煤矿提升机减速器的优化设计.pdf

引言 减速器作为煤矿提升机的重要组成部件，对提 升机的整体工作性能有着不可小觑的影响力[1]。在 矿井提升机机构体系，减速器不仅要传递动力为电 机提供输出转矩和为卷筒提供提升所需的工作转 矩， 同时还要传递运动， 电机的输出转速和卷筒提升 所需的工作转速之间的转换工作均由提升机减速器 所承担[2-4]。随着科技的发展， 我国在矿用提升机结 构设计上也取得显著成就，其相应的减速器设计制 造技术也有很大的提升，在 20 世纪 80 年代我国提 出渐开线行星齿轮减速器， 虽然其得到广泛关注[5]， 但由于技术不够成熟，导致整个传动过程零部件种 类繁多， 不仅由于传递效率不统一对传动造成负担， 同时增加了后期维护等工作， 造成一定的经济损失[6-7]。 基于此， 更加精简的结构设计成为增加维修机动性， 适应现场需求的目标。 因此， 本文设计了一款轻量化 二阶行星齿轮减速器。 1减速器总体方案的设计 本文以 椎2 m 矿井用提升机为例子，在现有渐 开线行星齿轮减速器基础上，对其内部传动结构进 行轻量化精简设计。如图 1 所示为传统渐开线行星 齿轮减速，高速级通过同轴连接的高速太阳轮将电 机输入轴的动力及运动传递给对称分布的行星轮， 低速级结构与高速级相似，两级之间通过二高速级 转架进行动力学传递，最后由低速级转架形式表示 为输出轴。此结构虽然减少了高速级和低速级间转 轴和轴承的设计，但作为高低级之间传递桥梁的行 星转架的焊接构件极易在急速减速过程中导致局部 构件疲劳产生破裂， 由此导致减速机的毁坏[8]。 考虑现存问题， 如图 2 所示， 本文决定在沿用高 速级与低速级结构对称相似的经验上，将高速级行 星轮动力通过齿轮啮合的方式传递给低速级太阳 轮， 避免复杂结构的高速级转架引发的减速器损坏， 同时取代了高速级中余下的行星轮的作用；同理在 低速级中也如法炮制，通过将低速级一个行星轮与 输出轴相连，减少低速级行星轮数目，从而精简结 构， 从结构上沿用传统齿轮啮合传递的方法， 简化渐 开线行星齿轮内部结构，在结构上避免了复杂转架 焊件制造困难和使用过程中的疲劳失效损失等问 题，在继承传统行星齿轮减速器且体积较小的优点 同时， 减轻了部件数量的减速器， 统一了各部件间传 递的效率， 使得在工作精度和效率上有很大提升， 也 增加了零件的互换性， 便于后期维护和零件更替。 在 椎2 m 提升机结构中， 静张力 60 kN， 最大提 升速度 3 m/s， 选取额定功率为 220 kW、 转速 n11 000 r/min 的 6 级电动机。工作时间每天 1024 h， 减速器 的总传输比约为 31.5，通过减速比可初步确定二级 煤矿提升机减速器的优化设计 刘红宇 （大同煤矿集团有限责任公司晋华宫矿机电科， 山西大同037003） 摘要 针对目前大多数煤矿提升机采用的减速器多处于不成熟阶段， 各部件数目繁多， 结构复杂的情况， 设计 了一种基于渐开线行星齿轮减速器， 通过将原有行星架结构的变形以及齿轮啮合来取代繁琐的焊件行星架， 从 而对减速器进行进一步 “瘦身” ， 以提高传递性能。在保留渐开线行星齿轮减速器较其他类型减速器节省空间的 优点基础上， 从内部精简结构， 既统一了内部零件种类， 提高了其互换性， 为后期维修提供便利， 同时整个机构 传动皆通过传动， 使传动精度进一步提高。 关键词 轻量化行星齿轮减速器煤矿提升机 中图分类号 TH132.46文献标识码 A文章编号 1003-773X （2020） 05-0003-03 收稿日期 2020-02-21 作者简介 刘红宇 （1989） ， 女， 本科， 毕业于中国矿业大学机 械工程专业， 助理工程师， 技术员。 DOI10.16525/14-1134/th.2020.05.002 总第 205 期 2020 年第5 期 机械管理开发 MECHANICALMANAGEMENTANDDEVELOPMENT Total 205 No.5， 2020 图 1传统渐开线行星齿轮减速器 图 2轻量化二阶行星齿轮减速器 设计理论与方法 第 35 卷 机械管理开发 jxglkfbjb 传动的传动效率为 浊j0.96，输出速度为 n228.66 r/min， 因此拟定传动比分配比如下 高速级 5， 低速 级为 6。 