CN113309840A - 一种采煤机截割部自适应调速传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采煤机截割部自适应调速传动装置，包括依次传动连接的输入源、差动轮系、换挡结构和减速结构；输入源包括多个与差动轮系的齿圈传动连接的电机以及与差动轮系的太阳轮传动连接的变频电机；减速结构由传动比不同且共用一个双侧板行星架的两个行星轮系组成；换挡结构以铁磁形状记忆合金弹簧的磁感生应变驱动换挡，并设于双侧板行星架内；本发明中，差动轮系对动力进行耦合，避免单个电机功率过大,传动链过长的问题，变频电机与差动轮系的太阳轮传动连接，提高了传动装置的调速范围；通过换挡结构可实现差动轮系与减速结构中任一行星轮系传动连接，进一步减速调速，提高了变载情况下调速的稳定性，且传动装置具有更大的调速范围。

Description

一种采煤机截割部自适应调速传动装置

技术领域

本发明属于采煤机动力传输的技术领域，具体涉及一种采煤机截割部自适应调速传动装置。

背景技术

目前，采煤机截割部的传动装置一般由电机、惰轮传动链和行星减速机构组成，由于采煤效率、块煤大小均与滚筒转速有关，大部分采煤机截割部通过惰轮传动链将电机的转速降到30～50r/min区间内的某一相对固定值，以保证稳定的生产作业。现有许多专利对传动装置有所涉及，如CN101769155B公开了一种盾构机双驱行星调速系统，通过差动轮系实现多工况、大功率的范围调速，拓宽了盾构机的调速范围，但调速范围依然较小；如CN104500062B公开了一种采煤机短程截割动力传动装置，通过多个电机同步输入，解决了常规采煤机截割部单个电机的功率过大、传动链过长的问题，但多个电机同时耦合在一个行星轮系中，遇到突变载荷时，多个电机的同步特性容易受到较大影响；如CN111927927A公开了一种液压主动换挡的行星减速器，通过将行星轮系和液压换挡技术结合进行变档，凭借机械结构进行主动换挡减速，解决了重型机械变转矩调速问题，但主动变档调速的操作难度较高，且因人工操作而存在一定滞后性；如CN112682489A公开了一种电动汽车纵向驱动自适应同步自动调速系统，通过将滑动摩擦离合器和同步器进行结合，以实现自适应同步调速，但难以适用于采煤机这类对负载和体积都有较高要求的设备。

发明人对采煤机牵引-截割动力系统的设计进行了大量研究，发现针对采煤机截割部短程调速的研究还相对较少，特别是多电机、多煤层种类、不同负载转矩下滚筒的调速问题。目前，多种采煤机截割部的传动装置中，采用单一差动轮系的传动装置，其调速范围较小，且调速效果极度依赖调速电机，无法保证变载情况下速度的稳定性；采用多电机与行星轮系耦合的传动装置，难以应对采煤过程中载荷突变的情况；而现有的主动变档和无级调速机构难以适应采煤机大功率、载荷多变的工作过程。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种采煤机截割部自适应调速传动装置，避免现有传动装置存在的调速范围小、变载调速稳定性差和无法自动换挡调速的问题，取得提高采煤机截割部工作的可靠性、效率和负载能力的效果。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种采煤机截割部自适应调速传动装置，包括差动轮系，所述差动轮系的太阳轮传动连接有变频电机，所述变频电机电连接有变频器，差动轮系的齿圈为内外齿圈，所述齿圈的外齿传动连接有多个电机，差动轮系的行星架传动连接有减速结构；

所述减速结构包括两个传动比不同的行星轮系，两个行星轮系同轴且共用一个双侧板行星架，所述双侧板行星架内具有位于两个行星轮系之间的隔板，所述隔板上贯穿设有与行星轮系的太阳轮同轴的安装孔；两个行星轮系的太阳轮相对的一侧均具有延伸至所述安装孔内的环状凸台，所述环状凸台与安装孔同轴，环状凸台的外径小于安装孔的直径，环状凸台具有外花键；

所述双侧板行星架的一端设有与安装孔同轴的传动主轴，所述传动主轴的一端与差动轮系的行星架传动连接，传动主轴的另一端活动穿过一个行星轮系的太阳轮并延伸至安装孔内，传动主轴与对应侧的行星轮系的太阳轮可相对转动，另一个行星轮系的太阳轮与双侧板行星架转动连接；双侧板行星架的另一端用于传动连接滚筒；

所述安装孔内设有换挡结构，所述换挡结构包括传动毂，所述传动毂套设在传动主轴外，且传动毂套可随传动主轴转动，传动毂具有外花键，传动毂外套设有接合套，所述接合套具有内花键，传动毂与接合套花键连接，接合套的内径与所述环状凸台的外径对应，接合套可沿轴向滑动以使接合套可与任一环状凸台花键连接；

所述接合套的外壁与安装孔的内壁滑动配合，所述接合套的两侧均沿轴向设有铁磁形状记忆合金弹簧，所述铁磁形状记忆合金弹簧位于对应侧的环状凸台与安装孔的内壁之间，铁磁形状记忆合金弹簧的一端固定，铁磁形状记忆合金弹簧的另一端与接合套抵接；

所述安装孔的内壁上嵌设有两个励磁线圈，两个励磁线圈与两个铁磁形状记忆合金弹簧一一对应。

本发明中，通过差动轮系对多个电机进行动力耦合，避免单个电机功率过大的问题，变频电机与差动轮系的太阳轮传动连接，通过变频器调整变频电机的转速，以使差动轮系可变速输出，在缩短传动链的同时，提高了传动装置的调速范围；差动轮系与减速结构通过传动主轴传动连接，并通过换挡结构可使传动主轴与减速结构中任一行星轮系的太阳轮传动连接，使减速结构通过任一行星轮系对差动轮系的输出进行进一步的减速调速，以提高变载情况下调速的稳定性，且由于两个行星轮系的传动比不同，所以在减速结构与差动轮系的配合下，该传动装置具有更大的调速范围；并可根据对应设置在采煤机截割部上的负载检测装置和调控装置，控制变频器输出和两励磁线圈的通电情况，使传动装置实现自适应的调频变速或换挡变速，以适应采煤机截割部载荷多变的工作过程。

