費淞，陳俊，于廣征，沈磊，趙靜

(1. 江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210007；2. 中國電子科技集團(tuán)第二十八研究所 江蘇 南京 210007； 3. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

基于Pro/E的采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)擺線輪的參數(shù)化設(shè)計

費淞1，陳俊2，于廣征3，沈磊3，趙靜3

(1. 江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院，江蘇 南京 210007；2. 中國電子科技集團(tuán)第二十八研究所 江蘇 南京 210007； 3. 南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

根據(jù)內(nèi)外擺線的形成原理，建立了滾筒式采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的擺線輪的理論輪廓線方程，并利用Pro/E軟件提供的高級編程語言，建立了適用于采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的擺線輪的參數(shù)化實體模型，最后驗證了模型的可行性。

擺線輪；采煤機(jī)；輪廓線方程；參數(shù)化

0 引言

滾筒式采煤機(jī)是目前煤礦采煤工作的主力開采設(shè)備，滾筒式采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的核心部件為行走輪和銷排銷齒。擺線齒廓的行走輪(擺線輪)具有牽引性能較好，有較強(qiáng)的適應(yīng)底板起伏、節(jié)距變化的能力[1]，因此被廣泛使用。近年來，很多文獻(xiàn)對滾筒式采煤機(jī)的擺線輪-銷軌式行走機(jī)構(gòu)的工作原理及設(shè)計計算做了詳細(xì)的理論分析[1-3]。擺線輪的齒廓由于擺線方程的復(fù)雜性無法利用標(biāo)準(zhǔn)的刀具進(jìn)行共軛切削加工，只能使用成形銑削加工，這就對擺線的齒廓曲線的造型提出了較高的要求[4]。傳統(tǒng)的造型方法是利用樣條曲線來模擬擺線齒廓，并且每更新一次擺線輪的型號，擺線輪齒廓曲線就要重新設(shè)計一次，需要耗費設(shè)計人員大量的時間和精力，參數(shù)化建模技術(shù)能從根本上解決這一問題。本文在介紹了內(nèi)外擺線的形成原理，建立了采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的擺線輪齒廓曲線的參數(shù)方程后，利用Pro/E的高級編程語言，對滾筒是采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的擺線輪進(jìn)行了參數(shù)化建模。

1 內(nèi)、外擺線的形成原理及參數(shù)方程

當(dāng)一滾圓沿導(dǎo)線作純滾動時，滾圓上任意點的軌跡稱為擺線。當(dāng)導(dǎo)線為圓時，滾圓在導(dǎo)圓內(nèi)作純滾動時，滾圓上的任意點的軌跡曲線稱為內(nèi)擺線[5]，如圖1所示。

圖1 內(nèi)擺線形成圖

其參數(shù)方程為：

(1)

式中：Rb——導(dǎo)圓半徑;Rg——滾圓半徑;t——滾角。

當(dāng)滾圓在導(dǎo)圓外作純滾動時，滾圓上的任意點的軌跡曲線稱為外擺線，如圖2所示，其參數(shù)方程為：

(2)

圖2 內(nèi)擺線形成圖

2 擺線輪的理論輪廓線方程

滾筒式采煤機(jī)構(gòu)的擺線輪的齒廓曲線通常由普通外擺線和普通內(nèi)擺線組成，節(jié)圓以上齒廓為外擺線，節(jié)圓以下齒廓為內(nèi)擺線。根據(jù)外、內(nèi)擺線的參數(shù)方程經(jīng)過坐標(biāo)轉(zhuǎn)化可得到擺線輪的齒廓曲線參數(shù)方程。

如圖3(a)所示，擺線輪的節(jié)圓以上外擺線的曲線方程為：

(3)

