采煤機(jī)無多余約束齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用分析

陳文娟

（鄭州煤機(jī)綜機(jī)設(shè)備有限公司 鄭州 450100）

采煤機(jī)無多余約束齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用分析

陳文娟

（鄭州煤機(jī)綜機(jī)設(shè)備有限公司 鄭州 450100）

作為采煤機(jī)械的主要傳動(dòng)形式，齒輪傳動(dòng)（包括牽引部、和截割部等）怎樣在盡量減少生產(chǎn)成本的基礎(chǔ)上，提高齒輪傳動(dòng)的性能和實(shí)用效果，是采煤機(jī)設(shè)計(jì)者面臨的首要問題。本文針對(duì)MG150B薄煤層采煤機(jī)中采用的各種傳動(dòng)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹傳動(dòng)系統(tǒng)中無多余約束齒輪傳動(dòng)的概念和原理，并且提出自己的觀點(diǎn)。

采煤機(jī)；無多余約束齒輪傳動(dòng)；傳動(dòng)系統(tǒng)

1 無多余約束齒輪傳動(dòng)概述

1.1 采煤機(jī)無多余約束齒輪傳動(dòng)概念

從機(jī)械設(shè)計(jì)原理的方面來講，因?yàn)辇X輪傳動(dòng)過程中會(huì)有多余的約束，多余約束會(huì)限制機(jī)械機(jī)構(gòu)多角度自由的運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生多余的力矩，使齒輪等機(jī)械機(jī)構(gòu)的接觸不能很好的實(shí)現(xiàn)，這就需要從機(jī)械設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)原理兩方面著手來充分發(fā)揮齒輪傳動(dòng)在傳動(dòng)能力和效果上的潛力。

1.2 無多余約束齒輪傳動(dòng)原理

要理解無多余約束齒輪傳動(dòng)的原理就要先理解自由度，自由度的計(jì)算公式為：

式中：W——自由度；

n——活動(dòng)機(jī)械構(gòu)件數(shù)目；Pi——第i級(jí)活動(dòng)的副數(shù)目。

對(duì)普通的采煤機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來說，一般情況下只有一個(gè)活動(dòng)度，可以推算出多余約束Q。

從上面公式（1）和公式（2）可以看出，從原理上就齒輪傳動(dòng)而言，不考慮單獨(dú)軸承的承受能力的話，完全可以發(fā)揮齒輪傳動(dòng)的潛力。

2 無多余約束傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在采煤機(jī)牽引部的分析

2.1 無多余約束傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在采煤機(jī)牽引部中應(yīng)用概述

在MG150B采煤機(jī)的牽引部的設(shè)計(jì)中，無多余約束的傳動(dòng)形式應(yīng)用在從馬達(dá)輸出到行星機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的前一級(jí)中，迂回傳動(dòng)的從動(dòng)輪中。此處采用無多余約束傳動(dòng)方式主要是因?yàn)檩S向尺寸的限制。此處采用無多余約束傳動(dòng)并且在采煤機(jī)廠的實(shí)踐中，對(duì)采煤機(jī)牽引部做的耐久性實(shí)驗(yàn)以及在后來的使用過程中，都取得了不錯(cuò)的效果。

2.2 采煤機(jī)牽引部中應(yīng)用無多余約束傳動(dòng)機(jī)的原理

圖1為無多余約束傳動(dòng)在牽引部中的應(yīng)用原理圖。

圖1

因?yàn)轳R達(dá)含有惰性的特點(diǎn)，所以在分析其原理時(shí)將其作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)件考慮，在圖1中Z2是只有一個(gè)球面輻的惰輪，Z3為傳動(dòng)齒輪。根據(jù)無約束傳動(dòng)的原理，可以發(fā)現(xiàn)在該處的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，存在兩個(gè)多余約束。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度來分析，在設(shè)計(jì)中考慮到了一定的側(cè)面縫隙，這樣就能夠充分發(fā)揮調(diào)心軸承的作用，同時(shí)也改善了安裝上的工藝性。但是由于沒有完善的檢測(cè)手段，沒有辦法完成定量分析，所以在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中其中的偏斜還是實(shí)際存在的。從上面可以看出，機(jī)械自身的加工精度是很大一部分原因，因?yàn)椴蝗菀卓刂?，所以傳?dòng)中出現(xiàn)多種多樣的運(yùn)動(dòng)型態(tài)，是正常的。

