采煤機搖臂設(shè)計【MG160 390-WD型】【說明書+CAD】
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河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)中期檢查表指導(dǎo)教師: 韓曉明 職稱: 教授 所在院(系): 機械與動力工程系 教研室(研究室): 機械與動力工程部 題 目采煤機搖臂設(shè)計學(xué)生姓名李繼釗專業(yè)班級08機設(shè)4班 學(xué)號0828070064一、選題質(zhì)量:(主要從以下四個方面填寫:1、選題是否符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),能否體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求;2、題目難易程度;3、題目工作量;4、題目與生產(chǎn)、科研、經(jīng)濟、社會、文化及實驗室建設(shè)等實際的結(jié)合程度)所選題目完全符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo),涉及到許多已學(xué)過的專業(yè)知識。畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)四年的所選專業(yè)知識的能力,提高綜合素質(zhì),以便更好地與實際相接軌。此題目難易程度適中,適合本科生畢業(yè)設(shè)計的要求。在做畢業(yè)設(shè)計的過程中翻閱了大量相關(guān)知識,對采煤機搖臂方面的知識有了比較系統(tǒng)的了解。2、 開題報告完成情況: 畢業(yè)論文設(shè)計書已基本完成,大部分資料已找到三、階段性成果:搖臂整體設(shè)計方案以確定各零件的數(shù)據(jù)已基本完成已開始cad作圖四、存在主要問題:一些傳動系統(tǒng)的參數(shù)還不能確定Cad作圖不是很熟悉五、指導(dǎo)教師對學(xué)生在畢業(yè)實習(xí)中,勞動、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計(論文)進展等方面的評語指導(dǎo)教師: (簽名) 年 月 日河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目名稱采煤機搖臂設(shè)計學(xué)生姓名李繼釗專業(yè)班級08機設(shè)4班學(xué)號0828070064一、 選題的目的和意義:采煤機是實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)機械化和現(xiàn)代化的重要設(shè)備之一。機械化采煤可以減輕體力勞動、提高安全性,達到高產(chǎn)量、高效率、低消耗的目的。采煤機分鋸削式、刨削式、鉆削式和銑削式四種:采煤機是一個集機械、電氣和液壓為一體的大型復(fù)雜系統(tǒng),工作環(huán)境惡劣,如果出現(xiàn)故障將會導(dǎo)致整個采煤工作的中斷,造成巨大的經(jīng)濟損失.隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展,采煤機的功能越來越多,其自身的結(jié)構(gòu)、組成愈加復(fù)雜,因而發(fā)生故障的原因也隨之復(fù)雜。雙滾筒采煤機綜合了國內(nèi)外薄煤層采煤機的成功經(jīng)驗,是針對我國具體國情而設(shè)計的新型大功率薄煤層采煤機。采煤機是煤炭工業(yè)的重要機械,近幾年隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展,采煤機向著重型化方向發(fā)展。本設(shè)計主要是對采煤機搖臂進行設(shè)計,從而在實際的設(shè)計過程中,不斷地發(fā)現(xiàn)問題解決問題,使產(chǎn)品性能進一步提高,從而更好的適應(yīng)煤炭工業(yè)的發(fā)展。二、 國內(nèi)外研究綜述: 20世紀(jì)40年代初,英國和前蘇聯(lián)相繼研制出了鏈?zhǔn)讲擅簷C,這種采煤機是通過截鏈截落煤,在截鏈上安裝有被稱為截齒的專用截煤工具,其工作效率低。同時德國研制出了用刨削方式落煤的刨煤機。50年代初,英國和德國相繼研制出了滾筒式采煤機,在這種采煤機上安裝有截煤滾筒,這是一種圓筒形部件,其上安裝有截齒,用截煤滾筒實現(xiàn)落煤和裝煤。這種采煤機與可彎曲輸送機配套,奠定了煤炭開采機械化的基礎(chǔ)。 這種采煤機的主要缺點有二點:其一是截煤滾筒的高度不能在使用中調(diào)整,對煤層厚度及其變化適應(yīng)性差;其二是截煤滾筒的裝煤效果不佳,限制了采煤機生產(chǎn)率的提高。進入60年代,英國、德國、法國和前蘇聯(lián)先后對采煤機的截割滾筒做出革命性改進。其一是截煤滾筒可以在使用中調(diào)整其高度,完全解決對煤層賦存條件的適應(yīng)性;其二是把圓筒形截割滾筒改進成螺旋葉片式截煤滾筒,即螺旋滾筒,極大地提高了裝煤效果。這兩項關(guān)鍵的改進是滾筒式采煤機稱為現(xiàn)代化采煤機械的基礎(chǔ)。三、 畢業(yè)設(shè)計(論文)所用的主要技術(shù)與方法:翻閱資料,調(diào)查文獻,模擬仿真,調(diào)查研究四、 主要參考文獻與資料獲得情況:李昌熙 沈立山 高榮 采煤機.煤炭工業(yè)出版社,1988王啟廣 李炳文. 采掘機械與支護設(shè)備.中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006.4王三民. 機械設(shè)計計算手冊.化學(xué)工業(yè)出版社,2009.1濮良貴.機械設(shè)計.高等教育出版社,2005.12主要在圖書館和網(wǎng)上查詢五、 畢業(yè)設(shè)計(論文)進度安排(按周說明)第1-2周,實習(xí)第3-4周,提交實習(xí)報告第5-6周,提交開題報告第7-9周,初步擬定總體設(shè)計方案第10-14周,主要設(shè)計階段第15周,完成并修改論文第16周,提交畢業(yè)論文六、 指導(dǎo)教師審批意見: 指導(dǎo)教師: (簽名)年 月 日 4外文翻譯英文翻譯Switched Reluctance Motors Drive for the Electrical Traction in ShearerAbstractThe paper presented the double Switched Reluctance motors parallel drive system for the electrical traction in shearer. The system components, such as the Switched Reluctance motor, the main circuit of the power converter and the controller, were