刮板機用兩級行星減速器箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

孔 進，張學(xué)剛，陳 云

寧夏天地奔牛實業(yè)集團有限公司 寧夏銀川 753001

近年來，國家大力推進大型煤炭基地建設(shè)，煤炭企業(yè)兼并重組，優(yōu)化煤炭開發(fā)布局，大型現(xiàn)代化煤礦成為生產(chǎn)主體。我國煤炭行業(yè)開展了一系列技術(shù)攻關(guān)，取得了年產(chǎn)千萬噸級大采高綜采成套技術(shù)與裝備等一批重大成果[1]。目前，刮板輸送機單機功率已達到2 000 kW，刮板輸送機動力部主要包括電動機、聯(lián)軸器和減速器，整個動力部作為一個整體通過減速器連接板側(cè)掛在刮板輸送機機頭架或機尾架上，兩級行星減速器為刮板輸送機配置二驅(qū)或三驅(qū)時布置在機頭或者機尾垂直位置，如圖 1所示。

圖1 刮板輸送機垂直動力部Fig.1 Vertical power part of armoured face conveyor

垂直動力部整體為懸臂布置，沒有與地面固定，隨刮板輸送機一起逐步向前推移。減速器箱體在實際工作中不僅要承受電動機傳遞的反轉(zhuǎn)矩、整個動力部的重力，還要滿足減速器在使用過程中的散熱要求，避開齒輪嚙合頻率產(chǎn)生共振的影響等。筆者以2 000 kW 兩級行星減速器為研究對象，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

兩級行星齒輪減速器一般與三級圓錐圓柱齒輪減速器配套使用，要求箱體在高度上保持一致。在高度尺寸限制的前提下，箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮箱體強度和冷卻問題，同時要統(tǒng)籌結(jié)合以下幾點進行細化設(shè)計：①鑄造工藝；②齒輪軸組的安裝工藝；③與齒輪架的安全間隙；④滿足狀態(tài)監(jiān)測的需求，設(shè)計傳感器測點位置及布線路徑；⑤與電動機罩筒和機頭架的連接尺寸。

主箱體、齒圈和連接板組成了 JX2000 兩級行星減速器箱體[2]，如圖 2所示。

圖2 JX2000 兩級行星減速器箱體Fig.2 Box of JX2000 two-stage planetary gear reducer

1.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

減速器輸入軸轉(zhuǎn)速為1 485 r/min，軸承采用 C3油隙時，存在發(fā)熱量大的問題。為增強冷卻效果，在箱體輸入軸軸承座外側(cè)設(shè)計了冷卻環(huán)形水套結(jié)構(gòu)，使熱量及時通過熱傳導(dǎo)方式傳導(dǎo)至冷卻水；箱體中部一級和二級行星級中間設(shè)計了翅片管冷卻器，用于冷卻油池；輸出端連接板內(nèi)設(shè)計了冷卻水套，冷卻水吸收減速器內(nèi)部傳導(dǎo)的熱量。冷卻結(jié)構(gòu)通過冷卻水道相連，形成減速器整體冷卻循環(huán)系統(tǒng)，如圖 3所示。

圖3 減速器冷卻系統(tǒng)Fig.3 Cooling system for gear reducer

1.2 主箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計

主箱體設(shè)計為圓筒狀，高速軸處設(shè)計了軸承座、冷卻水套、儲油池，高速軸外部通過拉筋相隔形成水套和儲油池，同時，各部位壁厚盡量均勻，提高鑄造工藝性。冷卻水套結(jié)構(gòu)設(shè)計時要保證合適的冷卻水套散熱面積；設(shè)計的儲油池上下布置，將飛濺的潤滑油收集，通過油孔流入一軸，滿足高速軸軸承潤滑；同時水套作為加強肋提高箱體的強度。主箱體上下對稱設(shè)計，滿足不同工作面使用要求。如圖 4所示。

圖4 一軸水套結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of one shaft water jacket

1.3 連接板結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個驅(qū)動部通過連接板與機架連接，連接板是受力的主要部件，內(nèi)部承受行星組件支撐軸承的支反力，外部承受減速器輸出的反轉(zhuǎn)矩以及整個動力部的重力。連接板為板狀結(jié)構(gòu)，連接板內(nèi)部軸承位外設(shè)計了水套，在連接孔旁設(shè)計了加強拉筋，連接板上設(shè)有平鍵承受反轉(zhuǎn)矩，如圖 5所示。

圖5 連接板結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of connecting plate

1.4 箱體預(yù)留監(jiān)測安裝位置

目前，減速器的狀態(tài)監(jiān)測已成為行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)配置。箱體設(shè)計時預(yù)留油溫、關(guān)鍵軸承溫度、振動等傳感器監(jiān)測點安裝位置，同時考慮線路布置和整體防護等。

2 箱體結(jié)構(gòu)分析

2.1 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

應(yīng)用三維軟件建立減速器箱體模型，施加靜載荷，采用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析校核箱體強度，研究其變形和應(yīng)力狀態(tài)，確定設(shè)計的合理性。

2.1.1 模型建立

通過三維軟件對2 000 kW 兩級行星減速器箱體進行建模，由于模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了方便分析，簡化一些不影響分析結(jié)果的模型特征。簡化條件為：箱體加工退刀槽及倒角省略；箱體連接內(nèi)部螺栓孔簡化；減速器主箱體、齒圈和連接板合為一體[3-5]。

