張 博（吉林省機械裝備制造有限責任公司,吉林 遼源 136200）

對掘進機截割部減速器的設計思考

張 博
（吉林省機械裝備制造有限責任公司,吉林 遼源 136200）

掘進機現(xiàn)在已經(jīng)成為工程施工的重要設備，被廣泛的應用于礦井巷道、水利涵洞、以及公路隧道等工程的建設。為更好的提高其運行效率，則需要對截割部減速器進行設計優(yōu)化，分析存在的各項影響因素，并從多個角度進行分析，總結(jié)以往施工經(jīng)驗來選擇合適的措施進行處理。本文對掘進機截割部減速器的設計優(yōu)化措施進行了簡要分析。

掘進機；截割部；減速器

減速器作為掘進機的重要組成部分，其是否能夠持續(xù)保持在良好狀態(tài)決定了掘進機運行的綜合性能。就實際應用現(xiàn)狀來看，在工程施工中，掘進機經(jīng)常會因為各項因素而導致減速器出現(xiàn)故障，因為行星齒輪傳動具有傳動比大、體積小、重量輕以及傳動效率高等特點，需要結(jié)合設備運行特點來對截割部減速器進行設計優(yōu)化。通過設計優(yōu)化，在確保設備維持良好運行狀態(tài)的基礎上，縮短產(chǎn)品設計周期，并降低成本。

1 掘進機截割部減速器問題分析

以EBZ45型掘進機為例，其具有重量輕、體積小以及效率高等優(yōu)點，在小型煤礦生產(chǎn)以及地下工程施工中具有良好的應用效果，其截割部結(jié)構(gòu)主要包括截割臂、截割頭、截割減速器以及截割電動機組成。其中，減速器結(jié)構(gòu)具有3個行星輪與1個太陽輪，行星輪通過定位軸被安裝在行星架上，而太陽輪通過截割懸臂花鍵軸與電機相連，最終行星架通過漸開線花鍵與輸出軸連接，截割頭利用螺栓與花鍵被固定在輸出軸末端[1]。在掘進機運行過程中，受減速器影響，其為一級減速，對輸入軸電機功率要求比較嚴格，如果選擇小功率電機，一旦遇到較大的阻力時，很容易造成截割部卡死。同時，此設備減速器為NGW行星減速結(jié)構(gòu)，支撐部分需要利用軸承座來完成對行星架以及輸出軸兩端的作用，增加了箱體結(jié)構(gòu)的復雜程度，在實際操作中難度較大。另外，正常運行過程中很容易出現(xiàn)軸承供油困難的問題，冷卻所需時間較長，進而在實際應用中很容易因為冷卻不及時而出現(xiàn)燒傷問題。

2 掘進機行星減速器參數(shù)優(yōu)化設計

（1）建立目標函數(shù)。太陽輪體積、行星輪體積以及內(nèi)齒圈體積等因素均會對新型傳動機構(gòu)體積造成影響，這樣即可以確定機構(gòu)總體積數(shù)學表達公式：

令

則可確定該機構(gòu)總體積目標函數(shù)為：

（2）約束條件。1）傳動比誤差。兩級傳動必須要滿足一定條件的傳動比要求，例如懸臂式掘進機切割機構(gòu)減速器實際傳動比要與公稱傳動比誤差相差-5%～5%。公式為：

其中，ip表示總傳動比。

2）接觸強度公式為：

其中，F(xiàn)u表示作用在第i級中心輪上的切向力；ui表示各級傳動比；ZΗ表示節(jié)點區(qū)域系數(shù)；ZE表示彈性系數(shù)；Zε表示彈性系數(shù)；Ti表示作用在第i級太陽輪上的轉(zhuǎn)矩。

（3）外徑尺寸。在對多級行星齒輪傳動進行優(yōu)化設計時，要求各級傳動內(nèi)齒圈最大外徑尺寸差距不大，將減速器外徑尺寸控制在最小狀態(tài)。以參數(shù)c作為機構(gòu)減速器高速級與低速級內(nèi)齒圈外徑之比，則公式為：

其中，d1表示第一級齒圈外徑；d2表示第二級齒圈外徑

3 掘進機截割部減速器設計優(yōu)化措施

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。以上述問題為依據(jù)進行分析，對掘進機將截割部減速器進行優(yōu)化，需要對其結(jié)構(gòu)重新進行設計。此結(jié)構(gòu)設計方法，選擇用二級行星減速機構(gòu)替代原有的NGW行星減速機構(gòu)，并對輸入端以及輸出端部分設計圓筒形的法蘭，將其與機身以及截割懸臂進行連接處理。對于高速級新型輪則選擇用3個行星輪與一個太陽輪組成，而低速級行星輪則由5個行星輪與一個太陽輪組成，其中所有機構(gòu)均選擇用鼓形齒形。此種設計方式，使得高速級太陽輪與減速器輸入軸為一個整體，并將其與電機軸進行連接處理，將高級行星輪安裝在高速級定位軸上，這樣就可以利用漸開線齒輪來實現(xiàn)與低速級太陽輪的連接[2]。最后，低速級行星架利用漸開線花鍵與輸出軸進行配合，由輸出軸來帶動截割部的運動，滿足工程施工的實際需求。

（2）優(yōu)化效果。第一，機構(gòu)減速器箱體可以通過法蘭與機身以及截割懸臂相互連接，這樣就可以采取鑄造的方式直接成型，與原有設計方式相比，可以降低構(gòu)件加工難度。并且從機構(gòu)焊接效果上來看，可以避免因為焊縫應力過于集中而出現(xiàn)微裂紋，對提高箱體結(jié)構(gòu)強度具有良好效果。第二，設計法蘭連接后，箱體與機身以及懸臂之間連接為剛性，這樣在承受軸向推進力的基礎上，還可以對掘進施工過程中因為上下左右擺動造成的不穩(wěn)定性與振動問題進行優(yōu)化[3]。第三，設計為兩級行星輪轉(zhuǎn)動的模式，可以降低箱體結(jié)構(gòu)設計復雜度，對機構(gòu)加工以及安裝操作均降低了難度，同時兩級行星輪與太陽輪均采用了鼓形齒形，更有利于實現(xiàn)重載傳動。

4 結(jié)束語

掘進機現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應用到工程建設中，但是受工藝等因素影響，機構(gòu)設計存在眾多不合理問題，這樣就影響了其在實際施工中的使用效果。因此在對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時，必須要基于其結(jié)構(gòu)特點，做好參數(shù)優(yōu)化，對各機構(gòu)部分進行分析，爭取不斷提高其設計效果。

[1]高楊.掘進機截割部減速器優(yōu)化設計研究[D].吉林大學,2011.

[2]孫建軍.懸臂式掘進機截割部減速器動態(tài)特性研究[D].吉林大學,2011.

[3]李松衛(wèi).EBZ160型掘進機截割減速器的動態(tài)仿真研究[D].太原理工大學,2014.

張博（1986-），男，吉林遼源人，?？?，研究方向：掘進機設計。

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.067