矿用刮板输送机齿轮结构修形研究.pdf

收稿日期2019－10－29 矿用刮板输送机齿轮结构修形研究 梁伟丽 （大同煤矿集团 机电装备制造有限公司， 山西大同037001） 摘要在煤矿工业中，刮板输送机对于煤矿生产起着至关重要的作用。齿轮作为刮板输送机工作的关键零部件，其承载能力和齿轮寿命直接影响 刮板输送机的工作效率。通过专业的齿轮结构设计软件Romax Designer对齿轮齿形进行修形，从建模、分析齿轮寿命以及仿真分析几个方面出发， 提高齿轮的承载能力和传动寿命，并在一定程度上提高齿轮动力性能，从而提高了刮板输送机的工作效率和寿命。 关键词煤矿；刮板输送机；齿轮 中图分类号TD528文献标志码A文章编号1009－9492 2020 05－0059－02 Research on the Modification of the Gear Structure of Scraper Conveyor LIANG Weili （Electromechanical Equipment Company Central Machinery Factory, Datong Coal Group, Datong, Shanxi 037001, China） AbstractIn coal industry, scraper conveyor plays an important role in coal production. As the key part of scraper conveyor, the load-bearing capacity and gear life directly affect the efficiency of scraper conveyor. Through the professional gear structure design software of romax designer, the gear profile was modified. From the aspects of modeling and analyzing of the gear life and simulation analysis, the bearing capacity and transmission life of the gear were improved, and the dynamic perance of the gear was improved to a certain extent, so as to improve the working efficiency and life of the scraper conveyor. Key wordscoal mine; scraper conveyor; gear DOI 10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2020. 05. 021 梁伟丽. 矿用刮板输送机齿轮结构修形研究［J］. 机电工程技术，2020，49（05） 59-60. 第49卷第05期Vol.49No.05 机电工程技术 MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGY 0 引言 随着我国煤炭行业的快速发展壮大，在煤炭开采及运输 过程中煤矿设备对矿业的发展越来越凸显出重要地位。其 中，刮板输送机在煤矿的运输过程中就起到了至关重要的 作用，一旦刮板输送机出现故障或者工作效率低，将直接影 响着煤矿生产[1-3]。 本文对刮板输送机的关键部件进行结构优化设计，以此 进一步提高刮板输送机的结构强度、寿命和动力性能，并提 出行之有效的改进建议，使刮板输送机不断向高效化方向转 变，从而提高了矿业生产的效率[4-6]。 1 矿用刮板输送机常见故障 矿用刮板输送机在工作过程中常见的失效现象主要为电 机、减速机、液压系统、链条故障以及齿轮故障等。在这几 类故障中齿轮故障又显得尤为突出，出现的次数更加频繁， 严重程度更加恶劣，且齿轮故障比较隐蔽，同时又更加具有 危险性[7-8]。为了提高齿轮的工作性能，对齿轮的齿形进行修 形，以便进一步延长齿轮的工作能力和使用寿命，以此延长 刮板输送机的工作效率和寿命。 2 齿轮修形设计 2.1 齿轮建模 结合齿轮的结构特点及尺寸，采用Romax Designer设计方 法，建立了斜齿轮组模型，如图1所示。该齿轮组模型主要由 轴承斜齿轮组成，建模所需要的齿轮各项尺寸如表1所示。 2.2 齿轮疲劳寿命影响因素 Romax Designer齿轮结构分析软件可以通过载荷谱和S-N 材料曲线来预测齿轮的寿命。通过对齿轮变形尺寸、应力情 况等的分析计算，找到影响齿轮寿命的关键因素，从而针对 关键因素开展刮板输送机改进优化设计。 首先根据实际工况，编辑载荷谱，添加实际工况。根据 实际工况运行过程分析齿轮的寿命、损伤、应力和安全系 数，根据经验数据设定齿轮基本的寿命为2.0104h，不同齿 轮寿命分析结果如表2所示。通过分析表格中的数据可以初步 判定齿轮的寿命、应力都是满足设计要求的，从而说明齿轮 图1斜齿轮组模型 表1齿轮基本几何尺寸 名称 传动比 法向模数 /mm 法向压力角 /（） 螺旋角 /（） 数值 1.833 5.0 20 30 名称 端面压力角 /（） 工作齿宽 /mm 工作中心距 /mm 参考中心距 /mm 数值 22.796 34 150 147.224 59 是满足工作使用要求的。 但是从表3所示的弯曲安全系数可以看出齿轮的弯曲安 全系数均大于接触安全系数，从而说明轮齿更容易发生接触 破坏，而接触破坏则主要是由于齿轮接触面的干涉导致。因 此，可通过对齿轮齿面进行修形的方法来降低齿轮接触破坏 程度，以此改善齿轮的弯曲和接触应力。 3 齿轮结构修形与仿真分析 在齿轮工作过程中由于制造精度和变形等原因，造成齿 轮在工作过程中发生传动不够平稳、发生噪声和振动冲击等 情况。