刮板输送机行星齿轮减速器结构设计与分析

刘东平

（同煤集团晋华宫矿，山西大同 037003）

0 引言

刮板输送机作为一种挠性牵引机构组成的运输设备，担任煤矿生产工作面主要运输的任务，是实现高效与安全采煤的设备之一[1]。煤矿生产自动化的发展，对刮板输送机也提出新要求，作为其传动部分的减速器，是设备正常运转的关键保障[2-3]。由于综采工作面工况复杂，井下空间小，湿度大、散热条件差，机器又处于重载、连续的工作状态，减速器的传动性能难以保障，甚至可能发生故障[4-5]。过去几年，该类型减速器经过长足的发展，存在一定的先进性，但是随着安全、环保等新的要求提出，产品还存着一定的局限性，所以本文设计了一种行星齿轮减速器作为刮板输送机的传动部件。

1 减速器总体方案设计

本文基于SGZ800/800型刮板输送机设计了一种新型的减速器。根据输入轴与输出轴位置的不同，减速器可分为垂直安装和水平安装，目前国内大多数煤矿刮板输送机采用的都是水平安装型减速器，其主要由三级传动部分组成，第一级为弧形锥齿传动，第二级为圆柱斜齿轮传动，第三级为行星齿轮传动，其结构示意如图1所示[6-7]。这种减速器节约了刮板输送机水平方向的安装空间，但是其中圆柱斜齿传动部分的传动效率低，传动性能差。所以本文决定采用一级弧形锥齿传动和二级行星齿轮传动的水平安装型减速器作为刮板输送机的传动部分，该结构继承了原先节省空间的优点，并且提升了减速器的传动效率与性能，其结构如图2所示。

本文选用的行星齿轮传动技术，其原理是通过太阳轮输入，从外齿圈输出，行星架通过箱体机构固定。同传统的减速器结构相比，行星齿轮传动技术使得减速器在传递同样功率和转矩时，传动的效率更高，具有体积更小，重量更轻，使用寿命长的优点。

图1 传统减速器结构示意图

SGZ800/800型号刮板输送机的电机输出功率为800 kW，电机转速1 470 r/min，根据设计要求，减速器的总传输比约40，单向传输，剧烈振动，三班工作(每天24 h)，工作10年的时间(以每年300天计算)。在传动比分配时，弧形锥齿传动比为2，行星齿轮传动部分为20，其中高速级为4，低速级为5。

图2 二级行星减速器结构示意图

2 行星齿轮传动部分设计

2.1 配齿数

（1）高速级

按设计要求，本文设计的行星齿轮采用非变位传动，根据传动比为4，查设计手册可选配成Za=23，Zb=67，Zc=22[8]，其中Za、Zb、Zc分别为高速级行星齿轮的太阳轮、内齿圈、行星轮齿数。

实际得到的高速级传动比：

（2）低速级

根据高速级实际得到的传动比计算低速级传动比

查设计手册低速级行星齿轮的太阳轮、内齿圈、行星轮齿数可选配成[8]：

实际得到的低速级传动比：

行星齿轮传动部分的总传动为高速级与低速级传动比相乘，其值为 i=iΙiΙΙ=3.913×5.053≈19.77 ，满足原先的设计要求。

2.2 高速级行星齿轮参数计算

（1）通过计算齿面接触强度得到太阳轮的分度圆直径

用设计手册中公式进行计算[8]，式中所需要的系数KA，KH∑，ϕd，KHP等可通过查表得知，其值如表1所示。

电机效率η0=0.91，电机与液力耦合器之间的效率和弧形锥齿轮传动效率总和为 η1=0.8。

行星轮高速级的输入功率：

表1 接触强度有关系数

太阳轮a1的传递扭矩为：

由下面公式计算太阳轮a1分度圆直径为：

（2）通过计算弯曲强度得到高速级齿轮模数

用手册中公式进行计算[8]，式中所用到的系数如表2所示。

表2 接触强度有关系数

σFlim取 σFlim1和中的较小值，因为行星轮与太阳轮都采用20CrMnMo材料，渗碳淬火处理，所以其中σFlim1=420 N/mm2

则σFlim=418.45 N/mm2

则齿轮模数：

取模数m=8 mm，则：

故取da=184 mm，m=8 mm。

因aac=×8×(67-22)=180 mm，显然aac=abc，满足齿轮非变位传动要求。

根据以下公式计算的高速级齿轮齿宽为：

高速级行星轮如图3所示。

图3 高速级行星轮设计

2.3 低速级行星齿轮参数计算

（1）通过计算齿面接触强度得到太阳轮的分度圆直径

因为低速级的输入就是高速级的输出，所以通过高速级实际的传动比计算可得到转臂x1的转速：

高速级的传动效率为：

高速级的输出功率即低速级的输入功率：

太阳轮a2所需传递的扭矩：

（2）通过计算弯曲强度得到高速级齿轮模数

查设计手册按公式进行计算[8]，低速级齿轮模数：

试取齿轮模数m=12 mm，则：

故取 da=228 mm，m=12mm。

根据以下公式计算的低速级传动部分的齿轮齿宽为：

低速级行星传动部分内齿圈如图4所示。

图4 低速级内齿圈设计

3 其他结构设计

3.1 行星架设计

本文所设计的行星传动部分，太阳轮的直径相比行星轮要小一些，所以在设计行星架时，行星轮采用齿轴分离式，通过滚动轴承固定。太阳轮采用内齿圈连接的形式实现固定。

考虑到刮板输送机在运行过程中可能受到冲击的情况，本减速器采用高速级行星架浮动和低速级太阳轮浮动的形式。为了便于加工部件的装配和拆卸，输出轴与行星架分离并通过键连接，经过几种结构的对比分析，最终高低速级的行星架都决定采用双侧板整体结构，这种结构是由两块环形侧板支撑联接组成的空间框架。其中撑柱的数量与行星轮个数相等，尺寸由各齿轮分度圆直径及太阳轮与行星轮的中心距相关。在刮板输送机高负载工作时，减速器会受到较大冲击，箱体温度升高，而双侧板整体结构的刚度好，受热膨胀的影响较小，不会发生工作失效的情况。

3.2 齿式联轴器的设计

在高速级行星架与低速级太阳轮的连接方式选择上，本文选用了目前市面上应用较多的齿式联轴器结构。作为一种可移式的刚性联轴器，齿式联轴器通过内外齿啮合来实现两个零部件之间扭矩与转速的传递，适用于两个同心轴之间传动。由于齿式联轴器体积小、结构紧凑、径向尺寸小，可传递扭矩的范围较大，并且可以对两轴之间产生的相对位移进行补偿，所以在各类机械行业都得到了广泛的应用，尤其适合用于低速重载工况条件下的轴系转动。

4 结束语

本文设计了一种基于SGZ800/800型刮板输送机的行星齿轮减速器，改变原先第二级传动部分为斜齿圆柱齿轮传动的结构，采用二级行星齿轮传动的方式降低了减速器在运行过程中发生故障的概率，增加了系统的传动效率，提高了传动性能。