臂式斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

林　楠　李　偉　徐萬鑫　羅　浩　高　亮

長春發(fā)電設(shè)備總廠

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臂式斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化

林楠李偉徐萬鑫羅浩高亮

長春發(fā)電設(shè)備總廠

針對常規(guī)臂式斗輪堆取料機(jī)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置中三合一減速器驅(qū)動(dòng)單元所占成本過高問題，提出了一種在不影響減速器使用系數(shù)前提下，通過調(diào)整中間傳動(dòng)齒輪速比，使減速器機(jī)座號降檔選型以降低成本的優(yōu)化方案，并對該優(yōu)化方案的可行性進(jìn)行了分析，對關(guān)鍵傳動(dòng)部件進(jìn)行了力學(xué)校核，證明其具有很好的經(jīng)濟(jì)性及可靠性。

斗輪堆取料機(jī)； 行走驅(qū)動(dòng)裝置； 齒輪； 三合一減速器； 優(yōu)化

1　前言

隨著國內(nèi)臂式斗輪堆取料機(jī)(以下簡稱斗輪機(jī))市場競爭的不斷加劇，提能降耗成為當(dāng)下廣大斗輪機(jī)廠家能夠生存及可持續(xù)發(fā)展必須面對及解決的新課題。作為斗輪機(jī)重要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)之一的行走機(jī)構(gòu)，其對斗輪機(jī)整機(jī)成本的影響更是不容小覷。軌行式斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)必須采用多點(diǎn)分散驅(qū)動(dòng)方式，以保證軌道兩側(cè)臺車組功率分配均衡，避免出現(xiàn)啃軌及車輪打滑問題。每臺斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量眾多，若對其進(jìn)行優(yōu)化、降低成本，對降低斗輪機(jī)整機(jī)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)貢獻(xiàn)巨大。因此筆者提出一種在不影響減速器使用系數(shù)前提下，通過調(diào)整中間傳動(dòng)齒輪速比的方法，將減速器機(jī)座號降檔選型，實(shí)現(xiàn)降低成本的方案。

2　行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)形式分析

1.“三合一”減速器 　2.齒輪箱　3.行走車輪　4.臺車架　5.主動(dòng)齒輪　6.中間軸裝配　7.從動(dòng)齒輪　8.從動(dòng)齒輪軸裝配圖1　主動(dòng)臺車組

行走機(jī)構(gòu)主要由主動(dòng)臺車組、從動(dòng)臺車組、平衡梁、單輪臺車組等組成。其中主動(dòng)臺車組作為行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件及動(dòng)力來源，主要由車輪組、臺車架、“三合一”減速器、中間軸齒輪裝配、齒輪箱等組成，結(jié)構(gòu)形式見圖1。其中三合一制動(dòng)電機(jī)減速器形式為20世紀(jì)90年代以后大量采用的一種驅(qū)動(dòng)型式，隨著國外減速器大量引入及國內(nèi)減速器的生產(chǎn)研發(fā)，此種驅(qū)動(dòng)型式已成為主導(dǎo)產(chǎn)品。平行出軸減速器為最近研發(fā)的新型產(chǎn)品，因其具有安裝簡捷方便、占用空間小、維護(hù)量少、互換性好等特點(diǎn)，在斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。

主動(dòng)臺車組驅(qū)動(dòng)過程：減速器空心軸與中間軸連接，輸出扭矩，傳遞給主動(dòng)齒輪，主動(dòng)齒輪再將扭矩平均分配給兩個(gè)從動(dòng)齒輪。從動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪軸連接，帶動(dòng)行走車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3　行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置優(yōu)化方案探討

3.1優(yōu)化方案的提出

斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般由鋼結(jié)構(gòu)焊接件、機(jī)械加工件以及廠外采購件等幾部分組成，其中鋼結(jié)構(gòu)焊接件主要包括臺車架、齒輪箱等；機(jī)械加工件主要包括各傳動(dòng)軸、傳動(dòng)齒輪、車輪等；廠外采購件主要包括減速器、軸承等。斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置作為已經(jīng)成熟應(yīng)用的成型產(chǎn)品，通過結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)、材料替代及機(jī)加工藝改進(jìn)等方法來節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本的空間非常有限，因此通過優(yōu)化外購件選型來降低成本是一條重要途徑。由于目前三合一制動(dòng)電機(jī)平行出軸減速器多采用進(jìn)口品牌產(chǎn)品，工業(yè)減速器產(chǎn)品價(jià)格高昂，在整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置成本中所占比例很大，并且每一檔機(jī)座號減速器價(jià)格相差懸殊，因此在滿足行走機(jī)構(gòu)正常使用的前提下，通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，降低其機(jī)座型號，可以達(dá)到節(jié)約成本的目的。

(1)

式中，M為扭矩，Nm；P為功率，kW；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

工作扭矩M大小是減速器選型的理論依據(jù)之一，通過公式(1)可以看出，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率P不變的條件下，可以考慮提高減速器輸出轉(zhuǎn)速n，使減速器工作扭矩M降低，從而使降低減速器機(jī)座號選型成為可能。

斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)車輪運(yùn)行的線速度是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)及中間傳動(dòng)齒輪兩級變速輸出得到的，由于行走機(jī)構(gòu)車輪運(yùn)行的線速度為設(shè)備基本參數(shù)，優(yōu)化前后不允許發(fā)生改變，因此若減速器輸出轉(zhuǎn)速n提高，就必須調(diào)整行走齒輪箱內(nèi)的齒輪速比i，使其增大，才能保證行走機(jī)構(gòu)車輪運(yùn)行的線速度恒定。