换挡结构的原理如下：当任一励磁线圈得电产生磁场时，对应的铁磁形状记忆合金弹簧在磁场作用下伸长，带动接合套移动并与对应侧的环状凸台花键连接，使接合套与对应侧的行星轮系的太阳轮传动连接，由于接合套通过传动毂可随传动主轴转动，从而使差动轮系通过传动主轴与对应侧的行星轮系传动连接；其中，铁磁形状记忆合金弹簧不仅起换挡作用，使换挡反应迅速，还起减振作用，可降低轴向冲击对该换挡结构的影响。

进一步地，所述铁磁形状记忆合金弹簧包括呈螺旋状的支撑壳体，所述支撑壳体由若干呈扇形状的支撑段组成，相邻两个支撑段之间有间距，支撑段为导磁材料；

所述支撑壳体内包裹设有多根同为螺旋状的铁磁形状记忆合金条，铁磁形状记忆合金条与支撑壳体的螺距相同，铁磁形状记忆合金条的螺旋直径各不相同。

这样，所述铁磁形状记忆合金作为具有双向形状记忆效应和磁感生应变的新型材料，将传统的温控形状记忆合金和磁致伸缩材料特性相互融合，可通过改变外界磁场，使材料金相结构的孪晶界移动、马氏体发生形状改变而产生形变。但铁磁形状记忆合金存在脆性大的问题，在CN110423934A中提出了一种均匀化Ni-Co-Mn-Sn-Cu合金的方法，以及CN101935791A中提出了一种深过冷定向凝固Co-Ni-Ga棒材的方法，其目的都是为了解决铁磁形状记忆合金脆性大的问题，以便于铁磁形状记忆合金在大尺寸下可以稳定工作；

虽然上述专利已对铁磁形状记忆合金进行了材料上的改进，但由于采煤机截割部的体积较大，为了换挡结构的正常工作，应用于其中的螺旋状的铁磁形状记忆合金条的尺寸也较大，且采煤机截割部在工作过程中存在较强振动，因此为了进一步提高铁磁形状记忆合金条的结构强度，避免铁磁形状记忆合金条因振动或尺寸过大而破碎的情况，本发明中采用的铁磁形状记忆合金弹簧由支撑壳体和多根铁磁形状记忆合金条组成，多个支撑段将多根铁磁形状记忆合金条包裹成一体，以强化铁磁形状记忆合金弹簧的结构强度，多个支撑段间隔设置避免影响铁磁形状记忆合金条的磁感生应变，支撑段采用导磁材料使磁场可顺利穿过铁磁形状记忆合金条。

进一步地，所述铁磁形状记忆合金条和支撑段的截面均呈矩形。

这样，由于铁磁形状记忆合金的脆性较大，因此铁磁形状记忆合金不能做成单根直径较粗的弹簧状；且通过实际应用得知铁磁形状记忆合金条越薄，其磁感生应变越明显，作为弹簧的效果更好，所以为使铁磁形状记忆合金弹簧的弹性效果更好，采用多根截面为矩形的铁磁形状记忆合金条作为铁磁形状记忆合金弹簧的内芯；且铁磁形状记忆合金条越薄、支撑段的弧度范围越小，数量越多，铁磁形状记忆合金弹簧的效果越显著。

进一步地，所述传动毂的两侧面均具有与传动毂同轴的矩形环槽，传动毂的外壁上周向间隔设有多个矩形槽，所述矩形槽的两端分别延伸至传动毂的两侧面，矩形槽的底面位于所述矩形环槽的两侧壁之间，以使矩形槽与矩形环槽连通；

所述矩形槽内设有定位滑块，所述定位滑块的轴向尺寸大于传动毂和接合套的轴向尺寸，且定位滑块可沿传动毂的轴向滑动，定位滑块远离矩形槽的面上具有梯形台凸起，定位滑块的厚度小于矩形槽的深度，且定位滑块的厚度大于传动毂的外壁与矩形环槽的侧壁之间的距离；

所述接合套的内壁上具有与接合套同轴的梯形环槽，所述梯形台凸起位于所述梯形环槽内，且梯形环槽在轴向上的尺寸大于梯形凸起在轴向上的尺寸；

所述矩形环槽设有与传动毂同轴的弹簧圈，所述弹簧圈分别与矩形环槽的侧壁和定位滑块抵接以支撑定位滑块；

所述环状凸台与传动毂之间设有锁止环，所述锁止环的内径大于传动主轴的内径，锁止环的外径与环状凸台的外径相同，锁止环具有外花键，锁止环朝向传动毂的侧面设有与多个定位滑块一一对应的凹槽，定位滑块的两端分别位于两侧锁止环的凹槽内，所述凹槽沿传动毂径向上的尺寸大于等于定位滑块沿传动毂径向上的尺寸。

