煤礦機械無軸承行星傳動結構設計研究

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0引言

隨著煤機設備朝大功率、大規格和大扭矩方向發展，產品可靠性和壽命的要求也越來越高，而受井下空間尺寸的限制，齒輪傳動要求的功率體積比越來越大。行星輪傳動裝置采用多個行星輪同時傳遞載荷，實現功率分流，具有傳動比大、體積小、重量輕、效率高、振動小、噪音低的優點，得到越來越普遍的應用。

1使用現狀

傳統的行星傳動裝置一般采用雙軸承支撐行星軸，軸承或置于行星輪內，或置于行星架中，見圖2，軸承不可避免地要占用有限空間內的徑向尺寸，在有限空間內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，在具體設計計算中，在一定空間尺寸限制下，很難同時滿足行星輪或行星架、行星軸強度及軸承壽命要求。目前，國內為提高行星傳動系統功率體積比，設計中往往采用去內圈或外圈的滾動軸承及行星軸充當內圈、行星輪內孔充當外圈的滾珠軸承方式。在空間尺寸緊張、轉速較低的情況下，采用薄壁滑動軸承的結構。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對強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，其應力值僅為直徑45mm軸的72%左右。因此，采用無軸承行星傳動結構，可在有限空間內合理分配行星軸、行星輪、行星架的空間尺寸，均衡各零件強度，提高行星傳動的整體可靠性。

2無軸承行星傳動結構

無軸承行星傳動結構，見圖5，行星軸與行星架固定，無軸承支撐，行星輪與行星軸相對旋轉，行星軸兼具軸承的功能。該結構充分利用有限空間，提高行星傳動功率體積比。國外先進煤機制造商已有使用該技術的相關的產品問世，并在實際生產中得到了很好地應用，中國目前尚未發現有使用無軸承行星傳動結構的國產礦用齒輪箱，該項目的研究在國內尚屬空白。無軸承行星傳動的關鍵在于合理分配行星軸、行星輪、行星架的空間尺寸，均衡各零件強度，提高行星傳動的整體可靠性。設計過程中，首先利用經典力學理論計算齒輪壽命和強度、行星軸強度，并調整行星軸直徑，保證二者均滿足設計要求，然后利用有限元軟件進一步分析行星輪、行星軸和行星架，優化結構，使行星架強度與行星輪、行星軸強度均衡，提高行星組件體積功率比。無軸承行星傳動行星輪與行星軸、行星軸與行星架之間的配合關系也是關鍵環節。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生相對旋轉，這樣行星軸與行星架可選較松的配合，便于裝配，只需滿足定心要求即可。行星輪與行星軸相對旋轉，應選擇間隙配合，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法形成油膜，行星軸磨損嚴重，影響行星軸使用壽命。另外，無軸承行星傳動的原理上是一種滑動摩擦，工作部件溫度較高，必須考慮行星軸的熱膨脹量對配合間隙的影響。在設計時，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為環境溫度，℃；α為材料熱膨脹系數。行星輪與行星軸配合關系影響潤滑油膜形成質量，初步確定后必須按潤滑方式研究部分進行詳細校核，合理調整。

3結語

煤礦井下條件惡劣，巷道底板不平整，經常有較多煤泥水，承載能力相對較低，因此，行走齒輪箱必須提供充足的動力，保證整機可靠運行。在井下工業性試驗期間，項目組對應用無軸承行星傳動結構行走齒輪箱進行功率、振動等方面數據的采集，并分析實時采集的數據，結果顯示無軸承行星傳動裝置動力輸出穩定。

作者：石濤 單位：中國煤炭科工集團太原研究院有限公司