采煤機(jī)截割部行星減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹衛(wèi)鋒

（榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西榆林719000）

工程技術(shù)

采煤機(jī)截割部行星減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)

曹衛(wèi)鋒

（榆林學(xué)院能源工程學(xué)院，陜西榆林719000）

對采煤機(jī)截割部行星減速器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過輕量化方法與約束條件建立了行星減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，并通過MATLAB進(jìn)行了求解。結(jié)果表明：優(yōu)化后行星減速器的總體積減小了21.34%，外部直徑減小了10.15%，較為明顯地減小了體積與重量，同時該方法大大提高了求解效率。

截割部；行星減速器；MATLAB；優(yōu)化設(shè)計(jì)

引言

行星減速器是采煤機(jī)截割部傳動系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，傳遞功率大，受的載荷復(fù)雜，極易發(fā)生故障，其性能優(yōu)劣決定其采煤機(jī)的性能[1,2]。由于工作面空間的限制，在傳遞相同功率的情況下，截割部滾筒的外形尺寸越小越有利與采煤機(jī)工作。這就要求裝在滾筒中的行星減速器的體積盡可能小。為了減小體積，而不影響到零件的強(qiáng)度與使用壽命，需采用優(yōu)化技術(shù)，建立行星減速器的數(shù)學(xué)模型，并求解來實(shí)現(xiàn)尋求最優(yōu)的參數(shù)的目的。

本文根據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊可靠的設(shè)計(jì)要求，建立了行星輪與太陽輪最小的目標(biāo)函數(shù)，并根據(jù)減速器的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確立了約束條件，進(jìn)行行星減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為設(shè)計(jì)滿足煤采礦底作業(yè)需求的行星減速器提供了參考。

1　建立目標(biāo)函數(shù)

要減小采煤機(jī)搖臂行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)的體積大小關(guān)鍵就是要減小行星輪與太陽輪的體積，這樣總體積為

式中：Za為太陽輪的齒數(shù)；m為摸數(shù)；i為行星輪系總傳動比；b為齒輪的寬度。

目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

約束條件為

要求齒輪齒數(shù)滿足以下條件：

在設(shè)計(jì)中要求齒寬滿足以下條件：

太陽輪模數(shù)時要求，即：

寬限制條件，即：

齒輪彎曲強(qiáng)度的約束條件為

式中：T1為單個c對中心輪的工作扭矩，N·m；KA為工作情況系數(shù)；KV為動載系數(shù)；Kβ為載荷分布不均勻系數(shù)；YFa為齒形系數(shù)；YSa為應(yīng)力校正系數(shù)；σFP為齒輪彎曲疲勞許用應(yīng)力，N/mm2；齒輪接觸強(qiáng)度的要求，可得到公式：

2　模型求解

進(jìn)行數(shù)值求解時各個參數(shù)為[3,4]：T1=2604.3N·m，σFP=659.78 N/mm2，KA=1.6，KV=1.088，Kβ=1.239，YFa=2.2，YSa=1.770，i=6，Za=19，b=100，m=8。通過MATLAB優(yōu)化工具箱的約束優(yōu)化函數(shù)fmincon進(jìn)行求解，建立相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)與邊界條件求解文件[5,6]，結(jié)果為

圓整為m=6，Za=20，b=98，通過對比優(yōu)化前后的參數(shù)發(fā)現(xiàn)：減速器的總體積減小了21.34%，外部直徑減小了10.15%，有效減小了體積，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)緊湊的目的。

3　結(jié)語

通過相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與優(yōu)化目標(biāo)，建立了行星減速器的優(yōu)化模型，針對某型減速器，采用數(shù)值方法求解得到優(yōu)化結(jié)果，從數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，體積與外形尺寸有明顯減小,為減速器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]李炳文,王啟廣.礦山機(jī)械[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007：125．

[2]馬從謙，陳自修.漸開線行星齒輪傳動設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：8．

[3]張幼軍,玉榮.行星齒輪減速器的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù).2008(10)：19-22．

[4]王安麟,蔣濤.大型行星齒輪系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的多目標(biāo)優(yōu)化[J].中國工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2009,7(3)：253-256．

[5]安述彪.EBZ135掘進(jìn)機(jī)截割部行星減速器的優(yōu)化研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2012：4-10．

[6]張俊良.采煤機(jī)截割部行星齒輪減速器三維優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2007：12-21．

（編輯：王璐）

Optimum Design of Planetary Reducer for Cutting Unit of Shearer

Cao W eifeng
(School of Energy Engineering,Yulin University,Yulin Shaanxi719000)

The optimization design of planetary reducer for shearer cutting unit is carried out.The optimization model of planetary gear reducer is established bymethod of lightweight and constraint condition,and the solution is obtained by MATLAB software.The results show that the total volume of the planetary gear reducer is reduced by 21.34%and external diameter reduced by 10.15%.This shows that themethod ismore obvious to reduce the volume and weightand themethod greatly improves solving efficiency.

cutting unit;planetary reducer;MATLAB;optimal design

TH702

A

2095-0748(2016)21-0028-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.21.12

2016-10-09

榆林學(xué)院高層次人才科研啟動基金項(xiàng)目，項(xiàng)目編號16GK17

曹衛(wèi)鋒（1977—），男，陜西武功人，博士，畢業(yè)于長安大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，講師，現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)計(jì)的教學(xué)與研究，研究方向：機(jī)械強(qiáng)度分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)。