described. The control strategies of the closed-loop rotor speed control with PI algorithm and balancing the distribution of the loads with fuzzy logic algorithm were given. The tests results were also presented. It is shown that the relative deviation of the average DC supplied current of the power converter in the Switched Reluctance motor 1 and in the Switched Reluctance motor 2 is within 10%.Keywords- switched reluctance; motor control; shearer; coalmine; electrical driveI. INTRODUCTIONThe underground surroundings of the coal mines are very execrable. One side, it is the moist, high dust and inflammable surroundings. On the other side, the space of roadway is limited since it is necessary to save the investment of exploiting coal mines so that it is difficult to maintain the equipments. In the modern coal mines, the automatization equipments could be used widely. The faults of the automatization equipments could affect the production and the benefit of the coal mines. The shearer is the mining equipment that coal could be cut from the coal wall. The traditional shearer was driven by the hydrostatic transmission system. The fault ratio of the hydrostatic transmission system is high since the fluid in hydrostatic transmission system could be polluted easily. The faults of the hydrostatic transmission system could affect the production and the benefit of the coal mines directly. The fault ratio of the motor drive system is lower than that of the hydrostatic transmission system, but it is difficult to cool the motor drive system in coal mines since the motor drive system should be installed within the flameproof enclosure for safety protection. The motor drive system is also one of the pivotal parts in the automatization equipments. The development of the novel types of the motor drive system had been attached importance to by the coal mines. The Switched Reluctance motor drive could become the main equipments for adjustable speed electrical drive system in coal mines 1, because it has the high operational reliability and the fault tolerant ability 2. The Switched Reluctance motor drive made up of the double-salient pole Switched Reluctance motor, the unipolar power converter and the controller is firm in the motor and in the power converter. There is no brush structure in the motor and no fault of ambipolar power converter in the power converter 34. The Switched Reluctance motor drive could be operated at the condition of lacked phases fault depended on the independence of each phase in the motor and the power converter 5. There is no winding in the rotor so that there is no copper loss in the loss and there is only little iron loss in the rotor. It is easy to cool the motor since it is not necessary to cool the rotor. The shearer driven by theSwitched Reluctance motor drive had been developed. The paper presented the developed prototype.II. SYSTEM COMPONENTSThe developed Switched Reluctance motors drive for the electrical traction in shearer is a type of the double Switched Reluctance motors parallel drive system. The