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采煤机无多余约束齿轮传动的应用及分析 第六图书馆 齿轮传动是采煤机械的主要传动方式,无论牵引部和截割部的传动均为单流齿轮传动,如何在不加大制造成本的情况下,改善齿轮传特 性,提高承载能力,是采煤机设计者的主要任务。通过对MG150B薄煤层采煤机牵引部齿轮传动设计中采用的无多余约束的传动型式的分 析,并结合原理及使用情况,提出了新的观点。齿轮传动是采煤机械的主要传动方式,无论牵引部和截割部的传动均为单流齿轮传动,如 何在不加大制造成本的情况下,改善齿轮传特性,提高承载能力,是采煤机设计者的主要任务。通过对MG150B薄煤层采煤机牵引部齿轮 传动设计中采用的无多余约束的传动型式的分析,并结合原理及使用情况,提出了新的观点。采煤机 齿轮传动 多余约束 传动 原理 传动机构煤炭技术刘向东 赵彦平 等[1]哈尔滨煤矿机械研究所,黑龙江哈尔滨150036 [2]鹤岗矿务局机电总厂 ,黑龙江鹤岗1541002000第六图书馆 第 】 9 卷第4 期 2 O O O 年8 月 煤炭技术 c o a I n． ． o Ⅷ． 1 9 ， N o ． 4 A u g ． 。 2 0 ∞ f 、 一{ j 采煤机无多余约束齿轮传动的应用及分析 刘向东 ， 赵彦平 崔大文。 ， 赵荣 ， 赵勤 ， 张欣 __一一～ 一 一 一 1暗尔滨煤矿机械研究所． 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 3 ； 2 ． 鹤岗矿务局 机电总厂． 黑龙江 鹤岗 l 5 4 1 ∞； 3 黑尤江堞矿基建公司 租赁站 ． 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 0 [ 摘要 齿轮传动是采堞机械的主要传动方式， 无诗牵引郜和截剖郜的侍赞琦为单流齿轮待动． 如何在车加太 制造成奉的情况下， 改善齿轮传动特性， 提高承栽能力， 是采琏机设计者的主要任务。通过对 H G I B薄煤层 栗煤机牵引部齿轮传动设计中采用的无多奈约束的传 型式的分析， 井结合原理厦使用情况． 提 出了新的观 点 。 关 键 词 墨 垫； 堕 ； 童 垒 未 。 一 ； ， 一 ， - 中图分类号 T H 1 3 2 ． 4 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 一s 7 2 5 ∞0 o 4 0 ∞8 0 3 O 前 言 采煤机牵引型式 已由液压牵引向电牵引方式过 渡。但不论其型式怎样变化， 齿轮传动仍是采煤机 最主要的传动型式。在研制具有新技术水平的采煤 机时 ， 突出的矛盾是如何解决采用大功率电动机和 机器空间尺寸受到严格限制的矛盾 由于地质条件 不同及煤质硬度差异极大， 要求 采煤机既能适应各 种地质条件 ， 又有较 大功率。反映在牵引机构 和截 割机构的齿轮传动设计 中即是如何在规定 的尺寸空 间范围内， 提高齿轮的承载能力 增大空间体积不可能， 单靠选用优质材料 ， 提高 制造精度， 无疑会 加大成本， 而且是有限 的。因此 ， 要充分发挥齿轮在承载能力方面的潜力 ， 应从机械 原理和结构设计两方面着手 l 无多余约束传动原理 从机械原理设计方面， 对于单流齿轮传动 目前 应用最多的传动方式 ， 为了达到承载能力 的要求 ， 应避免和消除齿轮传动中的多余 约束 ， 因为有多余 约束， 就会限制机构运动的自由度， 产生附加力或力 矩， 或使高副接触不能很好实现 自由度的计算公 式 为 6 n一5 P 5 4 P 4 3 P 3 2 一P 】 1 式中 机构的活动度 自由度 ； n活动构件数； P 级活动副的数 目 i l 一5 ， 加在每 个构件上的约束条件数 l 】 J 对于普通的采煤机机构来说 ， 一般 只有一个活 动度 ， 故可以推出多余约束 口 q矿一6 n5 P 5 十4 P 4 3 P 3 2 P 2 P 1 2 举例说明多余约 束的计 算。图 l a 为采煤机 摇臂到滚筒的单流传动 。每个齿轮均套在圆柱滚子 轴承上 ， 采用普通双支撑 结构。其 中件 2 、 3 、 4为情 轮 。 