（机械制造及其自动化专业论文）ebz135掘进机截割部行减速器的优化研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 e b z l3 5 掘进机行星减速器的优化研究 摘要 在煤炭行业中，煤矿巷道的快速掘进是保证煤炭产量及采掘效率的关 键技术，采掘装备及技术水平直接关系到煤矿的生产效率及煤矿安全。目 前，国内大中型煤矿的巷道掘进主要的方式是采用掘进机和单体锚杆钻机 配套作业，称之为煤巷综合机械化掘进。当前所采用的掘进机械主要是以 悬臂式掘进机为主。尽管我国在近年来不断加大对掘进技术的研究力度， 并且取得了一些重要成果。但是，与国外的先进设备相比，由国内自主设 计生产的掘进机的总体性能参数偏低，在掘进机的控制技术、截割方式、 除尘系统及元部件的可靠性等方面还存在着较大的差距。 e b z l 3 5 掘进机是一种悬臂式掘进机，主要用于煤巷、半煤岩巷以及软 岩的巷道、隧道掘进。该掘进机通过截割臂和截割减速器将电动机的扭矩 和功率传递到截割头，对岩煤进行截割。截割减速器的结构形式、运转情 况等各方面的性能指标将会通过影响截割头的运转而直接影响掘进机的采 掘效率、生产能力及机体的稳定性等。因此，截割部减速器在e b z l 3 5 掘进 机的组成结构中具有重要的地位。由于掘进机的工作空间一般比较狭小， 要求掘进机的工作机构应该在保证工作性能及使用要求的前提下使结构尺 寸最小。对于悬臂式掘进机而言，应该在保证截割臂的强度等各项安全指 标使用性能指标的前提下，减轻截割臂的重量，减小其外围直径。由于截 割减速器安装在截割臂内，这就使得截割减速器的预留安装空间变的非常 有限。因此，有必要对e b z l 3 5 掘进机的截割减速器进行以体积最小为目标 的参数优化，使得在保证掘进机使用性能及安全性能的前提下，使截割减 速器的体积最小。 太原理工大学硕士研究生学位论文 e b z l3 5 掘进机截割部减速器采用的是n g w 二级行星齿轮减速器，本文 通过建立该减速器的数学模型及约束条件，运用m a t l a b 优化工具箱对其 进行了参数优化。通过安全校核计算之后，进一步确认了优化参数后的截 割减速器达到了各项安全性能要求，并且优化后减速器体积较优化前缩小 了2 2 3 ，大大缩小了减速器的体积，减少了制造成本，改善了截割性能。 通过运用u gn x 7 0 对优化后的截割减速器进行实体模型的建立，并对 其进行了运动学仿真。通过运动学仿真结果，验证了优化参数后的截割减 速器满足实际的使用要求，其各个部件的运动规律符合截割减速器的实际 运行轨迹。 最后，运用a n s y sw o r k b e n c h l 2 0 对截割部减速器进行了机构静力学 的有限元分析。具体分析计算了减速器在最大静力作用下的结构变形、最 大应力等，并与之前的安全校核结果及相关技术要求相比较，验证了优化 后的减速器满足强度要求及最大变形尺寸要求。 关键词：掘进机，截割减速器，优化，有限元分析 t h eo p t i m i z a t i o na n dr e s e a r c hf o rt h 匝p l a - 】屺t a r y g e a rr e d u c e r0 ft h ee b zl35c u t t i n gu n i t r o a d h e a d e r a b s t r a c t t h er a p i de x c a v a t i o no ft h ec o a lt u n n e li sak e yt e c h n o l o g i e st oe n s u r ec o a l p r o d u c t i o na n de x t r a c t i o ne f f i c i e n c yi nt h ec o a li n d u s t r y m i n i n ge q u i p m e n ta n d t e c h n i c a ll e v e li sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ep r o d u c t i v i t ya n ds a f e t yo fc o a lm i n e s a t p r e s e n t ，t h es u p p o r t i n go p e r a t i o n so fr o a d h e a d e ra n dt hm o n o m e rju m b o l t e ris t h em a i nr o a d w a ye x c a v a t i o nw a yi nt h ed o m e s t i cl a r g ea n dm e d i u m s i z e dc o a l m i n e s ，c a l l e dt h ec o a l r o a dc o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dd r i v i n g ，t h eb o o m e d r o a d h e a d e ri st h em a i nb o r i n gm a c h i n e r y a l t h o u 曲o u rc o u n t r yc o n t