掘進機截割部行星減速器結構的優化改進研究

馬建軍

（陽泉市大陽泉煤礦有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

隨著采煤效率的不斷提升，掘進機等采煤設備朝著大型化的方向發展[1-3]。采用傳統思想對掘進機進行設計時，考慮到煤礦工作環境較為復雜，通常會取較大的安全系數，導致掘進機整體上顯得比較笨重[4-5]。此舉雖然能有效保障掘進機工作時的安全性和可靠性，但是需要掘進機提供更大的功率，會造成能源的浪費[6]。本文主要基于先進的有限元模擬仿真技術，對掘進機截割部行星減速器的結構進行優化改進。在保障結構滿足使用要求的前提下，降低其重量，達到輕量化設計的目的。

1 掘進機截割部行星減速器結構概述

1.1 行星減速器結構

以EBZ160型掘進機截割部行星減速器為研究對象，如圖1所示為行星減速器的整體結構示意圖。從圖中可以看出，該減速器為二級行星減速器，通過兩個行星傳動串聯而成。輸入軸與一級太陽輪進行連接，電機與輸入軸之間通過花鍵形式進行連接，確保傳輸的穩健性。一級行星架的輸出軸與二級太陽輪直接連接，實現兩個行星傳動的串聯。二級行星架的輸出軸是整個行星減速器的輸出軸，該輸出軸與截割部主軸進行連接，實現動力的傳輸。

圖1 行星減速器整體結構示意圖

1.2 各齒輪的基本參數

行星減速器需要通過電動機進行驅動，具體型號為YBUD-160/160-4/8，該型號電動機的功率大小為160 kW。行星減速器中使用的均為變位齒輪，全部利用20Cr2Ni4A材料加工制作而成，具體參數如表1所示。兩級行星傳動均采用內嚙合方式，減速器工作時兩個內齒圈均固定不動。由表中各齒輪的齒數數據可知，一級傳動和二級傳動的傳動比分別為5和4.5，行星減速器整體的傳動比為22.5。

表1 行星減速器各齒輪的基本參數

對于多級行星減速器而言，各級行星傳動的傳動比分配會對整個行星減速器的結構產生非常重要的影響。比如，會影響減速器的整體結構尺寸及其重量，進而影響減速器的生產制作成本和運行能耗。所以在分配兩級傳動的傳動比時，必須采用科學合理的方法，但是EBZ160型掘進機截割部行星減速器在設計時存在缺陷，導致兩級傳動的傳動比分配存在一定缺陷，使得行星減速器的整體結構不合理，運行效率偏低，有優化改進的空間。

2 行星減速器齒輪結構的優化改進

根據已有的理論和實踐經驗，在對兩級行星減速器進行設計時，兩級傳動的傳動比分配原則就是要確保兩級傳動中的齒輪強度基本相當，且尺寸最小。當兩級傳動的內齒輪分度圓直徑之比相等時可以確保各級傳動結構尺寸相當，實踐中通常取兩者之間的比值B=dB2/dB1=1~1.2，式中，dB2和dB1分別表示低速級和高速級內齒輪分度圓直徑。在滿足上述基本要求并保證總傳動比不變的情況下，對兩級行星減速器各齒輪參數進行重新設計，結果如表2所示。

表2 改進后行星減速器各齒輪的基本參數

行星減速器中兩級傳動的模數分別由6降低到了5.5，由8降低到了6。所有齒輪全部采用標準齒輪，不需要進行變位，顯著降低了齒輪加工的難度和成本。兩級傳動的內齒圈分度圓直徑之比為1.12，滿足基本要求。由圖1可以看出，兩個內齒圈的分度圓直徑直接決定了整個行星減速器的結構尺寸，優化前內齒圈的分度圓直徑最大值為448 mm，優化后內齒圈的分度圓直徑最大值為414 mm，整體結構尺寸縮小了7.59%。通過縮小行星減速器的整體結構尺寸，不僅能夠降低生產制度成本，還可以降低行星減速器在運行時的能源消耗。

3 新型行星減速器的受力分析

3.1 有限元模型的建立

為了對新型行星減速器各項性能進行檢測，確保滿足基本要求。利用SOLIDWORKS軟件建立了行星減速器的三維幾何模型，然后將幾何模型導入到ANSYS軟件中建立了行星減速器的整體結構有限元模型，并對各齒輪的受力情況進行分析。在軟件中首先需要輸入齒輪的材料屬性，使用的材料為20Cr2Ni4A，查閱材料手冊可知該材料的彈性模量和泊松比分別為2×106Pa和0.3。然后還需要對幾何模型進行網格劃分，采用的是四面體網格類型，最終劃分得到的網格數量為15 396個。

3.2 各齒輪受力情況分析

建立好有限元模型后，可以調用ANSYS軟件中的分析計算模塊，對模型進行計算分析。計算結果表明，各齒輪之間能夠很好地傳動，沒有出現相互干涉的問題。對新型行星減速器各齒輪的受力與變形情況進行統計，結果如表3所示。由表中數據可以看出，行星減速機在正常工作時，各齒輪的最大變形量在0.005~0.026 mm范圍內，均相對較小，完全能夠達到實際使用的需要。另外，各個齒輪的最大應力在30.44~168.69 MPa范圍內變化，各齒輪中二級傳動行星輪中的應力值最大，見圖2。齒輪的生產制作材料為20Cr2Ni4A，該材料經過熱處理后的許用應力值可以達到300 MPa?？梢钥闯?，各齒輪的最大應力值均比材料的許用應力值要小很多。基于此，可以計算得到各齒輪的使用安全系數，安全系數最小值為1.78，最大值達到了9.86。安全系數均相對較大，完全能夠確保新型行星減速器運行的安全性和可靠性。

表3 新型行星減速器各齒輪的受力變形情況統計

圖2 二級傳動中行星輪的受力分布云圖

4 新型行星減速器的實踐應用

將經過驗證的新型行星減速器結構應用到EBZ160型掘進機截割部中，并進行了連續6個月時間的觀察。結果發現，行星減速器整體運行良好，在整個試運行期間，減速器能夠安全穩定運行，沒有出現大的故障問題。說明設計的新型行星減速機整體結構是合理的，運行過程中不會出現根切等問題。另外，在保證行星減速器各項性能滿足要求的前提下，由于整體的結構尺寸和重量有了一定程度的降低，所以運行時的功率損耗也降低很多。經過初步統計分析，認為新型行星減速器運行時的能耗可以降低5%左右。非常符合國家的節能減排的相關要求，為煤礦企業節省了能源消耗，降低了設備的運行成本，取得了很好的經濟效益。

5 結語

以EBZ160型掘進機截割部行星減速器為研究對象，在分析傳統行星減速器結構缺陷的基礎上，對其結構進行優化改進，所得結論主要如下：

1）傳統行星減速器在進行結構設計時，沒有對兩級傳動的傳動比進行科學合理的分配，導致整體結構尺寸偏大，不僅增加了行星減速器的生產制作成本，還使其運行時的能耗增加；

2）在滿足基本要求并保證整體傳動比基本不變的情況下，對兩級傳動比進行優化改進，使得行星減速器整體結構尺寸降低了7.59%；

3）對新型行星減速器的受力情況進行分析，發現各齒輪的受力情況均滿足實際使用需要，將其應用到工程實踐中取得很好的應用效果，為煤礦企業創造了很好的經濟效益。