这样，当任一励磁线圈得电，接合套在对应铁磁形状记忆合金弹簧的作用下朝对应侧移动时，由于定位滑块上的梯形台凸起位于接合套的梯形环槽内，定位滑块在轴向受力较小的情况下随接合套移动，定位滑块带动对应侧的锁止环向对应侧的环状凸台移动，使锁止环与环状凸台逐渐抵接，在摩擦力的作用下，使环状凸台所在的太阳轮的转速逐渐接近接合套的转速；此时定位滑块在轴向上的受力因锁止环与环状凸台抵接而较大，梯形台凸起和梯形环槽的配合使定位滑块无法再随接合套移动，在梯形台凸起和梯形环槽的斜面的引导下，接合套与定位滑块产生相对运动，定位滑块逐渐在矩形槽内下陷，最终定位滑块上的梯形台凸起与接合套上的梯形环槽脱离，接合套继续向对应侧环状凸台移动，并依次与锁止环和环状凸台花键连接，换挡成功；

通过设置定位滑块和锁止环，使接合套在与环状凸台花键连接之前，先通过锁止环使环状凸台所在的行星轮系的太阳轮的转速与接合套的转速接近，避免以高速的接合套去与低速的环状凸台对接，降低两者花键连接时的刚性碰撞，使换挡顺利进行，提高换挡结构的稳定性和可靠性。

进一步地，所述环状凸台的末端具有凸起锥面，所述锁止环与环状凸台相对的侧面具有与所述凸起锥面相匹配的凹陷锥面。

这样，通过设置凸起锥面和凹陷锥面，增大环状凸台与锁止环的接触面积，使锁止环通过摩擦使环状凸台共速所需的时间更短，从而缩短换挡所需的时间。

进一步地，所述凸起锥面和凹陷锥面上均具有耐磨涂层。

这样，通过设置耐磨涂层，降低锁止环和环状凸台的磨损，提高该换挡结构的使用寿命。

进一步地，所述安装孔的内壁与接合套之间设有含油轴瓦，所述含油轴瓦上具有若干孔隙可供磁场通过。

这样，通过设置含油轴瓦可降低接合套与安装孔内壁的摩擦力，减少接合套和安装孔的磨损，从而提高该换挡结构的使用寿命。

进一步地，所述传动主轴上与所述环状凸台对应的位置设有深沟球轴承，且环状凸台的内壁上加工有台阶面用以抵接深沟球轴承。

这样，传动主轴与环状凸台处通过深沟球轴承提供支撑作用，提高传动主轴和环状凸台所在太阳轮转动的稳定性。

进一步地，靠近差动轮系的锁止环活动套设在传动主轴上，所述凸起锥面朝环状凸台的轴线倾斜，远离差动轮系的环状凸台的凸起锥面的末端还具有环状小凸台，远离差动轮系的锁止环活动套设在所述环状小凸台上；

所述传动毂具有内花键，所述传动主轴与传动毂对应的位置具有外花键，传动毂与传动主轴花键连接，传动毂远离差动轮系的一侧与对应侧的深沟球轴承之间还设有弹性挡圈，所述弹性挡圈固定套设在传动主轴上，弹性垫圈的两侧分别与传动毂和对应侧的深沟球轴承抵接。

这样，传动毂与传动主轴通过花键连接，传动毂可沿轴向滑动，且传动毂的一端通过弹性挡圈与轴承抵接，从而降低轴向冲击对整个换挡结构的影响，提高换挡结构的稳定性。

进一步地，所述差动轮系的太阳轮、行星轮和齿圈的内齿均为人字齿。

这样，由于差动轮系处于传动装置的输入端，内部各组件的转速都相对较高，为了减缓差动轮系中各齿轮的轴向不平衡力，提高差动轮系的稳定性，所以差动轮系的太阳轮、行星轮和齿圈的内齿均采用人字齿。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明中，通过差动轮系对多个电机进行动力耦合，变频电机与差动轮系的太阳轮传动连接，避免单个电机功率过大,传动链过长的问题，同时提高了传动装置的调速范围；通过换挡结构可实现差动轮系与减速结构中任一行星轮系传动连接，进一步减速调速，以提高变载情况下调速的稳定性，且由于两个行星轮系的传动比不同，使该传动装置具有更大的调速范围。

2、本发明所述传动装置可根据对应设置在采煤机截割部上的负载检测装置和调控装置，控制变频器输出和两励磁线圈的通电情况，使传动装置实现自适应的调频变速或换挡变速，以适应采煤机截割部载荷多变的工作过程。

3、本发明中，铁磁形状记忆合金弹簧不仅起换挡作用，使换挡反应迅速，还起减振作用，可降低轴向冲击对该换挡结构的影响。

4、本发明中，采用的铁磁形状记忆合金弹簧由支撑壳体和多根铁磁形状记忆合金条组成，强化了铁磁形状记忆合金弹簧的结构强度，避免大尺寸螺旋状的铁磁形状记忆合金条在使用过程中因脆性大而破碎。

5、本发明中，通过定位滑块和锁止环的协同作用，使接合套在与环状凸台花键连接之前，先通过锁止环使环状凸台所在的行星轮系的太阳轮的转速与接合套的转速接近，降低换挡时的刚性碰撞，使换挡更加顺利，提高换挡结构的稳定性和可靠性

附图说明

图1为实施例中所述传动装置的主体结构的立体示意图；

图2为图1的局部断面示意图；

图3为实施例中所述双侧板行星架的立体结构示意图；

图4为实施例的一种采煤机截割部自适应调速传动装置的结构示意图；

图5为图4中A处的放大图；

图6为图4中B处的放大图；

图7为图4中C处的放大图；

图8为实施例中所述传动毂、定位滑块和接合套连接关系的断面结构示意图；

图9为实施例中所述铁磁形状记忆合金弹簧的立体结构示意图；

图10为实施例的一种采煤机截割部自适应调速传动装置的传动简图；

图11为实施例中改装后的采煤机截割部在两个挡位下的输出转速随变频电机转速变化的曲线图；

其中，输入源1，三相异步电机11，变频电机12，动力输入齿轮13，调速输入小齿轮14，调速输入大齿轮15，变频器16；

差动轮系2，高速级太阳轮21，高速级行星轮22，高速级齿圈23，高速级行星架24，轴套25；

减速结构3，中速级太阳轮32，中速级行星轮33，中速级齿圈34，低速级太阳轮35，低速级行星轮36，低速级齿圈37，双侧板行星架38，输入侧板38a，隔板38b，输出侧板38c；

