對掘進機截割部減速器的設計思考

摘 要：掘進機現在已經成為工程施工的重要設備，被廣泛的應用于礦井巷道、水利涵洞、以及公路隧道等工程的建設。為更好的提高其運行效率，則需要對截割部減速器進行設計優化，分析存在的各項影響因素，并從多個角度進行分析，總結以往施工經驗來選擇合適的措施進行處理。本文對掘進機截割部減速器的設計優化措施進行了簡要分析。

關鍵詞：掘進機;截割部;減速器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.067

減速器作為掘進機的重要組成部分，其是否能夠持續保持在良好狀態決定了掘進機運行的綜合性能。就實際應用現狀來看，在工程施工中，掘進機經常會因為各項因素而導致減速器出現故障，因為行星齒輪傳動具有傳動比大、體積小、重量輕以及傳動效率高等特點，需要結合設備運行特點來對截割部減速器進行設計優化。通過設計優化，在確保設備維持良好運行狀態的基礎上，縮短產品設計周期，并降低成本。

1 掘進機截割部減速器問題分析

以EBZ45型掘進機為例，其具有重量輕、體積小以及效率高等優點，在小型煤礦生產以及地下工程施工中具有良好的應用效果，其截割部結構主要包括截割臂、截割頭、截割減速器以及截割電動機組成。其中，減速器結構具有3個行星輪與1個太陽輪，行星輪通過定位軸被安裝在行星架上，而太陽輪通過截割懸臂花鍵軸與電機相連，最終行星架通過漸開線花鍵與輸出軸連接，截割頭利用螺栓與花鍵被固定在輸出軸末端[1]。在掘進機運行過程中，受減速器影響，其為一級減速，對輸入軸電機功率要求比較嚴格，如果選擇小功率電機，一旦遇到較大的阻力時，很容易造成截割部卡死。同時，此設備減速器為NGW行星減速結構，支撐部分需要利用軸承座來完成對行星架以及輸出軸兩端的作用，增加了箱體結構的復雜程度，在實際操作中難度較大。另外，正常運行過程中很容易出現軸承供油困難的問題，冷卻所需時間較長，進而在實際應用中很容易因為冷卻不及時而出現燒傷問題。

2 掘進機行星減速器參數優化設計

（1）建立目標函數。太陽輪體積、行星輪體積以及內齒圈體積等因素均會對新型傳動機構體積造成影響，這樣即可以確定機構總體積數學表達公式：V=Va1+n1Vg1+Vb1+Va2+n2Vg2+Vb2

其中，Va1、Vg1、Vb1、n1以及Va2、Vg2、Vb2、n2分別表示高速級與低速級傳動的太陽輪、行星輪、內齒圈體積，以及行星輪個數。齒輪體積受齒輪模數（m），齒數（z）以及齒輪厚度（b）等因素決定，則可以確定機構總體積數字表達公式為：

令x={x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10}={b1，b2，m1，m2，za1，zb1，za2，zb2，zg2}

則可確定該機構總體積目標函數為：

（2）約束條件。1）傳動比誤差。兩級傳動必須要滿足一定條件的傳動比要求，例如懸臂式掘進機切割機構減速器實際傳動比要與公稱傳動比誤差相差-5%～5%。公式為：

其中，ip表示總傳動比。

2）接觸強度公式為：

其中，Fu表示作用在第i級中心輪上的切向力;ui表示各級傳動比;ZH表示節點區域系數;ZE表示彈性系數;Zε表示彈性系數;Ti表示作用在第i級太陽輪上的轉矩。

（3）外徑尺寸。在對多級行星齒輪傳動進行優化設計時，要求各級傳動內齒圈最大外徑尺寸差距不大，將減速器外徑尺寸控制在最小狀態。以參數c作為機構減速器高速級與低速級內齒圈外徑之比，則公式為：

其中，d1表示第一級齒圈外徑;d2表示第二級齒圈外徑

3 掘進機截割部減速器設計優化措施

（1）結構優化設計。以上述問題為依據進行分析，對掘進機將截割部減速器進行優化，需要對其結構重新進行設計。此結構設計方法，選擇用二級行星減速機構替代原有的NGW行星減速機構，并對輸入端以及輸出端部分設計圓筒形的法蘭，將其與機身以及截割懸臂進行連接處理。對于高速級新型輪則選擇用3個行星輪與一個太陽輪組成，而低速級行星輪則由5個行星輪與一個太陽輪組成，其中所有機構均選擇用鼓形齒形。此種設計方式，使得高速級太陽輪與減速器輸入軸為一個整體，并將其與電機軸進行連接處理，將高級行星輪安裝在高速級定位軸上，這樣就可以利用漸開線齒輪來實現與低速級太陽輪的連接[2]。最后，低速級行星架利用漸開線花鍵與輸出軸進行配合，由輸出軸來帶動截割部的運動，滿足工程施工的實際需求。

（2）優化效果。第一，機構減速器箱體可以通過法蘭與機身以及截割懸臂相互連接，這樣就可以采取鑄造的方式直接成型，與原有設計方式相比，可以降低構件加工難度。并且從機構焊接效果上來看，可以避免因為焊縫應力過于集中而出現微裂紋，對提高箱體結構強度具有良好效果。第二，設計法蘭連接后，箱體與機身以及懸臂之間連接為剛性，這樣在承受軸向推進力的基礎上，還可以對掘進施工過程中因為上下左右擺動造成的不穩定性與振動問題進行優化[3]。第三，設計為兩級行星輪轉動的模式，可以降低箱體結構設計復雜度，對機構加工以及安裝操作均降低了難度，同時兩級行星輪與太陽輪均采用了鼓形齒形，更有利于實現重載傳動。

4 結束語

掘進機現在已經被廣泛的應用到工程建設中，但是受工藝等因素影響，機構設計存在眾多不合理問題，這樣就影響了其在實際施工中的使用效果。因此在對其進行結構優化時，必須要基于其結構特點，做好參數優化，對各機構部分進行分析，爭取不斷提高其設計效果。

參考文獻：

[1]高楊.掘進機截割部減速器優化設計研究[D].吉林大學，2011.

[2]孫建軍.懸臂式掘進機截割部減速器動態特性研究[D].吉林大學，2011.

[3]李松衛.EBZ160型掘進機截割減速器的動態仿真研究[D].太原理工大學，2014.

作者簡介：張博（1986-），男，吉林遼源人，專科，研究方向：掘進機設計。endprint