煤礦機(jī)械無(wú)軸承行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

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0引言

隨著煤機(jī)設(shè)備朝大功率、大規(guī)格和大扭矩方向發(fā)展，產(chǎn)品可靠性和壽命的要求也越來(lái)越高，而受井下空間尺寸的限制，齒輪傳動(dòng)要求的功率體積比越來(lái)越大。行星輪傳動(dòng)裝置采用多個(gè)行星輪同時(shí)傳遞載荷，實(shí)現(xiàn)功率分流，具有傳動(dòng)比大、體積小、重量輕、效率高、振動(dòng)小、噪音低的優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越普遍的應(yīng)用。

1使用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的行星傳動(dòng)裝置一般采用雙軸承支撐行星軸，軸承或置于行星輪內(nèi)，或置于行星架中，見(jiàn)圖2，軸承不可避免地要占用有限空間內(nèi)的徑向尺寸，在有限空間內(nèi)布置軸承就需要減小減小行星軸直徑或行星輪、行星架外壁壁厚，在具體設(shè)計(jì)計(jì)算中，在一定空間尺寸限制下，很難同時(shí)滿(mǎn)足行星輪或行星架、行星軸強(qiáng)度及軸承壽命要求。目前，國(guó)內(nèi)為提高行星傳動(dòng)系統(tǒng)功率體積比，設(shè)計(jì)中往往采用去內(nèi)圈或外圈的滾動(dòng)軸承及行星軸充當(dāng)內(nèi)圈、行星輪內(nèi)孔充當(dāng)外圈的滾珠軸承方式。在空間尺寸緊張、轉(zhuǎn)速較低的情況下，采用薄壁滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)。但在功率、體積矛盾日益突出的情況下，行星軸的徑向尺寸加大10mm，甚至是5mm對(duì)強(qiáng)度的影響也不可忽視：比如一根直徑50mm的軸，其抗彎截面模量是直徑45mm軸的1.37倍，那么在彎矩相同的情況下，其應(yīng)力值僅為直徑45mm軸的72%左右。因此，采用無(wú)軸承行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，可在有限空間內(nèi)合理分配行星軸、行星輪、行星架的空間尺寸，均衡各零件強(qiáng)度，提高行星傳動(dòng)的整體可靠性。

2無(wú)軸承行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

無(wú)軸承行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖5，行星軸與行星架固定，無(wú)軸承支撐，行星輪與行星軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)，行星軸兼具軸承的功能。該結(jié)構(gòu)充分利用有限空間，提高行星傳動(dòng)功率體積比。國(guó)外先進(jìn)煤機(jī)制造商已有使用該技術(shù)的相關(guān)的產(chǎn)品問(wèn)世，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了很好地應(yīng)用，中國(guó)目前尚未發(fā)現(xiàn)有使用無(wú)軸承行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的國(guó)產(chǎn)礦用齒輪箱，該項(xiàng)目的研究在國(guó)內(nèi)尚屬空白。無(wú)軸承行星傳動(dòng)的關(guān)鍵在于合理分配行星軸、行星輪、行星架的空間尺寸，均衡各零件強(qiáng)度，提高行星傳動(dòng)的整體可靠性。設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先利用經(jīng)典力學(xué)理論計(jì)算齒輪壽命和強(qiáng)度、行星軸強(qiáng)度，并調(diào)整行星軸直徑，保證二者均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，然后利用有限元軟件進(jìn)一步分析行星輪、行星軸和行星架，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使行星架強(qiáng)度與行星輪、行星軸強(qiáng)度均衡，提高行星組件體積功率比。無(wú)軸承行星傳動(dòng)行星輪與行星軸、行星軸與行星架之間的配合關(guān)系也是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。行星架的孔的加工難度高于行星輪的孔的加工難度，正常情況下，行星軸與行星架配合按基孔制，行星軸與行星輪配合按基軸制。行星軸與行星架固定，安裝定位鍵，防止行星軸與行星架發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)，這樣行星軸與行星架可選較松的配合，便于裝配，只需滿(mǎn)足定心要求即可。行星輪與行星軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)，應(yīng)選擇間隙配合，但間隙太大，影響齒輪嚙合及均載效果；間隙太小，行星輪與行星軸之間無(wú)法形成油膜，行星軸磨損嚴(yán)重，影響行星軸使用壽命。另外，無(wú)軸承行星傳動(dòng)的原理上是一種滑動(dòng)摩擦，工作部件溫度較高，必須考慮行星軸的熱膨脹量對(duì)配合間隙的影響。在設(shè)計(jì)時(shí)，行星輪孔的公差要加入熱膨脹量，熱膨脹量的值可按下式計(jì)算：σ=dtε，（1）式（1）中，σ為行星軸的熱膨脹量，mm；d為行星軸的直徑，mm；t為環(huán)境溫度，℃；α為材料熱膨脹系數(shù)。行星輪與行星軸配合關(guān)系影響潤(rùn)滑油膜形成質(zhì)量，初步確定后必須按潤(rùn)滑方式研究部分進(jìn)行詳細(xì)校核，合理調(diào)整。

3結(jié)語(yǔ)

煤礦井下條件惡劣，巷道底板不平整，經(jīng)常有較多煤泥水，承載能力相對(duì)較低，因此，行走齒輪箱必須提供充足的動(dòng)力，保證整機(jī)可靠運(yùn)行。在井下工業(yè)性試驗(yàn)期間，項(xiàng)目組對(duì)應(yīng)用無(wú)軸承行星傳動(dòng)結(jié)構(gòu)行走齒輪箱進(jìn)行功率、振動(dòng)等方面數(shù)據(jù)的采集，并分析實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示無(wú)軸承行星傳動(dòng)裝置動(dòng)力輸出穩(wěn)定。

作者：石濤 單位：中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司