换挡结构4，传动主轴40，传动毂41，弹簧圈42，定位滑块43，接合套44，耐磨滑环45，铁磁形状记忆合金弹簧46，支撑壳体46a，铁磁形状记忆合金条46b，锁止环47，含油轴瓦48，励磁线圈49，电刷环50；

第一端板51，第二端板52，第三端板53，第四端板54，第一支撑套55，第二支撑套56，第三支撑套57，环状腔体58，注水口59；摇臂61，电机架62，防爆壳体63，滚筒64，回转支承65，筋板66。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

实施例：

请参见图1和图2，一种采煤机截割部自适应调速传动装置，该传动装置的主体结构由依次传动连接的输入源1、差动轮系2、换挡结构4和减速结构组成；其中，所述输入源1包括多个电机和一个变频电机12，变频电机12电连接有变频器16，所述输入源1并不局限于电机，可用其他动力源，如液压马达；所述减速结构由两个传动比不同的行星轮系组成，两个行星轮系同轴且共用一个双侧板行星架38；所述换挡结构4设于所述双侧板行星架38内。

本实施例中，减速结构的两个行星轮系为2K-H行星轮系，2K-H行星轮系作为常见的复合齿轮机构，因其传动比变化范围广、结构设计简单、运动过程相对稳定，被广泛应用于回转体装置的传动中。

请参见图3，所述双侧板行星架38由平行正对的两个侧板和一个隔板38b组成，所述隔板38b位于两个侧板之间，隔板38b的两侧面边缘的位置具有多个周向分布且延伸至对应侧板的凸缘，所述凸缘与对应侧板通过螺钉或焊接等方式固定连接，本实施例中采用螺钉固定连接；即本实施例所述的双侧板行星架38是由在常规双侧板行星架38的中间加设一个隔板38b而成，将常规双侧板行星架38的内部分隔成两部分以供设置两个行星轮系；

将两个侧板分别称为输入侧板38a和输出侧板38c，所述输入侧板38a的中心位置具有贯穿的输入孔，且输入侧板38a朝外的侧面具有与所述输入孔同轴的环状凸缘，以便于支撑双侧板行星架38；所述隔板38b具有与所述输入孔同轴且贯穿的安装孔，以为换挡结构4提供安装空间；所述输出侧板38c朝内的侧面具有与所述输入孔同轴的圆形盲孔，输出侧板38c朝外的侧面具有凸起，该凸起呈与所述输入孔同轴的三段式台阶轴，该凸起的末段台阶轴上加工有键槽，以便于与采煤机截割部的滚筒64传动连接。

本实施例中，靠近输入板的行星轮系的传动比小于靠近输出板的行星轮系的传动比，即差动轮系2、靠近输入板的行星轮系和靠近输出板的行星轮系的转速依次降低，为了方便描述和引用差动轮系2和行星轮系中的各齿轮和齿圈，根据转速情况，在差动轮系2的各齿轮和齿圈的名称之前加“高速级”，在靠近输入板的行星轮系的各齿轮和齿圈的名称之前加“中速级”，在靠近输出板的行星轮系的各齿轮和齿圈的名称之前加“低速级”，如高速级太阳轮21即为差动轮系2的太阳轮。

请参见图4，本实施例中，输入源1采用两个三相异步电机11和一个变频电机12；两个三相异步电机11的输出轴均通过联轴器连接有结构为齿轮轴的动力输入齿轮13，高速级齿圈23为内外齿圈(即内外均有齿)，所述动力输入齿轮13与高速级齿圈23的外齿啮合；所述变频电机12通过联轴器连接有结构为齿轮轴的调速输入小齿轮14，高速级太阳轮21为齿轮轴，高速级太阳轮21的轴端延伸至高速级行星架24外，且加工有花键，并通过花键连接有调速输入大齿轮15，所述调速输入大齿轮15与调速输入小齿轮14啮合；所述高速级行星架24远离调速输入大齿轮15的侧面具有凸起，该凸起形成与高速级太阳轮21同轴的三段式的台阶轴，该台阶轴末端的中心位置具有圆形盲孔，且该圆形盲孔内加工有花键。

所述减速结构还包括传动主轴40，所述传动主轴40的一端加工有花键并位于高速级行星架24侧面的圆形盲孔内与高速级行星架24花键连接，传动主轴40的另一端依次穿过输入侧板38a上的输入孔和中速级太阳轮32位于所述安装孔内，且中速级太阳轮32内壁靠近差动轮系2的一端加工有台阶面，该台阶面处安装有深沟球轴承以使传动主轴40可与中速级太阳轮32相对转动，低速级太阳轮35为齿轮轴，低速级太阳轮35的轴端位于输出侧板38c的圆形盲孔内，低速级太阳轮35的轴端外设有深沟球轴承以使低速级太阳轮35可与双侧板行星架38相对转动。

请参见图5，中速级太阳轮32和低速级太阳轮35相对的侧面均具有延伸至安装孔内的环状凸台，所述环状凸台与安装孔同轴，环状凸台的外径小于安装孔的直径，环状凸台具有外花键；传动主轴40与环状凸台对应的位置同样设有深沟球轴承，即中速级太阳轮32和低速级太阳轮35均由一对深沟球轴承支撑，以提高行星轮系的稳定性。

