采煤机无多余约束齿轮传动的应用分析

陈文娟

（郑州煤机综机设备有限公司 郑州 450100）

采煤机无多余约束齿轮传动的应用分析

陈文娟

（郑州煤机综机设备有限公司 郑州 450100）

作为采煤机械的主要传动形式，齿轮传动（包括牵引部、和截割部等）怎样在尽量减少生产成本的基础上，提高齿轮传动的性能和实用效果，是采煤机设计者面临的首要问题。本文针对MG150B薄煤层采煤机中采用的各种传动系统，详细介绍传动系统中无多余约束齿轮传动的概念和原理，并且提出自己的观点。

采煤机；无多余约束齿轮传动；传动系统

1 无多余约束齿轮传动概述

1.1 采煤机无多余约束齿轮传动概念

从机械设计原理的方面来讲，因为齿轮传动过程中会有多余的约束，多余约束会限制机械机构多角度自由的运动，产生多余的力矩，使齿轮等机械机构的接触不能很好的实现，这就需要从机械设计和结构原理两方面着手来充分发挥齿轮传动在传动能力和效果上的潜力。

1.2 无多余约束齿轮传动原理

要理解无多余约束齿轮传动的原理就要先理解自由度，自由度的计算公式为：

式中：W——自由度；

n——活动机械构件数目；Pi——第i级活动的副数目。

对普通的采煤机的机械传动机构来说，一般情况下只有一个活动度，可以推算出多余约束Q。

从上面公式（1）和公式（2）可以看出，从原理上就齿轮传动而言，不考虑单独轴承的承受能力的话，完全可以发挥齿轮传动的潜力。

2 无多余约束传动机构在采煤机牵引部的分析

2.1 无多余约束传动机构在采煤机牵引部中应用概述

在MG150B采煤机的牵引部的设计中，无多余约束的传动形式应用在从马达输出到行星机构传动的前一级中，迂回传动的从动轮中。此处采用无多余约束传动方式主要是因为轴向尺寸的限制。此处采用无多余约束传动并且在采煤机厂的实践中，对采煤机牵引部做的耐久性实验以及在后来的使用过程中，都取得了不错的效果。

2.2 采煤机牵引部中应用无多余约束传动机的原理

图1为无多余约束传动在牵引部中的应用原理图。

图1

因为马达含有惰性的特点，所以在分析其原理时将其作为一个运动件考虑，在图1中Z2是只有一个球面辐的惰轮，Z3为传动齿轮。根据无约束传动的原理，可以发现在该处的结构设计中，存在两个多余约束。从结构设计的角度来分析，在设计中考虑到了一定的侧面缝隙，这样就能够充分发挥调心轴承的作用，同时也改善了安装上的工艺性。但是由于没有完善的检测手段，没有办法完成定量分析，所以在转动过程中其中的偏斜还是实际存在的。从上面可以看出，机械自身的加工精度是很大一部分原因，因为不容易控制，所以传动中出现多种多样的运动型态，是正常的。

2.3 采煤机截割部无多余约束传动

采煤机截割部是采煤机实现落煤、装煤的重要部件，截割部主要有以下几个部分组成：截割电机、齿轮减速装置等装置。齿轮减速装置全部在行星减速器内，结构简单、可靠并且紧凑性好。截割部在采煤机运作的过程中需要消耗采煤机80～90%的功率，所以设计要求截割部需要有很好的韧性、可靠性、以及很高的强度，并且还要有良好的密封润滑，散热条件好，传动效率高。截割部无多余约束传动的应用能够很好的满足截割部工作的要求，因此目前广泛应用于市场上。下面第三章将会对截割部中应用最普遍的行星传动做详细的介绍和分析。

3 无多余约束传动机构在行星传动中的应用

3.1 无多余约束传动机构在采煤机行星传动中的应用概述

行星传动机构作为采煤机中传动功率最大，负荷量最大传动件，是采煤机中最为要紧的传动件。在采煤机的实际应用中，ZK-H行星传动应用最为普遍。因为其采用球面形状的行星机构，下一节将会对应用最为普遍的ZK-H行星传动做详细介绍。

3.2 无多余约束传动在采煤机星形传动中的应用

图2为ZK-H行星机构原理图，根据原理图来分析无多余约束传动机构在星形传动机构中的应用情况。其中图2（a）为普通ZK-H行星机构，图2（b）为在星形轮中采用圆球面形式的星形机构。