i n u et o i n c r e a s e r e s e a r c he f f o r t so nt h et u n n e l i n gt e c h n o l o g y ，a n dh a sm a d es o m e s i g n i f i c a n ta c h i e v e m e n t si nr e c e n ty e a r s b u t ，c o m p a r e dw i t hf o r e i g na d v a n c e d e q u i p m e n t ，h a st h el o w e ro v e r a l lp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so ft h er o a d h e a d e rb y d o m e s t i ci n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p ，a n dc o n t r o lt e c h n o l o g y 、c u t t i n g w a y 、d u s tp e l l e t i z i n gs y s t e m 、t h er e l i a b i l i t yo fp a r t sa n do t h e ra s p e c t s ，t h e r ea r e s t i l lab i gg a p e b z13 5r o a d h e a d e ri sab o o m e dr o a d h e a d e r , m a i n l yu s e df o rr o a d w a ya n d t u n n e lb o r i n go fc o a l ，t h es e m i c o a lr o c ka n ds o f tr o c kr o a d w a y t h er o a d h e a d e r t r a n s m i tt h em o t o rt o r q u ea n dp o w e rt ot h ec u t t i n gh e a db yc u t t i n ga r ma n d r e d u c e r , t oc u tt h er o c ka n dc o a l t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n i n ga n do t h e ra s p e c t s o fp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ec u t t i n gr e d u c e rw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ee x t r a c t i o n e f f i c i e n c y 、p r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dt h es t a b i l i t yo ft h er o a d h e a d e rb yt h e o p e r a t i o no ft h ec u t t i n gh e a d t h e r e f o r e ，t h ec u t t i n gr e d u c e rh a sa ni m p o r t a n t 太原理工大学硕士研究生学位论文 p l a c e i nt h ec o m p o s i t i o no ft h ee b z l3 5r o a d h e a d e r b e c a u s er o a d h e a d e r s w o r k i n gs p a c eisr e l a t i v e l ys m a l l ，t h e r e f o r e ，s h o u l dm a k e t h es t r u c t u r eo ft h e r o a d h e a d e r s w o r k i n gp a r t s m a l l e s tu n d e rt h e p r e m i s e o fg u a r a n t e et h e p e r f o r m a n c ea n du s er e q u i r e m e n t s f o rt h eb o o m e dr o a d h e a d e r ，s h o u l dr e d u c e t h ew e i g h ta n do u t e rd i a m e t e ro ft h ec u t t i n ga r mu n d e rt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e e t h es a f e t yp e r f o r m a n c ei n d e xo ft h ec u t t i n ga r m a st h ec u t t i n gr e d u c e ri n s t a l l e