a 幽 l 由图 l a 中可知， l ； n5 ； P5 5 ； 4 ； P 4 P 】 0 。将各数值代人 2 式得 口4 ， 有 4 个多余约束。故齿轮啮合副很难达到线接触 ， 将使 齿轮传动件的潜力损失很多。 如果将图 l a 改成 图 I b 的情形， 即在第 1 个 和第 3个惰轮内装上球面轴承， 情况就会大有改观。 在这种情况下， l ； n5 ； P 5 3 ； P 4P 1 0 ， P 2 ； P 2 4 将各数值代入 2 式得 q0 。这种改 变凰原理上消除了多余约束 ， 可 以实 现啮合副有很 好的线接触 。从承载能力上看， 若不 考虑单个轴承 的承载能力 这个问题下面再谈及 ， 仅 就齿轮传 动 而言， 应该说从原理上可以发挥齿轮传动的潜力。 收稿 日期 2 0 0 0 0 60 】 修订日期 2 0 0 0 0 6 2 0 作者简介 斯 向东 1 9 6 3 一 ， 男． 辽 宁大 连人 ， 高级 工程师 ， I 9 年毕 业于中国矿业学院机械设 计专业 1 9 9 6年荣 获原煤炭部 首批专业技术 拔尖 人才称号 ， 现从事采媒机设计 工作。 维普资讯 第六图书馆 第 4期 刘向东等 采煤机无多余约束齿轮传动的应 用及分析 9 2 无多余约束传动机构在采煤机牵 部中的应用 在 M G 1 5 0 B采煤 机牵引部设 计 中， 从马达输 出 到行星机构传动前一级之问的迂 回传动 的惰轮中， 由于轴向尺寸限制 ， 采用了无多余约束的传动方式 。 从采煤机出厂试验 ， 牵引部所做的寿命试验及在后 来使用中， 取得 了较好效果。图 2 a 为其 传动原理 图。 b 2 由于马达 中包含 了惰 轮 如 图双 点画线 所标 注 ， 故在分析机构时将其作为一个运动件考虑。这 样在图 2 a 中， z 2为只有一个球 面副的惰轮 ， 为 传动齿轮 则在此传动链 中， l ； n3 ； P 2 ； P 4 P1 0 ； P 2 2 ； P 3 l ； 则 q0 若计算 马达输 出轴则 l ， 可以认为， 在 图 2 n 传动中无多余约 束。如果在 图 2的传动 中， 仍采 用双支 承， 即 图 2 6 的情况 ， 则 P 5 3 ； P 2 2 ； P4 P 3 Pl 0 ； 代人 公式 2 ， 2 ， 存 在两个多余约束 该处的结构设 计中， m3 ； Z o 1 3 ； zl 2 2 ； 8 2 ； Z 3 8 9 。 n 6 6 7 r ／ r a i n 。 3 9 4． 1 r ／ mi n 。 惰轮 ．厶 主要用来调整 中心距 由于径 向尺寸太， 轴 向尺寸很小， 在设计 中采用一个双列 向心滚子轴承 5 3 5 1 5 ， 尺寸为 7 5 m i l l 1 3 01 T a l l 3 1 1 T a l l ， 并考虑了一 定的侧隙， 这样可以充分发挥调心轴承的作用， 并且 改善了安装工艺性。在安装后调试过程 中肉眼可以 观测到， 该齿 轮运行 并不 是在 与 z 、 己 同一平面 内， 转动过程中， 有时摆动， 有时略有偏斜。其 程度 由于设有检测手段而无法定量分析。但是其转动过 程中的偏斜是实 际存在的。从结构设计分析 ， 由于 设计原因， 轴孔 z 、 2 、 3 分别来 自三个加工基 准。在牵引部壳体左端面相距 9 2 0 1 1 3 11 1 向同一方 向 分别加工三个孔 ， 而 3为盲孔 ， 更增 加了加工 难 度。敬三孔 的位置度要求极难保证 。三孔加工是工 艺上难点之一。从齿轮本身精度看， 8 7 7尚可 ， 但 z 。 为马达组件 ， 自身精度是一方面， 定位止 13与 f Z o 是否重合都不易控制， 故传动中 z 2 出现多种运 行状态 ， 属于正常情况 。 3 无多余约束传动机构在行星传动 中 的应用 行星传动机构是采煤机传动功率 最大 ， 载荷最 大 ， 也是最关键的传动件。在采煤机 中， 应 用最多的 是 Z KH行 星传动。下面分析一 下无多余约束传 动机构应用于行 星传动的情 况。如图 3 a 、 b 分 别为普通 Z KH行星机构和在行星 轮中采用球 面 剐的行星机构。 首先计算机构的多余约束情况。如图 3 a ， 已 知 5 ； P 4 ； P 4 0 ； P 3 l ； P 2 6 ； P 1 0 。