采掘一體機(jī)減速機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王春橋

（北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036702）

0 引言

掘進(jìn)機(jī)為煤礦生產(chǎn)的掘進(jìn)設(shè)備，其工作用于對(duì)煤巖巷道、煤巷以及軟巖巷的掘進(jìn)任務(wù)；目前，掘進(jìn)機(jī)均具備了截割、運(yùn)輸以及裝載功能為一體的機(jī)電液設(shè)備。對(duì)于工作面的生產(chǎn)環(huán)境的惡劣性，要求掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊；尤其是對(duì)于懸臂掘進(jìn)機(jī)的減速器，其是連接截割頭和截割電機(jī)的關(guān)鍵部件，不僅在保證其減速器結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，還需要求其具有足夠的扭矩。當(dāng)前，掘進(jìn)機(jī)傳動(dòng)部件減速器的參數(shù)設(shè)計(jì)主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)獲取，還存在較大的優(yōu)化空間，在保證其可提供足夠傳動(dòng)力的同時(shí)，減小減速機(jī)構(gòu)的質(zhì)量和體積，因此重點(diǎn)對(duì)采掘一體減速器的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 減速機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

以EBZ135 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)為例開(kāi)展研究，該設(shè)備屬于采掘一體的掘進(jìn)設(shè)備。EBZ135 掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件包括有截割部、行走部、液壓系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及本體部等。結(jié)合EBZ135 掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)工況，減速器為連接截割頭和截割電機(jī)的關(guān)鍵部件，作為動(dòng)力傳動(dòng)的部件，要求其在滿(mǎn)足動(dòng)力傳動(dòng)要求的基礎(chǔ)上，其要求其具有緊湊的結(jié)構(gòu)。本著上述原則采用MATLAB 軟件對(duì)EBZ135 掘進(jìn)機(jī)減速機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[1]。

減速機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)需要結(jié)合設(shè)備本身機(jī)構(gòu)特征及其實(shí)際工況設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)、約束條件以及待約束的變量等，并將所構(gòu)建的約束條件、目標(biāo)函數(shù)以及變量等在MATLAB 軟件中計(jì)算得出最佳的變量。

對(duì)于掘進(jìn)機(jī)減速機(jī)構(gòu)的優(yōu)化需求，其目標(biāo)函數(shù)為減小掘進(jìn)機(jī)減速機(jī)構(gòu)的體積，約束條件為保證其傳動(dòng)力滿(mǎn)足工況要求。在此原則下構(gòu)建掘進(jìn)機(jī)減速機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)、變量以及約束條件等。

1.1 減速機(jī)構(gòu)目標(biāo)函數(shù)的建立

采掘一體設(shè)備優(yōu)化的最終目的是減小其體積V。因此，所構(gòu)建的減速機(jī)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)如式（1）所示：

式中：bi為減速機(jī)構(gòu)中高速級(jí)和低速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪厚度；mi為減速機(jī)構(gòu)中高速級(jí)和低速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪模數(shù)；zai為減速機(jī)構(gòu)中高速級(jí)和低速級(jí)太陽(yáng)輪的齒數(shù)；ni為減速機(jī)構(gòu)中高速級(jí)和低速級(jí)行星輪的個(gè)數(shù)；zgi為減速機(jī)構(gòu)中高速級(jí)和低速級(jí)行星輪的齒數(shù)；zbi為減速機(jī)構(gòu)中高速級(jí)和低速級(jí)內(nèi)齒圈的齒數(shù)。

1.2 約束條件的確定

結(jié)合采掘一體設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的屬性以及其實(shí)際工況的工況特點(diǎn)，針對(duì)采掘一體減速機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出如下約束條件：

1）根據(jù)MTT 1139—2011 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要求懸臂式采掘一體設(shè)備的減速器傳動(dòng)比與公稱(chēng)傳動(dòng)比誤差控制在±5%之間。

2）鑒于行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本身的特點(diǎn)，不僅要求兩個(gè)相鄰的行星齒輪的齒頂不能夠接觸，還要求兩個(gè)行星輪的中心距離大于其各自齒頂圓半徑之和。

3）本次優(yōu)化的重點(diǎn)為減小減速機(jī)構(gòu)的尺寸和體積，因此要求各級(jí)傳動(dòng)的內(nèi)齒圈的最大外徑尺寸應(yīng)盡可能的相近。

4）盡可能地提高齒輪的齒寬系數(shù)，從而提升齒輪整體的承載能力。

5）根據(jù)MTT 1139—2011 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，應(yīng)將行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中齒輪的模數(shù)控制在3～20 之間。