因此，现在对齿轮的传动精度要求越来越高，加大对 齿轮的修形也就显得尤为重要。2.2节的分析已经可以说明齿 轮容易发生接触破坏，通过提高齿轮的安装制造精度方法， 可以提高齿轮的承载能力、力学性能和延长寿命，接下来将 通过软件的仿真分析对齿轮的齿形进行修形研究。其中，衡 量齿轮修形效果的主要指标是通过分析齿轮的传动线性误 差、单位长度法向载荷、最大接触应力和齿根应力分布情况 等重要参数来进一步说明。 3.1 齿轮修形参数 齿轮修形主要是通过在齿轮啮合面上修剪一定的材料， 使啮合处不产生干涉，一般通过小齿轮修薄，大齿轮齿根处 倒圆角或者只调整小齿轮的齿轮齿形，修剪长度以及外形 曲线来达到齿轮修形的目的。因此，确定了此次齿轮修改 的主要参数包括齿轮修形长度和修形量，而修形量和修形 长度主要通过不同的经验公式进行调整。Romax Designer软 件是专业的齿轮结构分析设计软件，可以对齿轮渐开线处 进行线性调整、抛物线形调整以及其他适合的形式进行调 整。本文通过线性修形方法，通过选择适当的齿轮修形长 度、修形量、齿轮齿面目标形态，开展齿轮齿顶及齿根的 修复研究。 3.2 齿轮结构仿真分析 3.2.1 齿轮传动线性误差 通过齿轮的传动线性误差分析，得到修形前后齿轮传动 精度变化情况，如图2所示。从图中可以看出修形前齿轮线性 传动误差为2.41 μm，修形后齿轮线性传动误差为1.8 μm。从 而说明齿轮此次修形对线性传动误差有明显改善，可以降低 齿轮在传动过程中产生的噪声和振动冲击。 3.2.2 单位长度法向载荷 通过齿轮单位长度法向载荷的分析，得到了齿轮在工作 过程中应力的分布情况，如图3所示。通过对比修形前后的单 位长度法向载荷可以看出修形后最小载荷为413 N/m，修形 前的最小载荷为508 N/m，而且修形后的载荷分布曲线更加均 匀，所以修形后齿轮受力更加合理。因此，采用单位长度法 对齿轮进行修改，能大大改善齿轮的受力情况及提高齿轮的 工作能力。 3.2.3 齿轮最大接触应力 通过对修形前后最大接触应力进行对比分析，得到了齿 轮在工作过程中的动力学性能变化情况，如图4所示。从图 中可以看出修形后的最大接触应力为1 430 MPa，相比于修形 前降低了75 MPa，而且最大接触应力不再在齿轮的根部，而 是向接触面移动，在径向方向上应力更加均匀。从而说明通 过修形改善了齿轮的动力性能。 3.2.4 齿轮齿根应力分布 齿轮的齿根处应力过大容易造成应力集中断裂风险，如 图5所示，通过对齿轮修形前后齿根应力分布的分析可以看出 在修形前齿根应力最大值为277 N/mm，修形后齿根应力最大 值为263 N/mm，有明显的下降，提高了齿轮的强度。 名称 齿轮 接触寿命 /h 左 1.61610 6 右 N/A 弯曲寿命 /h 左 N/A 右 N/A 组合寿命 /h 1.61610 6 通过/失败 通过 名称 齿轮 接触应力 /MPa 左 1 086.217 右 0 弯曲应力 /MPa 左 314.690 右 0 安全系数 接触 1.144 弯曲 2.877 表2预测齿轮寿命 表3齿轮接触应力、弯曲应力和安全系数 （a）修形前（b）修形后 图2传动线性误差对比图 （a）修形前 （b）修形后 图3单位长度法向载荷对比图 （下转第110页） 2020年05月机 电 工 程 技 术第49卷第05期 60 科技大学,2014. [2] 任鹏飞.皮带输送机智能故障诊断系统设计[J].当代化工研 究,20190869-70. [3] 罗波,张金锁,邢书宝.大数据煤矿胶带输送机速度状态评估 模型设计[J].西安科技大学学报,2016,3602176-180. [4] 冯金义,郭文秋,程智勇.分布式光纤测温系统在煤矿皮带运 输机上的应用[J]. 科技创新与应用,201226120. [5] 李国栋.阳煤一矿井下皮带输送机集中控制提效改造实践[J]. 机械管理开发,2018,3308152-153. [6] 翟政凯.井下气动皮带纠偏装置设计探讨[J].机械管理开发, 2016,310959-61. [7] 秦连军.皮带输送机常见故障分析与处理方法[J].煤炭技术, 2009,280818-20. [8] 石晓钦.皮带输送机高效防滑装置的应用[J].自动化应用, 20190237-38. [9] 马永利.浅谈矿用皮带输送机保护装置的安装与使用[J].价值 工程,2015,3434145-146. 作者简介张亚鹏 （1987-） ，男，山西河津人，大学本科， 助理工程师，研究领域为煤矿安全。 （编辑 王智圣） 综上分析，通过专业的齿轮结构设计软件Romax Designer 对齿轮齿形修形的修形长度和修形量进行分析，在齿轮的传 动线性误差、单位长度法向载荷、最大接触应力和齿根应力 分布情况等方面有明显的改善，进而提高了齿轮的传动稳定 性、承载能力和使用寿命，对矿用刮板输送机的工作效率有 了明显的提高。 4 结束语 在对现有矿用刮板输送机关键零部件齿轮存在主要失效 模式进行分析和优化设计基础上，通过齿轮的寿命分析，找 到影响齿轮失效的关键因素，通过Romax Designer 软件进行 建模，从齿轮修形长度和修形量2个方面开展了齿轮的修形仿 真研究，主要对齿轮的传动线性误差、单位长度法向载荷、 最大接触应力和齿根应力分布情况进行分析，得出修复后的 齿轮具有更高的结构性能，这对提高刮板输送机的结构性能 及使用寿命具有重要作用，也为后期开展齿轮的修复研究提 供了参考。 参考文献 [1] 杜静, 魏静, 秦朝烨. Romax Designer 入门详解与实例[M]. 北 京机械工业出版社,2012. [2] 周煜, 周国庆, 奚文骏. 软件测试技术概述[J]. 中国测试, 2005, 31356-58. 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