请参见图6，高速级行星架24的销轴上设有两个圆柱滚子轴承，用以支撑高速级行星轮22并通过轴套25进行轴向定位。

请参见图5，所述换挡结构4包括传动毂41，所述传动毂41套设在传动主轴40上且位于两个环状凸台之间，传动毂41可随传动主轴40转动，本实施例中，传动毂41与传动主轴40之间采用花键连接，即传动毂41具有内花键，传动主轴40与传动毂41对应的位置具有外花键，使传动毂41可沿轴向滑动，以降低轴向冲击对换挡结构4的影响；同时为了安装定位和限制传动毂41的可轴向滑动的范围，传动主轴40上还套设有弹性挡圈，传动主轴40伸出传动毂41的部分呈两段式台阶轴，靠近传动毂41的一端台阶轴上具有环形槽，所述弹性挡圈设于所述环形槽中，弹性挡圈的两侧与环形槽的侧壁抵接以固定弹性挡圈的轴向位置，弹性挡圈的直径大于传动主轴40的直径，弹性挡圈同时与传动毂41抵接以限制传动毂41的轴向滑动，同时降低轴向冲击。

所述传动毂41还具有外花键，传动毂41外套设有接合套44，所述接合套44具有内花键，接合套44与传动毂41花键连接，接合套44的外壁与安装孔内壁滑动配合，接合套44的两侧均沿轴向设有铁磁形状记忆合金弹簧46，铁磁形状记忆合金弹簧46的一端与接合套44抵接，另一端与对应侧的中速级太阳轮32或低速级太阳轮35抵接，或者通过其他结构固定，以使铁磁形状记忆合金弹簧46伸长时，可带动接合套44轴向滑动与中速级太阳轮32或低速级太阳轮35花键连接，实现换挡；所述安装孔的内壁上对应两个铁磁形状记忆合金弹簧46的位置均开设有安装槽，所述安装槽内设有励磁线圈49，励磁线圈49可得电产生磁场以使铁磁形状记忆合金弹簧46出现磁感生应变而伸长。

其中，为了避免接合套44转动与铁磁形状记忆合金弹簧46产生较大摩损，接合套44的两端与对应侧的铁磁形状记忆合金弹簧46之间还设有耐磨滑环45，耐磨滑环45与铁磁形状记忆合金弹簧46固定连接，耐磨滑环45与接合套44抵接。

请参见图7，对应的，在输入侧板38a的环状凸缘上安装有电刷环50，并在输入侧板38a和隔板38b内走线，将电刷环50与励磁线圈49电连接，通过电刷(图上未标出)和电刷滑环为媒介向励磁线圈49供电。

其中，为了避免换挡时，接合套44与中速级太阳轮32或低速级太阳轮35的转速相差较大，而产生较强的刚性碰撞，对上述换挡结构4做进一步优化如下：

请参见图5和图8，所述传动毂41的两侧面均具有与传动毂41同轴的矩形环槽，即传动毂41的径向截面呈工字形，传动毂41的外壁沿周向间隔设有多个矩形槽，矩形槽的两端分别延伸至传动毂41的两侧面，所述矩形槽的底面位于所述矩形环槽的两侧壁之间，以使矩形槽与矩形环槽连通；

所述矩形槽内设有定位滑块43，所述定位滑块43的轴向尺寸大于传动毂41和接合套44的轴向尺寸，且定位滑块43可沿传动毂41的轴向滑动，定位滑块43远离矩形槽的面上具有梯形台凸起，定位滑块43的厚度(即定位滑块43沿传动毂41的径向的尺寸)小于矩形槽的深度，且定位滑块43的厚度大于传动毂41外壁与矩形环槽的侧壁之间的距离；

所述接合套44的内壁的中间位置还具有与接合套44同轴的梯形环槽，所述梯形台凸起位于所述梯形环槽内，且梯形环槽的轴向尺寸大于梯形凸起的轴向尺寸(使当接合套44朝一侧滑动时，梯形台凸起与梯形环槽之间仅有一对斜面抵接，利于如下所述梯形台凸脱离梯形环槽的动作进行)；

所述矩形环槽设有与传动毂41同轴的弹簧圈42，所述弹簧圈42分别与矩形环槽的侧壁和定位滑块43抵接，由于如上所述“定位滑块43的厚度(即定位滑块43沿传动毂41的径向的尺寸)小于矩形槽的深度，且定位滑块43的厚度大于传动毂41外壁与矩形环槽的侧壁之间的距离”，所以此时定位滑块43的梯形台凸起位于梯形环槽内，且当定位滑块43受径向压力时，定位滑块43可完全陷入矩形槽中，使梯形台凸起与梯形环槽脱离，弹簧圈42被压缩；

所述环状凸台的末端与传动毂41之间设有锁止环47，所述锁止环47的内径大于传动主轴40的内径，锁止环47可与传动主轴40相对转动，锁止环47的外径与环状凸台的外径相同，锁止环47具有外花键，锁止环47朝向传动毂41的侧面设有与多个定位滑块43一一对应的凹槽，定位滑块43的两端分别位于对应两侧锁止环47的凹槽内，所述凹槽的宽度(即凹槽沿传动毂41径向的尺寸)大于等于定位滑块43沿传动毂41径向的尺寸，以使定位滑块43可完全陷入矩形槽中；为了方便装配时将定位滑块43的两端置于所述凹槽内，本实施例中，去除了所述凹槽与锁止环47的外圆面之间壁体，即锁止环47的外圆面呈两段式台阶轴状，且靠近定位滑块43的一段台阶轴的直径较小，所述凹槽以两段台阶轴形成的台阶面的形式存在。

换挡时，在接合套44与环状凸台花键连接之前，锁止环47与环状凸台抵接，在摩擦作用下使环状凸台的转速与接合套44的转速接近或相等，以降低换挡时的刚性碰撞，提高换挡的稳定性。

