費(fèi)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(yàn)研究院，江蘇 南京 210007；2. 中國(guó)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(jì)

費(fèi)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(yàn)研究院，江蘇 南京 210007；2. 中國(guó)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(jí)編程語(yǔ)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(shí)體模型，最后驗(yàn)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(kāi)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(xiāo)排銷(xiāo)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(lái)，很多文獻(xiàn)對(duì)滾筒式采煤機(jī)的擺線輪-銷(xiāo)軌式行走機(jī)構(gòu)的工作原理及設(shè)計(jì)計(jì)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(wú)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(duì)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(lái)模擬擺線齒廓，并且每更新一次擺線輪的型號(hào)，擺線輪齒廓曲線就要重新設(shè)計(jì)一次，需要耗費(fèi)設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間和精力，參數(shù)化建模技術(shù)能從根本上解決這一問(wèn)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(jí)編程語(yǔ)言，對(duì)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(dòng)時(shí)，滾圓上任意點(diǎn)的軌跡稱(chēng)為擺線。當(dāng)導(dǎo)線為圓時(shí)，滾圓在導(dǎo)圓內(nèi)作純滾動(dòng)時(shí)，滾圓上的任意點(diǎn)的軌跡曲線稱(chēng)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(dòng)時(shí)，滾圓上的任意點(diǎn)的軌跡曲線稱(chēng)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(guò)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(dòng)圓半徑，mm；

α1——外滾動(dòng)圓沿節(jié)圓外表面純滾動(dòng)所轉(zhuǎn)過(guò)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(dòng)圓半徑，mm；

α2——內(nèi)滾動(dòng)圓沿節(jié)圓內(nèi)表面純滾動(dòng)所轉(zhuǎn)過(guò)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(dòng)圓、齒數(shù)有關(guān)，齒數(shù)Z、節(jié)圓半徑R、外、內(nèi)滾動(dòng)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(jì)中必須確定的獨(dú)立設(shè)計(jì)參數(shù)，其他與齒廓相關(guān)的幾何尺寸就可以由計(jì)算得出，而要設(shè)計(jì)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(jí)編程語(yǔ)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(guò)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(xiě)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(guò)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(guò)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(huà)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(huà)出擺線輪齒的曲線，見(jiàn)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(jiàn)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(dòng)，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(gè)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(dòng)，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(jì)

程序化工具Program記錄著模型的所有特征信息，包括建立過(guò)程、參數(shù)、尺寸和關(guān)系式等信息。設(shè)計(jì)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(guò)輸入新的參數(shù)值，驅(qū)動(dòng)模型再生，達(dá)到參數(shù)化程序設(shè)計(jì)的目的。對(duì)于擺線輪而言，因?yàn)樵诮r(shí)已創(chuàng)建了各參數(shù)之間的關(guān)系式，所以整個(gè)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(zhǎng)S、外滾動(dòng)圓半徑r1、內(nèi)滾動(dòng)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(yǔ)句即可。過(guò)程如下：

INPUT

Z NUMBER

"請(qǐng)輸入行走擺線輪齒數(shù)："

M NUMBER

"請(qǐng)輸入行走擺線輪模數(shù)："

S NUMBER

"請(qǐng)輸入行走擺線輪節(jié)圓的弦齒長(zhǎng)："

R1 NUMBER

"請(qǐng)輸入外滾動(dòng)圓半徑："

R2 NUMBER

"請(qǐng)輸入內(nèi)滾動(dòng)圓半徑："

B NUMBER

"請(qǐng)輸入行走擺線輪寬度："

HAX NUMBER

"請(qǐng)輸入齒頂高系數(shù)："

CX NUMBER

"請(qǐng)輸入頂隙系數(shù)："

RR1 NUMBER

"請(qǐng)輸入軸孔半徑："

END INPUT

當(dāng)需要變更模型時(shí)，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(jì)的目的，見(jiàn)圖9。

圖8 初始設(shè)計(jì)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(jì)精度，提高了傳統(tǒng)造型的齒廓精度；參數(shù)化設(shè)計(jì)有效地提高了設(shè)計(jì)效率，讓設(shè)計(jì)者在三維造型上花費(fèi)較少的時(shí)間，更方便進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文給出的擺線輪擺線齒廓參數(shù)方程是準(zhǔn)確畫(huà)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(xiāo)軌設(shè)計(jì)提供合理的理論依據(jù)。

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

[2] 徐建超, 譚超, 趙亞?wèn)|. 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(jiǎn)述基Pro/engineer的銷(xiāo)齒擺線齒輪三維設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)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(fèi)淞(1980-)，男，江蘇溧陽(yáng)人，工程師，學(xué)士，主要研究方向:工業(yè)自動(dòng)化。

TH12

B

1671-5276(2014)02-0108-05

2013-01-23