礦井EBZ200型掘進(jìn)機(jī)截割部件行星減速器結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

韓 將

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦生產(chǎn)技術(shù)部工掘辦公室，山西 大同 037000）

引言

礦井掘進(jìn)機(jī)是采掘煤炭的關(guān)鍵設(shè)備，掘進(jìn)機(jī)的截割部件容易受到工作載荷的力學(xué)破壞以及周圍惡劣環(huán)境的影響，導(dǎo)致截割部件的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)異常。截割部件的行星減速器是穩(wěn)定整體部件運(yùn)行速度的關(guān)鍵，通過內(nèi)部不同模數(shù)的齒輪比保持速度在合理的采掘轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)。為了提高行星減速器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及保障工作狀態(tài)的可靠性，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法，對(duì)行星減速器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行再優(yōu)化設(shè)計(jì)。以EBZ200型掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其行星減速器的齒輪傳動(dòng)配合參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以減輕整機(jī)質(zhì)量和減小振動(dòng)為設(shè)計(jì)目標(biāo)。在保證整機(jī)工作強(qiáng)度和性能的前提下，提高整機(jī)的傳動(dòng)比。研究成果為礦井機(jī)械設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 截割減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

1.1 設(shè)計(jì)要求

截割部件行星減速器的設(shè)計(jì)不能脫離實(shí)際工程，結(jié)合設(shè)計(jì)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，完成行星減速器基本結(jié)構(gòu)的構(gòu)想設(shè)計(jì)。以安全性和可靠性，充分發(fā)揮新型減速器的工作性能，利用整機(jī)內(nèi)部構(gòu)造和材料耐受程度，達(dá)到節(jié)約材料和降低生產(chǎn)成本的目的。采用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，通過有限元仿真方法，以參數(shù)化設(shè)計(jì)為引領(lǐng)，優(yōu)化后新型減速器具有良好的經(jīng)濟(jì)性、工藝性和可維修性[1]，并且更加注重在后期維護(hù)保養(yǎng)方面的零部件互換性。

1.2 行星減速器結(jié)構(gòu)分析

行星減速器的減速級(jí)數(shù)通常為二、三、四級(jí)，級(jí)數(shù)越多，減速機(jī)內(nèi)部構(gòu)造越復(fù)雜。EBZ200型掘進(jìn)機(jī)的行星減速器是結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的二級(jí)減速器，通過6個(gè)齒輪和3 個(gè)齒輪組的組合[2]，形成了2 個(gè)2H型行星傳動(dòng)串聯(lián)，如圖1 所示。

圖1 二級(jí)行星減速器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

通過太陽輪與行星的齒合，形成了一級(jí)傳動(dòng)，并且還包括了內(nèi)齒圈5 和行星角。其余組成部分為二級(jí)傳動(dòng)，包括太陽輪、行星輪、內(nèi)齒圈6 和行星架[3]。輸入與輸出之間的連接軸通過花鍵與電動(dòng)機(jī)相連，從而帶動(dòng)各個(gè)零部件產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，組成了二級(jí)傳動(dòng)的減速系統(tǒng)。

2 行星減速器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法

通過MATLAB 仿真軟件中的優(yōu)化模塊選取數(shù)據(jù)群優(yōu)化算法。將行星減速器內(nèi)部的齒輪模數(shù)、齒數(shù)、齒間夾角輸入至算法傳遞信息中，通過優(yōu)化函數(shù)將目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為行星減速器的安全載荷應(yīng)力以及體積、重量等目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)。通過隨機(jī)求解的方法確定減速器的邊界數(shù)值，通常以行星傳動(dòng)總級(jí)數(shù)、齒輪名義齒寬、太陽輪與行星輪齒數(shù)比得到數(shù)據(jù)的收斂求解結(jié)果[4]。由于數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)雜，采用MATLAB 仿真軟件中的粒子群算法，該算法將各個(gè)數(shù)據(jù)看作一個(gè)初始化粒子。在加權(quán)系數(shù)范圍內(nèi)，僅迭代一次便可以求出最優(yōu)解，計(jì)算流程如圖2 所示。