d i nt h ec u t t i n ga r m ，w h i c hm a k e sr e s e r v e di n s t a l l a t i o n s p a c eo ft h ec u t t i n g r e d u c e ri sv e r yl i m i t e d t h e r e f o r e ，t h es m a l l e s tt a r g e tp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no f e b z13 5r o a d h e a d e r sc u t t i n gr e d u c e ri sn e c e s s a r yt om a k et h em i n i m u mv o l u m e o ft h er o a d h e a d e ru n d e rt h ep r e m i s eo fg u a r a n t e et h es a f e t yp e r f o r m a n c ei n d e x o ft h er o a d h e a d e r t h ec u t t i n gr e d u c e ro fe b z13 5r o a d h e a d e ru s e di sn g w p l a n e t a r yg e a r r e d u c e r i nt h i sp a p e r , c o m p l e t e do nt h ep a r a m e t e ro p t i m i z a t i o no ft h er e d u c e r t h r o u g ht h ee s t a b l i s h m e n to ft h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dc o n s t r a i n t se q u a t i o n s o ft h er e d u c e r , b yu s i n gt h em a t l a b o p t i m i z a t i o nt o o l b o x b yt h ec a l c u l a t i o n o ft h es a f e t yc h e c k ，f u r t h e rc o n f i r m a t i o no ft h es a f e t yp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r so f t h eo p t i m i z e dc u t t i n gr e d u c e r t h ev o l u m eo ft h eo p t i m i z e dr e d u c e ri sr e d u c e d b y2 2 3 ，s i g n i f i c a n t l yr e d u c i n g t h ev o l u m eo ft h e r e d u c e r , r e d u c e d m a n u f a c t u r i n gc o s t s ，i m p r o v e dc u t t i n gp e r f o r m a n c e t h r o u g ht h e u s eo fu gn x 7 0e s t a b l i s h e dt h es o l i dm o d e lo ft h eo p t i m i z e d c u t t i n gr e d u c e r , a n dc o n d u c t e dk i n e m a t i c ss i m u l a t i o no ft h es o l i dm o d e l t h e r e s u l t so ft h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o nv e r i f yt h eo p t i m i z e dc u t t i n gr e d u c e rt om e e t t h ea c t u a lr e q u i r e m e n t s ，t h el a wo fm o t i o no fi t sp a r t si nl i n ew i t ht h ea c t u a l t r a je c t o r yo fc u t t i n gr e d u c e r f i n a l l y , t h r o u g ht h eu s eo fu ga n s y sw o r k b e n c h12 0c o n d u c t e dt h e s t r u c t u r es t a t i cf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h es o l i dm o d e l s p e c i f i ca n a l s y s e da n d c a l c u l a t e dt h es t r u c t u r ed e f o