2.3 采煤機(jī)截割部無多余約束傳動(dòng)

采煤機(jī)截割部是采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)落煤、裝煤的重要部件，截割部主要有以下幾個(gè)部分組成：截割電機(jī)、齒輪減速裝置等裝置。齒輪減速裝置全部在行星減速器內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠并且緊湊性好。截割部在采煤機(jī)運(yùn)作的過程中需要消耗采煤機(jī)80～90%的功率，所以設(shè)計(jì)要求截割部需要有很好的韌性、可靠性、以及很高的強(qiáng)度，并且還要有良好的密封潤(rùn)滑，散熱條件好，傳動(dòng)效率高。截割部無多余約束傳動(dòng)的應(yīng)用能夠很好的滿足截割部工作的要求，因此目前廣泛應(yīng)用于市場(chǎng)上。下面第三章將會(huì)對(duì)截割部中應(yīng)用最普遍的行星傳動(dòng)做詳細(xì)的介紹和分析。

3 無多余約束傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在行星傳動(dòng)中的應(yīng)用

3.1 無多余約束傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在采煤機(jī)行星傳動(dòng)中的應(yīng)用概述

行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)作為采煤機(jī)中傳動(dòng)功率最大，負(fù)荷量最大傳動(dòng)件，是采煤機(jī)中最為要緊的傳動(dòng)件。在采煤機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，ZK-H行星傳動(dòng)應(yīng)用最為普遍。因?yàn)槠洳捎们蛎嫘螤畹男行菣C(jī)構(gòu)，下一節(jié)將會(huì)對(duì)應(yīng)用最為普遍的ZK-H行星傳動(dòng)做詳細(xì)介紹。

3.2 無多余約束傳動(dòng)在采煤機(jī)星形傳動(dòng)中的應(yīng)用

圖2為ZK-H行星機(jī)構(gòu)原理圖，根據(jù)原理圖來分析無多余約束傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在星形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用情況。其中圖2（a）為普通ZK-H行星機(jī)構(gòu)，圖2（b）為在星形輪中采用圓球面形式的星形機(jī)構(gòu)。

圖2

根據(jù)自由度的計(jì)算原理公式可以計(jì)算出圖中所表示的多余齒輪約束的情況，根據(jù)原理計(jì)算可以得出在圖2（a）中存在多達(dá)6個(gè)多余約束。再看圖2（b）中機(jī)構(gòu)的情況，可以得出如下結(jié)論：圖3（b）為簡(jiǎn)化的無多余約束的ZK-H行星傳動(dòng)的原理簡(jiǎn)圖。

從以上的分析中可以看出：為了消除多余的制約因素，并且在使用過程中避免強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)上缺陷，可以在每個(gè)行星輪中都采用球面副，將行星輪分成若干排并且在工藝上做的更窄，并且裝載在球面軸承上，這樣就能讓沿齒寬還有中心輪周圍上都能實(shí)現(xiàn)無多余約束，并且成為多流傳動(dòng)形式。能夠有效克服普通ZK-H傳動(dòng)中行星輪窄小的缺點(diǎn)。

4 無多余約束傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析

4.1 無多余約束傳動(dòng)機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的重要性

MG150B采煤機(jī)中牽引部和行星傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中的齒輪強(qiáng)度是衡量采煤機(jī)機(jī)械性能和可靠性重要的指標(biāo)，只有強(qiáng)度達(dá)到更好的標(biāo)準(zhǔn)，才能有效可靠的工作，進(jìn)而減少采煤機(jī)的故障率，提高機(jī)械的生產(chǎn)效率。針對(duì)齒輪強(qiáng)度，有齒輪輕度校驗(yàn)公式可以驗(yàn)證。下一節(jié)將對(duì)其校驗(yàn)公式和原理進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