system is made up of two Switched Reluctance motors, a control box installed the power converter and the controller. The adopted two Switched Reluctance motors are all three-phase 12/8 structure Switched Reluctance motor, which were shown in Figure 1. Figure 1. Photograph of the two three-phase 12/8 structure Switched Reluctance motorThe two Switched Reluctance motors were packing by the explosion-proof enclosure, respectively. The rated output power of one motor is 40 KW at the rotor speed 1155 r/min, and the adjustable speed range is from 100 r/min to 1500r/min. The power converter consists of two three-phase asymmetric bridge power converter in parallel. The IGBTs were used as the main switches. Three-phase 380V AC power source was rectificated and supplied to the power converter. The main circuit of the power converter was shown in Figure 2.In the controller, there were the rotor position detection circuit, the commutation circuit, the current and voltage protection circuit, the main switches gate driver circuit and the digital controller for rotor speed closed-loop and balancing the distribution of the loads.III. CONTROL STRATEGYThe two Switched Reluctance motor could all drive the shearer by the transmission outfit in the same traction guide way so that the rotor speed of the two Switched Reluctance motors could be synchronized. The closed-loop rotor speed control of the double Switched Reluctance motors parallel drive system could be implemented by PI algorithm. In the Switched Reluctance motor 1, the triggered signals of the main switches in the power converter are modulated by PWM signal, the comparison of the given rotor speed and the practical rotor speed are made and the duty ratio of PWM signal are regulated as follows,where, ng is the given rotor speed, nf is the practical rotorspeed, e is the difference of the rotor speed, is the increment of the duty ratio of PWM signal of the Switched Reluctance motor 1 at k time, Ki is the integral coefficient, Kp is the proportion coefficient, ek is the difference of the rotor speed at k time, ek-1 is the difference of the rotor speed at k-1 time, D1(k) is the duty ratio of PWM signal of the Switched Reluctance motor 1 at k time, and D1(k-1) is the duty ratio of PWM signal of the Switched Reluctance motor 1 at k-1 time.The output power of the Switched Reluctance motordrive system is approximately in proportion to theaverage DC supplied current of the power converter asfollows, where, P2 is the output power of the Switched Reluctance motor drive system, Iin is the average DC supplied current of the power converter. In the Switched Reluctance motor 2, the triggered signals of the main switches in the power converter are also modulated by PWM signal. The balancing the distribution of the loads between the two Switched Reluctance motors could be implemented by fuzzy logic algorithm. In the fuzzy logic regulator, there are two input control parameters, one is the deviation of the average DC supplied current of the power converter between the two Switched Reluctance motors, and the other