r m a t i o na n dm a x i m u ms t r e s so ft h er e d u c e ru n d e r t h ea c t i o no ft h em a x i m u ms t a t i c ，a n dv e r i f yt h eo p t i m i z e dr e d u c e rt om e e tt h e s t r e n g t hr e q u i r e m e n t sa n dt h em a x i m u md e f o r m a t i o no fs i z er e q u i r e m e n t sb y t v c o m p a r e dw i t ht h es e c u r i t yc h e c kr e s u l t sa n dr e l a t e dt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：r o a d h e a d e r , c u t t i n gr e d u c e r ，o p t i m i z a t i o n ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s v 太原理工大学硕士研究生学位论文 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 选题背景及意义 第一章绪论弟一早三百t 匕 本课题来源于太原矿山机器集团有限公司，该公司始建于1 9 2 5 年，属国有大型一 类企业。2 0 0 5 年，在山西省委省政府及有关部门的推动和大力支持下，以太原重型机 械集团牵头，联合7 家省属煤炭企业共同组建了太原重型机械集团煤机有限公司，太矿 集团成为煤机公司的核心企业。在8 0 多年的发展过程中，逐步形成了以“煤炭采掘设 备、冶金轧制设备、润滑液压系统及元件、电气控制设备、重型减速设备”为主导产品 的产业格局。其中煤炭采掘设备为企业的主导产品，大功率电牵引采煤机市场占有率达 到7 5 ，在国内和国际上享有盛誉。 本课题是针对太原矿山机器集团有限公司所生产的e b z l 3 5 掘进机的截割减速器 所存在的问题而提出的。e b z l 3 5 掘进机是一种典型的悬臂式掘进机，主要适用于较 大倾角的煤巷、半煤岩巷以及软岩的巷道、隧道掘进，能够实现连续切割、装载、运输 作业。该机具有机身矮、功率大、适应大倾角、破岩能力强、灭尘效果好等特点。截割 部行星减速器位于掘进机悬臂内部，处于截割电机与截割头之间，起匹配转速与传递转 矩的作用，是截割部的重要组成部分。因此，截割部行星减速器的工作性能直接影响着 掘进机的最终执行机构一截割头的工作性能的忧劣。由于掘进机的工作空间狭窄，要求 掘进机截割部减速器结构紧凑，但是截割部减速器的工作过程又需要传递较大的工作扭 矩，需要足够的尺寸来保证减速器的强度要求。这样就对减速器的设计工作提出了一个 设计上的合理优化问题，即在保证减速器的各项工作强度、使用寿命、传动比要求的前 提下，使减速器的体积最小。另外，由于e b z l 3 5 掘进机截割部行星减速器的齿轮模 数及齿数等参数都是根据经验取得。因此，该掘进机所使用的截割部减速器的各项参数 都需要做进一步的优化，尽可能在保持其各项使用指标的情况下减轻重量，减小体积， 这对工作空间有限的e b z l 3 5 掘进机的截割部行星减速器的安装空间显得尤为重要【1 】o 本课题就是针对这一技术问题展开研究的。为了深入和彻底的解决这一问题，本人 查阅了大量的有关行星齿轮减速器方面的技术资料，并进行了深入细致的研究，最后确 定了解决这一问题的基本思路。首先，建立该行星减速器优化设计的数学模型，确定合 太原理工大学硕士研究生学位论文 理的优化参数，通过m a t l a b 软件进行数学计算，得到优化后的参数，然后运用u g 软件对该减速器进行优化后参数的三维实体建模、虚拟装配、运动学分析的研究。最后 运用a n s y s 软件对主要承载零件进行有限元分析，验证优化结果的合理性。 1 2 掘进机概述 1 2 1 掘进机的种类 掘进机是指集截割、装载、装载煤岩及喷雾降尘等功能于一身，并且能够自己行走， 具有支护功能，以机械方式破落煤岩的掘进设备【2 1 。掘进机根据其所掘断面的形状分为 连续作业式全断面掘进机和循环作业式部分断面掘进机，如图1 1 和1 2 所示。 图1 1 全断面掘进机图1 2 部分断面掘进机 f i g 1 - 1f u l lf a c er o a d h e a d e r f i g 1 - 2p a r t i a lc r o s ss e c t i o nr o a d h e a d e r 全断面掘进机主要适用于直径约为2 5 1 0 m 的全岩巷道，其岩石单轴抗压强度为 5 0 3 5 0 m p a 的硬岩巷道，所需断面一次截割成型，断面形状大多为圆形，主要用于工 程隧道的岩石掘进。用全断面掘进机作业，对巷道围岩的影n g d , ，巷道断面超挖量小， 围岩稳定，壁面光滑，巷道维护费用低，并可以使破岩、装岩、运输、支护等实现机械 化，掘进速度快，生产效率高，安全可靠。 部分断面掘进机一般适用于单轴抗压强度小于6 0 m p a 的煤、煤岩、软岩水平巷道， 但大功率机器也可以用于单轴抗压强度达2 0 0 m p a 的硬岩巷道。