采煤機無多余約束齒輪傳動的應用分析

陳文娟

（鄭州煤機綜機設備有限公司 鄭州 450100）

采煤機無多余約束齒輪傳動的應用分析

陳文娟

（鄭州煤機綜機設備有限公司 鄭州 450100）

作為采煤機械的主要傳動形式，齒輪傳動（包括牽引部、和截割部等）怎樣在盡量減少生產成本的基礎上，提高齒輪傳動的性能和實用效果，是采煤機設計者面臨的首要問題。本文針對MG150B薄煤層采煤機中采用的各種傳動系統，詳細介紹傳動系統中無多余約束齒輪傳動的概念和原理，并且提出自己的觀點。

采煤機；無多余約束齒輪傳動；傳動系統

1 無多余約束齒輪傳動概述

1.1 采煤機無多余約束齒輪傳動概念

從機械設計原理的方面來講，因為齒輪傳動過程中會有多余的約束，多余約束會限制機械機構多角度自由的運動，產生多余的力矩，使齒輪等機械機構的接觸不能很好的實現，這就需要從機械設計和結構原理兩方面著手來充分發揮齒輪傳動在傳動能力和效果上的潛力。

1.2 無多余約束齒輪傳動原理

要理解無多余約束齒輪傳動的原理就要先理解自由度，自由度的計算公式為：

式中：W——自由度；

n——活動機械構件數目；Pi——第i級活動的副數目。

對普通的采煤機的機械傳動機構來說，一般情況下只有一個活動度，可以推算出多余約束Q。

從上面公式（1）和公式（2）可以看出，從原理上就齒輪傳動而言，不考慮單獨軸承的承受能力的話，完全可以發揮齒輪傳動的潛力。

2 無多余約束傳動機構在采煤機牽引部的分析

2.1 無多余約束傳動機構在采煤機牽引部中應用概述

在MG150B采煤機的牽引部的設計中，無多余約束的傳動形式應用在從馬達輸出到行星機構傳動的前一級中，迂回傳動的從動輪中。此處采用無多余約束傳動方式主要是因為軸向尺寸的限制。此處采用無多余約束傳動并且在采煤機廠的實踐中，對采煤機牽引部做的耐久性實驗以及在后來的使用過程中，都取得了不錯的效果。

2.2 采煤機牽引部中應用無多余約束傳動機的原理

圖1為無多余約束傳動在牽引部中的應用原理圖。

圖1

因為馬達含有惰性的特點，所以在分析其原理時將其作為一個運動件考慮，在圖1中Z2是只有一個球面輻的惰輪，Z3為傳動齒輪。根據無約束傳動的原理，可以發現在該處的結構設計中，存在兩個多余約束。從結構設計的角度來分析，在設計中考慮到了一定的側面縫隙，這樣就能夠充分發揮調心軸承的作用，同時也改善了安裝上的工藝性。但是由于沒有完善的檢測手段，沒有辦法完成定量分析，所以在轉動過程中其中的偏斜還是實際存在的。從上面可以看出，機械自身的加工精度是很大一部分原因，因為不容易控制，所以傳動中出現多種多樣的運動型態，是正常的。

2.3 采煤機截割部無多余約束傳動

采煤機截割部是采煤機實現落煤、裝煤的重要部件，截割部主要有以下幾個部分組成：截割電機、齒輪減速裝置等裝置。齒輪減速裝置全部在行星減速器內，結構簡單、可靠并且緊湊性好。截割部在采煤機運作的過程中需要消耗采煤機80～90%的功率，所以設計要求截割部需要有很好的韌性、可靠性、以及很高的強度，并且還要有良好的密封潤滑，散熱條件好，傳動效率高。截割部無多余約束傳動的應用能夠很好的滿足截割部工作的要求，因此目前廣泛應用于市場上。下面第三章將會對截割部中應用最普遍的行星傳動做詳細的介紹和分析。

3 無多余約束傳動機構在行星傳動中的應用

3.1 無多余約束傳動機構在采煤機行星傳動中的應用概述

行星傳動機構作為采煤機中傳動功率最大，負荷量最大傳動件，是采煤機中最為要緊的傳動件。在采煤機的實際應用中，ZK-H行星傳動應用最為普遍。因為其采用球面形狀的行星機構，下一節將會對應用最為普遍的ZK-H行星傳動做詳細介紹。

3.2 無多余約束傳動在采煤機星形傳動中的應用

圖2為ZK-H行星機構原理圖，根據原理圖來分析無多余約束傳動機構在星形傳動機構中的應用情況。其中圖2（a）為普通ZK-H行星機構，圖2（b）為在星形輪中采用圓球面形式的星形機構。