2行星齿轮部分相关计算设计 根据本设计要求，本文采用非变位传动设计行 星齿轮的行星齿， 依据拟定的传动比为 5， 经查设计 手册[9]， 选取高速级行星齿轮的太阳轮齿数 Za31， 内齿圈齿数 Zb125， 行星轮齿数 Zc47。 所以， 高速级传动实际传动比 iⅠ1ibaⅠ1 Zb Za 1 125 31 5.032 . 低速级传动比通过实际高速级传动比计算 得到 iⅡ 31.5 iⅠ 31.5 5.032 6.260 . 由实际低速级传动比， 经查设计手册[9]， 可选取 低速级行星齿轮的太阳轮齿数 Za23、内齿圈 Zb121、 行星轮齿数 Zc49。 所以， 实际低速级传动比 i Ⅱ1i b aⅡ1 Z b Z a 1 121 23 6.260 . 行星齿轮传动部分的总传动 高速级传动比 低速级传动比， 其值为 iiⅠiⅡ5.0326.260≈31.5， 满足原先的设计要求。 通过计算齿面接触强度， 利用设计手册[9]中公 式进行计算， 且工况系数 KA取 1.5， 安全系数 f11.1， 算式系数 Kd取 768， 综合系数 KH∑取 1.8， 齿宽系数 渍d取 0.6， 齿向载荷分布系数 KHP取 1.35， 接触疲劳 极限 滓Hlim取 1 500 N/mm 2。 则 行星轮高速级的输入功率 P1 60 000n2 9 550浊j KAf1 60 00028.66 9 5500.96 1.51.1309.428 W. 因此， 高速级太阳轮的输入扭矩为 T1 9 550P1 n1 9 550309.428 1 000 2 955.037 N m. 且其分度圆直径计算得 d1 K d T1KAKH∑KHP 渍d滓2Hlim u1 u 3 姨 768 2955.0371.51.81.35 0.615002 47 31 1 47 31 3 123.099 m . 由设计手册[9]中公式通过弯曲强度计算得出高 速级齿轮啮合模数，其相关系数如下算式系数 Km12.1， 行星轮间载荷分配系数 KFP11.5 （KHP-1） 1.525， 综合系数 KF∑2.2， 应力修正系数 Ysa1.5， 齿 形系数 YFa YFa1 YFa2 2.70/2.71， 且弯曲疲劳极限 滓Flim取 滓Flim1和 滓Flim2中的较小值。本设计采用经由渗碳淬火 处理的 20CrMnMo 材料作为所设计方案的所有齿 轮，所以其中 滓Flim1420 N/mm2，且 滓Flim2 滓 Flim1YFa 4202.70 2.71 418.45d1 故取 da186 mm， m6 mm。 又因为中心距 aac m （Za Z c） 2 1 2 6 （3147） 234 mm， abc m （Zb -Z c） 2 1 2 6 （125-47） 234 mm， 显然 aacabc， 所以高级行星齿轮的设计， 满足非变位 传动的设计要求。 则高速级齿轮齿宽为计算如下 b渍dda0.6186111.6 mm， 取 b112 mm。 高速级行星轮如图 3 所示。 由于低速级的输入扭矩等于高速级的输出扭 矩， 因而低速级输入的转速 nx1可以通过实际的高速 图 3高速级行星齿轮设计 （单位 mm） 112 4 4 2020 年第 5 期 级的传动比套用公式计算得到 nx1 n1 iⅠ 1 000 5.032 198.728 r/min . 高速级的传动效率为 浊Ⅰ 浊 ax b Zb Za 1 Zb Za 4.032 14.032 0.801 . 又因为高速级的输出功率 p 1 p 1浊Ⅰ309.4280.801247.936 W. 则， 在低速级太阳轮上传递的扭矩计算为 T2 9 550p1 nx1 9 550247.936 198.728 11914.719 N m. 又 u Zc Za 49 23 ， 那么， 低速级太阳轮的分度圆 直径可表示为 d1 K d T1YsaKAKH∑KHP 渍d滓2Hlim 3 姨 u1 u 768 11914.7191.52.21.35 0.61 5002 49 23 1 49 23 3 296 mm. 查设计手册[9]按公式进行弯曲强度计算， 可计 算得到低速级齿轮模数 mkm T1KF∑KFPYFa2 渍dZa2滓Flim2 3 姨 12.1 11 914.7191.252.21.5252.71 0.6232418.45 3 姨 12.178 拟取齿轮模数 m16mm 则 da Z am2316368 mmd1mm. 