梁偉麗

（大同煤礦集團機電裝備制造有限公司，山西大同 037001）

0 引言

隨著我國煤炭行業(yè)的快速發(fā)展壯大，在煤炭開采及運輸過程中煤礦設(shè)備對礦業(yè)的發(fā)展越來越凸顯出重要地位。其中，刮板輸送機在煤礦的運輸過程中就起到了至關(guān)重要的作用，一旦刮板輸送機出現(xiàn)故障或者工作效率低，將直接影響著煤礦生產(chǎn)[1-3]。

本文對刮板輸送機的關(guān)鍵部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以此進一步提高刮板輸送機的結(jié)構(gòu)強度、壽命和動力性能，并提出行之有效的改進建議，使刮板輸送機不斷向高效化方向轉(zhuǎn)變，從而提高了礦業(yè)生產(chǎn)的效率[4-6]。

1 礦用刮板輸送機常見故障

礦用刮板輸送機在工作過程中常見的失效現(xiàn)象主要為電機、減速機、液壓系統(tǒng)、鏈條故障以及齒輪故障等。在這幾類故障中齒輪故障又顯得尤為突出，出現(xiàn)的次數(shù)更加頻繁，嚴(yán)重程度更加惡劣，且齒輪故障比較隱蔽，同時又更加具有危險性[7-8]。為了提高齒輪的工作性能，對齒輪的齒形進行修形，以便進一步延長齒輪的工作能力和使用壽命，以此延長刮板輸送機的工作效率和壽命。

2 齒輪修形設(shè)計

2.1 齒輪建模

結(jié)合齒輪的結(jié)構(gòu)特點及尺寸，采用Romax Designer設(shè)計方法，建立了斜齒輪組模型，如圖1所示。該齒輪組模型主要由軸承斜齒輪組成，建模所需要的齒輪各項尺寸如表1所示。

2.2 齒輪疲勞壽命影響因素

Romax Designer齒輪結(jié)構(gòu)分析軟件可以通過載荷譜和S-N材料曲線來預(yù)測齒輪的壽命。通過對齒輪變形尺寸、應(yīng)力情況等的分析計算，找到影響齒輪壽命的關(guān)鍵因素，從而針對關(guān)鍵因素開展刮板輸送機改進優(yōu)化設(shè)計。

圖1 斜齒輪組模型

表1 齒輪基本幾何尺寸

首先根據(jù)實際工況，編輯載荷譜，添加實際工況。根據(jù)實際工況運行過程分析齒輪的壽命、損傷、應(yīng)力和安全系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)定齒輪基本的壽命為2.0×104h，不同齒輪壽命分析結(jié)果如表2所示。通過分析表格中的數(shù)據(jù)可以初步判定齒輪的壽命、應(yīng)力都是滿足設(shè)計要求的，從而說明齒輪是滿足工作使用要求的。

但是從表3所示的彎曲安全系數(shù)可以看出齒輪的彎曲安全系數(shù)均大于接觸安全系數(shù)，從而說明輪齒更容易發(fā)生接觸破壞，而接觸破壞則主要是由于齒輪接觸面的干涉導(dǎo)致。因此，可通過對齒輪齒面進行修形的方法來降低齒輪接觸破壞程度，以此改善齒輪的彎曲和接觸應(yīng)力。

表2 預(yù)測齒輪壽命

表3 齒輪接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和安全系數(shù)

3 齒輪結(jié)構(gòu)修形與仿真分析

在齒輪工作過程中由于制造精度和變形等原因，造成齒輪在工作過程中發(fā)生傳動不夠平穩(wěn)、發(fā)生噪聲和振動沖擊等情況。因此，現(xiàn)在對齒輪的傳動精度要求越來越高，加大對齒輪的修形也就顯得尤為重要。2.2節(jié)的分析已經(jīng)可以說明齒輪容易發(fā)生接觸破壞，通過提高齒輪的安裝制造精度方法，可以提高齒輪的承載能力、力學(xué)性能和延長壽命，接下來將通過軟件的仿真分析對齒輪的齒形進行修形研究。其中，衡量齒輪修形效果的主要指標(biāo)是通過分析齒輪的傳動線性誤差、單位長度法向載荷、最大接觸應(yīng)力和齒根應(yīng)力分布情況等重要參數(shù)來進一步說明。

3.1 齒輪修形參數(shù)

