刮板輸送機用減速器齒輪的優化改進

楊志剛

（大同煤礦集團同發東周窯煤業有限公司， 山西 大同 037000）

1 事故現象

主流刮板輸送機的減速器都使用普通的漸開線齒輪嚙合來達到減速的目的，但是在煤炭遠送過程中極易出現過載導致減速器不能正常使用，從而引發停工的現象。例如，原煤生產過程中，輸送機的減速器產生較大聲響并隨之停轉。經檢查發現減速器的齒輪輪齒被打斷，俗稱推齒，造成輸送機停運。

2 事故原因調查

經分析，該減速器停止運轉的主要原因是齒輪輪齒折斷。疲勞斷裂是該型號齒輪失效的主要原因。疲勞斷裂是指在交變循環載荷的作用下，齒輪的齒根處產生較大的集中應力，齒輪齒根處受到的彎曲應力超過齒輪疲勞極限時，在齒根圓角處首先產生疲勞裂紋，隨著工作時間和循環次數的增加，裂紋不斷擴大、加深，最后在某時刻疲勞斷裂。

輸送機在正常工作中，做上山運動，整機的自重變大，運行一段后，減速器輸入軸上的齒輪副齒輪面上將出現“點蝕”現象，這將導致齒輪的安全性降低。輸送帶在向外輸送采摘下的煤炭的過程中，很容易出現雜質掉入輸送鏈條的現象，而出現這種現象必然會致使減速器超載荷運行，這將會導致輸送機出現較大的沖擊振動，這種沖擊過載極容易導致輪齒過載，從而使齒輪的輪齒折斷。

漸開線斜齒圓柱齒輪進行嚙合傳動時，兩輪齒首先從一點開始嚙合，然后隨著傳動的進程，慢慢地由一個嚙合點延展成一條嚙合斜線，再由嚙合長線變成嚙合點最后退出嚙合。可以看出，斜輪齒傳動中，在一對輪齒剛進入嚙合，同時嚙合即將完成時，齒根部會受到較大的沖擊載荷，這會在齒輪的根部引起較大的應力集中現象。

3 齒輪的優化改進

在保證經濟性的前提下，不改變減速箱使用材料和外形尺寸，提高齒輪齒根的應力上限是工作的重點。

點線嚙合齒輪是在普通線嚙合齒輪和點嚙合齒輪的基礎上發展出來的新型齒輪傳動方式。該齒輪的齒頂部分齒廓曲線跟普通的漸開線齒輪相同，但是靠近齒輪根部的輪廓是凹的過渡曲線。該輪廓曲線的齒輪兼具了兩種齒輪的傳動特點，且在現有技術條件下該型齒輪易加工，適應于大規模礦場。

為保證設計的準確性，依據刮板輸送機輸送過程中的實際工況和地下復雜的工作環境，設定減速器的齒輪的額定功率P為50 kW，輸入軸的轉速N為970 r/min，計算可得傳動的最小扭矩T為：

對同等參數的點線嚙合齒輪和普通的漸開線嚙合齒輪進行三維建模設計，然后用solidworks軟件進行建模，并用solidworks進行應力分布的有限元分析。

3.1 主、從動輪齒根處彎曲應力分析

圖1 點線嚙合齒輪齒根受力圖

模擬地下礦井中輸送機的載荷條件和工況條件，對基本參數相同的點線嚙合齒輪和漸開線標準圓柱斜齒輪進行齒根彎曲應力分布情況分析。為保證數據的真實可靠，選取該兩種齒輪在嚙合過程中相同時間間隔下的嚙合點進行分析，圖1是點線嚙合齒輪的受力情況，下頁圖2是標準漸開線齒輪受力分布圖。

圖2 漸開線斜齒輪主從齒輪齒根處彎曲應力分布圖

從圖2可以得出以下結論：

1）主動輪。兩種齒輪在齒根處的彎曲應力分布基本相同，其最大彎曲應力都出現在30°切線附近。不同點是點線嚙合主動齒輪的最大應力區域要比漸開線斜齒輪的主動輪最大應力區域偏上一點；

2）從動輪。兩種齒輪的從動輪的應力分布有明顯的不同，點線嚙合齒輪的從動輪彎曲應力明顯分布在齒根靠上部的位置，而且應力分布的區域要更長且橫跨區域更大。

3.2 主、從動輪最大瞬時彎曲應力分析

圖3與圖4是選取的不同的嚙合瞬間彎曲應力分析圖，通過對比可以得出以下結論：

1）最大應力。點線嚙合齒輪的主從動齒輪要比漸開線齒輪主從動輪值要大；

2）整體趨勢。點線嚙合主動輪和漸開線線齒輪在最大彎曲應力方面基本相同，但稍高于普通齒輪；而圖4可以看出點線嚙合齒輪與普通齒輪在載荷突變的情況下有更高的承載能力。

圖3 主動輪最大瞬時彎曲應力

圖4 從動輪最大瞬時彎曲應力

4 結語

刮板輸送機是煤炭行業的主要作業工具，其工作的穩定性和產能有著密切聯系，是保證整個煤炭業經濟性的基礎工具。在其減速器內使用點線嚙合齒輪可以在同等應力載荷沖擊下，保證減速器內齒輪工作的穩定性，使得輸送機能夠正常工作，從而提高煤礦產量。