故取 da368 mm， m16 mm。 因 aac 1 2 16 （2349） 576 mm， abc 1 2 12 （121-49） 576 mm， 可得 aac a bc， 由此， 低速级行星齿 轮也满足非变位传动的要求。 因此低速级传动部分的齿轮齿宽通过计算可 得为b渍dda0.6368220.8 mm， 取 b221 mm。 3其余零部件结构的设计 本文所设计的行星传动部分的目的在于通过齿 轮啮合原理取代行星架的作用，这里通过同浮动高 速级行星轮固结，且与其齿数相同的齿轮与同低速 级太阳轮固结， 且与其齿数相同齿轮啮合来实现。 这 样，既能够避免复杂结构行星架因焊接等问题造成 的减速器损害现象， 同时齿轮啮合传动取代行星架， 减速器组件单一， 从而在传递效率上实现统一， 进而 传递更加高效。高速级类行星架功能齿轮组如图 4 所示。 此外，通过将低速级行星架的变形与输出轴连 接， 既简化了结构， 也减少了低速级行星轮的数目， 从重量上实现了减速器的轻量化，节省零件使用的 同时使减速器在结构上更加紧凑和简洁。 考虑到煤矿提升机在使用过程中减速器需要恒 定制动的问题， 因此本设计采用统一齿轮啮合传动， 其传动效率单一， 传动精度准确且平稳， 由此类行星 架功能的齿轮组的设计更加符合实际使用要求。 在低速级行星架与输出轴连接的方式上，采用 同输入轴与高速级太阳轮轴连接方式相同的齿式联 轴器。 作为可移动式且应用较广泛的刚性联轴器， 齿 式联轴器传递相邻零件之间动力的原理也是齿轮啮 合原理， 有利于提高两轴间同心传动。 并且在矿用提 升机这种重载工况下，齿式联轴器不仅可以实现大 扭矩传动， 还具备体积小， 结构紧凑等几何优势， 因 而成为本设计的选择。 4结语 本文设计了一款轻量化二阶行星齿轮减速器， 一方面通过齿轮啮合来取代繁琐的高速级焊件行星 架， 从传递方向统一传递效率， 从而对减速器进行进 一步 “瘦身” ， 提高传递性能和保证传动精度， 另一方 面将低速级行星架进行变形， 减少低速行星轮数目， 从重量上实现减速器的轻量化。 参考文献 [1]崔广英.ZZL1150 矿用提升机减速器辐射噪声分析及结构优化 设计方法研究[D].重庆 重庆大学， 2017. [2]杨红燕. 关于煤矿提升机减速器的常见故障分析及技术改进 [J].科技风， 2012 （4） 138. [3]黄翼.提升机两级行星减速器轻量化设计[D].重庆 重庆大学， 2015. [4]褚启权， 仲复欣， 刘英宣， 等.XL30 行星齿轮减速器试制报告 [J].矿山机械， 1981 （5） 17-32. 图 4高速级类行星架功能齿轮组 （单位 mm） 166 145 （下转第 9 页） 刘红宇 煤矿提升机减速器的优化设计 5 2020 年第 5 期 可通过计算机编程自动绘制输出。 参考文献 [1]祁大同.离心式压缩机原理[M].北京 机械工业出版社， 2017. [2]冯魁， 郝建国， 翁吉铭， 等.离心压缩机风筒法兰焊接坡口优化 的数值模拟研究[J].内燃机与配件， 2020 （1） 84-86. [3]白俊峰， 张弛， 田东升， 等.离心压缩机风筒法兰密封面水纹线 加工方法研究[J].现代商贸工业， 2018， 39 （12） 186-188. [4]卢秉恒.机械制造技术基础 第 3 版[M].北京 机械工业出版社， 2008. [5]王先逵.机械制造工艺学 第 2 版[M].北京 机械工业出版社， 2006. （编辑 胡玉香） 序号车削简图尺寸设计图纸尺寸 1d1D1 2d2D2 3h1H1 4h2 C- 4R 12- （L2R） 2 姨 2 5h3H3 6l1 2 （h2 -h 3） R- （R1- R12-B2姨 ） D 1 h2 -h 3- （R1- R12-B2姨） 7l2l3- （L2R-D1） （h 2 -H 1） （h 2 -H 3） 8l3 A（L2R-D1） 24 （h2 -H 3） 2 姨 （h 2 -H 3） L2R 表 2II 形异型风筒法兰车削简图尺寸数值表 Study on the Calculation Model of Flange Turning Schematic Diameter of Centrifugal Compressor Bai Junfeng （Turbine Technology