is the variation of the deviation of the average DC supplied current of the power converter between the two Switched Reluctance motors. The output control parameter is the increment of the duty ratio of the PWM signal of the Switched Reluctance motor 2. The block diagram of the double Switched Reluctance motors parallel drive system for the electrical traction in shearer was shown in Figure 3.The deviation of the average DC supplied current ofthe power converter between the two Switched Reluctance motors at the moment of ti is:where, ei-1 is the deviation of the average DC suppliedcurrent of the power converter between the two SwitchedReluctance motors at the moment of ti-1. The duty ratio of the PWM signal of the Switched Reluctance motor 2 at the moment of ti iswhere, is the increment of the duty ratio of the PWM signal of the Switched Reluctance motor 2 at the moment of ti and D2(i-1) is the duty ratio of the PWM signal of the Switched Reluctance motor 2 at the moment of ti-1.The fuzzy logic algorithm could be expressed asfollows,if and then U = i = 1,2, m, j = 1,2, ,nwhere, E is the fuzzy set of the deviation of the average DC supplied current of the power converter between the two Switched Reluctance motors, EC is the fuzzy set of the variation of the deviation of the average DC supplied current of the power converter between the two Switched Reluctance motors, and U is the fuzzy set of the increment of the duty ratio of the PWM signal of the Switched Reluctance motor 2.The continuous deviation of the average DC supplied current of the power converter between the two Switched Reluctance motors could be changed into the discrete amount at the interval -5, +5, based on the equations as follows, The discrete increment of the duty ratio of PWM signal of the Switched Reluctance motor 2 at the interval -5, +5 could be changed into the continuous amount at the interval -1.0%, +1.0%, based on the equations as follows,There is a decision forms of the fuzzy logic algorithm based on the above principles, which was stored in the programme storage cell of the controller.While the difference of the distribution of the loads between the two Switched Reluctance motors could be got, the duty ratio of PWM signal of the Switched Reluctance motor 2 will be regulated based on the decision forms of the fuzzy logic algorithm and the distribution of the loads between the two Switched Reluctance motors could be balanced.IV. TESTED RESULTSThe developed double Switched Reluctance motors parallel drive system prototype had been tested experimentally. Table I gives the tests results, where is the relative deviation of the average DC supplied current of the power converter in the Switched Reluctance motor 1, is the relative deviation of the average DC supplied current of the power converter in the Switched Reluctance motor 2, and, It is shown that the relative deviation of the average DC supplied current of the power converter in the SwitchedReluctance motor 1 and in the Switched Reluctance motor2 is within V. CONCLUSIONThe paper presented the double