張小峰

(中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

掘錨一體機(jī)是集掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸和履帶行走于一體的綜合型設(shè)備，其集成度高，技術(shù)先進(jìn)，研發(fā)難度大，長期依賴國外引進(jìn)。2018年中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院研制了EJM340/4-2型掘錨一體機(jī)，在匯森煤業(yè)涼水井礦得到成功應(yīng)用。該EJM340/4-2型掘錨一體機(jī)的核心機(jī)構(gòu)截割減速器創(chuàng)新采用了高速合流換向型雙驅(qū)結(jié)構(gòu)，其體積小、功率大、效率高。通過對(duì)雙激勵(lì)錐齒輪副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行研究,成功地實(shí)現(xiàn)了截割減速器2臺(tái)電動(dòng)機(jī)在高速級(jí)功率合流換向，并同步驅(qū)動(dòng)應(yīng)對(duì)各類復(fù)雜工況。

本文在簡要介紹雙激勵(lì)錐齒輪副的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，論述了雙激勵(lì)錐齒輪副的原理和參數(shù)選擇，對(duì)錐齒輪副傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核，介紹了基于該技術(shù)成果的應(yīng)用情況。

1 雙激勵(lì)錐齒輪副的結(jié)構(gòu)和原理

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

雙激勵(lì)錐齒輪副由2個(gè)主動(dòng)錐齒輪和1個(gè)從動(dòng)錐齒輪組成，與激勵(lì)源連接后，將兩組動(dòng)力導(dǎo)入減速器，并對(duì)動(dòng)力傳遞路徑進(jìn)行垂直改向。雙激勵(lì)錐齒輪副的結(jié)構(gòu)如圖1所示，I、II號(hào)主動(dòng)錐齒輪采用懸臂式支撐，支撐軸承采用背對(duì)背安裝方式；III號(hào)從動(dòng)錐齒輪采用兩端支撐，支撐軸承采用面對(duì)面安裝方式。

1-I號(hào)主動(dòng)錐齒輪；2-III號(hào)從動(dòng)錐齒輪；3-II號(hào)主動(dòng)錐齒輪。圖1 雙激勵(lì)錐齒輪副結(jié)構(gòu)

1.2 基本原理

雙激勵(lì)均為外部激勵(lì)，要求2個(gè)激勵(lì)同步，并實(shí)現(xiàn)無損耗的功率合流，若不同步，則會(huì)造成一個(gè)激勵(lì)源被另一個(gè)激勵(lì)源拖動(dòng)，輸入功率無法實(shí)現(xiàn)疊加。內(nèi)燃機(jī)、液壓馬達(dá)和直流電動(dòng)機(jī)要實(shí)現(xiàn)高速同步，需額外增加響應(yīng)速度快、可靠性高的速度傳感器、控制器，并利用外部控制實(shí)現(xiàn)雙激勵(lì)的動(dòng)態(tài)同步。交流電驅(qū)動(dòng)具有自適應(yīng)同步和功率自平衡的功能，是一種最理想的高速合流激勵(lì)，因此，激勵(lì)源設(shè)計(jì)為交流電動(dòng)機(jī)，通過柔性耦合連接技術(shù)與錐齒輪副連接，降低啟動(dòng)階段的沖擊。

2 雙激勵(lì)錐齒輪副參數(shù)選擇

2.1 齒型齒面

錐齒輪傳動(dòng)主要有直齒錐齒輪傳動(dòng)、斜齒錐齒輪傳動(dòng)和弧齒錐齒輪傳動(dòng)。直齒錐齒輪傳動(dòng)比曲線錐齒輪傳動(dòng)的軸向力小，比曲線錐齒輪容易制造，多用于低速、輕載、穩(wěn)定的傳動(dòng)，其缺點(diǎn)是缺乏經(jīng)濟(jì)的硬齒面精加工工藝(單件小批量生產(chǎn))。斜齒錐齒輪傳動(dòng)比直齒錐齒輪總重合度大、噪聲較小、軸向力大，多用于模數(shù)m>15 mm的大型機(jī)械傳動(dòng)[3-4]?；↓X錐齒輪傳動(dòng)特點(diǎn)是傳遞功率大、傳遞平穩(wěn)、噪聲小，裝配誤差和齒輪變形對(duì)偏載影響不顯著，磨齒后適用于高速傳動(dòng)[3-4]。國內(nèi)非標(biāo)齒輪箱主要采用格里森和克林根堡齒制的弧齒錐齒輪，加工方法和工藝技術(shù)成熟，硬齒面磨削加工精度可達(dá)到5級(jí)以上。