Division Department of Shenyang Blower Group Co., Ltd., Shenyang Liaoning 110869） Abstract By studying the turning mechanism and manufacturing technology of tuyere flange, analyzing the pattern rule of abnormal tuyere flange, the structure of two kinds of non-rotating abnormal tuyere flange and the standard style of turning diagram are summarized. Based on geometric function and known design dimension, the calculation model of two kinds of non-rotating abnormal tuyere turning diagram is obtained. Key words centrifugal compressor; tuyere flange; turning diagram; calculation model Optimization Design of Coal Mine Hoist Reducer Liu Hongyu （Jinhuagong Mine of Datong Coal Mine Group, Datong Shanxi 037003） Abstract In view of the fact that most of the speed reducers used in most coal mine hoists are in an immature stage, with a large number of various components and complicated structures, an involute planetary gear reducer is designed, which adopts the original planetary frame structure. Deation and gear meshing replace the cumbersome weldment planet carrier, further reducing the speed reducer and improving transmission perance. On the basis of retaining the space saving advantages of the involute planetary gear reducer compared with other types of reducers,the internal compact structure not only unifies the internal parts,improves the interchangeability, but also facilitates the later maintenance.Through the transmission, the transmission accuracy is further improved. Key words lightweight; planetary gear reducer; coal mine hoist [5]汪浩， 王洪谦.矿井提升机减速器的选用与优化[J].煤矿机械， 2011， 32 （10） 192-193. [6]宋保和， 王捷.矿井提升机用减速器[J].矿山机械， 1994 （12） 13-15. [7]李丹.电动机及减速器在矿井提升机中的匹配选用[J].煤矿机 械， 2017 （12） 115-117. [8]陈永孝.K7195 型矿用提升绞车减速器改进设计[J].煤炭科技， 2017 （4） 106-108. [9]尧振刚.行星齿轮传动设计[M].北京 化学化学工业出版社， 2003. （编辑 王瑾） （上接第 5 页） 白俊峰 离心式压缩机异型风筒法兰车削简图的计算模型研究 9