代人 公式 2 则 目6 ， 在行星机构 3 a 中存 在 6个多余 约束 再看图 3 b 的情况， 已知 5 ； P 1 ； P 4 0 ； J D 3 4 ； P 2 6 ； Pl 0 ； 代人公式 2 则 q0 。由此 可 以得出 图 3 b 所示 的原理筒图为无多余约束 的 Z KH行星传动。 如果仅采用三个球 面副用于行星机构， 从结构 布置和强度来说不能令人满意。那 ／厶可以将行星轮 分成若干排， 每个行星轮 中均采用球面副 ， 每个行 星 轮齿宽可 以做得 很窄， 并装在各 自的球 面轴承上 这样 ， 无论是在 中心轮圆周上还是沿齿宽， 齿轮传动 都是无多余约束的。且成为多流传动。其承载能力 也与排数相应增长。并排除 了普通 Z KH传动 中 行星轮轮齿齿宽较窄的缺点 图 3 4 无多余约束传动机构的强度分析 MG 1 5 0 B采煤机牵引部的齿轮强度是 薄弱环节 之一， B2 3 0 1T a l l ， 即 z 1 、 z 2 啮台宽度 为 3 0 iT n l l ， 由 于 z 2 zl ， 故在强度计算 中应按 zl 计算 将工况 系数选为 1 ， 安全系数为 l ， 富裕度很小。但 由于啮 合情况好 ， 充分发挥了齿轮传动潜力 ， 在经过 6 0 0 h 的型式试验后， 马达传动齿轮仍完好无损。拆 检肉 眼观察磨损完全正常。从齿轮强度校核公式也可 以 定性说明问题。 H ／ 4 F b u 1． K 、K V v -zH zE z z 在对计算应力的影响中， F l 、 6 、 、 K A等与两 维普资讯 第六图书馆 - 1 O 煤炭技术 2 0 0 0年 齿轮之问的接触都 有关 系。 为分度圆上的圆周 力。由于两轴线有平行度偏差， 则力作用点就会变 化并产生附加的作用力。b为齿轮宽度 ， 在采煤机 主传动齿轮设计 中， 一般 b ／ d均在 0 ． 6一L ． O之间， 对于行星传动， 有时则大于 1 。这时从 岛 的选取方 式来看， 增加很 多。岛 至少大于 I ． 1 行 星传动 中 r v1 ． 3 ， 同时对工况系数 有一定影 响。从弯 曲 强度计算公式来 看， 岛 的影响也是不可忽视的_ 2 一 。 目前采煤机械截割部主要失效型式 ， 仍是早期 低周疲劳断裂。主要原因是滚筒截割矸石或硬煤承 受很大的尖峰负荷。加之材料韧性差 ， 接触 为局部 点接触 ， 造成局 部有很大的偏 载。而采用球面副即 可有效解决这一问题。而沿齿宽方向的修缘必然带 来更多的加工量且影响强度。 从以上的原理和强度计算分析， 可以定性说明， 采用无多余约束 的齿轮传 动的设计方法 ， 可以有效 地改善齿轮的啮合特性 ， 保证其为线性高 副传动。 但是应用在单流传 动 如 图 4一b 用一个球面轴承 在强度、 寿命上似显不足， 可能成为采用该方法的一 个障碍。究竟如何 ， 下面结合具体结构进行分析 图 4 a 为一般采煤 机用惰 轮的典型结构。采 用了两个双列向心球 面滚子轴承， 属于有多余约束 的结构。图 4 b 是无多余约束的球面副 ， 即采用一 个双列向心球面蒗子轴承的结构。按机械零件的设 计规定， 图4 a 中两个轴承 的额定动负荷为单个轴 承的 I ． 4倍。即考虑结构因素， 各种工艺因素影响。 不能看成 2倍的若系 该处所选轴承为两个 5 3 5 i 8 ， 轴承尺寸为为 9 0 h i m1 6 0i l l m 4 o n l m， 查阅轴承手 册， 额定动负荷为 1 5 4 0 0 ， 额定静负荷为 1 5 8 3 0 如果采用图 4 b 结构， 则选用 3 6 1 8轴承， 尺寸为 9 0 h i m1 9 0 h i m6 4／ l l n l ， 额定动负荷为3 3 2 0 0妇， 额定 静负荷为 3 3 7 0 0 。倍数 为别为 2 ． 1 5和 2 ． 1 3倍。 径向尺寸从轴承强 度来讲 ， 可以接受， 也能通过。如 果能将结构变成图 4 c 的形式， 分别把两个 5 3 5 1 8 球面向心轴承装人各 自的齿轮中 ， 就可 以将单流传 动变成多流传动 ， 更增加了传动的可靠性_ 3 J 。 采用无多余约束的齿轮传动方式， 对于现行 的采 煤机很有意义。 