4.2 無約束傳動(dòng)機(jī)齒輪強(qiáng)度定性分析

一直以來，采煤機(jī)中齒輪強(qiáng)度就是采煤機(jī)牽引部的薄弱部分之一。

上面公式給我們提供了對(duì)牽引部齒輪強(qiáng)度進(jìn)行定性分析的依據(jù)。從定量分析的公式中可以得出如果想要改善齒輪的強(qiáng)度就可以改善各個(gè)因子，進(jìn)而改善齒輪的強(qiáng)度。如：將工況系數(shù)設(shè)為1，安全系數(shù)依然設(shè)為1，就是說富裕度很小。在齒輪嚙合情況很好的情況下，就可以很好的發(fā)揮齒輪的功能，經(jīng)過幾百個(gè)小時(shí)的實(shí)際應(yīng)用，馬達(dá)傳動(dòng)齒輪無損壞，嚙合完好，肉眼辨別正常。從以上的定量性輕度分析，可以在原理上說明，無多余約束的齒輪傳動(dòng)是一種可以有效改善齒輪傳動(dòng)特性，嚙合特征的一種設(shè)計(jì)方法。

5 無多余約束齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)分析

5.1 無多余約束齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)剖析

圖3中圖3（a）是一般采煤機(jī)中采用惰輪的典型結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用的是兩個(gè)帶有雙列的向心球面的滾動(dòng)的軸承，但是根據(jù)分析可以知道，其實(shí)這種結(jié)構(gòu)是有多余約束的。圖3（b）是采用一個(gè)雙列向心球面滾子軸承，是一種無多余約束的球面副。根據(jù)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)規(guī)定，圖3（a）中根據(jù)規(guī)定，兩個(gè)軸承的載荷應(yīng)該為單個(gè)軸承的1.5倍。考慮到結(jié)構(gòu)上的因素和各種機(jī)械設(shè)計(jì)上的工藝因素的影響，不到兩倍的關(guān)系，從徑向尺寸和軸承的強(qiáng)度來講，可以達(dá)到要求。圖3（c）中的結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)椴捎昧税迅髯缘那蛎嫦蛐妮S加入到各自的齒輪中，這樣就可以完成從單流傳動(dòng)到多流傳動(dòng)的變化，更能增加齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的性能。

圖3

5.2 無多余約束齒輪傳動(dòng)方式的應(yīng)用及其問題分析

更好的應(yīng)用無多余約束的齒輪傳動(dòng)形式，對(duì)于當(dāng)前的采煤機(jī)很有意義。目前市場(chǎng)上常見的MG300、MG400、S3-170等系列采煤機(jī)，都是采用這種無多余約束的齒輪傳動(dòng)方式。在目前超薄煤層采煤機(jī)應(yīng)用中，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境需要機(jī)殼長(zhǎng)、平行軸多、而且尺寸大。所以在加工生產(chǎn)時(shí)，其各孔的精確度不能保證，往往制造的產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)值降低一定的精度等級(jí)。通常精度等級(jí)需要達(dá)到8-7-8的嚙合齒輪，相對(duì)應(yīng)的軸線平行度應(yīng)該與九級(jí)精度的齒輪相當(dāng)，所以當(dāng)下標(biāo)準(zhǔn)要求的安裝后沿齒長(zhǎng)接觸60%，沿齒高方向的接觸度達(dá)到40%也是不容易達(dá)到，這也是造成軸承不能達(dá)到預(yù)期，不能承載相應(yīng)負(fù)荷的一個(gè)非常重要的原因。

6 總結(jié)

本文中所分析的無多余約束齒輪傳動(dòng)方式，只是限于中心軸，而在轉(zhuǎn)軸上如何應(yīng)用無多余約束的齒輪傳動(dòng)方式還有待于研究。本文所論述的觀點(diǎn)有一定的普遍性，對(duì)我國(guó)目前市場(chǎng)上的采煤機(jī)機(jī)械的加工、工藝水平、以及使用和維護(hù)能力的提高，還有更重要的采煤機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

[1]程居山.礦山機(jī)械，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010（05）：65～68.

[2]潘學(xué)義.采煤機(jī)選型問題探討，江蘇煤炭科技，2015（03）：89～92.

[3]謝錫純.礦山機(jī)械與設(shè)備，徐州：中國(guó)礦業(yè)出版社，2014（07）：32～34.

TH132.41

A

1004-7344（2016）15-0237-02

2016-5-12

陳文娟（1983-），女，助理工程師，本科，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。