掘錨一體機截割減速器雙激勵錐齒輪副傳動設計*

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

掘錨一體機是集掘進、支護、運輸和履帶行走于一體的綜合型設備，其集成度高，技術先進，研發難度大，長期依賴國外引進。2018年中國煤炭科工集團太原研究院研制了EJM340/4-2型掘錨一體機，在匯森煤業涼水井礦得到成功應用。該EJM340/4-2型掘錨一體機的核心機構截割減速器創新采用了高速合流換向型雙驅結構，其體積小、功率大、效率高。通過對雙激勵錐齒輪副傳動結構和參數進行研究,成功地實現了截割減速器2臺電動機在高速級功率合流換向，并同步驅動應對各類復雜工況。

本文在簡要介紹雙激勵錐齒輪副的結構特點基礎上，論述了雙激勵錐齒輪副的原理和參數選擇，對錐齒輪副傳動進行設計校核，介紹了基于該技術成果的應用情況。

1 雙激勵錐齒輪副的結構和原理

1.1 結構特點

雙激勵錐齒輪副由2個主動錐齒輪和1個從動錐齒輪組成，與激勵源連接后，將兩組動力導入減速器，并對動力傳遞路徑進行垂直改向。雙激勵錐齒輪副的結構如圖1所示，I、II號主動錐齒輪采用懸臂式支撐，支撐軸承采用背對背安裝方式；III號從動錐齒輪采用兩端支撐，支撐軸承采用面對面安裝方式。

1-I號主動錐齒輪；2-III號從動錐齒輪；3-II號主動錐齒輪。圖1 雙激勵錐齒輪副結構

1.2 基本原理

雙激勵均為外部激勵，要求2個激勵同步，并實現無損耗的功率合流，若不同步，則會造成一個激勵源被另一個激勵源拖動，輸入功率無法實現疊加。內燃機、液壓馬達和直流電動機要實現高速同步，需額外增加響應速度快、可靠性高的速度傳感器、控制器，并利用外部控制實現雙激勵的動態同步。交流電驅動具有自適應同步和功率自平衡的功能，是一種最理想的高速合流激勵，因此，激勵源設計為交流電動機，通過柔性耦合連接技術與錐齒輪副連接，降低啟動階段的沖擊。

2 雙激勵錐齒輪副參數選擇

2.1 齒型齒面

錐齒輪傳動主要有直齒錐齒輪傳動、斜齒錐齒輪傳動和弧齒錐齒輪傳動。直齒錐齒輪傳動比曲線錐齒輪傳動的軸向力小，比曲線錐齒輪容易制造，多用于低速、輕載、穩定的傳動，其缺點是缺乏經濟的硬齒面精加工工藝(單件小批量生產)。斜齒錐齒輪傳動比直齒錐齒輪總重合度大、噪聲較小、軸向力大，多用于模數m>15 mm的大型機械傳動[3-4]。弧齒錐齒輪傳動特點是傳遞功率大、傳遞平穩、噪聲小，裝配誤差和齒輪變形對偏載影響不顯著，磨齒后適用于高速傳動[3-4]。國內非標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成熟，硬齒面磨削加工精度可達到5級以上。

截割減速器第1級傳動高速、重載、振動劇烈，綜合評估工況、技術特性和齒制的優缺點，雙激勵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。因此，設計采用磨齒工藝，加工精度6級，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種材料的綜合力學性能依次降低。17CrNiMo6是我國船舶行業成套引進德國齒輪技術采用的德標齒輪材料，其工藝成熟、質量穩定，因此，設計標準材料選用17CrNiMo6。同時，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，進一步提升齒輪副的性能。

2.3 軸及軸支撐

高速級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計。錐齒輪副存在切向、軸向和徑向3個矢量力，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 設計計算

EJM340/4-2型掘錨一體機截割單側電動機輸入功率P1為170 kW，額定轉速n1為1 465 r/min，額定轉矩T1為1 108 N·m，減速器滿負荷工況下壽命指標5 000 h，設計計算基于以上基礎數據。

3.1 齒輪

本級傳動主要進行功率合流改向，傳動比設計為1∶1。同等尺寸規格下，齒數多，嚙合平穩，接觸強度和彎曲強度會下降；齒數少，抵御斷齒能力提高，齒面點蝕和剝落的風險增加。因工作環境惡劣、維護不便，強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為23。