式中：R——擺線輪節(jié)圓半徑，mm；

r1——外滾動圓半徑，mm；

α1——外滾動圓沿節(jié)圓外表面純滾動所轉(zhuǎn)過的角度，°；

如圖3(b)所示，擺線輪的節(jié)圓以下外擺線的曲線方程為：

(a)節(jié)圓以上外擺線齒廓的形成

(b)節(jié)圓以下內(nèi)擺線齒廓的形成圖3 行走輪擺線齒廓形成圖

式中：r2——內(nèi)滾動圓半徑，mm；

α2——內(nèi)滾動圓沿節(jié)圓內(nèi)表面純滾動所轉(zhuǎn)過的角度，°。

3 擺線輪的參數(shù)化建模

擺線輪的齒廓曲線與形成外、內(nèi)擺線的節(jié)圓、內(nèi)外滾動圓、齒數(shù)有關(guān)，齒數(shù)Z、節(jié)圓半徑R、外、內(nèi)滾動圓半徑r1與r2、 模數(shù)m和節(jié)圓弦齒厚S是在齒廓曲線方程設(shè)計中必須確定的獨立設(shè)計參數(shù)，其他與齒廓相關(guān)的幾何尺寸就可以由計算得出，而要設(shè)計出完整的擺線輪，還需要確定齒頂高系數(shù)ha、頂隙系數(shù)c和齒寬B。

3.1 設(shè)置擺線輪齒廓的參數(shù)關(guān)系

利用Pro/E軟件中高級編程語言[6]，首先定義基本參數(shù)，如表1；

表1 擺線輪基本參數(shù)

續(xù)表1

RA--齒頂圓半徑RF--齒根圓半徑R0--齒根過渡圓弧

注：--表示此參數(shù)的值是由關(guān)系式求出。

再將這些參數(shù)的關(guān)系式編寫入“Relation”中，此段程序如下所示：

/*start

/*注：以下程序中出現(xiàn)的未定義的參數(shù)是由在建模過程中Pro/E軟件提供的中間特征參數(shù)

/*基本參數(shù)關(guān)系

R=M*Z/2

BETA=ASIN(S/2/R)

HA=HAX*M

HF=(HAX+CX)*M

RA=R+HA

RF=R-HF

/*齒寬

D0=B

D1=B

/*齒根圓過渡半徑

IF HAX >= 1

D2=0.38*M

ENDIF

IF HAX < 1

D2=0.46*M

ENDIF

/*復(fù)制單齒

D4=360/Z

/*陣列齒形

D12=360/Z

P13=Z-1

/*end

3.2 繪制擺線輪齒廓

在Proe/E軟件中采用Curve功能，如圖4，選取笛卡爾坐標(biāo)，先根據(jù)圓參數(shù)式(5)畫出節(jié)圓、齒根圓和齒頂圓的曲線，再根據(jù)擺線輪齒廓外、內(nèi)擺線參數(shù)式(6)和式(7)和Mirror功能，畫出擺線輪齒的曲線，見圖5。

圖4 Curve窗口

圖5 繪制曲線圖

(5)

其中：r分別取R、RA、RF，0

(6)

(7)

先利用Extrude功能拉伸出齒根圓，再利用Sketch中的Use功能拾取所需的輪廓線，將所得的齒形輪廓線進(jìn)行Extrude功能拉伸，即可得到擺線輪單齒的模型，見圖6。在這里，拉伸的深度與擺線輪寬度B進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以便進(jìn)行尺寸驅(qū)動，再依次使用Copy與Pattern功能進(jìn)行單齒的陣列，最后利用Hole功能得到中心的軸孔，其中只需要注意各個尺寸與擺線輪基本參數(shù)的關(guān)聯(lián)，以便能夠?qū)崿F(xiàn)尺寸驅(qū)動，如圖7。

圖6 單齒圖

圖7 單齒陣列圖

3.3 參數(shù)化程序設(shè)計

程序化工具Program記錄著模型的所有特征信息，包括建立過程、參數(shù)、尺寸和關(guān)系式等信息。設(shè)計者只需在Program中的INPUT和END INPUT之間添加經(jīng)常變更的參數(shù)，通過輸入新的參數(shù)值，驅(qū)動模型再生，達(dá)到參數(shù)化程序設(shè)計的目的。對于擺線輪而言，因為在建模時已創(chuàng)建了各參數(shù)之間的關(guān)系式，所以整個擺線論的特征變化只取決于擺線輪齒數(shù)z、模數(shù)m、節(jié)圓的弦齒長S、外滾動圓半徑r1、內(nèi)滾動圓半徑r2、齒寬B、齒頂高系數(shù)ha、頂隙系數(shù)c和軸孔半徑rr1，因此只需添加上述參數(shù)的有關(guān)語句即可。過程如下：