6）對(duì)于第一級(jí)行星減速機(jī)構(gòu)而言，太陽(yáng)輪的安裝會(huì)受到影響，一般將保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的最小齒數(shù)在14～20 之間[2]。

7）要求優(yōu)化后減速機(jī)構(gòu)的接觸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等指標(biāo)滿(mǎn)足采掘一體設(shè)備的工況要求。

1.3 優(yōu)化結(jié)果

根據(jù)“1.1”和“1.2”中的原則所構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，并導(dǎo)入MATALB 軟件中調(diào)用其優(yōu)化函數(shù)，對(duì)減速機(jī)構(gòu)中的各級(jí)變量進(jìn)行優(yōu)化，最終得出如表1所示的優(yōu)化結(jié)果。

表1 采掘一體減速機(jī)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

如表1 所示，對(duì)采掘一體機(jī)減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，第一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸略微有增加，增加2%左右；但是，整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體積整體上得到縮小，約縮小22.3%。

2 其他尺寸的確定

基于“1”中對(duì)減速機(jī)構(gòu)各級(jí)齒輪優(yōu)化的基礎(chǔ)上，還需對(duì)高速級(jí)輸入/輸出軸、低速級(jí)輸出軸及其鍵連接尺寸進(jìn)行核算，對(duì)行星輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。

2.1 高速級(jí)減速機(jī)構(gòu)輸入軸的確定

輸入軸直徑d 的確定與其傳遞的軸功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)相關(guān)。高速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸入軸的計(jì)算如式（2）所示：

式中：P 為輸入軸傳動(dòng)功率，取135 kW；n 為采掘一體機(jī)截割電機(jī)轉(zhuǎn)速，取970 r/min；A 為系數(shù)，取101。

將相關(guān)參數(shù)代入式（2）中，得出高速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸入軸直徑為52.34 mm。鑒于高速級(jí)輸入軸通過(guò)鍵連接的形式實(shí)現(xiàn)連接，因此要求輸入軸直徑增大5%。

因此，最終確定高速級(jí)減速機(jī)構(gòu)輸入軸的直徑為52.34 mm×1.05=54.96 mm。

對(duì)應(yīng)的鍵的寬度為16 mm，高度為10 mm，長(zhǎng)度為45 mm。

2.2 高速級(jí)減速機(jī)構(gòu)輸出軸的確定

輸出軸直徑d' 的確定與其傳遞的軸功率、轉(zhuǎn)速等參數(shù)相關(guān)。高速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出軸的計(jì)算如式（3）所示：

式中：T 為輸出軸傳遞的扭矩，取6993 N·m；τp為輸出軸材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，取54 MPa。

將相關(guān)參數(shù)代入式（3）中，得出高速級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的輸出軸直徑為87.02 mm。高速級(jí)輸出軸通過(guò)鍵連接的形式實(shí)現(xiàn)連接，因此要求輸出軸直徑增大5%。

因此，最終確定高速級(jí)減速機(jī)構(gòu)輸出軸的直徑為87.02 mm×1.05=91.37 mm。

對(duì)應(yīng)的鍵的寬度為25 mm，高度為14 mm，長(zhǎng)度為60 mm。

同理計(jì)算得出：低速級(jí)減速機(jī)構(gòu)輸出軸的直徑為151.84 mm，對(duì)應(yīng)鍵的寬度為36 mm，高度為20 mm，長(zhǎng)度為90 mm。

3 結(jié)論

采掘一體機(jī)為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其承擔(dān)著對(duì)煤巷、軟巖巷以及煤巖巷的一體化掘進(jìn)任務(wù)。減速機(jī)構(gòu)作為截割電機(jī)與截割頭連接的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，其承擔(dān)著動(dòng)力的傳動(dòng)，其性能對(duì)于保證掘進(jìn)機(jī)任務(wù)尤為重要。傳統(tǒng)減速機(jī)構(gòu)各級(jí)參數(shù)設(shè)計(jì)大部分依靠經(jīng)驗(yàn)公式所得，導(dǎo)致其體積過(guò)大，與工作面狹小的工作空間不符。本文基于MATLAB 對(duì)各級(jí)減速機(jī)構(gòu)的齒輪參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出如下結(jié)論：對(duì)采掘一體機(jī)減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，第一級(jí)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸略微有增加，增加約2%左右；但是，整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體積整體上得到縮小，約縮小22.3%。