其中，为了缩短环状凸台因摩擦而与接合套44的转速同步的时间，对上述换挡结构4做进一步优化如下：所述环状凸台的末端具有凸起锥面，所述凸起锥面朝向环状凸台的轴线倾斜，所述锁止环47与环状凸台相对的侧面具有与所述凸起锥面相匹配的凹陷锥面，通过增大环状凸台与锁止环47的接触面积，使锁止环47通过摩擦使环状凸台共速所需的时间更短，从而缩短换挡所需的时间；所述凸起锥面和凹陷锥面均具有耐磨涂层，以降低锁止环47和环状凸台的磨损，提高该换挡结构4的使用寿命。

其中，为了降低接合套44与安装孔的内壁之间的摩擦力，在安装孔的内壁与接合套44之间还设有含油轴瓦48，所述含油轴瓦48的内壁与外壁分别与接合套44和安装孔的内壁相抵，含油轴瓦48上具有若干孔隙以供励磁线圈49产生的磁场通过。

请参见图9，为了保证铁磁形状记忆合金弹簧46的结构强度，铁磁形状记忆合金弹簧46采用如下结构形式：所述铁磁形状记忆合金弹簧46包括呈螺旋状的支撑壳体46a，所述支撑壳体46a由若干扇形状的支撑段组成(扇形状的支撑段有一定弯曲，以使若干支撑段可形成螺旋状)，相邻两个支撑段之间有间距，支撑段为导磁材料；

所述支撑壳体46a内包裹设有多根同为螺旋状的铁磁形状记忆合金条46b，铁磁形状记忆合金条46b与支撑壳体46a的螺距相同，铁磁形状记忆合金条46b的螺旋直径各不相同；所述铁磁形状记忆合金条46b和支撑段的截面均呈矩形。

请参见图4，为了便于装配和安装，所述差动轮系2外套设有第一支撑套55，调速输入小齿轮14也位于第一支撑套55内，高速级齿圈23的外圆面呈两段式台阶轴状，高速级齿圈23的外圆面靠近调速输入大齿轮15的一段台阶轴上有齿，以与动力输入齿轮13啮合，另一段台阶轴上安装有回转支承65，以转动支撑第一支撑套55；第一支撑套55的一端连接有第一端板51，且第一端板51位于调速输入大齿轮15与高速级行星架24之间；

所述第一端板51具有贯穿且与调速输入大齿轮15同轴的支撑孔，高速级行星架24朝向调速输入大齿轮15的侧面也具有与高速级太阳轮21同轴的环状凸缘，该环状凸缘延伸至所述支撑孔内并套设有圆锥滚子轴承以与第一端板51可转动配合；动力输入齿轮13的轴端穿过第一端板51，动力输入齿轮13的轴端上套设有圆柱滚子轴承以与第一端板51可转动配合，并通过轴承端盖对该圆柱滚子轴承进行轴向定位。

所述第一端板51朝向调速输入大齿轮15的一侧还连接有第二支撑套56，第二支撑套56的直径小于第一支撑套55的直径，调速输入小齿轮14和调速输入大齿轮15位于第二支撑套56内，第二支撑套56内还具有位于调速输入大齿轮15与第一端板51之间的筋板66；

所述第二支撑套56远离第一端板51的一端还连接有第二端板52，调速输入小齿轮14的轴端穿过第二端板52，调速输入小齿轮14的轴端上套设有圆柱滚子轴承以与第一端板51可转动配合，并通过轴承端盖对该圆柱滚子轴承进行轴向定位；高速级太阳轮21的轴端穿过第二支撑套56内的筋板66和第二端板52，高速级太阳轮21的轴端上套设有两个圆柱滚子轴承，两个圆柱滚子轴承分别位于调速输入大齿轮15的两侧，以使高速级太阳轮21的轴端分别与第二支撑套56内的筋板66和第二端板52转动配合，并通过轴承端盖和筋板66上加工的轴肩分别对调速输入大齿轮15两侧的圆柱滚子轴承定位，从而限定调速输入大齿轮15的位置，避免或减少调速输入大齿轮15的轴向运动，提高差动轮系2的稳定性；所有轴承端盖内均设有密封毡圈以避免使用时出现润滑液泄漏的情况。

第一支撑套55的另一端与中速级齿圈34固定连接，中速级齿圈34与低速级齿圈37固定连接，低速级齿圈37远离中速级齿圈34的一侧连接有第三端板53，输出侧板38c的侧面上呈三段式台阶轴的凸起穿过第三端板53，且该凸起的首段台阶轴上套设有圆锥滚子轴承以与第三端板53可转动配合；该凸起的中间段台阶轴上套设有第四端板54，第四端板54与该凸起的首段台阶轴上的圆锥滚子轴承抵接，并与第三端板53通过螺钉固定连接。

为了进一步提高差动轮系2和减速结构的稳定性，在第一支撑套55与中速级齿圈34之间还设有第三支撑套57，所述第三支撑套57的两侧分别与第一支撑套55和中速级齿圈34固定连接，高速级行星架24的侧面上呈三段式台阶轴的凸起上套设有圆锥滚子轴承以与第三支撑套57可转动配合，输入侧板38a的侧面上的环状凸缘上也套设有圆锥滚子轴承以与第三支撑套57可转动配合。

为了提高该传动装置的冷却性能，在所述第三支撑套57内还设有环状腔体58，第三支撑套57的外壁上开设有与环状腔体58连通的注水口59和排水口(图中未示出)，可通过注水口59向环状腔体58内注入冷却液，通过排水口排出，使环状腔体58内存在流动的冷却液，从而提高该传动装置的散热能力。

