掘进机行星减速器的设计与强度校核

白丽军

(山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司，山西 晋中 045300)

0 引言

掘进机广泛应用于隧道、地铁和矿井巷道等工程领域，掘进速度、效率和可靠性对其具有重要意义。广泛应用于煤矿领域的EBZ135掘进机是一种悬臂式巷道掘进机，主要适用于煤矿巷道的掘进，其截割头的转矩和功率由电动机通过行星减速器传递。本文以EBZ135型掘进机中的行星减速器为研究对象，对其进行结构设计及强度校核。

1 掘进机行星减速器结构设计

常用掘进机的行星减速器为二级行星传动，在第一级传动中，输入轴对太阳轮施加扭矩，太阳轮转动，使与之啮合的行星轮转动，行星轮同时受固定的内齿圈的约束绕着太阳轮运动，就像天体物理中的行星围绕太阳旋转一样。一般情况下行星轮为3个，从而使作用于每个行星轮的功率变为1/3，实现了功率分流。掘进机二级行星减速器结构示意图如图1所示。

图1 掘进机二级行星减速器示意图

1.1 一级行星齿轮基本参数

通过调研掘进机厂家的技术参数，获得了掘进机行星减速器一级行星传动齿轮的具体参数，如表1所示。

本文分析的掘进机行星减速器一级传动的中心轮材料为17CrNiMo6，经渗碳淬火等热处理后表面硬度可达HRC50～HRC60，为典型的硬齿面齿轮。

1.2 中心距的计算

有限元建模后，需要对齿轮进行装配，而装配的关键参数为中心距a，所以对不同情况下齿轮的中心距进行计算。

表1 一级行星齿轮基本参数

(1) 当外啮合齿轮为标准齿轮时，中心距计算公式为：

a=m·(z1+z2)/2.

(1)

其中：m为模数；z1和z2分别为行星轮和太阳轮的齿数。

(2) 当外啮合齿轮为变位齿轮时，中心距计算公式为：

a=m·(z1+z2)/2+(x1+x2)·m.

(2)

其中：x1和x2分别为行星轮和太阳轮的变位系数。

(3) 当内啮合齿轮为标准齿轮时，中心距计算公式为：

a=m·(z1-z2)/2.

(3)

(4) 当内啮合齿轮为变位齿轮时，中心距计算公式为：

a=m·(z1-z2)/2-(x1-x2)·m.

(4)

本设计中，当外啮合齿轮和内啮合齿轮采用变位齿轮时，将参数代入式(2)和式(4)计算得到的太阳轮与行星轮中心距分别为119.039 mm和115.88 mm。

2 模型的建立

根据上述齿轮参数，应用目前主流的三维建模软件Solidworks对掘进机减速器的一级行星齿轮进行三维实体建模。

模型建好后对齿轮进行装配，如图2所示。根据已经建立的模型将太阳轮与行星轮导入一个装配文件中，由于两个齿轮都是变位齿轮，齿轮面不好接触，因此采用在太阳轮与行星轮模型中分别建立一条线，其中一条过中心与齿顶中点，另一条过中心与齿根中点，然后将这两条线重合即可。

3 强度校核

本减速齿轮采用渐开线齿廓，其形状决定了在过渡曲线变化处容易发生应力集中现象，其中主要部位为齿根过渡圆弧段，所以受力分析时要对齿轮齿根部进行强度校核。

行星减速器输入端通过电机驱动，扭矩计算公式为：

(5)

其中：P为掘进机行星减速器输入端功率；n为电机额定转速；η为减速器的传递效率。

本设计电机型号为YBS-135 ，输入功率P=135 kW，额定转速n=970 r/min，减速器的传递效率η=0.95。将数值代入式(5)计算得T=1 263 N·m。

采用有限元软件ANAYS对齿轮齿根进行强度校核。根据实际受力情况施加边界条件：内齿圈外圈添加固定约束，中心太阳轮施加1 263 N·m的转矩。行星轮组件及边界条件如图3所示。

图2 齿轮装配示意图 图3 行星轮组件及边界条件

鉴于太阳轮齿数少，在加工过程中容易产生根切，是行星机构中最为薄弱的齿轮，特别是其齿根部位，所以本文对太阳轮进行 静力学分析，得到的结果如图4所示。

由图4可知，太阳轮最大应力位置为受载齿轮根部，最大应力为918 MPa，齿轮齿根部位的应力集中容易出现断齿现象；最大变形为0.9 mm，位于太阳轮受载齿对面齿的顶端部位。

仿真分析结果与理论分析结果相类似，说明了有限元分析的有效性。

图4 太阳轮有限元分析结果

4 结语

针对掘进机行星减速器一级齿轮容易失效问题，提出了一种基于有限元的强度分析方法。应用ANSYS软件对掘进机行星减速器第一级传动中的太阳轮进行有限元分析，分析结果与前期设想结果较为吻合，验证了有限元法对该行走轮分析的有效性。

参考文献：

饶振纲.行星齿轮传动设计.北京：化学工业出版社，2003.

卜忠红,刘更,吴立言.行星齿轮传动动力学研究进展.振动与冲击,2010,29(9):161-166.

成大先.机械设计手册.北京：化学工业出版社，2004.

孙智民,沈允文,李素有.封闭行星齿轮传动系统的动态特性研究.机械工程学报,2002,38(2):44-48.

朱才朝,黄健,唐倩.少齿差行星齿轮传动实际接触齿数及载荷分配的研究.中国机械工程,2002(18):1586-1589.