三邊型面連接在連續采煤機上的應用

張小峰

(中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

三邊型面連接也稱等厚形三面型面連接，屬無鍵連接，是輪轂與軸沿光滑非圓表面接觸而構成的連接，具有拆裝方便、自動定心、抗振性好、疲勞強度高、傳動精度高等優點。在相同直徑情況下，三邊型面連接剪切強度是漸開線花鍵的2倍，疲勞壽命高35%左右。該連接方式非常適用于空間受限、傳遞扭矩大，可靠性高的場合，在國外許多重型設備上已廣泛運用，德國已制定相關標準。

由于加工制造、檢驗檢測等方面的原因，我國機械行業未重點關注三邊型面連接的應用。隨著我國煤機裝備水平的不斷發展，高端煤機需要傳動減速器的功率體積比越來越大，三邊型面連接的優勢逐漸顯現。我國首臺連續采煤機的研制過程中，技術人員通過技術攻關，成功在截割減速器上箱體和下箱體的連接上運用了三邊型面連接(圖1)，提高了上、下箱之間連接安裝的便利性和可靠性。

圖1 連續采煤機截割減速器三邊型面連接結構

1 結構設計

1.1 曲線設計

三邊型面連接廓形曲線為等值三邊曲線，按圖2所示的坐標可建立三邊型面連接的參數方程如式(1)：

3e1sin(3φ)cosφ

(1)

式中：d1為等距直徑，mm；d2為最大直徑，mm；d3為最小直徑，mm；e1為偏心量，mm。

圖2 三邊型面連接廓形

我國目前尚未制定三邊型面連接的相關標準，設計時可參考選用表1中提供的DIN32712的數據。表1數據不滿足要求時，可按插值法選取參數值。

連續采煤機截割減速器上箱體和下箱體之間的連接筋寬度僅為80 mm，故選擇d1為60的一組數據進行設計，代入式(1)可得式(2)，利用二維設計軟件中的公式曲線功能可繪制精確的二維圖形。

6.75sin(3φ)cosφ

(2)

1.2 結合長度設計

三邊型面連接主要失效表現為工作面壓潰或磨損，其強度計算一般按擠壓強度計算，其工作面的最大壓強應滿足式(3)：

(3)

式中：T為傳遞的轉矩，N·mm；lt為結合長度，mm。

傳動軸單向旋轉，靜載荷pΡ=1.1p0，輕沖擊pΡ=1.0p0，較大沖擊pΡ=0.75p0；傳動軸雙向旋轉，輕沖擊pΡ=0.6p0，較大沖擊pΡ=0.45p0。p0為基本壓強，鋼和鑄鋼p0=150 MPa，鋼件淬火后p0=200 MPa。

表1 三邊型面連接參數值 mm

連續采煤機截割減速器三邊型面連接處為單向傳動，沖擊劇烈，故pΡ=0.75p0=112.5 MPa，該處傳遞扭矩T=3 360 N·m，代入式(3)可得：

lt≥59.9 mm

選取1.5的安全系數，確定結合長度設計為90 mm。

1.3 配合選取

三邊型面連接推薦采用間隙配合，優先采用基孔制，其中H7/g6、H7/h6、H7/k6是推薦使用的配合。當傳遞扭矩時，軸和孔之間可產生微小角位移，從而實現以間隙配合裝配，以過盈配合工作。連續采煤機截割減速器三邊型面連接處屬于盲裝，故選取H7/k6的配合。

2 加工檢驗

2.1 工藝流程

連續采煤機截割減速器三邊型面連接包括三邊型面連接軸和三邊型面連接齒輪，需求量小，精度要求高，可選擇利用臥式數控加工中心加工，工藝流程為：

1) 編程，根據臥式數控加工中心型號，編寫與式(2)相符合的數控方程(切削軟性材料驗證程序正確性)。

2) 粗加工，選用普通柱狀銑刀粗加工，長度方向可接刀加工，需保證加工一周后重新找正。

3) 精加工，精加工采用高速小切削量加工模式，保證表面粗糙度達到1.6 μm，且長度方向必須一次成型，普通柱狀銑刀長度不足時，需訂購高剛度的加長銑刀(避免精加工產生錐度)。

4) 滲硬氮處理，常規軸和孔加工方法是半精加工后淬火處理，然后磨削，但三邊型面連接一次成型才能保證高精度，因此不采用磨削，實踐中用精加工確保表面粗糙度達到1.6 μm，再滲硬氮處理，取得較理想的效果。

5) 拋光。

6) 檢驗。

2.2 測量方法

檢驗三邊型面連接采用兩種測量方法：

1) 普通量具(如游標卡尺、內徑百分表等)檢驗，測量等距直徑d1，只有測量處的等距直徑d1全部符合要求才表明工件合格，該方法易于操作，但精度較差。

2) 三座標檢測儀檢驗，在其軸和孔上任意測量一些點，然后將測量值帶入式(1)進行驗算，這種測量方法精度高。

實際操作時可先采用第一種方法進行初檢，然后利用第二種方法抽檢，這樣既能保證批次的質量，也能控制檢測成本。

3 實際驗證

國產連續采煤機采用的三邊型面連接結構在實驗室試驗時經受了超載25%的試驗(圖3)，目前國產連續采煤機已累積使用近百臺(圖4)，截割減速器三邊型面連接軸和連接孔均未出現影響生產的故障，使用壽命可達百萬噸過煤量。

圖3 連續采煤機截割減速器加載試驗

圖4 連續采煤機截割減速器井下工作實景

4 結論

三邊型面連接在連續采煤機截割減速器上的成功應用，表明國內也已可經濟可靠地加工制造三邊型面連接軸及與之匹配的孔。因此，國產高端機械設備設計過程中可合理選擇應用型面連接，降低長傳動軸的安裝難度，提高連接的可靠性和使用壽命。