INPUT

Z NUMBER

"請輸入行走擺線輪齒數(shù)："

M NUMBER

"請輸入行走擺線輪模數(shù)："

S NUMBER

"請輸入行走擺線輪節(jié)圓的弦齒長："

R1 NUMBER

"請輸入外滾動圓半徑："

R2 NUMBER

"請輸入內(nèi)滾動圓半徑："

B NUMBER

"請輸入行走擺線輪寬度："

HAX NUMBER

"請輸入齒頂高系數(shù)："

CX NUMBER

"請輸入頂隙系數(shù)："

RR1 NUMBER

"請輸入軸孔半徑："

END INPUT

當(dāng)需要變更模型時，讀取已創(chuàng)建的擺線輪模型，選擇再生功能，然后選取需要更改的參數(shù)，如圖8所示。根據(jù)Program的提示依次輸入新的參數(shù)值，即可生成新的擺線輪，達(dá)到了參數(shù)化設(shè)計的目的，見圖9。

圖8 初始設(shè)計參數(shù)輸入

(a)七齒擺線輪

(b)九齒擺線輪圖9 參數(shù)化模型圖

4 結(jié)論

擺線齒廓的行走輪在滾筒式采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)上的應(yīng)用較為突出，利用Pro/E軟件的造型功能提高了擺線輪齒廓曲線的設(shè)計精度，提高了傳統(tǒng)造型的齒廓精度；參數(shù)化設(shè)計有效地提高了設(shè)計效率，讓設(shè)計者在三維造型上花費較少的時間，更方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸上的優(yōu)化設(shè)計。本文給出的擺線輪擺線齒廓參數(shù)方程是準(zhǔn)確畫出擺線輪三維圖形的基礎(chǔ)，可為研究和學(xué)習(xí)行走輪-銷軌設(shè)計提供合理的理論依據(jù)。

[1] 陳偉, 杜長龍, 夏麗建,等. 采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)擺線輪設(shè)計研究[J]. 煤礦機(jī)械, 2010, 31(6): 1-2.

[2] 徐建超, 譚超, 趙亞東. 采煤機(jī)行走輪的參數(shù)建模與有限元分析[J]. 煤礦機(jī)械, 2011, 32(5): 91-92.

[3] 賈傳文, 李娜. 簡述基Pro/engineer的銷齒擺線齒輪三維設(shè)計方法[J]. 煤礦機(jī)械, 2006, 27(2): 266-268.

[4] 王振乾. 滾筒式采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)運動學(xué)分析及強(qiáng)度研究[D], 上海：煤科總院上海分院碩士論文, 2007.

[5] 徐義華，等. 擺線泵內(nèi)轉(zhuǎn)子理論型線參數(shù)方程及內(nèi)外轉(zhuǎn)子的建模[J], 機(jī)床與液壓, 2008, 36(1): 106-107.

[6] 龍坤，等. Pro/ENGINEERING野火版3.0(中文版)范例練習(xí)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2006.

Parametric Design of Cycloid Gear for Haulage Mechanism of Shearer

FEI Song1, CHEN Jun2, YU Guang-zheng3,SHEN Lei3, ZHAO Jing3

(1.NART Technology Development Co.,Ltd., Nanjing 210007,China; 2. The 28th Reeearch Institute of CECT Nanjing 210007,China;3. School of Mechanical Engineering, Nanjing University Science & Technology, Nanjing 210094, China)

Based on the forming principles of inner cycloid and outer cycloid, the parametric equation for the cycloid gear of the haulage mechanism of the drum shearer, is established. Then, by using the advanced programming function of Pro/Engineering, its practical parametric model is set up. At last, the feasibility of this parametric model is demonstrated lay two examples.

cycloid gear;shearer;theoretic profile curve;parametric

費淞(1980-)，男，江蘇溧陽人，工程師，學(xué)士，主要研究方向:工業(yè)自動化。

TH12

B

1671-5276(2014)02-0108-05

2013-01-23