采煤機行走輪齒形角對嚙合平穩性的影響分析

史春祥

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

采煤機以導向滑靴約束行走輪與刮板輸送機銷排之間的相對位置。在使用過程中，由于導向滑靴本身設計間隙，導向面的不斷磨損，銷排與銷排之間距離的變化，銷排隨底板的起伏等原因，行走輪與銷排的嚙合中心距也在不斷變化。中心距的不斷變化造成速度突變，使齒面受到頻繁沖擊，加速齒面磨損，影響行走輪的使用壽命[1-3]。本文從行走輪齒廓曲線變換角度，通過模擬仿真的方式研究行走輪與銷排在不同中心距下的嚙合特性，以減小速度突變，提高行走輪嚙合平穩性。

1 仿真模型的建立

建立行走輪與刮板輸送機銷排的嚙合仿真模型，需要確定刮板輸送機銷排模型和行走輪模型。目前，147 mm及以上節距銷排應用普遍，對應的行走輪采用漸開線齒形,一般采用20°齒形角。本文以147 mm節距為切入點，建立銷排、行走輪以及兩者嚙合的三維仿真模型。

1.1 銷排齒形

147 mm節距銷排齒頂為單一較小圓弧，兩側為較大圓弧，齒廓下端與豎直方向以15°斜線與圓弧相切，見圖1。

1.2 行走輪齒廓模型[4-5]

行走輪仿真模型，除采用標準20°漸開線齒形角外，還采用改變漸開線齒形角和齒廓曲線變換的方法得到4種新的齒廓曲線，最終共以5種齒形進行仿真對比。

1.2.1 齒形角改變

漸開線齒形角的大小是影響輪齒強度的重要因素，同時也是影響嚙合平穩性的重要因素。分別以相對于標準20°齒形角減小2.5°和加大2.5°，即17.5°和22.5°齒形角的漸開線曲線建立仿真模型。圖2為標準漸開線Ⅰ與新齒廓曲線的相對位置關系，齒廓曲線相對位置見圖2中曲線Ⅱ、Ⅲ。

1.2.2 漸開線齒廓變換

與20°標準漸開線曲線齒廓相比，輪齒在分度圓處齒厚不變，以標準漸開線曲線與分度圓交點為基點，分別將原有齒廓線順時針旋轉2.5°和逆時針旋轉2.5°的方式得到新的輪廓曲線。齒廓曲線相對位置如圖2中Ⅳ、Ⅴ所示。

圖2 5種齒形曲線相對位置圖

1.3 嚙合模型

運用Solid Edge建立輸送機銷排和5種輪廓曲線行走輪的三維模型。每個模型中，行走輪與銷排之間為相對齒面嚙合，設定每個嚙合模型中兩者之間的嚙合中心距不變。如圖3所示為兩者三維嚙合模型。

圖3 行走輪與銷排三維嚙合模型圖

2 嚙合模型仿真

三維嚙合模型建立后，運用Adams軟件分別模擬行走輪與銷排在標準中心距、中心距加大10 mm和減小5 mm三種情況下的嚙合情況，對比各個嚙合瞬間5種齒形在嚙合點速度的變化情況。為方便操作，在仿真中將行走輪固定在中心點，以固定的轉速旋轉，銷排則根據與行走輪齒面嚙合的約束，作水平方向的直線移動，銷排的運動速度即為行走輪的瞬間嚙合速度。

當嚙合中心距為標準中心距時，標準20°齒形角的行走輪與銷排嚙合速度曲線如圖4所示。

圖4 20°齒形角時嚙合速度曲線(標準中心距)

在此條件下，整節銷排的嚙合仿真過程中，銷排水平方向最小速度vmin為0.156 5 m/s，最大速度vmax為0.177 7 m/s，平均速度vavg為0.166 1 m/s。

以相同的方式進行標準中心距時的仿真，得到另外4種齒形銷排的速度曲線。統計5種齒形的銷排速度如表1所示。其中，以絕對幅值最小的速度作為0點，其余速度值與其作對比，計算出相對幅值。

表1 標準中心距時的仿真速度

以同樣的方法，可以分別得到中心距加大10 mm和減小5 mm兩種情況下每種輪廓曲線的速度曲線與數據，速度統計分別如表2、表3所示。

3 仿真結果分析

從圖4及表1可以看出，第Ⅳ種曲線最為平穩，其次為曲線Ⅱ，曲線Ⅰ和曲線Ⅲ相近，曲線Ⅴ最差。從表2、表3可以得出和上述基本一致的結論： 20°齒形角的標準漸開線順時針旋轉2.5°后的齒形嚙合最平穩；齒形角較小的17.5°的曲線Ⅱ次之；曲線Ⅰ和曲線Ⅲ平穩性相當；曲線Ⅴ平穩性最差。

表2 中心距增加10 mm時的仿真速度

表3 中心距減小5 mm時的仿真速度

采用不同的曲線或曲線組合，通過不同中心距情況下的運動仿真，得出一致的結論：當齒形角相對較小，同時更接近銷排的齒形角時，嚙合相對更加平穩，速度突變更小；當齒形角增大時，速度突變幅值加大，運動沖擊加劇。

4 結論

通過建立三維模型和仿真分析可知,以適當的方法減小齒形角可以提高嚙合平穩性。通過在MG550/1380-WD型采煤機上的實踐證實，齒形角相對較小時，嚙合更平穩，有效地減少了行走輪輪齒磨損、斷裂等故障，提高了齒輪使用可靠性和使用壽命。同時，由于齒形角的減小，增大了牽引力的水平分量，即牽引力的水平輸出，因此提高了牽引功率的有效利用。