刮板輸送機行星齒輪減速器結構設計與分析

劉東平

（同煤集團晉華宮礦，山西大同 037003）

0 引言

刮板輸送機作為一種撓性牽引機構組成的運輸設備，擔任煤礦生產工作面主要運輸的任務，是實現高效與安全采煤的設備之一[1]。煤礦生產自動化的發展，對刮板輸送機也提出新要求，作為其傳動部分的減速器，是設備正常運轉的關鍵保障[2-3]。由于綜采工作面工況復雜，井下空間小，濕度大、散熱條件差，機器又處于重載、連續的工作狀態，減速器的傳動性能難以保障，甚至可能發生故障[4-5]。過去幾年，該類型減速器經過長足的發展，存在一定的先進性，但是隨著安全、環保等新的要求提出，產品還存著一定的局限性，所以本文設計了一種行星齒輪減速器作為刮板輸送機的傳動部件。

1 減速器總體方案設計

本文基于SGZ800/800型刮板輸送機設計了一種新型的減速器。根據輸入軸與輸出軸位置的不同，減速器可分為垂直安裝和水平安裝，目前國內大多數煤礦刮板輸送機采用的都是水平安裝型減速器，其主要由三級傳動部分組成，第一級為弧形錐齒傳動，第二級為圓柱斜齒輪傳動，第三級為行星齒輪傳動，其結構示意如圖1所示[6-7]。這種減速器節約了刮板輸送機水平方向的安裝空間，但是其中圓柱斜齒傳動部分的傳動效率低，傳動性能差。所以本文決定采用一級弧形錐齒傳動和二級行星齒輪傳動的水平安裝型減速器作為刮板輸送機的傳動部分，該結構繼承了原先節省空間的優點，并且提升了減速器的傳動效率與性能，其結構如圖2所示。

本文選用的行星齒輪傳動技術，其原理是通過太陽輪輸入，從外齒圈輸出，行星架通過箱體機構固定。同傳統的減速器結構相比，行星齒輪傳動技術使得減速器在傳遞同樣功率和轉矩時，傳動的效率更高，具有體積更小，重量更輕，使用壽命長的優點。

圖1 傳統減速器結構示意圖

SGZ800/800型號刮板輸送機的電機輸出功率為800 kW，電機轉速1 470 r/min，根據設計要求，減速器的總傳輸比約40，單向傳輸，劇烈振動，三班工作(每天24 h)，工作10年的時間(以每年300天計算)。在傳動比分配時，弧形錐齒傳動比為2，行星齒輪傳動部分為20，其中高速級為4，低速級為5。

圖2 二級行星減速器結構示意圖

2 行星齒輪傳動部分設計

2.1 配齒數

（1）高速級

按設計要求，本文設計的行星齒輪采用非變位傳動，根據傳動比為4，查設計手冊可選配成Za=23，Zb=67，Zc=22[8]，其中Za、Zb、Zc分別為高速級行星齒輪的太陽輪、內齒圈、行星輪齒數。

實際得到的高速級傳動比：

（2）低速級

根據高速級實際得到的傳動比計算低速級傳動比

查設計手冊低速級行星齒輪的太陽輪、內齒圈、行星輪齒數可選配成[8]：

實際得到的低速級傳動比：

行星齒輪傳動部分的總傳動為高速級與低速級傳動比相乘，其值為 i=iΙiΙΙ=3.913×5.053≈19.77 ，滿足原先的設計要求。

2.2 高速級行星齒輪參數計算

（1）通過計算齒面接觸強度得到太陽輪的分度圓直徑

用設計手冊中公式進行計算[8]，式中所需要的系數KA，KH∑，?d，KHP等可通過查表得知，其值如表1所示。

電機效率η0=0.91，電機與液力耦合器之間的效率和弧形錐齒輪傳動效率總和為 η1=0.8。

行星輪高速級的輸入功率：

表1 接觸強度有關系數

太陽輪a1的傳遞扭矩為：

由下面公式計算太陽輪a1分度圓直徑為：

（2）通過計算彎曲強度得到高速級齒輪模數

用手冊中公式進行計算[8]，式中所用到的系數如表2所示。

表2 接觸強度有關系數

σFlim取 σFlim1和中的較小值，因為行星輪與太陽輪都采用20CrMnMo材料，滲碳淬火處理，所以其中σFlim1=420 N/mm2

則σFlim=418.45 N/mm2

則齒輪模數：

取模數m=8 mm，則：

故取da=184 mm，m=8 mm。

因aac=×8×(67-22)=180 mm，顯然aac=abc，滿足齒輪非變位傳動要求。

根據以下公式計算的高速級齒輪齒寬為：

高速級行星輪如圖3所示。

圖3 高速級行星輪設計

2.3 低速級行星齒輪參數計算

（1）通過計算齒面接觸強度得到太陽輪的分度圓直徑

因為低速級的輸入就是高速級的輸出，所以通過高速級實際的傳動比計算可得到轉臂x1的轉速：

高速級的傳動效率為：

高速級的輸出功率即低速級的輸入功率：

太陽輪a2所需傳遞的扭矩：

（2）通過計算彎曲強度得到高速級齒輪模數

查設計手冊按公式進行計算[8]，低速級齒輪模數：

試取齒輪模數m=12 mm，則：

故取 da=228 mm，m=12mm。

根據以下公式計算的低速級傳動部分的齒輪齒寬為：

低速級行星傳動部分內齒圈如圖4所示。

圖4 低速級內齒圈設計

3 其他結構設計

3.1 行星架設計

本文所設計的行星傳動部分，太陽輪的直徑相比行星輪要小一些，所以在設計行星架時，行星輪采用齒軸分離式，通過滾動軸承固定。太陽輪采用內齒圈連接的形式實現固定。

考慮到刮板輸送機在運行過程中可能受到沖擊的情況，本減速器采用高速級行星架浮動和低速級太陽輪浮動的形式。為了便于加工部件的裝配和拆卸，輸出軸與行星架分離并通過鍵連接，經過幾種結構的對比分析，最終高低速級的行星架都決定采用雙側板整體結構，這種結構是由兩塊環形側板支撐聯接組成的空間框架。其中撐柱的數量與行星輪個數相等，尺寸由各齒輪分度圓直徑及太陽輪與行星輪的中心距相關。在刮板輸送機高負載工作時，減速器會受到較大沖擊，箱體溫度升高，而雙側板整體結構的剛度好，受熱膨脹的影響較小，不會發生工作失效的情況。

3.2 齒式聯軸器的設計

在高速級行星架與低速級太陽輪的連接方式選擇上，本文選用了目前市面上應用較多的齒式聯軸器結構。作為一種可移式的剛性聯軸器，齒式聯軸器通過內外齒嚙合來實現兩個零部件之間扭矩與轉速的傳遞，適用于兩個同心軸之間傳動。由于齒式聯軸器體積小、結構緊湊、徑向尺寸小，可傳遞扭矩的范圍較大，并且可以對兩軸之間產生的相對位移進行補償，所以在各類機械行業都得到了廣泛的應用，尤其適合用于低速重載工況條件下的軸系轉動。

4 結束語

本文設計了一種基于SGZ800/800型刮板輸送機的行星齒輪減速器，改變原先第二級傳動部分為斜齒圓柱齒輪傳動的結構，采用二級行星齒輪傳動的方式降低了減速器在運行過程中發生故障的概率，增加了系統的傳動效率，提高了傳動性能。