请参见图4和图10，第一支撑套55和第三端板53外均具有环状凸起，所述环状凸起具有贯穿且周向分布的多个通孔；安装时，可在采煤机截割部的摇臂61上设置电机架62，将两个三相异步电机11和变频电机12安装到电机架62上，电机架62外还可设置防爆壳体63进一步保护电机，输出侧板38c的侧面上呈三段式台阶轴的凸起与采煤机截割部的滚筒64传动连接；然后第一支撑套55和第三端板53外的环状凸起通过法兰盘与采煤机截割部的摇臂61固定连接，从而将该传动装置安装连接于采煤机截割部的摇臂61和采煤机截割部的滚筒64之间；且为了缩短摇臂61与滚筒64之间的距离，提高采煤机截割部的工作稳定性和避免摇臂61出现受力变形，可将差动轮系2和减速结构安装于滚筒64内。

本实施例所述的采煤机截割部自适应调速传动装置的工作过程如下：

1.当采煤机截割部处于恒负载转矩工作时，靠近中速级太阳轮32的励磁线圈49断电，对应的铁磁形状记忆合金弹簧46处于逐渐缩回至原长的状态或处于原长状态，而靠近低速级太阳轮35的励磁线圈49通电产生感应电磁场，对应的铁磁形状记忆合金弹簧46发生磁感生应变而伸长，通过耐磨滑环45推动接合套44向中速级太阳轮32移动，在梯形台凸起和梯形环槽的配合下，接合套44带动定位滑块43也向中速级太阳轮32移动，定位滑块43带动对应侧的锁止环47与接合套44同步转动并也向中速级太阳轮32移动，对应侧的锁止环47通过凹陷锥面和中速级太阳轮32的环状凸台上的凸起锥面抵接，通过摩擦力使中速级太阳轮32与接合套44趋于共速；由于梯形台凸起和梯形环槽由斜面抵接，当定位滑块43因对应锁止环47与中速级太阳轮32抵接，而无法继续随接合套44移动时，定位滑块43在斜面引导下完全陷入矩形槽内，弹簧圈42被压缩，然后接合套44依次与锁止环47和中速级太阳轮32的环状凸台花键连接，从而使差动轮系通过换挡结构与中速级行星轮33系传动连接。

这样，两个三相异步电机的动力经高速级齿圈23的外齿转矩耦合输入差动轮系，并通过高速级齿圈23的内齿将动力传递给高速级行星轮22，变频电机的动力经调速输入小齿轮14、调速输入大齿轮15、高速级太阳轮21传递给高速级行星轮22，最终耦合的转矩通过高速级行星架24传递给传动主轴40，然后经传动毂41、接合套44、中速级太阳轮32输入中速级行星轮33系，通过双侧板行星架38输出给采煤机截割部的滚筒64；此时，通过调频电机变频，可以达到恒转矩调速的效果。

2.当采煤机截割部遇到突变煤层时，靠近低速级太阳轮35的励磁线圈49断电，对应的铁磁形状记忆合金弹簧46由伸长状态逐渐缩回至原长，靠近中速级太阳轮32的励磁线圈49通电产生感应电磁场，对应的铁磁形状记忆合金弹簧46发生磁感生应变而伸长，同理，接合套44依次与锁止环47和低速级太阳轮35的环状凸台花键连接，从而使差动轮系通过换挡结构与低速级行星轮36系传动连接，变档过程结束。

此时，高速行星架传递的转矩经传动主轴40、传动毂41、接合套44、低速级太阳轮35输入低速级行星轮36系，通过双侧板行星输出给采煤机截割部的滚筒64，再配合调频电机调速，以达到自适应变转矩调速输出的目的。

3.如果工作过程中遇到紧急情况，可以通过控制两个励磁线圈49均断电，在两侧铁磁形状记忆合金弹簧46的作用下，接合套44处于中间位置，此时接合套44与中速级太阳轮32、低速级太阳轮35均不连接，处于空挡状态，避免采煤机截割部的滚筒64继续带档转动，进而对传动装置或采煤机截割部造成损坏。

4.依据变频电机的调速状态可以分为3个工作模式：同步正转模式、变频电机制动模式、变频电机反转模式，在每个模式下均可换挡，从而获得更大的转速和转矩范围。

5、应用分析：用本实施例所述的传动装置来对国产某截割部功率为300KW的采煤机进行改装，其中，两个三相异步电机的功率为90KW，同步转速为1500r/min，额定转矩为579N·m，变频电机的功率为132KW，同步转速为3000r/min，恒转矩调速为150-3000r/min，额定转矩为424N·m，传动装置中各齿的齿数如下表所示：

改装后采煤机截割部可变负载转矩的范围为50KN·m-87KN·m(在此区间内皆可恒转矩调速)，滚筒可变转速的范围为11r/min-47r/min，请参见图11：改装后的采煤机截割部在两个挡位下的输出转速随变频电机转速变化的曲线图(仅截取了换挡前输出转矩为72KN·m，换挡后转矩为87KN·m，两个恒定转矩下的电机转速进行展示)。

本实施例中，通过传动比设计，缩短了传动链，减少功率流失，优化了设备的工作空间，提高传动装置的稳定性和摇臂的抗变形能力；提高了采煤机的工作效率，并可根据具体情况，选择适当的转速和输出转矩进行工作，使煤炭采集、生产更加多元化；解决了传统采煤机截割部单电机尺寸和功率过大的问题；采用铁磁形状记忆合金弹簧的换档结构反应迅速，通过与接合套可以实现根据负载转矩自适应换挡。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种采煤机截割部自适应调速传动装置，包括差动轮系；其特征在于：所述差动轮系的太阳轮传动连接有变频电机，所述变频电机电连接有变频器，差动轮系的齿圈为内外齿圈，所述齿圈的外齿传动连接有多个电机，差动轮系的行星架传动连接有减速结构；