3.2優(yōu)化方案可行性分析

3.2.1安裝空間可行性分析

由圖2可以看出，若增加從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪的速比，則需要減少主動(dòng)輪齒數(shù)，增加從動(dòng)輪齒數(shù)，由于優(yōu)化前后齒輪傳遞電機(jī)功率不變，因此齒輪模數(shù)應(yīng)保持不變，且從動(dòng)齒輪與臺車組車輪同軸，優(yōu)化前后車輪輪距不能改變，因此兩從動(dòng)齒輪中心距應(yīng)保持不變。所以優(yōu)化后主動(dòng)齒輪分度圓直徑變小，從動(dòng)齒輪分度圓直徑增加，這就存在一個(gè)由于從動(dòng)輪齒輪直徑變大、齒輪箱必然增大而出現(xiàn)的安裝空間不足的問題。

圖2　優(yōu)化前齒輪布置圖

初步設(shè)計(jì)預(yù)算速比增加1倍：主動(dòng)輪齒數(shù)24，從動(dòng)輪齒數(shù)49，模數(shù)12，主動(dòng)輪分度圓直徑288 mm，從動(dòng)輪分度圓直徑588 mm，中心距438 mm。如圖3所示，齒輪、齒輪箱安裝空間足夠。

圖3　初步設(shè)計(jì)齒輪、齒輪箱外形

3.2.2優(yōu)化后減速器使用系數(shù)分析

減速器另一重要的選型指標(biāo)為使用系數(shù)，它與減速器利用級別及載荷變化都有關(guān)。斗輪機(jī)行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置載荷類型為均勻載荷，起停次數(shù)為200次/h，24 h連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2)

式中，Ma為減速器的最大輸出扭矩，N.m；n為輸出轉(zhuǎn)速，r/min；P為電動(dòng)機(jī)額定功率，kW。

使用系數(shù)公式(2)作為依據(jù)，優(yōu)化后，電動(dòng)機(jī)額定功率不變。減速器的輸出扭矩減小約1/2，但輸出轉(zhuǎn)速增大約2倍，二者乘積基本相同。所以，使用系數(shù)基本保持不變,滿足使用條件。

3.3優(yōu)化方案主要元件計(jì)算校核

3.3.1優(yōu)化前行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置

以某項(xiàng)目為例,其優(yōu)化前行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)及行走機(jī)構(gòu)齒輪參數(shù)見表1、表2。

表1　優(yōu)化前行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)

表2　優(yōu)化前行走機(jī)構(gòu)齒輪參數(shù)

3.3.2優(yōu)化方案可行性論證

(3)

(4)

(5)

式中,n1為主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速；n2為從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)速；D1為主動(dòng)齒輪分度圓直徑；D2為從動(dòng)齒輪分度圓直徑；Z1為主動(dòng)齒輪齒數(shù)；Z2為從動(dòng)齒輪齒數(shù)；M1為主動(dòng)齒輪扭矩；M2為從動(dòng)齒輪扭矩。

依據(jù)公式(3)、(4)、(5)，由于減速器輸出轉(zhuǎn)速n1提高，如果要保證大車行走速度不變，則模數(shù)不變，因此必須對從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n2，主、從齒輪直徑D1、D2，主、從齒數(shù)Z1、Z2做出相應(yīng)調(diào)整。

優(yōu)化后齒輪參數(shù)見表3，布置形式見圖4。

表3　優(yōu)化后行走機(jī)構(gòu)齒輪參數(shù)

圖4　 優(yōu)化前齒輪布置圖

通過表3中數(shù)據(jù)和減速器選型手冊標(biāo)準(zhǔn)，得出優(yōu)化后減速器選型參數(shù)，見表4。

表4　優(yōu)化后行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置參數(shù)

經(jīng)計(jì)算校核，齒輪單齒的強(qiáng)度比原來好，主動(dòng)軸鍵槽及從動(dòng)軸鍵槽的許用擠壓應(yīng)力均符合手冊標(biāo)準(zhǔn)。

4　結(jié)語

通過可行性分析和計(jì)算校核，優(yōu)化后行走驅(qū)動(dòng)裝置完全滿足使用條件，目前，已應(yīng)用到斗輪機(jī)行走驅(qū)動(dòng)裝置中，并取得了很好的使用效果。

經(jīng)向減速器廠、齒輪廠核實(shí)，斗輪機(jī)優(yōu)化后，每臺成本降低約2萬元，如批量生產(chǎn)，成本還會進(jìn)一步降低。

[1]成大先，王德夫，劉世參，等. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 第5版. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2008.

[2]張質(zhì)文，王金諾，程文明，等. 起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M]. 第二版. 北京：中國鐵道出版社， 2013.

[3]劉勤國，張起偉，任改運(yùn). 斗輪堆取料機(jī)使用、維護(hù)與檢修[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2010.

林楠：130033，吉林省長春市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)世紀(jì)大街3388號

Optimization Design of the Driving Device in the Walking Mechanism for the Bracket-type Bucket Wheel Reclaimer

Lin NanLi WeiXu WangxingLuo HaoGao Liang

Changchun Power Equipment Co., Ltd.

In case of the problem that the cost of the driving device in the triad reducer of the normal bracket-typed bucket wheel reclaimer is high, the paper puts forward a method which downshifts the frame number of the reducer for the lectotype to reduce the cost by adjusting the speed ratio of the middle gears without changing the usage coefficients of the reducer. The paper also analyses the feasibility of the optimal scheme and checks the mechanics of key driving part. It proves that this method presents advantages of economy efficient and reliability.

bracket-type bucket wheel reclaimer; device driven with walking mechanism; gear; triad reducer; optimization

2016-08-05

10.3963/j.issn.1000-8969.2016.05.003