煤礦提升機(jī)減速器的優(yōu)化設(shè)計

劉紅宇

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司晉華宮礦機(jī)電科， 山西 大同 037003）

引言

減速器作為煤礦提升機(jī)的重要組成部件，對提升機(jī)的整體工作性能有著不可小覷的影響力[1]。在礦井提升機(jī)機(jī)構(gòu)體系，減速器不僅要傳遞動力為電機(jī)提供輸出轉(zhuǎn)矩和為卷筒提供提升所需的工作轉(zhuǎn)矩，同時還要傳遞運動，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速和卷筒提升所需的工作轉(zhuǎn)速之間的轉(zhuǎn)換工作均由提升機(jī)減速器所承擔(dān)[2-4]。隨著科技的發(fā)展，我國在礦用提升機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計上也取得顯著成就，其相應(yīng)的減速器設(shè)計制造技術(shù)也有很大的提升，在20世紀(jì)80年代我國提出漸開線行星齒輪減速器，雖然其得到廣泛關(guān)注[5]，但由于技術(shù)不夠成熟，導(dǎo)致整個傳動過程零部件種類繁多，不僅由于傳遞效率不統(tǒng)一對傳動造成負(fù)擔(dān)，同時增加了后期維護(hù)等工作，造成一定的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]?；诖?，更加精簡的結(jié)構(gòu)設(shè)計成為增加維修機(jī)動性，適應(yīng)現(xiàn)場需求的目標(biāo)。因此，本文設(shè)計了一款輕量化二階行星齒輪減速器。

1 減速器總體方案的設(shè)計

本文以Φ2 m礦井用提升機(jī)為例子，在現(xiàn)有漸開線行星齒輪減速器基礎(chǔ)上，對其內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化精簡設(shè)計。如圖1所示為傳統(tǒng)漸開線行星齒輪減速，高速級通過同軸連接的高速太陽輪將電機(jī)輸入軸的動力及運動傳遞給對稱分布的行星輪，低速級結(jié)構(gòu)與高速級相似，兩級之間通過二高速級轉(zhuǎn)架進(jìn)行動力學(xué)傳遞，最后由低速級轉(zhuǎn)架形式表示為輸出軸。此結(jié)構(gòu)雖然減少了高速級和低速級間轉(zhuǎn)軸和軸承的設(shè)計，但作為高低級之間傳遞橋梁的行星轉(zhuǎn)架的焊接構(gòu)件極易在急速減速過程中導(dǎo)致局部構(gòu)件疲勞產(chǎn)生破裂，由此導(dǎo)致減速機(jī)的毀壞[8]。

考慮現(xiàn)存問題，如圖2所示，本文決定在沿用高速級與低速級結(jié)構(gòu)對稱相似的經(jīng)驗上，將高速級行星輪動力通過齒輪嚙合的方式傳遞給低速級太陽輪，避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高速級轉(zhuǎn)架引發(fā)的減速器損壞，同時取代了高速級中余下的行星輪的作用；同理在低速級中也如法炮制，通過將低速級一個行星輪與輸出軸相連，減少低速級行星輪數(shù)目，從而精簡結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上沿用傳統(tǒng)齒輪嚙合傳遞的方法，簡化漸開線行星齒輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)上避免了復(fù)雜轉(zhuǎn)架焊件制造困難和使用過程中的疲勞失效損失等問題，在繼承傳統(tǒng)行星齒輪減速器且體積較小的優(yōu)點同時，減輕了部件數(shù)量的減速器，統(tǒng)一了各部件間傳遞的效率，使得在工作精度和效率上有很大提升，也增加了零件的互換性，便于后期維護(hù)和零件更替。

圖1 傳統(tǒng)漸開線行星齒輪減速器

圖2 輕量化二階行星齒輪減速器

在Φ2 m提升機(jī)結(jié)構(gòu)中，靜張力60 kN，最大提升速度3 m/s，選取額定功率為220 kW、轉(zhuǎn)速n1=1 000 r/min的6級電動機(jī)。工作時間每天10～24 h，減速器的總傳輸比約為31.5，通過減速比可初步確定二級傳動的傳動效率為ηj=0.96，輸出速度為n2=28.66 r/min，因此擬定傳動比分配比如下：高速級5，低速級為6。

2 行星齒輪部分相關(guān)計算設(shè)計

2.1 高速級行星齒輪參數(shù)的計算

2.1.1 高速級部分傳動比

根據(jù)本設(shè)計要求，本文采用非變位傳動設(shè)計行星齒輪的行星齒，依據(jù)擬定的傳動比為5，經(jīng)查設(shè)計手冊[9]，選取高速級行星齒輪的太陽輪齒數(shù)Za=31，內(nèi)齒圈齒數(shù)Zb=125，行星輪齒數(shù)Zc=47。

所以，高速級傳動實際傳動比：

2.1.2 低速級部分傳動比

低速級傳動比通過實際高速級傳動比計算得到：

由實際低速級傳動比，經(jīng)查設(shè)計手冊[9]，可選取低速級行星齒輪的太陽輪齒數(shù)Za'=23、內(nèi)齒圈Zb'=121、行星輪齒數(shù)Zc'=49。