图2

根据自由度的计算原理公式可以计算出图中所表示的多余齿轮约束的情况，根据原理计算可以得出在图2（a）中存在多达6个多余约束。再看图2（b）中机构的情况，可以得出如下结论：图3（b）为简化的无多余约束的ZK-H行星传动的原理简图。

从以上的分析中可以看出：为了消除多余的制约因素，并且在使用过程中避免强度、结构上缺陷，可以在每个行星轮中都采用球面副，将行星轮分成若干排并且在工艺上做的更窄，并且装载在球面轴承上，这样就能让沿齿宽还有中心轮周围上都能实现无多余约束，并且成为多流传动形式。能够有效克服普通ZK-H传动中行星轮窄小的缺点。

4 无多余约束传动机构的强度分析

4.1 无多余约束传动机构强度的重要性

MG150B采煤机中牵引部和行星传动机构中的齿轮强度是衡量采煤机机械性能和可靠性重要的指标，只有强度达到更好的标准，才能有效可靠的工作，进而减少采煤机的故障率，提高机械的生产效率。针对齿轮强度，有齿轮轻度校验公式可以验证。下一节将对其校验公式和原理进行详细的介绍。

4.2 无约束传动机齿轮强度定性分析

一直以来，采煤机中齿轮强度就是采煤机牵引部的薄弱部分之一。

上面公式给我们提供了对牵引部齿轮强度进行定性分析的依据。从定量分析的公式中可以得出如果想要改善齿轮的强度就可以改善各个因子，进而改善齿轮的强度。如：将工况系数设为1，安全系数依然设为1，就是说富裕度很小。在齿轮啮合情况很好的情况下，就可以很好的发挥齿轮的功能，经过几百个小时的实际应用，马达传动齿轮无损坏，啮合完好，肉眼辨别正常。从以上的定量性轻度分析，可以在原理上说明，无多余约束的齿轮传动是一种可以有效改善齿轮传动特性，啮合特征的一种设计方法。

5 无多余约束齿轮传动结构分析

5.1 无多余约束齿轮传动结构剖析

图3中图3（a）是一般采煤机中采用惰轮的典型结构。这种结构采用的是两个带有双列的向心球面的滚动的轴承，但是根据分析可以知道，其实这种结构是有多余约束的。图3（b）是采用一个双列向心球面滚子轴承，是一种无多余约束的球面副。根据机械零件的设计规定，图3（a）中根据规定，两个轴承的载荷应该为单个轴承的1.5倍。考虑到结构上的因素和各种机械设计上的工艺因素的影响，不到两倍的关系，从径向尺寸和轴承的强度来讲，可以达到要求。图3（c）中的结构形式，因为采用了把各自的球面向心轴加入到各自的齿轮中，这样就可以完成从单流传动到多流传动的变化，更能增加齿轮传动结构的性能。

图3

5.2 无多余约束齿轮传动方式的应用及其问题分析

更好的应用无多余约束的齿轮传动形式，对于当前的采煤机很有意义。目前市场上常见的MG300、MG400、S3-170等系列采煤机，都是采用这种无多余约束的齿轮传动方式。在目前超薄煤层采煤机应用中，因为现场环境需要机壳长、平行轴多、而且尺寸大。所以在加工生产时，其各孔的精确度不能保证，往往制造的产品与标准值降低一定的精度等级。通常精度等级需要达到8-7-8的啮合齿轮，相对应的轴线平行度应该与九级精度的齿轮相当，所以当下标准要求的安装后沿齿长接触60%，沿齿高方向的接触度达到40%也是不容易达到，这也是造成轴承不能达到预期，不能承载相应负荷的一个非常重要的原因。

6 总结

本文中所分析的无多余约束齿轮传动方式，只是限于中心轴，而在转轴上如何应用无多余约束的齿轮传动方式还有待于研究。本文所论述的观点有一定的普遍性，对我国目前市场上的采煤机机械的加工、工艺水平、以及使用和维护能力的提高，还有更重要的采煤机机械结构设计具有一定的参考意义。

[1]程居山.矿山机械，中国矿业大学出版社，2010（05）：65～68.

[2]潘学义.采煤机选型问题探讨，江苏煤炭科技，2015（03）：89～92.

[3]谢锡纯.矿山机械与设备，徐州：中国矿业出版社，2014（07）：32～34.

TH132.41

A

1004-7344（2016）15-0237-02

2016-5-12

陈文娟（1983-），女，助理工程师，本科，主要从事机械设计工作。