掘進機行星減速器的改進

閆 偉

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦， 太原 古交 030206）

引言

掘進機為應用于大傾角煤巷、半煤巖巷道、隧道以及軟巖巷道的掘進設備。截割部為掘進機直接與巖層、煤層接觸的載體，處于掘進機懸臂之中，主要任務是將掘進機電機的轉速和扭矩傳遞至截割頭，根據巖層、煤層變化對其進行調節和控制。鑒于掘進工作面空間狹小，要求掘進機截割部減速器結構必須緊湊；但是，為保證實際的截割需要，要求截割部減速器必須具備較大的扭矩[1]。因此，綜合體積小和大扭矩的矛盾對掘進機減速器提出了更高的要求。同時，掘進機行星減速器齒輪的模數和齒數按照經驗所得，為保證實際的需求需對行星減速器進行優化改進。本文重點對掘進機行星減速器進行改進。

1 掘進機概述

掘進機用于對煤礦巷道的掘進，其具備截割、裝載以及噴霧等功能。根據斷面形狀的不同將其分為連續作業式全斷面掘進機和循環作業式部分斷面掘進機。其中，連續作業式全斷面掘進機適用于單軸抗壓強度為50～350 MPa 的硬度較大的巷道，巷道成型后的直徑為2.5～10 m；部分斷面掘進機適用于單軸抗壓強度小于60 MPa 的硬度較小相對較軟的巷道。一般的掘進機由工作機構、裝運機構、行走機構、液壓系統、電控系統以及噴霧降塵系統組成[2]。本文以EBZ160 懸臂式掘進機為例開展研究。

根據懸臂式掘進機截割頭的分布方式可將其分為縱軸式懸臂式掘進機和橫軸式懸臂式掘進機。懸臂式掘進機的總體結構如圖1 所示。

圖1 懸臂式掘進機總體結構示意圖

如圖1 所示，裝載機構主要功能是將截割頭截割的巖石或煤層運送至輸送機構；輸送機構將截割下來的煤塊或巖石運送至后方裝備中；工作結構主要為截割頭與煤層或巖層直接接觸，實現對煤層或巖層的破碎；行走機構控制掘進機的前進、后退和轉向，保證掘進機在預定軌跡上跟蹤運行；除塵裝置將一定壓力的水噴出，現場的煤塵或粉塵濃度降低。本文重點對掘進機行星減速器進行改進，保證其在滿足實際掘進強度要求的基礎上，實現行星減速器的小型化、輕量化設計。

2 掘進機行星減速器的改進

EBZ160 掘進機雖然能夠滿足實際的掘進強度要求，但是其與功率相近的掘進機相比較具有齒輪模數較大、傳統體積龐大的問題，與工作面相對狹小的空間相背離。因此本節重點對EBZ160 掘進機滿足掘進強度要求的基礎上，通過改變其行星減速輪系的模數、齒數以及傳動比的重新分配，實現其小型化、輕量化的目的[3]。

針對掘進機行星減速器的改進，本文采用傳統設計方法和可靠性設計相結合的方式進行。其中，傳統設計方法保證掘進機基本功能和大體結構的設計；可靠性設計是在保證掘進機截割部可靠性的基礎上，采用有限元分析方法對齒輪傳動的力場進行分析，解決體積龐大、材料過設計的問題，最終達到節約材料和成本的目的。

2.1 EBZ160 型掘進機改進基礎

EBZ160 型掘進機配置電機的額定功率為160 kW，電機額定轉速為1 470 r/min。該型掘進機行星減速輪系各級齒輪的材質均為20Cr2Ni4A，各級齒輪的加工精度為7-8 級，并采用型號為N320 的齒輪油進行潤滑。

EBZ160 型掘進機行星減速器包括有一級太陽輪、二級太陽輪、一級行星輪、二級行星輪、一級內齒圈和二級內齒圈。各級齒輪的主要參數如表1 所示。

表1 行星輪系各級齒輪主要參數

2.2 EBZ160 型掘進機行星減速器的改進

結合EBZ160 型掘進機的實際使用情況和工作面的條件，重點從對行星減速器傳動比的重新分配和齒數的確定兩方面對其進行改進，最終在滿足實際強度要求的基礎上實現輕量化、小型化的目的。

行星減速器傳動比是影響最終行星減速器質量和基本尺寸的主要因素。目前，EBZ160 型掘進機所行星減速器總的傳動比為22.5，其中一級傳動比為5，二級傳動比為4.5。

對于兩級行星傳動輪系而言，為保證最終行星減速器的徑向尺寸較小，主要保證一級內齒圈和二級內齒圈分度圓直徑的比例控制在1～1.2 之間。結合兩級行星傳動輪系的動載系數、齒向載荷分布系數以及壽命系數，最終確定兩級傳動的齒寬系數為1.5，一級和二級之間的系數比為4。結合兩級行星輪系的傳動比分配圖，最終確定行星減速器的一級傳動比為5，二級傳動比為4.5[4]。說明，EBZ160 行星減速器的傳動比合理。

在對上述行星減速器傳動比重新分配和評估的基礎上，綜合鄰接條件、同心條件、安裝條件對行星減速器各級齒輪的參數進行改進，改進后的結果如表2 所示。

對比表1 和表2 中的主要參數可知，主要是將各級齒輪的模數、齒數等進行優化。經對比可知，對行星輪系各級齒輪的主要參數優化后，行星減速器的徑向尺寸減小7.6%，達到了小型化和輕量化優化的目的。接下來，對優化后行星減速器的強度進行驗證，評估其是否能夠滿足實際掘進機的強度要求。

表2 行星輪系改進后各級齒輪主要參數

3 行星減速器改進后的有限元分析

根據改進后行星減速器的尺寸建立有限元三維模型，模型如圖2 所示。

圖2 改進后行星減速器三維模型

將所搭建的三維模型導入ANSYS Workbench有限元仿真軟件中，結合實際情況對模型中的材料密度、接觸疲勞極限、完全疲勞極限、齒輪彈性模量、剪切模量等參數進行設置，施加一定的載荷后對各級齒輪的安全系數、最大應力、最大應變和最大變形進行仿真分析，仿真結果如表3 所示。

表3 改進后行星減速器各級齒輪的變形

如表3 所示，太陽輪和行星輪嚙合位置所承受在力最大，二者均發生塑性變形。因此，為保證太陽輪和行星輪的可靠性，需對其采取滲碳和淬火工藝提升太陽輪和行星輪的表面硬度。同時，太陽輪、行星輪的最大應力和最大應變均小于其屈服強度和伸長率等指標，即改進后行星減速器的可靠性和強度滿足實際應用需求[5]。

4 結語

掘進機行星減速器為連接設備電機和截割部的主要部件，其可靠性和性能直接決定設備的截割效率和巷道的成型質量。為解決掘進機實際生產中要求較大扭矩和空間狹小的問題，本文重點通過對齒輪傳動比重新分配和齒數、模數優化對行星減速器進行改進。經校核，改進后行星減速器的徑向尺寸減小7.6%，且改進后行星減速器的強度和可靠性滿足實際生產的需求。