齒輪修形主要是通過在齒輪嚙合面上修剪一定的材料，使嚙合處不產(chǎn)生干涉，一般通過小齒輪修薄，大齒輪齒根處倒圓角或者只調(diào)整小齒輪的齒輪齒形，修剪長度以及外形曲線來達到齒輪修形的目的。因此，確定了此次齒輪修改的主要參數(shù)包括齒輪修形長度和修形量，而修形量和修形長度主要通過不同的經(jīng)驗公式進行調(diào)整。Romax Designer軟件是專業(yè)的齒輪結(jié)構(gòu)分析設(shè)計軟件，可以對齒輪漸開線處進行線性調(diào)整、拋物線形調(diào)整以及其他適合的形式進行調(diào)整。本文通過線性修形方法，通過選擇適當(dāng)?shù)凝X輪修形長度、修形量、齒輪齒面目標(biāo)形態(tài)，開展齒輪齒頂及齒根的修復(fù)研究。

3.2 齒輪結(jié)構(gòu)仿真分析

3.2.1 齒輪傳動線性誤差

通過齒輪的傳動線性誤差分析，得到修形前后齒輪傳動精度變化情況，如圖2所示。從圖中可以看出修形前齒輪線性傳動誤差為2.41 μm，修形后齒輪線性傳動誤差為1.8 μm。從而說明齒輪此次修形對線性傳動誤差有明顯改善，可以降低齒輪在傳動過程中產(chǎn)生的噪聲和振動沖擊。

3.2.2 單位長度法向載荷

通過齒輪單位長度法向載荷的分析，得到了齒輪在工作過程中應(yīng)力的分布情況，如圖3所示。通過對比修形前后的單位長度法向載荷可以看出：修形后最小載荷為413 N/m，修形前的最小載荷為508 N/m，而且修形后的載荷分布曲線更加均勻，所以修形后齒輪受力更加合理。因此，采用單位長度法對齒輪進行修改，能大大改善齒輪的受力情況及提高齒輪的工作能力。

圖2 傳動線性誤差對比圖

圖3 單位長度法向載荷對比圖

3.2.3 齒輪最大接觸應(yīng)力

通過對修形前后最大接觸應(yīng)力進行對比分析，得到了齒輪在工作過程中的動力學(xué)性能變化情況，如圖4所示。從圖中可以看出修形后的最大接觸應(yīng)力為1 430 MPa，相比于修形前降低了75 MPa，而且最大接觸應(yīng)力不再在齒輪的根部，而是向接觸面移動，在徑向方向上應(yīng)力更加均勻。從而說明通過修形改善了齒輪的動力性能。

3.2.4 齒輪齒根應(yīng)力分布

齒輪的齒根處應(yīng)力過大容易造成應(yīng)力集中斷裂風(fēng)險，如圖5所示，通過對齒輪修形前后齒根應(yīng)力分布的分析可以看出在修形前齒根應(yīng)力最大值為277 N/mm，修形后齒根應(yīng)力最大值為263 N/mm，有明顯的下降，提高了齒輪的強度。

圖4 最大接觸應(yīng)力對比圖

圖5 齒根應(yīng)力分布對比圖

綜上分析，通過專業(yè)的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件Romax Designer對齒輪齒形修形的修形長度和修形量進行分析，在齒輪的傳動線性誤差、單位長度法向載荷、最大接觸應(yīng)力和齒根應(yīng)力分布情況等方面有明顯的改善，進而提高了齒輪的傳動穩(wěn)定性、承載能力和使用壽命，對礦用刮板輸送機的工作效率有了明顯的提高。

4 結(jié)束語

在對現(xiàn)有礦用刮板輸送機關(guān)鍵零部件齒輪存在主要失效模式進行分析和優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)上，通過齒輪的壽命分析，找到影響齒輪失效的關(guān)鍵因素，通過Romax Designer軟件進行建模，從齒輪修形長度和修形量2個方面開展了齒輪的修形仿真研究，主要對齒輪的傳動線性誤差、單位長度法向載荷、最大接觸應(yīng)力和齒根應(yīng)力分布情況進行分析，得出修復(fù)后的齒輪具有更高的結(jié)構(gòu)性能，這對提高刮板輸送機的結(jié)構(gòu)性能及使用壽命具有重要作用，也為后期開展齒輪的修復(fù)研究提供了參考。