截割減速器第1級(jí)傳動(dòng)高速、重載、振動(dòng)劇烈，綜合評(píng)估工況、技術(shù)特性和齒制的優(yōu)缺點(diǎn)，雙激勵(lì)錐齒輪副采用克林根堡齒制硬齒面弧齒錐齒輪。齒輪采用滲碳淬火工藝，常用的錐齒輪熱處理后的精加工方法有研齒法和磨齒法，其中磨齒法精加工的錐齒輪可以得到具有完全互換性的高精度齒輪副，適合單件小批量生產(chǎn)。因此，設(shè)計(jì)采用磨齒工藝，加工精度6級(jí)，可提高齒面承載能力，保證芯部韌性。

2.2 齒輪材料

硬齒面齒輪常用的高性能材料有17CrNiMo6、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A，3種材料的綜合力學(xué)性能依次降低。17CrNiMo6是我國船舶行業(yè)成套引進(jìn)德國齒輪技術(shù)采用的德標(biāo)齒輪材料，其工藝成熟、質(zhì)量穩(wěn)定，因此，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)材料選用17CrNiMo6。同時(shí)，允許制造廠在充分掌握材料熱處理工藝的情況下，采用18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A替代選擇材料，進(jìn)一步提升齒輪副的性能。

2.3 軸及軸支撐

高速級(jí)輸入錐齒輪采用懸臂式安裝方式，為保證安裝精度和整體剛度，齒輪和軸合體為軸齒輪。輸出錐齒輪分體需額外增加附件，由于空間限制，軸和齒輪也采用一體化設(shè)計(jì)。錐齒輪副存在切向、軸向和徑向3個(gè)矢量力，軸支撐需具備承受軸向和徑向載荷的能力，考慮到高速重載工況，選擇圓錐滾子軸承作為軸支撐。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

EJM340/4-2型掘錨一體機(jī)截割單側(cè)電動(dòng)機(jī)輸入功率P1為170 kW，額定轉(zhuǎn)速n1為1 465 r/min，額定轉(zhuǎn)矩T1為1 108 N·m，減速器滿負(fù)荷工況下壽命指標(biāo)5 000 h，設(shè)計(jì)計(jì)算基于以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.1 齒輪

本級(jí)傳動(dòng)主要進(jìn)行功率合流改向，傳動(dòng)比設(shè)計(jì)為1∶1。同等尺寸規(guī)格下，齒數(shù)多，嚙合平穩(wěn)，接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度會(huì)下降；齒數(shù)少，抵御斷齒能力提高，齒面點(diǎn)蝕和剝落的風(fēng)險(xiǎn)增加。因工作環(huán)境惡劣、維護(hù)不便，強(qiáng)度要求高于效率要求，初步確定選用1∶1簡單雙面法最小需要的齒數(shù)為23。

依據(jù)弧齒錐齒輪接觸強(qiáng)度初步計(jì)算式(1)和彎曲強(qiáng)度初步計(jì)算式(2)，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)各參數(shù)數(shù)值，計(jì)算出傳動(dòng)輪大端分度圓直徑約為160 mm，按重要傳動(dòng)增加20%計(jì)算，選取直徑應(yīng)大于190 mm。

(1)

(2)

式中:d1為小齒輪大端分度圓直徑，mm；e為錐齒輪類型幾何參數(shù)；Zb為變位后強(qiáng)度影響系數(shù)；Zφ為齒寬比系數(shù)；T1為輸入齒輪轉(zhuǎn)矩，N·m；KA為使用系數(shù)；KHβ、KFβ為齒向載荷分布系數(shù)；σHlim、σFlim為試驗(yàn)齒輪的接觸、彎曲疲勞極限；YF為齒形系數(shù)。

綜合考慮箱體空間和數(shù)據(jù)圓整，確定齒數(shù)z=24，模數(shù)m=8 mm，大端分度圓直徑d1=192 mm，齒寬B=40 mm。采用鄭州齒輪研究所開發(fā)的齒輪計(jì)算程序進(jìn)行齒輪校核，接觸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)均大于1.5。

雙激勵(lì)錐齒輪副從動(dòng)錐齒輪布置可用空間最小，支撐軸承尺寸不易增加，雙激勵(lì)條件下，從動(dòng)錐齒輪承受徑向力相互抵消，通過減小軸向力的方式降低從動(dòng)錐齒輪支撐軸承的要求。公式(3)、(4)、(5)是錐齒輪作用力計(jì)算公式，從公式中可知，優(yōu)化錐齒輪中點(diǎn)螺旋角，可以改變主動(dòng)錐齒輪的軸向力和徑向力的大小和方向。

(3)

(4)

(5)

