基于Pro/E的采煤機行走機構擺線輪的參數化設計

費淞，陳俊，于廣征，沈磊，趙靜

(1. 江蘇省產品質量監督檢驗研究院，江蘇 南京 210007；2. 中國電子科技集團第二十八研究所 江蘇 南京 210007； 3. 南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

基于Pro/E的采煤機行走機構擺線輪的參數化設計

費淞1，陳俊2，于廣征3，沈磊3，趙靜3

(1. 江蘇省產品質量監督檢驗研究院，江蘇 南京 210007；2. 中國電子科技集團第二十八研究所 江蘇 南京 210007； 3. 南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

根據內外擺線的形成原理，建立了滾筒式采煤機行走機構的擺線輪的理論輪廓線方程，并利用Pro/E軟件提供的高級編程語言，建立了適用于采煤機行走機構的擺線輪的參數化實體模型，最后驗證了模型的可行性。

擺線輪；采煤機；輪廓線方程；參數化

0 引言

滾筒式采煤機是目前煤礦采煤工作的主力開采設備，滾筒式采煤機行走機構的核心部件為行走輪和銷排銷齒。擺線齒廓的行走輪(擺線輪)具有牽引性能較好，有較強的適應底板起伏、節距變化的能力[1]，因此被廣泛使用。近年來，很多文獻對滾筒式采煤機的擺線輪-銷軌式行走機構的工作原理及設計計算做了詳細的理論分析[1-3]。擺線輪的齒廓由于擺線方程的復雜性無法利用標準的刀具進行共軛切削加工，只能使用成形銑削加工，這就對擺線的齒廓曲線的造型提出了較高的要求[4]。傳統的造型方法是利用樣條曲線來模擬擺線齒廓，并且每更新一次擺線輪的型號，擺線輪齒廓曲線就要重新設計一次，需要耗費設計人員大量的時間和精力，參數化建模技術能從根本上解決這一問題。本文在介紹了內外擺線的形成原理，建立了采煤機行走機構的擺線輪齒廓曲線的參數方程后，利用Pro/E的高級編程語言，對滾筒是采煤機行走機構的擺線輪進行了參數化建模。

1 內、外擺線的形成原理及參數方程

當一滾圓沿導線作純滾動時，滾圓上任意點的軌跡稱為擺線。當導線為圓時，滾圓在導圓內作純滾動時，滾圓上的任意點的軌跡曲線稱為內擺線[5]，如圖1所示。

圖1 內擺線形成圖

其參數方程為：

(1)

式中：Rb——導圓半徑;Rg——滾圓半徑;t——滾角。

當滾圓在導圓外作純滾動時，滾圓上的任意點的軌跡曲線稱為外擺線，如圖2所示，其參數方程為：

(2)

圖2 內擺線形成圖

2 擺線輪的理論輪廓線方程

滾筒式采煤機構的擺線輪的齒廓曲線通常由普通外擺線和普通內擺線組成，節圓以上齒廓為外擺線，節圓以下齒廓為內擺線。根據外、內擺線的參數方程經過坐標轉化可得到擺線輪的齒廓曲線參數方程。

如圖3(a)所示，擺線輪的節圓以上外擺線的曲線方程為：

(3)

式中：R——擺線輪節圓半徑，mm；

r1——外滾動圓半徑，mm；

α1——外滾動圓沿節圓外表面純滾動所轉過的角度，°；

如圖3(b)所示，擺線輪的節圓以下外擺線的曲線方程為：

(a)節圓以上外擺線齒廓的形成

(b)節圓以下內擺線齒廓的形成圖3 行走輪擺線齒廓形成圖

式中：r2——內滾動圓半徑，mm；

α2——內滾動圓沿節圓內表面純滾動所轉過的角度，°。

3 擺線輪的參數化建模

擺線輪的齒廓曲線與形成外、內擺線的節圓、內外滾動圓、齒數有關，齒數Z、節圓半徑R、外、內滾動圓半徑r1與r2、 模數m和節圓弦齒厚S是在齒廓曲線方程設計中必須確定的獨立設計參數，其他與齒廓相關的幾何尺寸就可以由計算得出，而要設計出完整的擺線輪，還需要確定齒頂高系數ha、頂隙系數c和齒寬B。

3.1 設置擺線輪齒廓的參數關系

利用Pro/E軟件中高級編程語言[6]，首先定義基本參數，如表1；

表1 擺線輪基本參數

續表1

RA--齒頂圓半徑RF--齒根圓半徑R0--齒根過渡圓弧

注：--表示此參數的值是由關系式求出。

再將這些參數的關系式編寫入“Relation”中，此段程序如下所示：

/*start

/*注：以下程序中出現的未定義的參數是由在建模過程中Pro/E軟件提供的中間特征參數

/*基本參數關系

R=M*Z/2

BETA=ASIN(S/2/R)

HA=HAX*M

HF=(HAX+CX)*M

RA=R+HA

RF=R-HF

/*齒寬

D0=B

D1=B

/*齒根圓過渡半徑

IF HAX >= 1

D2=0.38*M

ENDIF

IF HAX < 1

D2=0.46*M

ENDIF

/*復制單齒

D4=360/Z

/*陣列齒形

D12=360/Z

P13=Z-1

/*end

3.2 繪制擺線輪齒廓

在Proe/E軟件中采用Curve功能，如圖4，選取笛卡爾坐標，先根據圓參數式(5)畫出節圓、齒根圓和齒頂圓的曲線，再根據擺線輪齒廓外、內擺線參數式(6)和式(7)和Mirror功能，畫出擺線輪齒的曲線，見圖5。