部分断面掘进机一次 仅能截割所需断面的一部分，工作机构需要多次摆动，逐次截割才能完成所需断面，断 面形状可以是矩形、梯形、拱形等各种形状，它工作时，要同时实现破碎煤岩、装载运 输、调动行走、喷雾灭尘等功能。悬臂式部分断面掘进机广泛使用于煤矿采掘【3 1 。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前，国内外研制和使用的断面掘进机种类较多，但是其总体结构均包含以下几个 部分。 ( 1 ) 工作机构，是掘进机直接进行截割工作面的装置； ( 2 ) 装运机构，是将工作机构截割下来的煤岩运输、转载到掘进机后面的装载机 或其它运输装置中； ( 3 ) 行走机构，是掘进机完成前进、后退及转弯的执行机构和整台掘进机的支撑 基础； ( 4 ) 液压系统，由液压泵、液压马达、液压缸、控制阀组及其辅助液压元件等组 成，用来提供压力油，控制悬臂的上下左右移动和驱动装运机构中间输送机、集料装置 及行走机构的驱动轮，并进行液压保护； ( 5 ) 电控系统，向机器提供动力，驱动掘进机上的所有电动机，同时还对整车的 照明、故障显示、瓦斯报警等进行控制，并可实现电气保护； ( 6 ) 喷雾降尘系统，降低掘进机在作业过程当中产生的粉尘的装置，喷雾降尘系 统由内、外喷雾装置组成，通过向工作面喷射水雾来达到降尘的目的【4 1 。 1 2 2 悬臂式掘进机的结构及工作原理 如图1 3 所示，是悬臂式掘进机的总体机构简图。 1 截割臂2 回转台 3 装载机构4 转载机构5 行走机构6 电控装置7 输送装置8 液压系统 图1 3 掘进机总体结构 f i g 1 一o v e r a l ls t r u c t u r eo f r o a d h e a d e r 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 悬臂式掘进机按照其截割头的布置方式可以分为：纵轴式和横轴式两种：按掘进对 象可以分为：煤巷、煤岩巷和全岩巷悬臂式掘进机三种；按机器的驱动形式可以分为： 电力驱动和电液驱动两种。纵轴式和横轴式掘进机工作原理如图1 4 和图1 - 5 所示： i a ) h ) ( a ) q - 作方式( b ) 在倾斜煤岩中做选择性截割 图1 4 纵轴式掘进机的工作方式 f i g 】一4l o n g i t u d i n a lc u t t e r - t y p er o a d h e a d e rw a yo fw o r k i n g 图1 5 横轴式掘进机的工作方式 f i g 1 5t r a n s v e r s ec u t t e r - w p er o a d h e a d e rw a yo fw o r k i n g 纵轴式掘进机是指切割头旋转轴线与悬臂轴线重合的掘进机。纵轴式掘进机工作 时，先是将截割头钻进煤壁掏槽，然后按一定方式摆动悬臂，直至掘出所需要的断面。 掏槽可在巷道断面的任意位置进行，但在悬臂与巷道底板平行时，受力状态最好。截割 头的运动形式为截割头的旋转和悬臂摆动的合成运动，截齿齿尖的运动轨迹近似为平面 摆线。 横轴式掘进机是指切割头旋转轴线垂直于悬臂轴线的悬臂式掘进机，横轴式掘进机 工作时也是先进行掏槽截割，掏槽进给力来自行走机构，最大掏槽深度为截割头直径三 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 分之二左右。掏槽时，截割头需做短幅摆动，以截割位于两半截割头中间部分的煤岩， 因而使得操作较复杂。横摆截割时，截齿齿尖的运动轨迹近似为空间螺旋线【”。 1 2 3e b z l3 5 掘进机的结构及工作原理 本课题所研究的掘进机为e b z l 3 5 掘进机( 如图1 2 所示) ，该掘进机主要包括截 割部、铲板部、第一运输机、本体部、行走部、后支承、液压系统、水系统、润滑系统、 电气系统等几个组成部分。如图1 6 所示： 蠼袋。 罐器 图1 - 6e b z l 3 5 掘进机结构图 f i g 1 - 6e b z i3 5r o a d h e a d e rc h a r t 该掘进机是集截割、装载、运输和行走等多种功能于一身的纵轴式悬臂掘进机，主 要用于煤巷、半煤岩巷以及软岩的巷道、隧道掘进。 截割部布置在机体的最前端，由截割头、悬臂、行星减速器、联轴器、电动机组成， 如图1 7 所示。截割部是掘进机直接用于工程掘进的最终执行机构，是掘进机所有组成 部分当中最重要的部分之一。 截割电机截割减速器截；i 鄂絮傅 图1 7e b z l 3 5 掘进机截割部结构图 f i g 1 7e b z l3 5r o a d h e a d e r sc u t t i n gu n i tc h a r t 5 警孽掣 矗 懑粼伊 太原理工大学硕士研究生学位论文 e b z l 3 5 掘进机主要适用于煤及半煤岩的井下巷道掘进，也适用于类似的工程隧 道掘进。该机具有以下几个特点： ( 1 ) 机身矮、重心低、爬坡能力强； ( 2 ) 机身矮、重心低、爬坡能力强； ( 3 ) 整机结构刚性好、强度高、稳定性强； ( 4 ) 具有内外喷雾、漏水检测及保护功能； ( 5 ) 行走减速机与驱动马达高度集成； ( 6 ) 第一运输机采用中双链运输形式，底板呈直线形状，保证运输顺畅，提高溜 槽及刮板使用寿命： ( 7 ) 铲板具有双面倾角，利于装运和清底； ( 8 ) 采用新型综保电器系统，具有液晶汉字动态显示功能； ( 9 ) 液压系统恒功率、压力切断、负载敏感； ( 1 0 ) 龙门高，减少运输过程中大块物料卡阻。 