目前鸡西煤机厂生产的 s 3 1 7 0 、 MG 2 0 0 、 k l G 3 0 0 、 k l G 4 1 3 0系列采煤机 ， 均有条件采用这种 传动方式。特别是正在试制的M G 1 5 0 P W极薄煤层采 煤机主传动链中， 由于机壳很长， 平行轴很多。且空 间 主要指径向 足寸太， 加工各孔的形位公差不易保 证 ， 就轴线平行度来说 ， 往往与标准值降低 2 3个精 度等级。通常精度等级为 8 7 7的齿轮， 对应的轴 线平行度， 一般与9级或 1 0级精度 的齿轮相当， 故 目 前要求的安装后沿齿长接触 6 0 ％， 沿齿高方向接触太 子 4 o ％也就不易做到。这是造成齿轮承载能力达不 到预期值的一个重要原因。 蘼同孱 5 结语 b f c 图 4 文中所谈及 的无约束齿 轮传 动， 仅 限于心 轴。 在转轴上如何解决这个问题还有待于研究。考虑我 国采煤机械的设计结构及加工、 工艺 、 工装水平及使 用维护能力， 采用无多余约束 的齿轮传动及设计思 想 ， 在采煤机械的设计中有一定的作用。 参考文献 [ 1 孙恒 傅则绍机械原理[ M ] ． 北京 高等教育出版社 _ 2 ] 机槭设计手册第三版第三卷[ M] 北京 化学工业出版社 1 9 9 2 [ 3 ] 希僖浩夫著， 顾蒲胤译采煤机多漉传动。 M ] ． Ap p fi c a t i o n a n d a n a l y s i s o n n os u r p l u s r e s t r a i n t g e a r r o t a t i o n o f c o a l wh l n h ma c h i n e L I U Xi a n gd o n g ，Z HAO Ya nPi ，CUI DaWe n s ，Z H A O R o n g ， Z H A O Q in ， Z H A N G X in c 1 H a r b iaf o a l M a c h _啪y P t e s e s r d [ n s l i t u te 、 H a r b i a1 5 0 0 3 6 ， 2 H e 峨C o d M in e ， } 嘁1 5 4 1 0 0 ， C h i t in ； 3 l s ． } k | 吣 P r o ,h n c e C o a l 【 l e 【 B l c 0 n 5 ∞ C o m p ． ． H a r b i n1 5 13 ] 0 1 、 C h i n a Ab s t G e a r r o t a t i o n i s fi t m a i n rotat i o n f a s h i o n o f c o a l w i n n i n g ma c h i n e ． A n d t h e r o t a t i o n o f e n g i n e u n i t a n d c u t ti ng u n i t i s1 2 1 q i f l o w g e a r r o t a t i o n ． I ti s ai l l a i nt a s kf o r d e s i g n e rt oi mp rov ethe r o t a ti o n c h a r a c t e r a n d v , a r r - a b i l i t y o f g e a r ．A 1 2 e w p o i n t i s p r o v i d e d， b a s e d on u s i n g 1 2 0一s u r p l u s r e s t r a i n t rotat i o n f a s h i o n a n d c u t t i n g u n i t o f M C 1 5 0 1 ]c o a l w i r mi n g ma c h i n e ， a n d c o mb i n i ng t h e r u l e ， u s ing s tat e a n d s ． K w0 r d s c o a l w i n n i n g ma c h i n e ；g e a r rot a ti o n ；s u i p l u s r e s t r a i n t 维普资讯 第六图书馆