Switched Reluctance motors parallel drive system for the electrical traction in shearer. The novel type of the shearer in coal mines driven by the Switched Reluctance motors drive system contributes to reduce the fault ratio of the shearer, enhance the operational reliability of the shearer and increase the benefit of the coal mines directly. The drive type of the double Switched Reluctance motors parallel drive system could also contribute to enhance the operational reliability compared with the drive type of the single Switched Reluctance motor drive system.中文譯文開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動電牽引采煤機摘要-本文介紹了雙開關(guān)磁阻電動機并聯(lián)傳動系統(tǒng)控制驅(qū)動電牽引采煤機。 本文介紹了系統(tǒng)的各個組件,如開關(guān)磁阻電機,主電路中的功率變換器和控制器等。 這里給出了它的控制原理,它主要是用PI算法和載荷均勻分布的模糊算法獲得信號來控制電機轉(zhuǎn)速這樣一個閉環(huán)系統(tǒng)。 這里也列出了它的測試結(jié)果。測試結(jié)果表明,在磁阻電動機1上供應(yīng)的平均直流電流于在磁阻電動機2上的相對誤差在10以內(nèi)。 關(guān)鍵詞:開關(guān)磁阻; 電機控制; 采煤機; 煤礦;電牽引。 1、導(dǎo)言地下礦井周圍的環(huán)境是相當(dāng)惡劣的。 一方面,它非常潮濕和高粉塵并且屬于易燃易爆環(huán)境。 而在另一方面,井下的空間是非常有限的,因為它要節(jié)約開采礦井的投資,所以這些給井下設(shè)備的維護帶來了很大的困難。 在現(xiàn)代煤礦開采過程中,自動化設(shè)備得到了廣泛的使用,但是自動化設(shè)備的故障,可以影響到煤礦的正常生產(chǎn)和生產(chǎn)效益。 采煤機是可以將煤從煤壁中開采下來的采礦設(shè)備。傳統(tǒng)的采煤機是用液壓傳動系統(tǒng)驅(qū)動的,但是由于液壓系統(tǒng)中的油液很容易被污染所以導(dǎo)致液壓系統(tǒng)的故障率很高。液壓傳動系統(tǒng)的故障可能直接影響礦井的生產(chǎn)和效益。電機驅(qū)動系統(tǒng)的故障率相對液壓傳動系統(tǒng)是比較低的,但是由于電機安裝在防暴外殼中所以給電機的冷卻帶來了困難。 電機驅(qū)動系統(tǒng)也自動化設(shè)備是其中的關(guān)鍵部件,所以發(fā)展新型電動機調(diào)速系統(tǒng)一直是煤礦開采重視的問題。 開關(guān)磁阻電機驅(qū)動之所以能成為煤礦主要設(shè)備的調(diào)速電氣傳動系統(tǒng),1 因為它具有較高的運行可靠性和容錯能力2 。 開關(guān)磁阻電機驅(qū)動由雙凸極開關(guān)磁阻電機,單極功率變換器和控制器組成,它們被固定在電機和電力變換器中。 在電機中沒有電刷結(jié)構(gòu),并且雙極功率變換器的功率變換器的故障率比較低。 開關(guān)磁阻電動機可以用在電機和功率變換器相故障少,而且每種相故障取決于其本身的情況下。開關(guān)磁阻電機中沒有繞組轉(zhuǎn)子等,所以沒有銅損的損失,只有在轉(zhuǎn)動過程中很少的鐵損。這樣開關(guān)磁阻電機就很容易冷卻了,因為它沒有必要冷卻轉(zhuǎn)子。 采煤機用的開關(guān)磁阻電機驅(qū)動已經(jīng)研制成功。 文章中給出了樣機。 二、系統(tǒng)組件研制成功的驅(qū)動電牽引采煤機的開關(guān)磁阻電機驅(qū)動是一種雙重開關(guān)磁阻電動機并聯(lián)驅(qū)動的系統(tǒng)。 該系統(tǒng)是由兩個開關(guān)磁阻電動機和一個安裝功率變換器和控制器的控制箱。 通過兩個開關(guān)磁阻電動機都是三相12 / 8結(jié)構(gòu)。開關(guān)磁阻電機如圖1所示。 兩個開關(guān)磁阻電動機都分別包在防爆外殼中。其中電機額定功率40千瓦,額定轉(zhuǎn)速1155轉(zhuǎn)/分鐘,調(diào)速范圍從100轉(zhuǎn)/分鐘到1500r/min 。功率轉(zhuǎn)換包括兩個三相對稱橋功率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)。 該IGBT的則作為主開關(guān)。 三相380V交流電源被整流并供應(yīng)給電源轉(zhuǎn)換器。主電路中的功率變換器如圖2所示。IGBTS是主要使用的開關(guān)磁阻電機。在控制器中,有轉(zhuǎn)子位置檢測電路,整流電路,電壓和電流的保護電路,主開關(guān)的柵極驅(qū)動電路和閉環(huán)轉(zhuǎn)速,負(fù)荷平衡分布的數(shù)字控制器。 三 控制策略這兩個開關(guān)磁阻電機都可以在相同的牽引導(dǎo)軌上驅(qū)動所有采煤機的輸電裝備,因此這兩個開關(guān)磁阻電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就可以達到同步。這個以閉環(huán)系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速的雙重開關(guān)磁阻電動機驅(qū)動系統(tǒng)時可以采用PI算法。 在開關(guān)磁阻電動機1中,功率變換器中主開關(guān)的觸發(fā)信號是通過調(diào)制PWM信號來給定的,當(dāng)比較給定轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速時,所用占空比的PWM 信號,其規(guī)定如下:在上式中,ng表示給定的轉(zhuǎn)速,nf表示實際的速度,e表示給定和實際轉(zhuǎn)速之間的偏差,表示開關(guān)磁阻電動機1在K時刻時PWM信號占空比的變化量,Ki表示積分系數(shù),Kp是比例系數(shù),ek表示在k時刻時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值,ek1表示在k1時刻時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差別,D1(k)表示k時刻時開關(guān)磁阻電機1上PWM的占空比,D1(K-1)表示k1時刻時開關(guān)磁阻電機1上PWM的占空比。