所以，實際低速級傳動比：

行星齒輪傳動部分的總傳動=高速級傳動比×低速級傳動比，其值為i=iⅠiⅡ=5.032×6.260≈31.5，滿足原先的設(shè)計要求。

2.2 高速級行星齒輪各部分參數(shù)的計算

2.2.1 太陽輪分布圓直徑

通過計算齒面接觸強(qiáng)度，利用設(shè)計手冊[9]中公式進(jìn)行計算，且工況系數(shù)KA取1.5，安全系數(shù)f1=1.1，算式系數(shù)Kd取768，綜合系數(shù)KH∑取1.8，齒寬系數(shù)φd取0.6，齒向載荷分布系數(shù)KHP取1.35，接觸疲勞極限σHlim取 1 500 N/mm2。

則：行星輪高速級的輸入功率：

因此，高速級太陽輪的輸入扭矩為：

且其分度圓直徑計算得：

2.2.2 高速級齒輪模數(shù)

由設(shè)計手冊[9]中公式通過彎曲強(qiáng)度計算得出高速級齒輪嚙合模數(shù)，其相關(guān)系數(shù)如下：算式系數(shù)Km=12.1，行星輪間載荷分配系數(shù)KFP=1+1.5（KHP-1）=1.525，綜合系數(shù)KF∑=2.2，應(yīng)力修正系數(shù)Ysa=1.5，齒形系數(shù)，且彎曲疲勞極限σFlim取σFlim1和σFlim2中的較小值。本設(shè)計采用經(jīng)由滲碳淬火處理的20CrMnMo材料作為所設(shè)計方案的所有齒輪，所以其中σFlim1=420 N/mm2，且：σFlim2=σFlim1YFa=

則σFlim=418.45 N/mm2。

因而高速級齒輪模數(shù)計算如下：

則，高速級齒輪嚙合模數(shù)取m=6 mm。

那么：頂圓直徑da=zam=31×6=186 mm＞d1

故取da=186 mm，m=6 mm。

顯然aac=abc，所以高級行星齒輪的設(shè)計，滿足非變位傳動的設(shè)計要求。

則高速級齒輪齒寬為計算如下：

取b=112 mm。

高速級行星輪如圖3所示。

圖3 高速級行星齒輪設(shè)計（單位：mm）

2.3 低速級行星齒輪參數(shù)計算

2.3.1 太陽輪的分度圓直徑

由于低速級的輸入扭矩等于高速級的輸出扭矩，因而低速級輸入的轉(zhuǎn)速nx1可以通過實際的高速級的傳動比套用公式計算得到：

高速級的傳動效率為：

又因為高速級的輸出功率：

則，在低速級太陽輪上傳遞的扭矩計算為：

2.3.2 低速級齒輪模數(shù)

查設(shè)計手冊[9]按公式進(jìn)行彎曲強(qiáng)度計算，可計算得到低速級齒輪模數(shù)：

擬取齒輪模數(shù)m=16mm則

故取da=368 mm，m=16 mm。

因此低速級傳動部分的齒輪齒寬通過計算可得為b=φdda=0.6×368=220.8 mm，取b=221 mm。

3 其余零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計

3.1 類行星架齒輪組的設(shè)計

本文所設(shè)計的行星傳動部分的目的在于通過齒輪嚙合原理取代行星架的作用，這里通過同浮動高速級行星輪固結(jié)，且與其齒數(shù)相同的齒輪與同低速級太陽輪固結(jié)，且與其齒數(shù)相同齒輪嚙合來實現(xiàn)。這樣，既能夠避免復(fù)雜結(jié)構(gòu)行星架因焊接等問題造成的減速器損害現(xiàn)象，同時齒輪嚙合傳動取代行星架，減速器組件單一，從而在傳遞效率上實現(xiàn)統(tǒng)一，進(jìn)而傳遞更加高效。高速級類行星架功能齒輪組如圖4所示。

圖4 高速級類行星架功能齒輪組（單位：mm）

此外，通過將低速級行星架的變形與輸出軸連接，既簡化了結(jié)構(gòu)，也減少了低速級行星輪的數(shù)目，從重量上實現(xiàn)了減速器的輕量化，節(jié)省零件使用的同時使減速器在結(jié)構(gòu)上更加緊湊和簡潔。

考慮到煤礦提升機(jī)在使用過程中減速器需要恒定制動的問題，因此本設(shè)計采用統(tǒng)一齒輪嚙合傳動，其傳動效率單一，傳動精度準(zhǔn)確且平穩(wěn)，由此類行星架功能的齒輪組的設(shè)計更加符合實際使用要求。

3.2 剛性齒式聯(lián)軸器的設(shè)計

在低速級行星架與輸出軸連接的方式上，采用同輸入軸與高速級太陽輪軸連接方式相同的齒式聯(lián)軸器。

作為可移動式且應(yīng)用較廣泛的剛性聯(lián)軸器，齒式聯(lián)軸器傳遞相鄰零件之間動力的原理也是齒輪嚙合原理，有利于提高兩軸間同心傳動。并且在礦用提升機(jī)這種重載工況下，齒式聯(lián)軸器不僅可以實現(xiàn)大扭矩傳動，還具備體積小，結(jié)構(gòu)緊湊等幾何優(yōu)勢，因而成為本設(shè)計的選擇。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一款輕量化二階行星齒輪減速器，一方面通過齒輪嚙合來取代繁瑣的高速級焊件行星架，從傳遞方向統(tǒng)一傳遞效率，從而對減速器進(jìn)行進(jìn)一步“瘦身”，提高傳遞性能和保證傳動精度，另一方面將低速級行星架進(jìn)行變形，減少低速行星輪數(shù)目，從重量上實現(xiàn)減速器的輕量化。