基于VB的刮板输送机花键联接强度校核及优化设计
基于VB的刮板输送机花键联接强度校核及优化设计
李阳春1王勇2张翅3
（郑州煤矿机械集团股份有限公司郑州 450016）
摘要：阐述了渐开线花键联接的特点及其在综采工作面刮板输送机中的应用。根据渐开线花键强度校核公式，用Visual Basic作为编程语言，将花键设计、校核、优化设计的步骤程序化；设计程序输入、输出界面，最后生成可执行程序；提高了产品设计开发的效率和准确性。
关键词：渐开线花键、Visual Basic、强度校核、优化设计
The spline connection strength checking and optimization design of
scraper conveyor based on VB
Li Yang Chun 1Wang Yong 2 Zhang Chi 3
（Zhengzhou Coal Mine Machinery Group Co., Ltd., Zhengzhou 450016, China）Abstract：Describes the characteristics of involute spline connection，and its Application in the scraper conveyor of fully-mechanized coalface。According to the involute spline strength check formula，using visual basic as computer programming language，programming design the steps of spline design，check，optimization design；Design the program input、output interface，finally，generate executable program；
Through this program，improve the efficiency and accuracy of product design and development。
Keywords：involute spline、strength check、optimization design
0 前言
刮板输送机是煤矿综采工作面重要设备之一，承担着将采煤机采下的原煤连续不断地运往转载机的任务，并确保综采工作面的原煤连续运出。在刮板输送机整机强度满足要求的情况下，驱动部能否正常工作是保证刮板输送机正常工作的前提。
刮板输送机的动力经减速器传递给链轮轴组，带动刮板链做无端封闭循环运动，因此，动力传递系统的可靠性对整机的性能影响非常大。要求传递系统使用寿命长，可靠性高，载荷冲击小，噪音小。
花键联接为多齿承载，总接触面积大，使轴毂受力均匀；齿轴一体而且齿槽较浅，齿根的应力集中较小，对轴的削弱较少，因此承载能力强；同时定心性及导向性较好，适用于载荷较大和对定心精度要求较高的联接。基于以上优点，刮板输送机动力部减速器与链轮轴组之间多采用渐开线花键联接，齿面接触好，强度高，寿命长；结构紧凑、重量轻；启动瞬间，由于键齿是以滑合的方式进入工作状态，冲击小，动载荷小，承载能力好。
由于渐开线花键设计过程中，计算、校核公式多，计算过程复杂，手工计算难度大，效率低；在进行优化设计时，需要反复验算、对比。利用VB软件开发一个程序，涵盖设计、校核、优化设计等全过程。
本文以圆柱直齿渐开线花键为例，以Visual Basic作为编程语言，探讨花键强度校核、优化设计的程序化过程；依据圆柱直齿渐开线花键基本参数计算GB/T
3478.1-1995，花键承载能力计算方法GB/T 17855-1999规定，具体计算以SGZ1000/2×855重型刮板输送机链轮轴组工况条件及受力分析计算为基础参数。
1 花键设计
图1 花键设计校核软件主界面
本文设计的花键初始参数如上图所示，动力部电机功率P=855kW ，转速
n=1480r/min ，花键模数m=10，花键齿数z=28，标准压力角αD =30°；材质选择超高强度钢42CrMo ，抗拉强度极限Rm ≥
1080Mpa ，屈服强度极限σ0.2≥930Mpa ，调质硬度HB260，花键表面淬火硬度45HRC ；根据工作条件和花键齿面处理工艺，选定花键联接的许用压强[p]； 链轮轴最小直径d min 计算：
3
min
n
p
A d = ；设计时，如果链轮轴中心有空心通孔，轴径应适当增大；轴的弯曲、扭转复合安全系数S 须大于3.0。
[]
p n z m k i p L ????????=2
2min 955010002 ；其中，k 为载荷不均匀系数，k 取0.7～0.8；因此，链轮轴直径d 轴必须大于d min ；花键啮合长度介于最短长度与极限长度L max 之间；极限长度是链轮片到轴组辅助支撑之间的距离，留15mm 安全距离； 安全系数选取：