開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的輸出功率是與所供應(yīng)的直流電流成比例的,其轉(zhuǎn)換關(guān)系如下: 在此式中,P2是開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)的輸出功率,表示電源轉(zhuǎn)換器所供應(yīng)的直流電流的平均值。圖2 主電路中的功率轉(zhuǎn)換器 在開關(guān)磁阻電動機2 中,電源轉(zhuǎn)換中主開關(guān)的觸發(fā)信號也是通過PWM信號所給定的。 這兩開關(guān)磁阻電動機可以通過模糊邏輯算法來平衡其所承受的載荷。 在模糊邏輯算法的調(diào)節(jié)中,有兩個輸入控制參數(shù),一個是電力轉(zhuǎn)換器供應(yīng)這兩個開關(guān)磁阻電動機的直流電流平均值之間的偏差,另一個是電力轉(zhuǎn)換器供應(yīng)這兩個開關(guān)磁阻電動機的直流電流平均值之間偏差的變化。 輸出參數(shù)是開關(guān)磁阻電動機 2的PWM信號占空比的增量。在圖3的方框圖中給出了電牽引采煤機中雙重開關(guān)磁阻電動機的并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)。在Ti時刻電力轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給這兩個開關(guān)磁阻電動機的直流電流的平均值的偏差為: 上式中,ei-1表示在ti1時刻電力轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給這兩個磁阻電動機開關(guān)的平均直流電流的偏差。在ti時刻開關(guān)磁阻電機2的PWM信號的占空比為:上式中, 表示在ti時刻時開關(guān)磁阻電機2的PWM信號占空比的增量,表示在ti1時刻時開關(guān)磁阻電機2的PWM信號的占空比。圖3 電采煤機中的雙磁阻開關(guān)并聯(lián)系統(tǒng)方塊圖這種模糊邏輯算法可以表示成如下形式:if and then U = i = 1,2, m, j = 1,2, ,n上式中,表示電源轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給這一對開關(guān)磁阻電動機的平均直流電流的偏差的模糊值,表示電源轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給這兩個開關(guān)磁阻電動機的平均直流電流偏差的變化的模糊值,表示開關(guān)磁阻電動機2的PWM信號占空比增量的模糊值。電力轉(zhuǎn)換器供應(yīng)給這兩個開關(guān)磁阻電動機的平均直流電流之間的連續(xù)偏差可以在區(qū)間 -5 ,+5 的范圍內(nèi)變化,其理論根據(jù)如下: 在區(qū)間-5 ,+5范圍內(nèi),開關(guān)磁阻電動機2的PWM信號占空比的離散增量可以表示成在區(qū)間-1.0%, +1.0%內(nèi)的連續(xù)變化,其理論根據(jù)如下:基于上述原則模糊邏輯算法就形成了既定形式,這將被儲存在控制器的存儲空間中。當(dāng)這兩個開關(guān)磁阻電動機之間負(fù)載有差異時,基于模糊邏輯算法的既定形式開關(guān)磁阻電機2的PWM信號的占空比能夠得到調(diào)整,從而這兩個開關(guān)磁阻電動機上的負(fù)載便可以達到平衡。 四、測試結(jié)果研制成功的雙開關(guān)磁阻電機并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)樣機已經(jīng)進行了測試實驗。 表一給出了測試結(jié)果,其中是開關(guān)磁阻電動機1中,供應(yīng)給電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的平均直流電流相對誤差,是開關(guān)磁阻電動機2中,供應(yīng)給電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的平均直流電流相對誤差。測試結(jié)果表明,磁阻開關(guān)電動機中供給電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的電流偏差在之內(nèi)。五、結(jié)論文中描述了電牽引采煤用的雙開關(guān)磁阻電動機并聯(lián)傳動系統(tǒng)。 在礦區(qū)使用的開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動的新型采煤機大大降低了采煤機的故障率,提高采煤機的運行可靠性能直接提高煤礦的經(jīng)濟效益。 驅(qū)動型的雙重開關(guān)磁阻電動機并聯(lián)驅(qū)動系統(tǒng)相比驅(qū)動型的單一開關(guān)磁阻電動機調(diào)速系統(tǒng)也有助于提高運行可靠性。采煤機搖臂設(shè)計摘 要MG160/390-WD型采煤機是中等功率低采高的電牽引采煤機,用于煤層厚度1.52.92m的中厚煤層開采,采高1.33.0 m,煤層傾角小于35,可采較硬煤質(zhì)。本論文完成了采煤機搖臂的設(shè)計,包括搖臂減速器的布局設(shè)計及三維建模。文中主要介紹了目前國內(nèi)外采煤機的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢,同時介紹了采煤機的類型、工作原理和主要組成,還介紹了采煤機搖臂的具體結(jié)構(gòu)。 在設(shè)計過程中,重點完成了對減速器傳動方案的確定和相關(guān)組件的計算和設(shè)計。首先,完成了對搖臂減速器的傳動比分配,轉(zhuǎn)速及傳遞功率的計算,其次,完成了采煤機搖臂殼體內(nèi)一軸、二軸、三軸、四軸、五軸和各軸傳動齒輪的設(shè)計及校核,簡單介紹了行星輪系的裝配關(guān)系確定和強度校核。再次,完成了軸承和聯(lián)接花鍵的選擇及校核。最后,對采煤機搖臂進行了三維建模。關(guān)鍵詞:采煤機;搖臂;齒輪 ABSTRACTThe MG160/390-WD shearer is a medium-low power electric haulage shearers mining medium-thick seam, for coal seam thickness of 1.52.92m, mining height 1.33.0m,coal bed pitch less than 35, it can be used for hard coal mining. Double drum coal shearer。