圖2 粒子群算法流程示意圖

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)的確定

EBZ200型掘進(jìn)機(jī)的電動(dòng)機(jī)輸入功率為180 kW，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的額定速度為1 470 r/min。行星減速器內(nèi)部材料選用經(jīng)過淬火處理后且強(qiáng)度較高的20Cr2Ni4A 材料，達(dá)到了8-7-7HK 級(jí)的精度等級(jí)。通過粒子群優(yōu)化算法，對(duì)行星減速器的總體體積、齒輪模數(shù)、齒寬、齒數(shù)比等數(shù)據(jù)進(jìn)行再優(yōu)化計(jì)算，將齒數(shù)由17 設(shè)計(jì)為16，太陽輪的輪齒寬由80 mm 設(shè)計(jì)為74 mm，模數(shù)由5.5 mm 變?yōu)? mm，一級(jí)齒輪的齒數(shù)比設(shè)計(jì)為4，二級(jí)齒輪的齒數(shù)比設(shè)計(jì)為3.5[5]。通過MATLAB 仿真軟件的計(jì)算驗(yàn)證，行星齒輪的總體體積減小9.8%，降低了行星齒輪的制造成本，并且更加便于安裝和維護(hù)。優(yōu)化后的行星齒輪是否能滿足工程性能要求，將通過有限元仿真計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。

3 截割行星減速器優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

3.1 仿真模型的建立

通過Pro/E 三維建模軟件對(duì)行星減速器的模型進(jìn)行建立并且去除對(duì)齒輪組受力影響不大的零碎部件，以提高仿真計(jì)算效率。模型的建立不能一次成型，要將一級(jí)行星架和二級(jí)行星架的三維模型分別建立，并通過裝配的方式形成總裝配模型，對(duì)每個(gè)零部件的空間位置進(jìn)行確定，防止零部件相互干涉[6]，如圖3 所示。

圖3 行星減速器裝配三維模型

在三維模型的基礎(chǔ)上完成有限元仿真參數(shù)的確定，由于行星減速器內(nèi)部零部件相互接觸的表面較多，應(yīng)對(duì)每個(gè)接觸單元進(jìn)行定義。確定相互兩個(gè)表面之間的接觸剛度以及摩擦中的實(shí)際距離、阻尼系數(shù)、擊穿深度等參數(shù)[7]，如圖4 所示。在完成表面接觸定義后，對(duì)行星齒輪組施加傳動(dòng)力矩。以施加均布載荷加模擬力矩的作用效果，一級(jí)行星架的施加載荷為5.68×104N、二級(jí)行星架的施加載荷為2.57×104N。

圖4 接觸單元的參數(shù)設(shè)定實(shí)例圖

3.2 仿真計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

如圖5 所示，EBZ160掘進(jìn)機(jī)行星減速器優(yōu)化結(jié)構(gòu)傳動(dòng)中，在力的作用下，產(chǎn)生應(yīng)力、應(yīng)變最大的是二級(jí)行星架，所受最大應(yīng)力為12 MPa，都發(fā)生在行星架與行星輪軸聯(lián)結(jié)處，說明周向變形是影響行星架變形的主要變形，并且隨著載荷的增大，各級(jí)的變形值也隨之增大。行星減速器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)各個(gè)零部件產(chǎn)生的應(yīng)力均小于材料自身的許用應(yīng)力，完全滿足強(qiáng)度要求；產(chǎn)生的最大應(yīng)變?yōu)?×10-5mm，在掘進(jìn)機(jī)減速器中上述形變幾乎可以忽略，故EBZ160掘進(jìn)機(jī)行星減速器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，具有較高的可靠性。

圖5 行星減速器優(yōu)化后應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D分布示意圖

使用ABAQUS的模態(tài)分析功能模塊，對(duì)一級(jí)行星減速和二級(jí)行星減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，得到了其前十二階的模態(tài)頻率和模態(tài)振型，分析了行星減速系統(tǒng)的固有特性頻率和振動(dòng)形式，結(jié)果表明：該齒輪嚙合傳動(dòng)系統(tǒng)的最低階固有頻率為96.35 Hz（一階模態(tài)）。通過公式計(jì)算，代入減速器的齒數(shù)z 為16、轉(zhuǎn)速n 為1 470 r/min，可計(jì)算得出最大嚙合頻率為92 Hz，不會(huì)產(chǎn)生共振，如圖6 所示。

圖6 行星減速器一階模態(tài)示意圖

4 結(jié)論

1）將優(yōu)化后的參數(shù)通過ABAQUS 有限元分析軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，得出了優(yōu)化后的行星減速器結(jié)構(gòu)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和工作性能的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)減速器的體積質(zhì)量更小，不僅提高了掘進(jìn)機(jī)整機(jī)工作可靠性，還實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)制造成本降低，保障了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

2）對(duì)截割部件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，采用仿真軟件的模態(tài)功能計(jì)算，驗(yàn)證了行星減速器嚙合頻率能夠避開整機(jī)的共振頻率，確保掘進(jìn)機(jī)的正常采掘。