对掘进机截割部减速器的设计思考

摘 要：掘进机现在已经成为工程施工的重要设备，被广泛的应用于矿井巷道、水利涵洞、以及公路隧道等工程的建设。为更好的提高其运行效率，则需要对截割部减速器进行设计优化，分析存在的各项影响因素，并从多个角度进行分析，总结以往施工经验来选择合适的措施进行处理。本文对掘进机截割部减速器的设计优化措施进行了简要分析。

关键词：掘进机;截割部;减速器

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2015.21.067

减速器作为掘进机的重要组成部分，其是否能够持续保持在良好状态决定了掘进机运行的综合性能。就实际应用现状来看，在工程施工中，掘进机经常会因为各项因素而导致减速器出现故障，因为行星齿轮传动具有传动比大、体积小、重量轻以及传动效率高等特点，需要结合设备运行特点来对截割部减速器进行设计优化。通过设计优化，在确保设备维持良好运行状态的基础上，缩短产品设计周期，并降低成本。

1 掘进机截割部减速器问题分析

以EBZ45型掘进机为例，其具有重量轻、体积小以及效率高等优点，在小型煤矿生产以及地下工程施工中具有良好的应用效果，其截割部结构主要包括截割臂、截割头、截割减速器以及截割电动机组成。其中，减速器结构具有3个行星轮与1个太阳轮，行星轮通过定位轴被安装在行星架上，而太阳轮通过截割悬臂花键轴与电机相连，最终行星架通过渐开线花键与输出轴连接，截割头利用螺栓与花键被固定在输出轴末端[1]。在掘进机运行过程中，受减速器影响，其为一级减速，对输入轴电机功率要求比较严格，如果选择小功率电机，一旦遇到较大的阻力时，很容易造成截割部卡死。同时，此设备减速器为NGW行星减速结构，支撑部分需要利用轴承座来完成对行星架以及输出轴两端的作用，增加了箱体结构的复杂程度，在实际操作中难度较大。另外，正常运行过程中很容易出现轴承供油困难的问题，冷却所需时间较长，进而在实际应用中很容易因为冷却不及时而出现烧伤问题。

2 掘进机行星减速器参数优化设计

（1）建立目标函数。太阳轮体积、行星轮体积以及内齿圈体积等因素均会对新型传动机构体积造成影响，这样即可以确定机构总体积数学表达公式：V=Va1+n1Vg1+Vb1+Va2+n2Vg2+Vb2

其中，Va1、Vg1、Vb1、n1以及Va2、Vg2、Vb2、n2分别表示高速级与低速级传动的太阳轮、行星轮、内齿圈体积，以及行星轮个数。齿轮体积受齿轮模数（m），齿数（z）以及齿轮厚度（b）等因素决定，则可以确定机构总体积数字表达公式为：

令x={x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，x8，x9，x10}={b1，b2，m1，m2，za1，zb1，za2，zb2，zg2}

则可确定该机构总体积目标函数为：

（2）约束条件。1）传动比误差。两级传动必须要满足一定条件的传动比要求，例如悬臂式掘进机切割机构减速器实际传动比要与公称传动比误差相差-5%～5%。公式为：

其中，ip表示总传动比。

2）接触强度公式为：

其中，Fu表示作用在第i级中心轮上的切向力;ui表示各级传动比;ZH表示节点区域系数;ZE表示弹性系数;Zε表示弹性系数;Ti表示作用在第i级太阳轮上的转矩。

（3）外径尺寸。在对多级行星齿轮传动进行优化设计时，要求各级传动内齿圈最大外径尺寸差距不大，将减速器外径尺寸控制在最小状态。以参数c作为机构减速器高速级与低速级内齿圈外径之比，则公式为：

其中，d1表示第一级齿圈外径;d2表示第二级齿圈外径

3 掘进机截割部减速器设计优化措施

（1）结构优化设计。以上述问题为依据进行分析，对掘进机将截割部减速器进行优化，需要对其结构重新进行设计。此结构设计方法，选择用二级行星减速机构替代原有的NGW行星减速机构，并对输入端以及输出端部分设计圆筒形的法兰，将其与机身以及截割悬臂进行连接处理。对于高速级新型轮则选择用3个行星轮与一个太阳轮组成，而低速级行星轮则由5个行星轮与一个太阳轮组成，其中所有机构均选择用鼓形齿形。此种设计方式，使得高速级太阳轮与减速器输入轴为一个整体，并将其与电机轴进行连接处理，将高级行星轮安装在高速级定位轴上，这样就可以利用渐开线齿轮来实现与低速级太阳轮的连接[2]。最后，低速级行星架利用渐开线花键与输出轴进行配合，由输出轴来带动截割部的运动，满足工程施工的实际需求。

（2）优化效果。第一，机构减速器箱体可以通过法兰与机身以及截割悬臂相互连接，这样就可以采取铸造的方式直接成型，与原有设计方式相比，可以降低构件加工难度。并且从机构焊接效果上来看，可以避免因为焊缝应力过于集中而出现微裂纹，对提高箱体结构强度具有良好效果。第二，设计法兰连接后，箱体与机身以及悬臂之间连接为刚性，这样在承受轴向推进力的基础上，还可以对掘进施工过程中因为上下左右摆动造成的不稳定性与振动问题进行优化[3]。第三，设计为两级行星轮转动的模式，可以降低箱体结构设计复杂度，对机构加工以及安装操作均降低了难度，同时两级行星轮与太阳轮均采用了鼓形齿形，更有利于实现重载传动。

4 结束语

掘进机现在已经被广泛的应用到工程建设中，但是受工艺等因素影响，机构设计存在众多不合理问题，这样就影响了其在实际施工中的使用效果。因此在对其进行结构优化时，必须要基于其结构特点，做好参数优化，对各机构部分进行分析，争取不断提高其设计效果。

参考文献：

[1]高杨.掘进机截割部减速器优化设计研究[D].吉林大学，2011.

[2]孙建军.悬臂式掘进机截割部减速器动态特性研究[D].吉林大学，2011.

[3]李松卫.EBZ160型掘进机截割减速器的动态仿真研究[D].太原理工大学，2014.

作者简介：张博（1986-），男，吉林辽源人，专科，研究方向：掘进机设计。