使用系数K 1取1.25，齿侧间隙系数K 2取1.3，分配系数K 3取1.0（根据花键副公差等级高低自动选取），轴向偏载系数K 4=1.9，K 4根据花键模数、分度圆直径以及结合长度与分度圆直径的比值范围，采用特殊插值法计算；齿面接触强度的计算安全系数S H 取1.4，弯曲强度的计算安全系数S F 取1.3。 齿面许用压应力[σH ]=233.1Mpa ，齿面许用弯曲应力[σF ]=291.5Mpa ，齿面许用剪切应
力[τF ]=145.7Mpa ， 2 强度校核计算 单位载荷W 计算：
()
D t
l z F W αcos ??=
；其中：F t 为名义
切应力，N ；z 为花键齿数；l 为结合长度，mm ；αD 为标准压力角，（°）。 2.1齿面接触强度计算：
[]H H ≤=
σσW
h W
；()2ii ee
W D D h -= ；[]4
3212
.0K K K K S H ????=
H σσ ；
其中，σH 为齿面压应力，Mpa ； [σH ]为齿
面许用压应力，Mpa ；h W 为工作齿高，mm ； 2.2齿根弯曲强度计算：
()[]F Fn
D F S W h σασ≤???=
2
cos 6 ； []4321K K K K S F b
F ????=
σσ ；
()2
ie ee D D h -=
；其中，σ
F 为齿根弯曲
应力，Mpa ；[σF ]为齿根许用弯曲应力，Mpa ；S Fn 为花键齿根最大弯曲应力处的弦齿厚，mm ；h 为全齿高，mm ；σb 为抗拉强度，Mpa 。
2.3齿根剪切强度计算：
[]F tn tn F ταττ≤?=max ；
[][]2
F F στ=；其中，τ
Fmax 为齿根最大剪切
应力，Mpa ；[τF ]为许用剪切应力，Mpa ；τtn 为靠近花键收尾处的剪切应力，Mpa ；αtn 为应力集中系数。 2.4齿面耐磨损能力计算：
2.4.1花键副在10^8循环数以下工作时耐磨损能力计算
[]1H H ≤σσ；其中，σH 为齿面压应力，Mpa ；
[σ
H1]为齿面磨损许用压应力，Mpa ；
2.4.2花键副长期工作无磨损时耐磨损能力计算
[]2H H ≤σσ ；其中，σH 为齿面压应力，
Mpa ； [σ
H2]为齿面磨损许用压应力，
Mpa ；
图2 花键副耐磨损能力计算
齿面磨损许用压应力，根据花键热处理工艺及齿面平均硬度，采用特殊插值法计算许用应力值。链轮轴花键部位耐磨性能高低，直接影响到链轮轴组的使用寿命，因此，通常采用花键齿面淬火工艺，提高花键表面硬度值，延长花键使用寿命；通过计算，该花键轴满足在10^8循环数以下工作，无法满足长期工作无磨损工况。 3 优化设计
在花键传递扭矩和受力情况一定的情况下，通过计算，分析啮合长度l ，花键齿数m 和模数z ，标准压力角αD ，以及齿根类型的变化，对齿面接触强度、齿根弯曲强度、齿根剪切强度、以及齿面耐磨损能力的影响。
图3 花键强度对比分析
分析计算结果，可以得出以下规律：
a) 花键齿数z 和模数m 等参数一定的情况下，随着啮合长度l 不断增加，齿面压应力和齿根弯曲应力逐渐减小，齿根剪切应力没有变化。
b) 花键啮合长度l 和分度圆直径D 等参数一定的情况下，随着模数m 的增大，齿数z 的减小，齿面压应力基本不变，齿根弯曲应力和齿根剪切应力逐渐增大。
c) 花键啮合长度l 、齿数z 和模数m 等参数一定的情况下，标准压力角αD 增大时，齿面压应力增大，齿根弯曲应力减小，齿根剪切应力减小。
d) 花键啮合长度l 、齿数z 和模数m 等参数一定的情况下，齿根类型由平齿根改为圆齿根时，齿面压应力不变化，齿根弯曲应力增大，齿根剪切应力明显减小。 总结：齿面压应力和齿根弯曲应力安全系数比较大，齿根剪切应力安全系数很小，因此，增大啮合长度没有意义，啮合长度的增大，增加了链轮轴组拆卸难度，也增加了过渡液压支架控顶距，支架设计难度增大；在其他参数一定时，尽量选择小模数，大齿数花键联接，有利于提高花键强度，降低啮合噪音。 4 结语
花键联接强度对煤矿刮板机动力传递系统可靠性的影响非常大，本文依据花键计算国家标准，把强度校核过程和参数优化设计过程，编译成花键设计软件，分析渐开线花键各个参数对花键强度大小的影响，减少花键设计计算工作量，提高工作效率；对优化花键设计，提高链轮轴组性能有着重要意义。
参 考 文 献
[1] 陈卓，朱如鹏.航空发动机渐开线花键强度分析［J ］.机械工程与自动化，2009（8）. [2] 詹昭平，常宝印等.渐开线花键标准应用手册［M ］.中国标准出版社，1997（5）. [3] 邱宣怀，郭可谦等.机械设计[M].高等教育出版社，1998（6）.
作者简介：李阳春（1965- ），宁夏中卫市人，工程师，从事刮板输送机技术研发和管理工作。
电子信箱：254519601@https://www.wendangku.net/doc/7717478327.html,
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