所述减速结构包括两个传动比不同的行星轮系，两个行星轮系同轴且共用一个双侧板行星架，所述双侧板行星架具有位于两个行星轮系之间的隔板，所述隔板上贯穿设有与行星轮系的太阳轮同轴的安装孔；两个行星轮系的太阳轮相对的一侧均具有延伸至所述安装孔内的环状凸台，所述环状凸台与安装孔同轴，环状凸台的外径小于安装孔的直径，环状凸台具有外花键；

所述双侧板行星架的一端设有与安装孔同轴的传动主轴，所述传动主轴的一端与差动轮系的行星架传动连接，传动主轴的另一端活动穿过一个行星轮系的太阳轮并延伸至安装孔内，另一个行星轮系的太阳轮与双侧板行星架转动连接；双侧板行星架的另一端用于传动连接滚筒；

所述安装孔内设有换挡结构，所述换挡结构包括传动毂，所述传动毂套设在传动主轴外，且传动毂套可随传动主轴转动，传动毂具有外花键，传动毂外套设有接合套，所述接合套具有内花键，传动毂与接合套花键连接，接合套的内径与所述环状凸台的外径对应，接合套可沿轴向滑动以使接合套可与任一环状凸台花键连接；

所述接合套的外壁与安装孔的内壁滑动配合，所述接合套的两侧均沿轴向设有铁磁形状记忆合金弹簧，所述铁磁形状记忆合金弹簧位于对应侧的环状凸台与安装孔的内壁之间，铁磁形状记忆合金弹簧的一端固定，铁磁形状记忆合金弹簧的另一端与接合套抵接；

所述安装孔的内壁上嵌设有两个励磁线圈，两个励磁线圈与两个铁磁形状记忆合金弹簧一一对应。

2.根据权利要求1所述一种采煤机截割部自适应调速传动装置，其特征在于：所述铁磁形状记忆合金弹簧包括呈螺旋状的支撑壳体，所述支撑壳体由若干呈扇形状的支撑段组成，相邻两个支撑段之间有间距，支撑段为导磁材料；

所述支撑壳体内包裹设有多根同为螺旋状的铁磁形状记忆合金条，铁磁形状记忆合金条与支撑壳体的螺距相同，且铁磁形状记忆合金条的螺旋直径各不相同。

3.根据权利要求2所述一种采煤机截割部自适应调速传动装置，其特征在于：所述铁磁形状记忆合金条和支撑段的截面均呈矩形。

4.根据权利要求3所述一种采煤机截割部自适应调速传动装置，其特征在于：所述传动毂的两侧面均具有与传动毂同轴的矩形环槽，传动毂的外壁上周向间隔设有多个矩形槽，所述矩形槽的两端分别延伸至传动毂的两侧面，矩形槽的底面位于所述矩形环槽的两侧壁之间以使矩形槽与矩形环槽连通；

所述矩形槽内设有定位滑块，所述定位滑块的轴向尺寸大于传动毂和接合套的轴向尺寸，且定位滑块可沿传动毂的轴向滑动，定位滑块远离矩形槽的面上具有梯形台凸起，定位滑块的厚度小于矩形槽的深度，且定位滑块的厚度大于传动毂的外壁与矩形环槽的侧壁之间的距离；

所述接合套的内壁上具有与接合套同轴的梯形环槽，所述梯形台凸起位于所述梯形环槽内，且梯形环槽在轴向上的尺寸大于梯形凸起在轴向上的尺寸；

所述矩形环槽设有与传动毂同轴的弹簧圈，所述弹簧圈分别与矩形环槽的侧壁和定位滑块抵接以支撑定位滑块；

所述环状凸台与传动毂之间设有锁止环，所述锁止环的内径大于传动主轴的内径，锁止环的外径与环状凸台的外径相同，锁止环具有外花键，锁止环朝向传动毂的侧面设有与多个定位滑块一一对应的凹槽，定位滑块的两端分别位于两侧锁止环的凹槽内，所述凹槽沿传动毂径向上的尺寸大于等于定位滑块沿传动毂径向上的尺寸。

5.根据权利要求4所述一种采煤机截割部自适应调速传动装置，其特征在于：所述环状凸台的末端具有凸起锥面，所述锁止环与环状凸台相对的侧面具有与所述凸起锥面相匹配的凹陷锥面。

6.根据权利要求5所述一种采煤机截割部自适应调速传动装置，其特征在于：所述凸起锥面和凹陷锥面上均具有耐磨涂层。

7.根据权利要求6所述一种采煤机截割部自适应调速传动装置，其特征在于：所述传动主轴上与所述环状凸台对应的位置设有深沟球轴承，且环状凸台的内壁上加工有台阶面用以抵接深沟球轴承。

8.根据权利要求7所述一种采煤机截割部自适应调速传动装置，其特征在于：靠近差动轮系的锁止环活动套设在传动主轴上，所述凸起锥面朝环状凸台的轴线倾斜，远离差动轮系的环状凸台的凸起锥面的末端还具有环状小凸台，远离差动轮系的锁止环活动套设在所述环状小凸台上；

所述传动毂具有内花键，所述传动主轴与传动毂对应的位置具有外花键，传动毂与传动主轴花键连接，传动毂远离差动轮系的一侧与对应侧的深沟球轴承之间还设有弹性挡圈，所述弹性挡圈固定套设在传动主轴上，弹性垫圈的两侧分别与传动毂和对应侧的深沟球轴承抵接。

9.根据权利要求8所述一种采煤机截割部自适应调速传动装置，其特征在于：所述安装孔的内壁与接合套之间设有含油轴瓦，所述含油轴瓦上具有若干孔隙可供磁场通过。

10.根据权利要求9所述一种采煤机截割部自适应调速传动装置，其特征在于：所述差动轮系的太阳轮、行星轮和齿圈的内齿均为人字齿。

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