ZD_150型钻机变速箱齿轮设计修改研究

1、矿业安全与环保 1999年增刊 MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION ISSUE1999ZD-150型钻机变速箱齿轮设计修改研究煤炭科学研究总院重庆分院 李华甫摘 要 介绍了ZD-150型大孔径钻机变速箱齿轮的排列及第一级齿轮在使用中的损坏情况,分析了损坏原因,阐述了经修改设计后的变速箱齿轮的使用情况。关键词 钻机 变速箱 齿轮 设计变速箱直接联接,使机械传动的效率高;另一方面科学地进行变速箱齿轮的排列,选择适当的传动比,使变速箱的外形尺寸尽可能小,且解体性好。受巷道运输的限制,在整机结构排列上,将转速970r/min、功率18.5kW的电动机与变速箱传动轴

2、呈90!排列安装,第一级传动齿轮为直齿园锥齿轮,变速箱内的其余几级传动副均为直齿园柱齿轮。根据工况要求,变速箱的输出转速为2挡,经过多种方案比较,最后确定的变速箱齿轮传动排列系统如图所示。1 概述ZD-150型大孔径钻机是一种用于煤矿打开切眼、溜煤眼、通风眼、联络眼或瓦斯输送孔等的大型钻机。该钻机有两种旋转速度以用于打煤孔和岩孔。因而变速箱是主机上的关键部件之一,其内部齿轮的排列和参数设计对变速箱能否正常运转起着决定性作用。2 变速箱齿轮排列设计及运转时齿轮损坏情况2.1 变速箱的主要技术参数根据钻机用途,经计算变速箱的输出转速和相应的输出扭矩如下:变速箱输出转速 39,88 r/min;变速

3、箱输出扭矩 4500,2000 N.m。2.2 变速箱的齿轮排列由于钻机的钻孔直径大,又在巷道内安装,要求钻机既有足够的输出功率,总体结构刚度大、稳定性好、尺寸小、解体性好。因此,一方面采用电动机与图1减速箱传动系统图参 考 文 献1 机械工程手册编辑委员会.机械工程手册.北京:机械工业出版社,1980(责任编辑:秦文贵)1 级叶轮;2 电动机安装筒;3 消声机壳;4 电动机图3 通风机改进结构示意图矿业安全与环保 1999年增刊 MININGSAFETY&ENVIRONMENTALPROTECTION ISSUE1999按ZD-150型大孔径钻机的设计要求,在煤层中的钻进深度为150m,在岩

4、层中的钻进深度为100m(岩层的坚固性系数f8时)。钻机在工业性试验中,顺利地进行了二个煤层孔的钻扩施工,钻孔直径为300mm,扩孔直径为600mm。钻孔完成后,未发现变速箱内的齿轮和轴承有损坏现象,但在随后进行的311mm孔径的岩孔钻进过程中,当深度达50m时,听到变速箱内有异常声响。遂停机拆检,发现第一级园锥齿轮副的小齿轮有3齿断裂。这引起了我们高度重视,于是对全部传动副中的小齿轮的安全系数进行了校核计算,其结果如表1所示。表1 安全系数校核计算结果表齿轮Z1Z3Z5Z7Z9接触强度安全系数SH弯曲强度安全系数SF弯曲能力;工厂用火焰表面淬火代替高频表面淬火,致使各个轮齿与每个齿宽方向上的

5、受热情况很难相同,表面硬度也各异,可能产生较大的齿形变形和存在较大的内应力。(3)钻机在打孔过程中遇到岩层有断裂带或岩石内含有硬度很高的硫化铁结块(俗称铜包)和铁板岩(f10),运转的齿轮就要受到短时间的冲击负荷作用。上述3点原因是造成安全系数偏小的第一级园锥小齿轮发生断齿现象的主要因素。4 第一级传动齿轮修改设计及其应用情况(1)根据检测情况和上述分析原因,在不改变传动系统结构及齿轮排列方式的情况下,将第一级园锥直齿轮副改为承载能力高、运转平稳、装配误差及轮齿变形对偏载影响不显著的弧齿园锥齿轮副,且模数由5增加到6,齿数由17增加到19,修改设计后的第一级齿轮副中的小齿轮接触强度安全系数SH

6、1由1.099增加到1.77,弯曲强度安全系数SF1由0.703增加到2.695。可见齿轮工作的可靠性极大地提高了。(2)采取正确的加工方法:用专门的弧齿锥齿轮切齿机床(Y225)制作弧齿园锥齿轮,保证齿形准确;材料和热处理工艺由原来的40Cr调质淬火改为20CrMnTi渗碳淬火,工艺装备符合工艺技术要求,达到齿形外表面硬度高而均匀,芯部韧性好的目的。经过上述修改后的变速箱使用效果很好,在煤矿井下连续4个月的打孔中已完成了约500m的累计进尺,且大部分是在岩层中作业的,钻孔直径为300mm,扩孔直径为500mm,最大孔深达80m(钻孔作业均结合生产实际进行)。经对变速箱检测,各齿轮及其它重要零

7、件只有正常磨损,不影响使用。目前该钻机仍在井下继续使用,未发现异常现象。5 结束语变速箱的设计除考虑结构优化、加工经济等因素外,还应特别考虑使用工况,保证重要零件有较高的安全系数,加工工艺和加工设备也直接影响零件的质量,零件设计和选择加工厂时,应充分地考虑重要零件必须由与之相适应的机床和工艺装备制作,以保证重要零件经过加工后能达到设计要求。(责任编辑:吴自立)3 第一级传动副小齿轮断齿原因分析(1)齿轮传动设计中接触强度安全系数SH与弯曲强度安全系数SF是必须计算的考虑齿轮工作可靠性的系数,齿轮使用的工况不同、重要性不同时可靠性的系数值也不同。通常可用表2的值作为计算准则。表2可靠性要求 高一般(失效概率小于1%)低(失效概率小于33%)对照表2的数据可看出,表1所列的第一级园锥小齿轮Z1的弯曲强度安全系数不够,可靠性的系数值太