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煤矿机电 1 9 9 8 1 一 弹性扭矩轴的设计 陈建文浦国树王雅萍 【 摘要】在分析弹性扭矩轴性能的基础上，简 要阐述弹性扭矩轴的有关设计方法． 【 关 键 词 】 竺 竺．轴--3 弹 性 缓 --冲 3 一 一 ， ’ 在截割电机空心轴内使用弹性扭矩轴是设置传动系 统弹性缓冲环节的好办法 国外对该弹性扭矩轴的研究 和使用起步较早．但弹性扭矩轴的设计方法尚无资料可 查，目前随着我国多电机横向布置采煤机的迅速发展， 研究和掌握这一新技术显得十分重要．本文在分析弹性 扭矩轴性能作用的基础上 简要阐述弹性扭矩轴的有关 设计方法。 1性能提出 弹性扭矩轴作为截割传动系统的弹性缓冲装置，安 装在截割电机空心轴内．两端分别通过花键与电机转子 和传动系统的第一级齿轮相联 由该轴在传动系统中的 作用和它在具体结构设计中的位置得出弹性扭矩轴的台 理设计应具备以下几方面的性能 1 弹性缓冲 弹性扭矩轴的合理设计可在一定程度上充分降低传 动系统受到外载荷冲击时的系统动载荷，提高设备的运 转可靠性和使用寿命。 2 过载保护 当截割都固严重超载而处于最恶劣状况时 如截齿 截割支架顶粱或运输机铲煤板造成电机堵转．扭矩轴 虽可起一定的缓冲作用 ．但由于传动系统中动载荷很 大，已超出传动件的承载能力，将会使传动系统的元部 件受到一定损坏．扭矩轴与其它传动件相比，具有制造、 加工楠单、更换方便的特点 因此可将其设置为传动系 统中的薄弱环节．以减小最恶劣工况下传动件损坏所造 成的损失。 3 传递动力 作为截割电机动力输出轴，弹性扭矩轴起到在截割 电机和传动系统之间传递扭矩的作用。 2结梅设计 扭矩轴的结构设计应以满足三项性能为原则，其结 构设计的细节则以其所处传动系统的具体结构而定。 图1 为 M G 2 0 0 ／ 4 7 5 - W采煤机截割部传动系统中所采用的弹性 扭矩轴的具体结构。圈中， d为卸载槽外径．为了更换方 便． 在开有卸载槽的一端设了一蠕纹孔， 设其孔径为d ， 一 o l 困1轴蛄构 3参敲选择 扭矩轴作为传动系统的缓冲环节．在满足一定的约 束条件下．获得最高的弹性是扭矩轴的设计目标，即应 通过多种途径尽量降低扭矩轴刚度 膏 ／r 3 2 L [ 1 ] 式中；口 光轴段直径● 日，D d 2 ． 0 ～ 5 ． 0 ￡ 扭矩轴有效弹性区段， 由式[ 1 】 可知，影响扭矩轴刚度的主要因素是其材 质、结构尺寸 D ， ．而钢材强度虽固其材质、热处理 方法的不同而有很大差别，但其弹性模量却大体相同， 所以尺寸参数D 、L 是直接影响其剐度的因素。 长度 受藏割部总体结构的限制．从降低其刚度而 论．应在可能范围内尽量加大轴长 ． 影响轴径D 大小的因素是扭矩轴卸载槽部分 轴径为 所应满足的强度要求。 该处的强度精确计算应包括疲劳强度安全系数和静 强度安全系数。轴的疲劳强度是根据长期作用其上的最 大交变载荷进行校核计算的．危险截面处的疲劳强度应 满足 S[ ． - ／ k t ． ／ b e ． ] 印 [ 2 ] 式中f - - _1 才 科扭转疲劳授限 咿8 扭转时的有效应力集中系数 口表面质量系数 一 扭转时的尺寸影响系数 平均应力折算系数 ． 扭应力的应力幅和平均应力 l ff a。对于 传动轴， 其所受应力为脉动循环．应力为 r I r ． 2 3 5 维普资讯 煤矿机电 1 9 9 8 ． 