依據弧齒錐齒輪接觸強度初步計算式(1)和彎曲強度初步計算式(2)，查閱機械設計手冊各參數數值，計算出傳動輪大端分度圓直徑約為160 mm，按重要傳動增加20%計算，選取直徑應大于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；Zb為變位后強度影響系數；Zφ為齒寬比系數；T1為輸入齒輪轉矩，N·m；KA為使用系數；KHβ、KFβ為齒向載荷分布系數；σHlim、σFlim為試驗齒輪的接觸、彎曲疲勞極限；YF為齒形系數。

綜合考慮箱體空間和數據圓整，確定齒數z=24，模數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的齒輪計算程序進行齒輪校核，接觸強度和彎曲強度安全系數均大于1.5。

雙激勵錐齒輪副從動錐齒輪布置可用空間最小，支撐軸承尺寸不易增加，雙激勵條件下，從動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錐齒輪支撐軸承的要求。公式(3)、(4)、(5)是錐齒輪作用力計算公式，從公式中可知，優化錐齒輪中點螺旋角，可以改變主動錐齒輪的軸向力和徑向力的大小和方向。

(3)

(4)

(5)

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

利用式(4)推導計算可知，中點螺旋角βm設計為20°時，Fn2約為250 N，滿足減小軸向力的要求。

3.2 軸及軸承

1) 軸徑計算。利用轉矩估算軸徑公式(6)，計算得d′≈65 mm，在實際設計中，最小軸徑取70 mm。扭矩最大處直徑最大，按最小軸徑計算，抗彎截面模量是估算直徑的1.15倍，安全儲備系數相對較高，為確保軸的強度，可對危險截面進行進一步校核。

(6)

式中:[τ]為軸的許用扭轉應力，[τ]=50 MPa；ν為空心軸的內外徑之比，ν=0.8。

2) 軸承壽命計算。分析計算軸承的軸向支反力和派生軸向力，利用當量動載荷式(7)計算軸承的當量動載荷Pr，利用軸承壽命計算公式(8)計算出壽命系數fh，根據壽命系數，查表得出軸承壽命數據，結論為3對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為軸向動載系數；e軸承為計算系數；fn為速度因數，fn=0.322；fm為力矩載荷因數，fm=1.5；fT為溫度因數，fT=1；fd為沖擊載荷因素，fd=1.5；Cr為軸承基本額定動載荷。

3.3 熱平衡

齒輪副轉化的熱量由高溫部位傳導至齒輪副所在箱體低溫部位，經箱體散發，設計應增加散熱面積，若空間受限制，無法設計足夠的散熱面積實現自熱平衡時，需通過附加冷卻措施實現內部熱量的有效散發。

連續工作產生的熱量：

Q1=1 000(1-η)P1

(9)

式中:η為傳動效率；P1為輸入功率。

最大排熱量：

Q2max=KS(θymax-θ0)

(10)

式中:K為熱傳導系數，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為環境溫度，正常情況下取20℃。

雙激勵錐齒輪副綜合傳動效率為0.99，利用式(9)可得Q1=1 700 W，利用式(10)計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，因此該級設計水冷卻輔助散熱裝置，設置冷卻器對潤滑油進行冷卻，帶走熱量，完成熱交換后的冷卻水作為噴霧降塵用水。

4 實際應用效果

EJM340/4-2型掘錨一體機于2018年6月16日在涼水井礦零點班正式運行，截至2019年1月，累計完成3條煤巷順槽的掘進，掘進進尺5 000余米。雙激勵錐齒輪副結構在截割減速器上平穩運行，振動、噪音小，溫度保持在許用范圍內，未出現故障，綜合性能滿足井下應用要求。

5 結論

根據掘進設備的實際需求，確定雙激勵錐齒輪副設計，按標準計算方法校核計算，保證結構、強度和壽命等符合截割減速器整體技術指標。

國產掘錨一體機的應用效果表明雙激勵錐齒輪副設計滿足煤礦井下比大功率減速器的需要，能夠保證設備在沖擊、重載等工況下連續高效運行。