式中:dm1為主動(dòng)輪中點(diǎn)分度圓直徑，dm1=150.3 mm；αn為分度圓上的壓力角，αn=20°；δ為分錐角，δ=45°；Ft1主動(dòng)輪切向力；Fr1、Fr2為主、被動(dòng)輪徑向力；Fn1、Fn2為主、被動(dòng)輪軸向力。

利用式(4)推導(dǎo)計(jì)算可知，中點(diǎn)螺旋角βm設(shè)計(jì)為20°時(shí)，F(xiàn)n2約為250 N，滿足減小軸向力的要求。

3.2 軸及軸承

1) 軸徑計(jì)算。利用轉(zhuǎn)矩估算軸徑公式(6)，計(jì)算得d′≈65 mm，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，最小軸徑取70 mm。扭矩最大處直徑最大，按最小軸徑計(jì)算，抗彎截面模量是估算直徑的1.15倍，安全儲(chǔ)備系數(shù)相對(duì)較高，為確保軸的強(qiáng)度，可對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行進(jìn)一步校核。

(6)

式中:[τ]為軸的許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，[τ]=50 MPa；ν為空心軸的內(nèi)外徑之比，ν=0.8。

2) 軸承壽命計(jì)算。分析計(jì)算軸承的軸向支反力和派生軸向力，利用當(dāng)量動(dòng)載荷式(7)計(jì)算軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷Pr，利用軸承壽命計(jì)算公式(8)計(jì)算出壽命系數(shù)fh，根據(jù)壽命系數(shù)，查表得出軸承壽命數(shù)據(jù)，結(jié)論為3對(duì)4型軸承壽命均超過5 000 h。

(7)

(8)

式中:Fr為徑向載荷；Fa為軸向載荷；Y為軸向動(dòng)載系數(shù)；e軸承為計(jì)算系數(shù)；fn為速度因數(shù)，fn=0.322；fm為力矩載荷因數(shù)，fm=1.5；fT為溫度因數(shù)，fT=1；fd為沖擊載荷因素，fd=1.5；Cr為軸承基本額定動(dòng)載荷。

3.3 熱平衡

齒輪副轉(zhuǎn)化的熱量由高溫部位傳導(dǎo)至齒輪副所在箱體低溫部位，經(jīng)箱體散發(fā)，設(shè)計(jì)應(yīng)增加散熱面積，若空間受限制，無法設(shè)計(jì)足夠的散熱面積實(shí)現(xiàn)自熱平衡時(shí)，需通過附加冷卻措施實(shí)現(xiàn)內(nèi)部熱量的有效散發(fā)。

連續(xù)工作產(chǎn)生的熱量：

Q1=1 000(1-η)P1

(9)

式中:η為傳動(dòng)效率；P1為輸入功率。

最大排熱量：

Q2max=KS(θymax-θ0)

(10)

式中:K為熱傳導(dǎo)系數(shù)，8.7～17.5 W/(m2·℃)；S為散熱面積，m2；θymax為最大許用溫度，截割減速器允許到90℃；θ0為環(huán)境溫度，正常情況下取20℃。

雙激勵(lì)錐齒輪副綜合傳動(dòng)效率為0.99，利用式(9)可得Q1=1 700 W，利用式(10)計(jì)算散去熱量需要散熱面積為2.7 m2，該處殼體空間不足以支持該尺寸的散熱面積，因此該級(jí)設(shè)計(jì)水冷卻輔助散熱裝置，設(shè)置冷卻器對(duì)潤滑油進(jìn)行冷卻，帶走熱量，完成熱交換后的冷卻水作為噴霧降塵用水。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

EJM340/4-2型掘錨一體機(jī)于2018年6月16日在涼水井礦零點(diǎn)班正式運(yùn)行，截至2019年1月，累計(jì)完成3條煤巷順槽的掘進(jìn)，掘進(jìn)進(jìn)尺5 000余米。雙激勵(lì)錐齒輪副結(jié)構(gòu)在截割減速器上平穩(wěn)運(yùn)行，振動(dòng)、噪音小，溫度保持在許用范圍內(nèi)，未出現(xiàn)故障，綜合性能滿足井下應(yīng)用要求。

5 結(jié)論

根據(jù)掘進(jìn)設(shè)備的實(shí)際需求，確定雙激勵(lì)錐齒輪副設(shè)計(jì)，按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法校核計(jì)算，保證結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和壽命等符合截割減速器整體技術(shù)指標(biāo)。

國產(chǎn)掘錨一體機(jī)的應(yīng)用效果表明雙激勵(lì)錐齒輪副設(shè)計(jì)滿足煤礦井下比大功率減速器的需要，能夠保證設(shè)備在沖擊、重載等工況下連續(xù)高效運(yùn)行。