2.1.2 材料特性

箱體材料選擇鑄造性能較好的球磨鑄鐵，彈性模量為1.69×1011Pa，密度為7.06×103kg/m3，泊松比為 0.257，屈服強度為310 MPa。

2.1.3 網(wǎng)格劃分

采用四面體對其網(wǎng)格劃分，局部網(wǎng)格細化，箱體劃分后節(jié)點數(shù)為 216 474 個，單元總數(shù)為 132 145個，箱體模型如圖 6所示。

圖6 箱體網(wǎng)格劃分Fig.6 Grid division of box

2.1.4 載荷施加

工作時連接板固定懸掛在刮板機上，主箱體輸入法蘭連接電動機，整個受力狀態(tài)較為復(fù)雜。在滿載狀態(tài)下簡化受力狀態(tài)進行分析，對箱體連接板的一面施加固定約束，將電動機的重力簡化為固定距離的遠端載荷1.05×105N，施加自重為1.04×105N，施加一軸法蘭電動機反轉(zhuǎn)矩為5.037×105N·m。

2.1.5 結(jié)果分析

箱體的等效應(yīng)力和位移云圖分別如圖 7、8 所示。

圖7 等效應(yīng)力云圖Fig.7 Equivalent stress contours

圖8 位移云圖Fig.8 Displacement contours

由圖 7可知，減速器箱體應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力為38.36 MPa，出現(xiàn)在箱體一軸冷卻水套處。分析結(jié)果值遠小于球磨鑄鐵的屈服強度310 MPa，箱體結(jié)構(gòu)合理，強度滿足使用要求。

由圖 8可知，整個減速器箱體最大位移為0.13 mm，位移最大的部位集中在輸入法蘭端面。此處與電動機相連，為箱體懸臂的遠端，為實際應(yīng)變最大位置，與有限元分析結(jié)果一致。分析結(jié)果合理，滿足球墨鑄鐵強度條件。

2.2 箱體模態(tài)分析

減速器受復(fù)雜工況及自身結(jié)構(gòu)形式的影響，會引發(fā)多種頻率共振，影響減速器工作效率，進而導(dǎo)致設(shè)備損壞，因此對減速器箱體進行模態(tài)分析，分析箱體的自振頻率特性，求解其特征值和特征向量，找出箱體結(jié)構(gòu)中的缺陷，進而優(yōu)化設(shè)計，提高箱體的綜合性能[6]。

2.2.1 模態(tài)分析

無阻尼模態(tài)分析是經(jīng)典的特征值問題，根據(jù)式（1）可得運動方程為

結(jié)構(gòu)的自由振動，一般為簡諧振動：

則自振頻率為

2.2.2 模態(tài)分析結(jié)果

減速器箱體的動力特性主要受低階模態(tài)的振動特性影響，取其前6 階模態(tài)分析減速器箱體特性，其固有頻率如表 1所列。

表1 減速器箱體固有頻率Tab.1 Natural frequency of gear reducer box Hz

通過表 1可以看出，減速器箱體前6 階固有頻率分布密集，和箱體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性有關(guān)[6]，如圖 9 所示。由圖 9 結(jié)果可以看到，1 階振型箱體一軸法蘭沿z軸方向整體振動；2 階振型箱體一軸法蘭沿x軸方向整體振動；3 階振型表現(xiàn)為箱體一軸法蘭沿y軸方向扭轉(zhuǎn)擺動；4 階振型表現(xiàn)為箱體一軸軸承座處沿y軸方向局部壓縮；5 階振型表現(xiàn)為主箱體與齒圈連接處沿x軸方向整體壓縮；6 階振型表現(xiàn)為箱體沿z軸方向整體壓縮。綜上可知，箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，滿足使用要求，一軸法蘭處的位移相比其余位置大，可增加一軸法蘭厚度及法蘭與主箱體斜拉筋厚度，以提升此部位的剛度。

圖9 前6 階模態(tài)振型Fig.9 Vibration mode of preceding six orders

3 箱體樣機驗證

兩級行星減速器箱體設(shè)計完成后進行了樣機制造和試驗驗證，主要進行冷卻水套打壓試驗和減速器整機組裝完成后在國家安全生產(chǎn)太原礦用設(shè)備檢測檢驗中心進行型式試驗。

3.1 箱體水套打壓試驗

箱體組裝前對主箱體水套和整個冷卻系統(tǒng)進行耐壓3 MPa、保壓15 min 的打壓試驗，未發(fā)生泄漏現(xiàn)象，如圖 10所示。

圖10 箱體打壓試驗Fig.10 Pressure test for box

3.2 型式試驗

減速器組裝后按照 MT/T 101—1997 標(biāo)準(zhǔn)進行型式試驗，如圖 11所示。試驗內(nèi)容包括：空載試驗、效率試驗、溫升試驗、噪聲試驗和超載試驗。試驗結(jié)果為：減速器機械效率為 96.2%，平衡油溫為76.3 ℃，噪聲為 85.4 dB（A），額定負載125% 運轉(zhuǎn)10 min，反向油溫為78.7 ℃。減速器各項指標(biāo)正常，箱體未出現(xiàn)漏液、位移現(xiàn)象。

圖11 型式試驗Fig.11 Type test

4 結(jié)語

通過以2 000 kW 兩級行星減速器箱體為研究對象，對其工況條件進行分析，結(jié)合減速器冷卻、潤滑等要求，對減速器箱體結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新設(shè)計，應(yīng)用有限元對箱體進行靜力學(xué)強度和模態(tài)分析。樣機制造完成后，對減速器箱體冷卻水套進行打壓試驗，減速器整體組裝完成后在國家安全生產(chǎn)太原礦用設(shè)備檢測中心進行了型式試驗。檢驗結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可為類似減速器箱體設(shè)計提供參考。