1 其中N - - - 传递力矩N m ，取为额定扭矩 ． p 1 一 ／ 1 6 o ． 2 d 1 一 。 式中口 d d o 轴的螺纹孔径即薄弱环节内径，iii iJ d 薄弱环节 卸载槽 外径．- _ [ 明疲劳强度许用安全系鼓 轴的静强度根据其所受的短时最大载荷 包括冲击 载荷和最大动载荷。危险截面处的静强度安全系数应 满足； s ． ／ 旃／ 【 】 [ 3 ] 式中[ ] 静强度许用安全系数， 肼为实际最大载荷极 限时 取 1． 一 屈服极限强度 肛轴传递的最大裁荷 包括最大冲击响应幅值 由式【 3 ] 、及下文的式【 4 ] 可进一步得出；为获得较 小轴径 d，设计时．应从选材及合理确定决定扭矩轴可 靠性的最大载荷 肼 两方面着手． 辨 定得偏大或过小都 将影响扭矩轴性能的发挥。 1 选材 为合理选择扭矩轴材料，应综合考虑下列各囚素 1 为满足抗疲劳、抗冲击性能。要求有一定的芯部 硬度。 2 扭矩轴与第一级轴齿轮通过花键鞋接， 其表面要 和齿轮材料低碳N i C r 钢相啮合， 敲应保证扭矩轴材科在 强度上与低碳N i C r 钢基本吻台。 3 生产厂衷对某种材料的热处理工艺稳定程度、 技 术成熟情况能否满足一定的性能要求． 美国 3 1 5多屯机横向布置采煤机弹性扭矩轴的设 计，其采用的是超高强度低碳台金钢 4 1 4 0，即相当于我 国的 4 2 C r M o．而国产 M G 2 0 0 ／ 4 7 5 一 w． M G 2 0 0 ／ 5 0 0 - q 的 截割部 弹性 扭矩 轴则采 用与齿轮相 同 的优 质材料 l 8 C r 2 Ni 4 W A。 ’ 2 的确定 设斟 书 ，越为系统额定扭矩，斟 或 选择应 从扭矩轴的三项性能出发，综台考虑以下因素 1 满足起动过程的强度要求。由于电机起动时 其 扭矩可达电机输出的最大值置 ，故应使 肼 届凰 艋 [ 4 】 其 中 t k ． 静 ． ／ 为保证该过程扭矩轴具有一定可靠性，应取 且 ． 【 5 ] 式中 一为安全系数，取为 1 ． 2 ’ 2 为保证齿轮不因一次性作用的尖峰载荷造成的 齿面的脆性破坏和轮齿的突然折断．应使扭矩辅最大承 载能力低于齿轮最大承载能力，因此，应对传动系统中 各齿轮的抗冲击断裂强度进行计算。 冲击断裂强度验算以 抗冲击断裂安全系数品 表示 仉／ G p 【 6 ] 式中； 材料的抗拉强度 a 西对齿轮承载能力起决定作用的应力 a a p o ／ B 【 7 ] 其中； ． 一齿形系数、重合度系数 6 齿宽“ B --齿轮模数- m 传递额定功率时齿轮承受的圆周力 N 在确定齿轮承载能力时． 可选用 q - q 2， 由此式[ 6 】 可转化为 下形式 l 2 叮 b j ／ D 【 8 】 设 s ． 为各级传动齿轮的冲击断裂安全系数，则应 有 岛 帆． ． ／ 塌 [ 1 1 ] 由 上述三种情况论述可知， 系数口 的选择取决于 、 岛 ．尽问的关系 a 若 岛 昂．表明即使电 机未发生堵转．系统 载荷亦超出了齿轮的承载能力；若最 ； ，表明系统冲击 载荷并未达至 造成齿轮冲击断裂的程度，取 出品将使扭 矩轴在具有过载保护功能的同时又可获得较大弹性。敢 应使庐B i n 值 ，岛 。 b 为保证扭矩轴的正常工作应傻 的下限值至少 为届，即应取占为m i n ，岛 矗中的最大值． 综合上述过程．为使扭矩轴三项性能得到较好的发 挥，应合理选择扭矩轴的材料，同时弹性扭矩轴的最大 承载能力系数占 辨 应按 B- a x ． i n 届 的原则台理取值． 维普资讯