煤矿机械无轴承行星传动结构设计研究

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0引言

随着煤机设备朝大功率、大规格和大扭矩方向发展，产品可靠性和寿命的要求也越来越高，而受井下空间尺寸的限制，齿轮传动要求的功率体积比越来越大。行星轮传动装置采用多个行星轮同时传递载荷，实现功率分流，具有传动比大、体积小、重量轻、效率高、振动小、噪音低的优点，得到越来越普遍的应用。

1使用现状

传统的行星传动装置一般采用双轴承支撑行星轴，轴承或置于行星轮内，或置于行星架中，见图2，轴承不可避免地要占用有限空间内的径向尺寸，在有限空间内布置轴承就需要减小减小行星轴直径或行星轮、行星架外壁壁厚，在具体设计计算中，在一定空间尺寸限制下，很难同时满足行星轮或行星架、行星轴强度及轴承寿命要求。目前，国内为提高行星传动系统功率体积比，设计中往往采用去内圈或外圈的滚动轴承及行星轴充当内圈、行星轮内孔充当外圈的滚珠轴承方式。在空间尺寸紧张、转速较低的情况下，采用薄壁滑动轴承的结构。但在功率、体积矛盾日益突出的情况下，行星轴的径向尺寸加大10mm，甚至是5mm对强度的影响也不可忽视：比如一根直径50mm的轴，其抗弯截面模量是直径45mm轴的1.37倍，那么在弯矩相同的情况下，其应力值仅为直径45mm轴的72%左右。因此，采用无轴承行星传动结构，可在有限空间内合理分配行星轴、行星轮、行星架的空间尺寸，均衡各零件强度，提高行星传动的整体可靠性。

2无轴承行星传动结构

无轴承行星传动结构，见图5，行星轴与行星架固定，无轴承支撑，行星轮与行星轴相对旋转，行星轴兼具轴承的功能。该结构充分利用有限空间，提高行星传动功率体积比。国外先进煤机制造商已有使用该技术的相关的产品问世，并在实际生产中得到了很好地应用，中国目前尚未发现有使用无轴承行星传动结构的国产矿用齿轮箱，该项目的研究在国内尚属空白。无轴承行星传动的关键在于合理分配行星轴、行星轮、行星架的空间尺寸，均衡各零件强度，提高行星传动的整体可靠性。设计过程中，首先利用经典力学理论计算齿轮寿命和强度、行星轴强度，并调整行星轴直径，保证二者均满足设计要求，然后利用有限元软件进一步分析行星轮、行星轴和行星架，优化结构，使行星架强度与行星轮、行星轴强度均衡，提高行星组件体积功率比。无轴承行星传动行星轮与行星轴、行星轴与行星架之间的配合关系也是关键环节。行星架的孔的加工难度高于行星轮的孔的加工难度，正常情况下，行星轴与行星架配合按基孔制，行星轴与行星轮配合按基轴制。行星轴与行星架固定，安装定位键，防止行星轴与行星架发生相对旋转，这样行星轴与行星架可选较松的配合，便于装配，只需满足定心要求即可。行星轮与行星轴相对旋转，应选择间隙配合，但间隙太大，影响齿轮啮合及均载效果；间隙太小，行星轮与行星轴之间无法形成油膜，行星轴磨损严重，影响行星轴使用寿命。另外，无轴承行星传动的原理上是一种滑动摩擦，工作部件温度较高，必须考虑行星轴的热膨胀量对配合间隙的影响。在设计时，行星轮孔的公差要加入热膨胀量，热膨胀量的值可按下式计算：σ=dtε，（1）式（1）中，σ为行星轴的热膨胀量，mm；d为行星轴的直径，mm；t为环境温度，℃；α为材料热膨胀系数。行星轮与行星轴配合关系影响润滑油膜形成质量，初步确定后必须按润滑方式研究部分进行详细校核，合理调整。

3结语

煤矿井下条件恶劣，巷道底板不平整，经常有较多煤泥水，承载能力相对较低，因此，行走齿轮箱必须提供充足的动力，保证整机可靠运行。在井下工业性试验期间，项目组对应用无轴承行星传动结构行走齿轮箱进行功率、振动等方面数据的采集，并分析实时采集的数据，结果显示无轴承行星传动装置动力输出稳定。

作者：石涛 单位：中国煤炭科工集团太原研究院有限公司