1 3 行星传动技术 所谓齿轮机构就是指由齿轮副组成的机构的统称，也称之为齿轮传动。齿轮传动已 经广泛的应用于各行各业的机器设备、仪器仪表等机械传动当中。在机器设备及运输工 具的传动机构中，为了满足机器具有增减速、换向及其它特殊的功能，经常采用一系列 相互啮合的齿轮组成的传动系统，通常将这一系列有齿轮组成的传动系统称之为齿轮系 或者齿轮机构。根据齿轮机构在运转时，各个齿轮的几何轴线的相对位置是否变动，将 齿轮机构划分为普通齿轮机构和行星齿轮机构两大类。 ( 1 ) 普通齿轮机构又称之为定轴轮系，这是因为当齿轮机构运转时，组成该齿轮 机构的所有齿轮的几何轴线的位置是固定不变的。另外，在普通齿轮机构中，如果各齿 轮副的轴线相互平行，则称为平行轴齿轮机构；如果齿轮机构中含有一个相交轴齿轮副 或者一个相错轴齿轮副，则称之为不平行轴齿轮机构。 ( 2 ) 行星齿轮机构又称之为动轴轮系，当齿轮机构运转时，组成齿轮机构的齿轮 中至少有一个齿轮的几何轴线位置绕着其它齿轮的几何轴线回转，即至少有一个齿轮做 行星运动【6 】。 行星传动技术是一种新型的机械传动技术，由于它具有体积小、重量轻、传动比范 太原理工大学硕士研究生学位论文 围大、效率高、能适应有特殊要求的场合等特点，因此它得到了工程界的重视，在国防、 冶金、矿山、纺织、食品，仪表制造、起重运输及建筑工程等行业中已经大量的应用。 尽管行星传动技术的应用已经有几十年的历史，但是我国的行星传动技术水品与科技发 达国家相比还存在较大的差距，其主要原因是缺少从事行星传动技术，特别是一些新型 传动技术( 如渐开线少差齿行星传动，摆线针轮行星传动，滚子活齿行星传动等) 的研 究、设计人员，工业基础还不及发达国家。同时，行星传动技术方面的技术资料也较为 缺乏。 行星齿轮传动有很多种型式，在这里只简单介绍常见的几种。根据行星传动机构的 基本组成构件可分为下列三种基本类型。其结构简图如图1 6 所示。 ( a ) r | 1 7 a 厶网 ( b )( c ) 图1 - 8 行星减速器结构简图 f i g 1 8s l r u c t u r a ld i a g r a mo ft h ep l a n e t a r yg e a rr e d u c e r 2 k h 型：其基本构件为两个中心轮( 2 k ) 和一个行星架( h ) ，如图1 6 ( a ) 。 2 k h 型又可以分为好几种传动方案，如单级传动、两级传动和多级传动；另外还有正 号机构和负号机构之分。当行星架( h ) 固定时，主、从动轮转动方向相同的构件，称为 正号机构；反之则称为负号机构。 3 k 型：由于其基本构件为三个中心轮( 3 k ) ，由此称为3 k 型，如图l 一6 ( b ) 。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 k 型传动机构的行星架不受外扭矩，仅起支撑行星轮的作用。3 k 型传动也可以分为 多种方案。 k h v 型：其基本构件为一个中心轮( k ) ，一个行星架( h ) 及一个绕主轴轴 线转动的构件( v ) ，如图1 6 ( c ) 。 在以上三种机构中，单个的2 k h 传动和k h v 传动都是不可再分机构，称之为 基本行星轮系。工程中将基本行星轮系和定轴轮系、多个基本行星轮系组合而成的复杂 轮系传动称为复合轮系。 以上三种传动型式中，具有内、外啮合的2 k h 型传动具有较多的优点，该传动机 构具有较高的传动效率，承载能力大，传动功率不受限制，结构简单，工艺性好。而 3 k 型传动与2 k h 型相比较，3 k 型体积较大，但是随着传动比的逐渐增大，其传动 效率会逐渐下降，其制造与装配工艺性不佳。k h v 型传动的结构紧凑，传动比大， 但是其齿形及输出机构对制造精度的要求较高。 根据齿轮啮合方式的不同，行星齿轮减速器又可以分为以下几种。该分类中采用了 n 、w 及g 等几个基本代号。其中： n 一表示内啮合齿轮副： w 一表示外啮合齿轮副， g 一表示内外啮合公用的行星轮。 通过这些代号可以将比较常用的几种齿轮啮合方式为： n g w 一表示在具有内、外啮合的同时还具有一个公用行星轮的行星减速器： n w 一表示具有一个外啮合和一个内啮合的行星减速器； w w 一表示具有两个外啮合的行星减速器： n n 一表示具有两个内啮合的行星减速器； n g w n 一表示具有两个内啮合和一个外啮合的同时还具有一个公用行星轮的行 星减速器【7 1 。 由于行星传动把定轴线传动改为了动轴线传动，采用了功率分流，用几个行星轮共 同分担载荷，而且合理利用了齿轮的内啮合传动，以及合理的均载装置，使得行星传动 具有体积小，质量轻，承载能力大，传动效率高等优点。具体的将，行星传动技术具有 以下几个优点： 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 1 ) 结构紧凑、体积小、重量轻。由于行星传动利用了功率分流的特性，并且充 分的利用了内啮合承载能力大及内齿圈内有较大的可容空间，便于获得结构紧凑、外形 轮廓尺寸小的传动系统。