圖2

根據自由度的計算原理公式可以計算出圖中所表示的多余齒輪約束的情況，根據原理計算可以得出在圖2（a）中存在多達6個多余約束。再看圖2（b）中機構的情況，可以得出如下結論：圖3（b）為簡化的無多余約束的ZK-H行星傳動的原理簡圖。

從以上的分析中可以看出：為了消除多余的制約因素，并且在使用過程中避免強度、結構上缺陷，可以在每個行星輪中都采用球面副，將行星輪分成若干排并且在工藝上做的更窄，并且裝載在球面軸承上，這樣就能讓沿齒寬還有中心輪周圍上都能實現無多余約束，并且成為多流傳動形式。能夠有效克服普通ZK-H傳動中行星輪窄小的缺點。

4 無多余約束傳動機構的強度分析

4.1 無多余約束傳動機構強度的重要性

MG150B采煤機中牽引部和行星傳動機構中的齒輪強度是衡量采煤機機械性能和可靠性重要的指標，只有強度達到更好的標準，才能有效可靠的工作，進而減少采煤機的故障率，提高機械的生產效率。針對齒輪強度，有齒輪輕度校驗公式可以驗證。下一節將對其校驗公式和原理進行詳細的介紹。

4.2 無約束傳動機齒輪強度定性分析

一直以來，采煤機中齒輪強度就是采煤機牽引部的薄弱部分之一。

上面公式給我們提供了對牽引部齒輪強度進行定性分析的依據。從定量分析的公式中可以得出如果想要改善齒輪的強度就可以改善各個因子，進而改善齒輪的強度。如：將工況系數設為1，安全系數依然設為1，就是說富裕度很小。在齒輪嚙合情況很好的情況下，就可以很好的發揮齒輪的功能，經過幾百個小時的實際應用，馬達傳動齒輪無損壞，嚙合完好，肉眼辨別正常。從以上的定量性輕度分析，可以在原理上說明，無多余約束的齒輪傳動是一種可以有效改善齒輪傳動特性，嚙合特征的一種設計方法。

5 無多余約束齒輪傳動結構分析

5.1 無多余約束齒輪傳動結構剖析

圖3中圖3（a）是一般采煤機中采用惰輪的典型結構。這種結構采用的是兩個帶有雙列的向心球面的滾動的軸承，但是根據分析可以知道，其實這種結構是有多余約束的。圖3（b）是采用一個雙列向心球面滾子軸承，是一種無多余約束的球面副。根據機械零件的設計規定，圖3（a）中根據規定，兩個軸承的載荷應該為單個軸承的1.5倍。考慮到結構上的因素和各種機械設計上的工藝因素的影響，不到兩倍的關系，從徑向尺寸和軸承的強度來講，可以達到要求。圖3（c）中的結構形式，因為采用了把各自的球面向心軸加入到各自的齒輪中，這樣就可以完成從單流傳動到多流傳動的變化，更能增加齒輪傳動結構的性能。

圖3

5.2 無多余約束齒輪傳動方式的應用及其問題分析

更好的應用無多余約束的齒輪傳動形式，對于當前的采煤機很有意義。目前市場上常見的MG300、MG400、S3-170等系列采煤機，都是采用這種無多余約束的齒輪傳動方式。在目前超薄煤層采煤機應用中，因為現場環境需要機殼長、平行軸多、而且尺寸大。所以在加工生產時，其各孔的精確度不能保證，往往制造的產品與標準值降低一定的精度等級。通常精度等級需要達到8-7-8的嚙合齒輪，相對應的軸線平行度應該與九級精度的齒輪相當，所以當下標準要求的安裝后沿齒長接觸60%，沿齒高方向的接觸度達到40%也是不容易達到，這也是造成軸承不能達到預期，不能承載相應負荷的一個非常重要的原因。

6 總結

本文中所分析的無多余約束齒輪傳動方式，只是限于中心軸，而在轉軸上如何應用無多余約束的齒輪傳動方式還有待于研究。本文所論述的觀點有一定的普遍性，對我國目前市場上的采煤機機械的加工、工藝水平、以及使用和維護能力的提高，還有更重要的采煤機機械結構設計具有一定的參考意義。

[1]程居山.礦山機械，中國礦業大學出版社，2010（05）：65～68.

[2]潘學義.采煤機選型問題探討，江蘇煤炭科技，2015（03）：89～92.

[3]謝錫純.礦山機械與設備，徐州：中國礦業出版社，2014（07）：32～34.

TH132.41

A

1004-7344（2016）15-0237-02

2016-5-12

陳文娟（1983-），女，助理工程師，本科，主要從事機械設計工作。