圈。各級(jí)齒輪的主要參數(shù)如表1 所示。

表1 行星輪系各級(jí)齒輪主要參數(shù)

2.2 EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)行星減速器的改進(jìn)

結(jié)合EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際使用情況和工作面的條件，重點(diǎn)從對(duì)行星減速器傳動(dòng)比的重新分配和齒數(shù)的確定兩方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，最終在滿足實(shí)際強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化的目的。

行星減速器傳動(dòng)比是影響最終行星減速器質(zhì)量和基本尺寸的主要因素。目前，EBZ160 型掘進(jìn)機(jī)所行星減速器總的傳動(dòng)比為22.5，其中一級(jí)傳動(dòng)比為5，二級(jí)傳動(dòng)比為4.5。

對(duì)于兩級(jí)行星傳動(dòng)輪系而言，為保證最終行星減速器的徑向尺寸較小，主要保證一級(jí)內(nèi)齒圈和二級(jí)內(nèi)齒圈分度圓直徑的比例控制在1～1.2 之間。結(jié)合兩級(jí)行星傳動(dòng)輪系的動(dòng)載系數(shù)、齒向載荷分布系數(shù)以及壽命系數(shù)，最終確定兩級(jí)傳動(dòng)的齒寬系數(shù)為1.5，一級(jí)和二級(jí)之間的系數(shù)比為4。結(jié)合兩級(jí)行星輪系的傳動(dòng)比分配圖，最終確定行星減速器的一級(jí)傳動(dòng)比為5，二級(jí)傳動(dòng)比為4.5[4]。說(shuō)明，EBZ160 行星減速器的傳動(dòng)比合理。

在對(duì)上述行星減速器傳動(dòng)比重新分配和評(píng)估的基礎(chǔ)上，綜合鄰接條件、同心條件、安裝條件對(duì)行星減速器各級(jí)齒輪的參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的結(jié)果如表2 所示。

對(duì)比表1 和表2 中的主要參數(shù)可知，主要是將各級(jí)齒輪的模數(shù)、齒數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)對(duì)比可知，對(duì)行星輪系各級(jí)齒輪的主要參數(shù)優(yōu)化后，行星減速器的徑向尺寸減小7.6%，達(dá)到了小型化和輕量化優(yōu)化的目的。接下來(lái)，對(duì)優(yōu)化后行星減速器的強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)證，評(píng)估其是否能夠滿足實(shí)際掘進(jìn)機(jī)的強(qiáng)度要求。

表2 行星輪系改進(jìn)后各級(jí)齒輪主要參數(shù)

3 行星減速器改進(jìn)后的有限元分析

根據(jù)改進(jìn)后行星減速器的尺寸建立有限元三維模型，模型如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后行星減速器三維模型

將所搭建的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元仿真軟件中，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)模型中的材料密度、接觸疲勞極限、完全疲勞極限、齒輪彈性模量、剪切模量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，施加一定的載荷后對(duì)各級(jí)齒輪的安全系數(shù)、最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和最大變形進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 改進(jìn)后行星減速器各級(jí)齒輪的變形

如表3 所示，太陽(yáng)輪和行星輪嚙合位置所承受在力最大，二者均發(fā)生塑性變形。因此，為保證太陽(yáng)輪和行星輪的可靠性，需對(duì)其采取滲碳和淬火工藝提升太陽(yáng)輪和行星輪的表面硬度。同時(shí)，太陽(yáng)輪、行星輪的最大應(yīng)力和最大應(yīng)變均小于其屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率等指標(biāo)，即改進(jìn)后行星減速器的可靠性和強(qiáng)度滿足實(shí)際應(yīng)用需求[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)行星減速器為連接設(shè)備電機(jī)和截割部的主要部件，其可靠性和性能直接決定設(shè)備的截割效率和巷道的成型質(zhì)量。為解決掘進(jìn)機(jī)實(shí)際生產(chǎn)中要求較大扭矩和空間狹小的問(wèn)題，本文重點(diǎn)通過(guò)對(duì)齒輪傳動(dòng)比重新分配和齒數(shù)、模數(shù)優(yōu)化對(duì)行星減速器進(jìn)行改進(jìn)。經(jīng)校核，改進(jìn)后行星減速器的徑向尺寸減小7.6%，且改進(jìn)后行星減速器的強(qiáng)度和可靠性滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。