与普通齿轮传动相比，在传递的功率和传动比相同的情况下， 行星传动的体积和质量大约为普通齿轮传动的1 2 1 6 ； ( 2 ) 传动比大。尽管行星传动有很多种类型，但它们一般都具有大传动比的特点， 当用于传递运动时，最大传动比可达几万或几十万以上。作为动力传动时，其最大传动 比也可以达到几十或几百以上； ( 3 ) 效率高，功率损失小。由于行星传动采用几个行星轮均匀的分布在太阳轮和 内齿圈之间，可以有效地平衡太阳轮和行星架轴承上的作用力，这种结构的运用，大大 的提高了传动系统的效率。当选择了合理的传动类型及结构设计时，行星传动的最高传 动效率可达0 9 7 0 9 9 ； ( 4 ) 传动平稳，具有较强的抗冲击和振动能力。由于有均匀分布在太阳轮和内齿 圈之间的行星轮和保持个行星轮之间载荷均匀分布及功率均衡分布的均载装置，行星传 动不仅可以平衡个行星轮与转臂上得惯性力，而且显著的提高了传动过程的平稳性和抗 冲击、振动的能力【8 1 。 本课题所研究的行星齿轮减速器是由两个2 k h ( n g w ) 型行星齿轮传动串联而 成的一个两级行星齿轮减速器，其结构简图如图1 6 所示： n ，一冬 , , t t l f h 2 - 测匕勿_ l i 网输 k 繁 a _ 5 一 b 出 图1 - 9e b z l3 5 掘进机截割减速器结构简图 f i g 1 9s t r u c t u r a ld i a g r a mo f t h ee b z l 3 5r o a d h e a d e r sc u t t i n gr e d u c e r 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一级传动( 也可称之为高速级传动) 主要由太阳轮1 、齿圈5 、行星轮2 及行星 架h l 组成，第二级传动( 或称之为低速级传动) 主要由太阳轮2 、齿圈5 、行星轮4 及行星架h 2 组成，齿圈5 固定在截割臂上。太阳轮1 为整个减速器的输入端，通过输 入轴与电机相联接，行星架h 1 与太阳轮2 相联接，将由太阳轮1 传来的动力传递到第 二级行星传动，最后由第二级传动的行星架h 2 输出到截割头进行煤岩的切割。 2 k h ( n g w ) 型行星传动从原理上来看，它有四个基本构件： 行星轮一指绕动轴线旋转做行星运动的齿轮。行星轮数量一般在两个以上； 行星架一指支撑行星轮运动的动轴线构件； 太阳轮一指轴线与主轴线重合的外啮合齿轮构件； 内齿轮一指轴线与主轴线重合的内啮合齿轮构件。 在行星齿轮传动中，通常将轴线与定轴线重合并且承受外力矩的构件称为基本构 件。 2 k h ( n g w ) 型行星传动机构有三个基本构件，任意固定其中的一个构件就可以 得到一种不同的传动方式。在行星传动变速箱的应用中，将单级2 k h 型传动作为一个 基本的行星排，三个基本构件分别作为主动、从动和固定构件，则可以组成两个减速， 两个增速和两个倒档的六种传动方案。在这六种传动方案中，应用最多的是将内齿圈固 定，太阳轮主动，行星架从动的传动方案。本文所研究的行星传动方案就是由两个内齿 圈固定，太阳轮主动，行星架从动的传动方案串联在一起所构成的一个两级2 k h ( n g w ) 型行星传动机构【9 1 。 以2 k - h ( n g w ) 型为例，单级传动效率可达子0 9 6 o 9 8 ，两级传动效率( = 0 9 4 0 9 6 。 1 4 国内外研究动态 行星传动技术是一种新型的机械传动技术，世界上的许多发达国家( 如德国、日本、 美国和俄罗斯等) 都十分重视行星传动技术的研究、生产及应用。它们在行星传动的结 构优化、传动性能、传动功率等方面都处于世界先进水平。一些新型的行星传动技术( 如 封闭行星传动、行星变速传动、微型行星传动等) 已经广泛的应用于现代机械设备当中。 在国外，行星减速器研发及制造等各方面技术已经相当成熟，在许多发达国家已经有了 系列化产品，并且已经大量生产。 太原理工大学硕士研究生学位论文 国内对行星齿轮的深入研究大致开始于上世纪6 0 年代后期，之后经过几十年的研 究和试制，不论是在理论设计还是实践方面都取得了较大的成就【1 0 】。已研制成功多种高 速大功率行星齿轮减速器，如列车电站燃气轮机用减速器功率可达3 0 0 0 k w ，万立方米 制氧透平压缩机的行星齿轮减速器功率达6 3 0 0 k w i l 】。 2 0 0 2 年9 月，由煤炭科学总院与宝钢集团苏州冶金机械厂共同合作研发，专门用于 河北邢台矿务局年产1 0 0 万吨的大型水泥生产线的行星齿轮减速器，传动功率达到了 2 8 0 0 k w ，最大传动扭矩可达1 7 0 0 k n m ，重量为2 7 8 t 。该减速器的投入使用填补了我 国在大功率行星传动技术领域的空白。该减速器于2 0 0 6 年3 月在河北金牛能源股份有 限公司水泥厂通过专家现场鉴定，其各项性能指标均达到了国际先进水平1 1 2 1 1 1 3 】。 2 0 0 9 年，由湘潭大学与江麓机电科技有限公司共同研发的“兆瓦级风电偏航减速 器”、“兆瓦级风电变桨减速器”及“风电偏航和变桨减速器性能测试试验台”顺利通 过用户验收。兆瓦级风电机组属于国家大力发展的新能源装备，而偏航和变桨减速器则 是风电机组的关键部件之一，其主要特点有传动比大、传递扭矩大、工作环境恶劣、可 靠性高及寿命长等。目前，国内兆瓦级风电系统的偏航与变桨减速器主要依赖于从国外 进口，国内兆瓦级风电机组研究严重滞后。