礦井EBZ200型掘進機截割部件行星減速器結構優化研究

韓 將

（晉能控股煤業集團晉華宮礦生產技術部工掘辦公室，山西 大同 037000）

引言

礦井掘進機是采掘煤炭的關鍵設備，掘進機的截割部件容易受到工作載荷的力學破壞以及周圍惡劣環境的影響，導致截割部件的運轉狀態異常。截割部件的行星減速器是穩定整體部件運行速度的關鍵，通過內部不同模數的齒輪比保持速度在合理的采掘轉速范圍內。為了提高行星減速器結構的穩定性以及保障工作狀態的可靠性，通過優化設計結構參數的方法，對行星減速器的結構進行再優化設計。以EBZ200型掘進機為研究對象，對其行星減速器的齒輪傳動配合參數進行設計，以減輕整機質量和減小振動為設計目標。在保證整機工作強度和性能的前提下，提高整機的傳動比。研究成果為礦井機械設備的結構優化提供了依據。

1 截割減速器結構簡介

1.1 設計要求

截割部件行星減速器的設計不能脫離實際工程，結合設計技術人員的經驗，完成行星減速器基本結構的構想設計。以安全性和可靠性，充分發揮新型減速器的工作性能，利用整機內部構造和材料耐受程度，達到節約材料和降低生產成本的目的。采用現代計算機輔助系統，通過有限元仿真方法，以參數化設計為引領，優化后新型減速器具有良好的經濟性、工藝性和可維修性[1]，并且更加注重在后期維護保養方面的零部件互換性。

1.2 行星減速器結構分析

行星減速器的減速級數通常為二、三、四級，級數越多，減速機內部構造越復雜。EBZ200型掘進機的行星減速器是結構較為簡單的二級減速器，通過6個齒輪和3 個齒輪組的組合[2]，形成了2 個2H型行星傳動串聯，如圖1 所示。

圖1 二級行星減速器結構簡圖

通過太陽輪與行星的齒合，形成了一級傳動，并且還包括了內齒圈5 和行星角。其余組成部分為二級傳動，包括太陽輪、行星輪、內齒圈6 和行星架[3]。輸入與輸出之間的連接軸通過花鍵與電動機相連，從而帶動各個零部件產生旋轉，組成了二級傳動的減速系統。

2 行星減速器結構參數設計

2.1 結構優化算法

通過MATLAB 仿真軟件中的優化模塊選取數據群優化算法。將行星減速器內部的齒輪模數、齒數、齒間夾角輸入至算法傳遞信息中，通過優化函數將目標函數設定為行星減速器的安全載荷應力以及體積、重量等目標設計參數。通過隨機求解的方法確定減速器的邊界數值，通常以行星傳動總級數、齒輪名義齒寬、太陽輪與行星輪齒數比得到數據的收斂求解結果[4]。由于數據計算復雜，采用MATLAB 仿真軟件中的粒子群算法，該算法將各個數據看作一個初始化粒子。在加權系數范圍內，僅迭代一次便可以求出最優解，計算流程如圖2 所示。

圖2 粒子群算法流程示意圖

2.2 結構優化參數的確定

EBZ200型掘進機的電動機輸入功率為180 kW，轉動軸的額定速度為1 470 r/min。行星減速器內部材料選用經過淬火處理后且強度較高的20Cr2Ni4A 材料，達到了8-7-7HK 級的精度等級。通過粒子群優化算法，對行星減速器的總體體積、齒輪模數、齒寬、齒數比等數據進行再優化計算，將齒數由17 設計為16，太陽輪的輪齒寬由80 mm 設計為74 mm，模數由5.5 mm 變為6 mm，一級齒輪的齒數比設計為4，二級齒輪的齒數比設計為3.5[5]。通過MATLAB 仿真軟件的計算驗證，行星齒輪的總體體積減小9.8%，降低了行星齒輪的制造成本，并且更加便于安裝和維護。優化后的行星齒輪是否能滿足工程性能要求，將通過有限元仿真計算方法進行驗證。

3 截割行星減速器優化結果驗證

3.1 仿真模型的建立

通過Pro/E 三維建模軟件對行星減速器的模型進行建立并且去除對齒輪組受力影響不大的零碎部件，以提高仿真計算效率。模型的建立不能一次成型，要將一級行星架和二級行星架的三維模型分別建立，并通過裝配的方式形成總裝配模型，對每個零部件的空間位置進行確定，防止零部件相互干涉[6]，如圖3 所示。

圖3 行星減速器裝配三維模型

在三維模型的基礎上完成有限元仿真參數的確定，由于行星減速器內部零部件相互接觸的表面較多，應對每個接觸單元進行定義。確定相互兩個表面之間的接觸剛度以及摩擦中的實際距離、阻尼系數、擊穿深度等參數[7]，如圖4 所示。在完成表面接觸定義后，對行星齒輪組施加傳動力矩。以施加均布載荷加模擬力矩的作用效果，一級行星架的施加載荷為5.68×104N、二級行星架的施加載荷為2.57×104N。

圖4 接觸單元的參數設定實例圖

3.2 仿真計算結果驗證

如圖5 所示，EBZ160掘進機行星減速器優化結構傳動中，在力的作用下，產生應力、應變最大的是二級行星架，所受最大應力為12 MPa，都發生在行星架與行星輪軸聯結處，說明周向變形是影響行星架變形的主要變形，并且隨著載荷的增大，各級的變形值也隨之增大。行星減速器的優化結構各個零部件產生的應力均小于材料自身的許用應力，完全滿足強度要求；產生的最大應變為3×10-5mm，在掘進機減速器中上述形變幾乎可以忽略，故EBZ160掘進機行星減速器結構設計合理，具有較高的可靠性。

圖5 行星減速器優化后應力、應變云圖分布示意圖

使用ABAQUS的模態分析功能模塊，對一級行星減速和二級行星減速傳動機構分別進行了有限元模態分析，得到了其前十二階的模態頻率和模態振型，分析了行星減速系統的固有特性頻率和振動形式，結果表明：該齒輪嚙合傳動系統的最低階固有頻率為96.35 Hz（一階模態）。通過公式計算，代入減速器的齒數z 為16、轉速n 為1 470 r/min，可計算得出最大嚙合頻率為92 Hz，不會產生共振，如圖6 所示。

圖6 行星減速器一階模態示意圖

4 結論

1）將優化后的參數通過ABAQUS 有限元分析軟件進行仿真計算，得出了優化后的行星減速器結構在保證結構強度和工作性能的前提下，能夠實現減速器的體積質量更小，不僅提高了掘進機整機工作可靠性，還實現了掘進機制造成本降低，保障了企業的經濟性。

2）對截割部件的動態特性進行了分析，采用仿真軟件的模態功能計算，驗證了行星減速器嚙合頻率能夠避開整機的共振頻率，確保掘進機的正常采掘。