掘进机行星减速器的改进

闫 伟

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿， 太原 古交 030206）

引言

掘进机为应用于大倾角煤巷、半煤岩巷道、隧道以及软岩巷道的掘进设备。截割部为掘进机直接与岩层、煤层接触的载体，处于掘进机悬臂之中，主要任务是将掘进机电机的转速和扭矩传递至截割头，根据岩层、煤层变化对其进行调节和控制。鉴于掘进工作面空间狭小，要求掘进机截割部减速器结构必须紧凑；但是，为保证实际的截割需要，要求截割部减速器必须具备较大的扭矩[1]。因此，综合体积小和大扭矩的矛盾对掘进机减速器提出了更高的要求。同时，掘进机行星减速器齿轮的模数和齿数按照经验所得，为保证实际的需求需对行星减速器进行优化改进。本文重点对掘进机行星减速器进行改进。

1 掘进机概述

掘进机用于对煤矿巷道的掘进，其具备截割、装载以及喷雾等功能。根据断面形状的不同将其分为连续作业式全断面掘进机和循环作业式部分断面掘进机。其中，连续作业式全断面掘进机适用于单轴抗压强度为50～350 MPa 的硬度较大的巷道，巷道成型后的直径为2.5～10 m；部分断面掘进机适用于单轴抗压强度小于60 MPa 的硬度较小相对较软的巷道。一般的掘进机由工作机构、装运机构、行走机构、液压系统、电控系统以及喷雾降尘系统组成[2]。本文以EBZ160 悬臂式掘进机为例开展研究。

根据悬臂式掘进机截割头的分布方式可将其分为纵轴式悬臂式掘进机和横轴式悬臂式掘进机。悬臂式掘进机的总体结构如图1 所示。

图1 悬臂式掘进机总体结构示意图

如图1 所示，装载机构主要功能是将截割头截割的岩石或煤层运送至输送机构；输送机构将截割下来的煤块或岩石运送至后方装备中；工作结构主要为截割头与煤层或岩层直接接触，实现对煤层或岩层的破碎；行走机构控制掘进机的前进、后退和转向，保证掘进机在预定轨迹上跟踪运行；除尘装置将一定压力的水喷出，现场的煤尘或粉尘浓度降低。本文重点对掘进机行星减速器进行改进，保证其在满足实际掘进强度要求的基础上，实现行星减速器的小型化、轻量化设计。

2 掘进机行星减速器的改进

EBZ160 掘进机虽然能够满足实际的掘进强度要求，但是其与功率相近的掘进机相比较具有齿轮模数较大、传统体积庞大的问题，与工作面相对狭小的空间相背离。因此本节重点对EBZ160 掘进机满足掘进强度要求的基础上，通过改变其行星减速轮系的模数、齿数以及传动比的重新分配，实现其小型化、轻量化的目的[3]。

针对掘进机行星减速器的改进，本文采用传统设计方法和可靠性设计相结合的方式进行。其中，传统设计方法保证掘进机基本功能和大体结构的设计；可靠性设计是在保证掘进机截割部可靠性的基础上，采用有限元分析方法对齿轮传动的力场进行分析，解决体积庞大、材料过设计的问题，最终达到节约材料和成本的目的。

2.1 EBZ160 型掘进机改进基础

EBZ160 型掘进机配置电机的额定功率为160 kW，电机额定转速为1 470 r/min。该型掘进机行星减速轮系各级齿轮的材质均为20Cr2Ni4A，各级齿轮的加工精度为7-8 级，并采用型号为N320 的齿轮油进行润滑。

EBZ160 型掘进机行星减速器包括有一级太阳轮、二级太阳轮、一级行星轮、二级行星轮、一级内齿圈和二级内齿圈。各级齿轮的主要参数如表1 所示。

表1 行星轮系各级齿轮主要参数

2.2 EBZ160 型掘进机行星减速器的改进

结合EBZ160 型掘进机的实际使用情况和工作面的条件，重点从对行星减速器传动比的重新分配和齿数的确定两方面对其进行改进，最终在满足实际强度要求的基础上实现轻量化、小型化的目的。

行星减速器传动比是影响最终行星减速器质量和基本尺寸的主要因素。目前，EBZ160 型掘进机所行星减速器总的传动比为22.5，其中一级传动比为5，二级传动比为4.5。

对于两级行星传动轮系而言，为保证最终行星减速器的径向尺寸较小，主要保证一级内齿圈和二级内齿圈分度圆直径的比例控制在1～1.2 之间。结合两级行星传动轮系的动载系数、齿向载荷分布系数以及寿命系数，最终确定两级传动的齿宽系数为1.5，一级和二级之间的系数比为4。结合两级行星轮系的传动比分配图，最终确定行星减速器的一级传动比为5，二级传动比为4.5[4]。说明，EBZ160 行星减速器的传动比合理。

在对上述行星减速器传动比重新分配和评估的基础上，综合邻接条件、同心条件、安装条件对行星减速器各级齿轮的参数进行改进，改进后的结果如表2 所示。

对比表1 和表2 中的主要参数可知，主要是将各级齿轮的模数、齿数等进行优化。经对比可知，对行星轮系各级齿轮的主要参数优化后，行星减速器的径向尺寸减小7.6%，达到了小型化和轻量化优化的目的。接下来，对优化后行星减速器的强度进行验证，评估其是否能够满足实际掘进机的强度要求。

表2 行星轮系改进后各级齿轮主要参数

3 行星减速器改进后的有限元分析

根据改进后行星减速器的尺寸建立有限元三维模型，模型如图2 所示。

图2 改进后行星减速器三维模型

将所搭建的三维模型导入ANSYS Workbench有限元仿真软件中，结合实际情况对模型中的材料密度、接触疲劳极限、完全疲劳极限、齿轮弹性模量、剪切模量等参数进行设置，施加一定的载荷后对各级齿轮的安全系数、最大应力、最大应变和最大变形进行仿真分析，仿真结果如表3 所示。

表3 改进后行星减速器各级齿轮的变形

如表3 所示，太阳轮和行星轮啮合位置所承受在力最大，二者均发生塑性变形。因此，为保证太阳轮和行星轮的可靠性，需对其采取渗碳和淬火工艺提升太阳轮和行星轮的表面硬度。同时，太阳轮、行星轮的最大应力和最大应变均小于其屈服强度和伸长率等指标，即改进后行星减速器的可靠性和强度满足实际应用需求[5]。

4 结语

掘进机行星减速器为连接设备电机和截割部的主要部件，其可靠性和性能直接决定设备的截割效率和巷道的成型质量。为解决掘进机实际生产中要求较大扭矩和空间狭小的问题，本文重点通过对齿轮传动比重新分配和齿数、模数优化对行星减速器进行改进。经校核，改进后行星减速器的径向尺寸减小7.6%，且改进后行星减速器的强度和可靠性满足实际生产的需求。