杠桿聯(lián)鎖裝置在采煤機(jī)截割部行星機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用研究

張 鵬

（太重煤機(jī)有限公司， 山西 太原 030032）

1 問題的提出

行星機(jī)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、傳動比大等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類型采煤機(jī)截割部。行星機(jī)構(gòu)是截割部的最后一級傳動，是直接承受沖擊載荷的傳動機(jī)構(gòu)，這個(gè)部位的齒輪大多采用高強(qiáng)度合金滲碳鋼材料，經(jīng)過滲碳淬火工藝，以保證設(shè)計(jì)使用壽命12 500 h 以上的要求。但實(shí)際上行星機(jī)構(gòu)齒輪在采煤過程中常常出現(xiàn)齒面磨損、點(diǎn)蝕、膠合甚至斷裂等失效形式，如圖1、圖2 所示，壽命往往達(dá)不到這個(gè)設(shè)計(jì)使用壽命，而且是造成采煤機(jī)機(jī)械故障率居高不下的主要原因之一。這主要基于兩方面影響：一是由于煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤質(zhì)硬度不統(tǒng)一，煤層中常伴有矸石夾層；二是制造和安裝精度的誤差。這兩方面不利因素均是不可避免的，導(dǎo)致行星機(jī)構(gòu)中各行星齒輪的負(fù)荷不可能均勻分配。因此為了滿足綜采工作面增產(chǎn)減員、增產(chǎn)減面的要求，采煤機(jī)截割部行星機(jī)構(gòu)“均載問題”的研究就變得更為重要[1]。

圖1 行星齒輪失效狀態(tài)

圖2 行星機(jī)構(gòu)失效報(bào)廢量

2 技術(shù)方案的論證

2.1 分析目前采煤機(jī)截割部行星齒輪結(jié)構(gòu)

目前，采煤機(jī)截割部行星齒輪機(jī)構(gòu)為2K-H 型，如圖3 所示，主要由太陽輪1、行星輪2、內(nèi)齒圈3 和行星架4 等組成。四件行星輪彼此成90°均勻布置在行星輪架上，每個(gè)行星輪架由圓柱滾子軸承支撐在行星芯軸上。太陽輪為帶花鍵的軸齒輪，設(shè)計(jì)成浮動結(jié)構(gòu)，與四件行星輪相嚙合，內(nèi)齒圈固定并與四件行星輪相嚙合，太陽輪的花鍵與上一級傳遞動力的軸連接，將動力經(jīng)行星輪傳遞給行星架，實(shí)現(xiàn)行星架的轉(zhuǎn)速和扭矩輸出。

圖3 行星機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2.2 確定行星機(jī)構(gòu)均載裝置的方法

采煤機(jī)截割部行星齒輪結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)之一就是采用四件行星齒輪來分擔(dān)載荷，同時(shí)由于行星輪的均勻分布使得離心力和徑向力得到平衡，從而使太陽輪、行星架實(shí)現(xiàn)無徑向負(fù)荷地傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩。理論上，在相同功率和轉(zhuǎn)速的情況下，行星輪數(shù)量越多，太陽輪的工作齒面受力越小。但實(shí)際上因各種不利因素的影響，各個(gè)行星輪的載荷是不均勻分布的，各行星輪載荷不均勻程度用最大法向力Fnmax與平均法向力Fn之比來表示，這個(gè)數(shù)值可在很大范圍內(nèi)變化，一般在1.08～2.85 之間。為了實(shí)現(xiàn)行星架傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩，一個(gè)行星輪即可，因此增加行星輪數(shù)量，實(shí)際上就是增加了多余的約束條件，這樣導(dǎo)致零件的制造和安裝精度越來越高，安裝過多的行星輪導(dǎo)致各接觸零件之間預(yù)應(yīng)力加大，效率降低，產(chǎn)生震動和噪音，影響可靠性甚至使機(jī)構(gòu)“卡死”難以繼續(xù)運(yùn)動[2]。

目前，采煤機(jī)截割部行星齒輪結(jié)構(gòu)中太陽輪雖然設(shè)計(jì)成浮動結(jié)構(gòu)，但收效甚微。以2K-H 型行星齒輪機(jī)構(gòu)為例，如下頁圖4 所示，我們可以做一道關(guān)于約束數(shù)值的計(jì)算題，所有軸與軸承運(yùn)動副均取5 類運(yùn)動副，行星輪安裝4 個(gè)，雖然此機(jī)構(gòu)的自由度為1，但虛約束數(shù)高達(dá)8，將太陽輪設(shè)計(jì)成浮動形式只可減少2 個(gè)約束條件。采煤機(jī)截割部行星齒輪結(jié)構(gòu)雖然達(dá)不到靜定狀態(tài)，但要達(dá)到理想的均載效果，最根本的方法還是盡量消除多余約束。因此設(shè)計(jì)安裝一套杠桿聯(lián)鎖裝置就確定下來[3]。

圖4 行星機(jī)構(gòu)爆炸視圖

2.3 杠桿聯(lián)鎖裝置的設(shè)計(jì)

本杠桿機(jī)構(gòu)安裝在行星架上，在行星輪受力不均勻的時(shí)候，可以通過杠桿機(jī)構(gòu)的聯(lián)鎖動作（見圖5、圖6）自動調(diào)節(jié)達(dá)到最新的平衡位置。如圖5 所示，四件行星輪對稱安裝，每個(gè)行星輪通過偏心芯軸都與杠桿剛性連接，杠桿的另外一端與可以回轉(zhuǎn)的浮動支撐環(huán)連接。當(dāng)有一個(gè)行星輪先受載荷或者載荷異常時(shí)，其偏心芯軸就要回轉(zhuǎn)，使得這個(gè)行星輪減載，同時(shí)由于杠桿連鎖的作用，另外三個(gè)行星輪的偏心芯軸做反方向回轉(zhuǎn)，這時(shí)三個(gè)不受載或者受載較小的行星輪實(shí)現(xiàn)增載，一減三增直至四件行星輪達(dá)到新的平衡為止。

圖5 杠桿聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)圖

圖6 應(yīng)用于采煤機(jī)截割部上的杠桿聯(lián)鎖示意圖

3 結(jié)語

采煤機(jī)截割部行星齒輪機(jī)構(gòu)多個(gè)行星輪同時(shí)受載承受扭矩，由于其工況和結(jié)構(gòu)的特殊性，給制造和安裝帶來一定的困難。行星輪受載不均勻直接影響行星機(jī)構(gòu)的承載能力、使用壽命，產(chǎn)生震動和噪音。希望本文對采煤機(jī)截割部行星齒輪機(jī)構(gòu)均載裝置進(jìn)行的研究和運(yùn)用能為行星齒輪機(jī)構(gòu)均載裝置在采煤機(jī)領(lǐng)域的運(yùn)用和普及貢獻(xiàn)一點(diǎn)力量。