通过湘潭大学谭援强教授课题组将近一年的 深入研究，成功的完成了多级行星传动从设计制造到样机测试的工作，并与企业合作， 成功的研制出了符合国外船级社标准的新产品，并通过了传动性能及疲劳寿命测试。经 鉴定，该减速器的各项性能指标均达到国际先进水平，所开发的试验台综合性能居国内 领先水平，填补了国内空白，实现了兆瓦级风机关键部件国产化i l 4 1 。 2 0 1 0 年，由中信重工股份有限公司研制并且拥有完全自主知识产权的国内最大的 m z l 4 8 0 立磨双行星减速器在完成总装后一次加载试车成功。经鉴定，该减速器的各项 性能指标符合设计要求。该减速器总重1 2 4 t ，最大功率为5 3 0 0 k w ，是继m z l 3 0 0 矿渣 立磨减速器和m z l 3 7 0 原料立磨减速器之后，中信重- t - m z l 系列立磨行星减速器的又一 “新贵”。该减速器将配套用于由中信重工生产制造的目前国内国产最大的l g m 5 7 2 5 矿渣立磨。在经过连续8 小时的机、电、液一体化空负荷试车后，各部件的温升、振动、 润滑管路压力等各项指标均达到了国际标准。 目前，我国的行星齿轮减速器正向着国际化水平不断前进f 15 1 。国外行星减速器大致 有以下几个发展趋势： ( 1 ) 承载能力不断提高；如德国d e m a g 设计生产的一种行星减速器，承载能力 已经达到5 4 6 0 0 k w ；对应的输出轴扭矩最大值约为2 4 0 0 k n m ，最大传动比达到了 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 0 0 0 16 1 。 ( 2 ) 高速大功率传动；如英国a l l e n 公司为c a p a r s o n s 公司制造的压缩机用行星 减速器，功率达到2 5 7 4 0 k w ；德国r e n k 公司生产的行星减速器，功率达到1 1 0 3 0 k w ； 日本的三菱造船公司生产的船用行星减速器，功率达到8 8 3 0 k w 等等； ( 3 ) 低速重载方面，行星减速器已经由系列化产品向着各种特种、特殊用途的大型 减速器方向发展；如法国c i t r o e n 公司生产的用于水泥磨、榨糖机、矿山设备的行星减 速器，重量可达5 0 1 2 5 t ，传动比可以达到6 9 ，输出扭矩达4 0 0 0 k n m 左右；德国的 f l e n d e r 公司为我国徐州淮海水泥厂生产的水泥磨配套二级行星减速器质量达到7 2 t ，输 出扭矩达2 8 0 0k n m ；德国r e n k 公司生产过传动比为5 9 ，输出扭矩为1 5 0 0k n m 的行 星减速器；日本宇都兴产公司生产过传动比为7 2 0 4 8 0 ，输出扭矩为2 1 0 0k n m 的行星 减速器，等等【1 7 】。 ( 4 ) 复合式行星齿轮传动；将蜗杆传动、螺旋齿轮传动、圆锥齿轮传动与行星齿 轮传动组合使用，构成复合式行星齿轮传动，高速级用蜗杆传动、螺旋齿轮传动、圆锥 齿轮传动等定轴类型传动，低速级用行星传动。这样可充分利用各传动类型的特点，可 实现交错轴和相交轴间大传动比和大转矩输出等不同用途。如制碱工业中澄清桶用蜗轮 蜗杆一行星齿轮减速器，总传动比达4 4 6 2 5 ，输出轴转速为0 2 1 5 r m i n ，输出转矩可达 2 7 2 0 0 n m i l8 1 。 总之，当今国内外减速器的总得发展趋势是向着六高、两低、两化方向发展，即： 六高一高承载能力、告齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率； 两低一低噪声、低成本； 两化一标准化、多样化。 1 5 课题主要研究内容 ( 1 ) 通过对掘进机的基本功能和结构以及掘进机相关技术标准的研究，明确了行星减 速器在掘进机中的重要作用，并且通过对行星减速器的工作原理及相关技术要求的研 究，为下_ 步将要进行的e b z l 3 5 掘进机行星减速器的优化和仿真工作奠定了理论基础； ( 2 ) 学习和掌握了m a t l a b 7 0 优化工具箱的使用，建立了e b z l 3 5 掘进机截割减 速器以最小体积为目标的优化函数和相关约束条件的数学模型，并对其就行了求解。 ( 3 ) 通过运用n g w 行星减速器设计系统，对优化后的各项参数进行强度校核和齿 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 轮干涉检查； ( 4 ) 学习和掌握了u gn x 7 0 基本模块的使用，利用u gn x 7 0 的三维建模模块和运 动仿真模块，对e b z l 3 5 掘进机的截割减速器进行实体建模和虚拟装配以及进一步的运 动学仿真。为下一步将要进行的a n s y s 有限元静力学分析提供较为科学的数据和指导 依据； ( 5 ) 学习和掌握了a n s y sw o r k b e n c h l 2 0 的使用方法，利用a n s y sw o r k b e n c h l 2 0 对e b z l 3 5 掘进机截割减速器优化后结构的实体装配模型进行有限元静力学分析，并根 据其分析结果做进一步的优化。 1 6 本章小结 本章首先论述了选题的背景及其意义，详细的阐述了掘进机的种类及其结构，并对 悬臂式掘进机的工作原理及其特点进行了详细的论述