圖4 Curve窗口

圖5 繪制曲線圖

(5)

其中：r分別取R、RA、RF，0

(6)

(7)

先利用Extrude功能拉伸出齒根圓，再利用Sketch中的Use功能拾取所需的輪廓線，將所得的齒形輪廓線進行Extrude功能拉伸，即可得到擺線輪單齒的模型，見圖6。在這里，拉伸的深度與擺線輪寬度B進行關聯，以便進行尺寸驅動，再依次使用Copy與Pattern功能進行單齒的陣列，最后利用Hole功能得到中心的軸孔，其中只需要注意各個尺寸與擺線輪基本參數的關聯，以便能夠實現尺寸驅動，如圖7。

圖6 單齒圖

圖7 單齒陣列圖

3.3 參數化程序設計

程序化工具Program記錄著模型的所有特征信息，包括建立過程、參數、尺寸和關系式等信息。設計者只需在Program中的INPUT和END INPUT之間添加經常變更的參數，通過輸入新的參數值，驅動模型再生，達到參數化程序設計的目的。對于擺線輪而言，因為在建模時已創建了各參數之間的關系式，所以整個擺線論的特征變化只取決于擺線輪齒數z、模數m、節圓的弦齒長S、外滾動圓半徑r1、內滾動圓半徑r2、齒寬B、齒頂高系數ha、頂隙系數c和軸孔半徑rr1，因此只需添加上述參數的有關語句即可。過程如下：

INPUT

Z NUMBER

"請輸入行走擺線輪齒數："

M NUMBER

"請輸入行走擺線輪模數："

S NUMBER

"請輸入行走擺線輪節圓的弦齒長："

R1 NUMBER

"請輸入外滾動圓半徑："

R2 NUMBER

"請輸入內滾動圓半徑："

B NUMBER

"請輸入行走擺線輪寬度："

HAX NUMBER

"請輸入齒頂高系數："

CX NUMBER

"請輸入頂隙系數："

RR1 NUMBER

"請輸入軸孔半徑："

END INPUT

當需要變更模型時，讀取已創建的擺線輪模型，選擇再生功能，然后選取需要更改的參數，如圖8所示。根據Program的提示依次輸入新的參數值，即可生成新的擺線輪，達到了參數化設計的目的，見圖9。

圖8 初始設計參數輸入

(a)七齒擺線輪

(b)九齒擺線輪圖9 參數化模型圖

4 結論

擺線齒廓的行走輪在滾筒式采煤機的行走機構上的應用較為突出，利用Pro/E軟件的造型功能提高了擺線輪齒廓曲線的設計精度，提高了傳統造型的齒廓精度；參數化設計有效地提高了設計效率，讓設計者在三維造型上花費較少的時間，更方便進行結構尺寸上的優化設計。本文給出的擺線輪擺線齒廓參數方程是準確畫出擺線輪三維圖形的基礎，可為研究和學習行走輪-銷軌設計提供合理的理論依據。

[1] 陳偉, 杜長龍, 夏麗建,等. 采煤機行走機構擺線輪設計研究[J]. 煤礦機械, 2010, 31(6): 1-2.

[2] 徐建超, 譚超, 趙亞東. 采煤機行走輪的參數建模與有限元分析[J]. 煤礦機械, 2011, 32(5): 91-92.

[3] 賈傳文, 李娜. 簡述基Pro/engineer的銷齒擺線齒輪三維設計方法[J]. 煤礦機械, 2006, 27(2): 266-268.

[4] 王振乾. 滾筒式采煤機行走機構運動學分析及強度研究[D], 上海：煤科總院上海分院碩士論文, 2007.

[5] 徐義華，等. 擺線泵內轉子理論型線參數方程及內外轉子的建模[J], 機床與液壓, 2008, 36(1): 106-107.

[6] 龍坤，等. Pro/ENGINEERING野火版3.0(中文版)范例練習[M]. 北京: 清華大學出版社, 2006.

Parametric Design of Cycloid Gear for Haulage Mechanism of Shearer

FEI Song1, CHEN Jun2, YU Guang-zheng3,SHEN Lei3, ZHAO Jing3

(1.NART Technology Development Co.,Ltd., Nanjing 210007,China; 2. The 28th Reeearch Institute of CECT Nanjing 210007,China;3. School of Mechanical Engineering, Nanjing University Science & Technology, Nanjing 210094, China)

Based on the forming principles of inner cycloid and outer cycloid, the parametric equation for the cycloid gear of the haulage mechanism of the drum shearer, is established. Then, by using the advanced programming function of Pro/Engineering, its practical parametric model is set up. At last, the feasibility of this parametric model is demonstrated lay two examples.

cycloid gear;shearer;theoretic profile curve;parametric

費淞(1980-)，男，江蘇溧陽人，工程師，學士，主要研究方向:工業自動化。

TH12

B

1671-5276(2014)02-0108-05

2013-01-23