A mining full-seam mining machine, one at each end of the drum. Front roller in cutting top coal, after cutting drum in under ground coal. Two roller are generally dorsal rotation, the driver left drum left spiral, the driver right right helical drum. Can also rotate in the opposite direction, the driver on the left with the right spiral drum, the drum with a left screw driver. Generally use the two-way mining, advanced shift after the head of the oblique cutting knife; also can be used to feed at the same time shift head tangent feeding mode. This paper completed the design of shearer rocker arm, including the layout and three-dimensional modeling of speed reducer, it described the current status of domestic and international coal mining research and future development trends, the type of shearer, working principles and main components,it also introduced the specific structure of shearer rocker.In the design process, completed the calculation and design of the reducer drive scheme and related components. First, completed the rocker reducer transmission ratio , speed and transfer power distribution calculation. Secondly, the completion of the design and check of five shafts and the shaft driving gears inside the rocker arm shell,simply introduced the assembly relationships and intensity checking of the planetary gear train. Thirdly, the completion of the selection and check the spline for connection. Finally, the three-dimensional modeling.Keyword: shearer; rocker arm; gear目錄1 緒論11.1 設(shè)計思路的提出11.2 采煤機概述21.2.1 采煤機分類及組成21.2.2 滾筒采煤機工作原理31.3 采煤機械化的發(fā)展與趨勢42 搖臂整體方案確定51.4 本章小結(jié)52.1 MG160/390-WD型采煤機簡介52.1.1主要技術(shù)參數(shù)62.1.2 MG160/390-WD 型電牽引采煤機截割部組成72.1.3 截割部電動機的選擇72.2 搖臂具體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的確定82.3 傳動方案的確定92.3.1 傳動方式確定92.3.2 傳動比的確定102.4 傳動比的分配112.5 傳動效率選擇122.6 本章小結(jié)133 傳動系統(tǒng)設(shè)計143.1 各級傳動轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩的確定143.2 齒輪設(shè)計及強度效核153.2.1 齒輪2(惰輪)和齒輪3的設(shè)計及強度效核163.2.1 齒輪4和齒輪5的設(shè)計及強度效核163.2.3 齒輪6和齒輪7(惰輪)設(shè)計及強度校核203.2.4 驗算齒輪3和齒輪6是否干涉223.2.5 行星齒輪設(shè)計及強度校核223.3 軸的設(shè)計及強度效核333.3.1 軸的設(shè)計及強度效核333.3.2 軸的設(shè)計及強度效核383.3.3 惰輪軸的設(shè)計及強度效核433.3.4 惰輪軸的設(shè)計及強度效核473.4 軸承的壽命校核533.4.1 軸軸承的壽命校533.4.2 軸軸承的壽命校核543.4.3 軸軸承的壽命校核553.4.4 軸軸承的壽命校核563.5 花鍵的選擇與強度校核573.5.1 軸花鍵的強度校核573.5.2 軸花鍵的強度校核583.6 搖臂的潤滑與維護12 3.7 本章小結(jié)594 搖臂的三維建模604.1 基于PRO/E的參數(shù)原理604.2 基于PRO/E的模擬仿真604.3 減速器參數(shù)化設(shè)計及仿真的總體方案及技術(shù)路線604.4 搖臂三維實體建模624.5 本章小結(jié)645 致 謝606 外文翻譯 66河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文1 緒論1.1 設(shè)計思路的提出在目前國內(nèi)采煤機市場,中厚煤層重型采煤機在研發(fā)、設(shè)計、制造和使用方面中占據(jù)著主導(dǎo)地位,中厚煤層采煤機技術(shù)日益成熟,有著廣闊的提升空間。目前國內(nèi)生產(chǎn)這類型采煤機的大型企業(yè)有西安煤礦機械廠、雞西煤礦機械廠、佳木斯煤礦機械廠等,其中以雞西煤礦機械廠設(shè)計生產(chǎn)的MG160/390-WD型電牽引采煤機也是典型代表,該機在國內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用,得到眾多煤礦的好評。本設(shè)計是在其成功的設(shè)計思想和理念基礎(chǔ)上,著重對其搖臂進行設(shè)計與三維建模。1.2 采煤機概述 1.2.1 采煤機分類及組成 采煤機有不同的分類方法:按工作機構(gòu)形式可分為滾筒式、鉆削式和鏈?zhǔn)讲擅簷C;按牽引方式可分為鏈牽引和無鏈牽引采煤機;按牽引部位置可分為內(nèi)牽引和外牽引;按牽引部動力可分為機械牽引、液壓牽引與電牽引;按工作機構(gòu)位置可分為額面式與側(cè)面式;還可以按層厚和傾角來分類?,F(xiàn)在我們所說的采煤機主要是指滾筒采煤機,這種采煤機適用范圍廣,可靠性高,效率高,所以現(xiàn)在使用很廣泛。雙滾筒采煤機綜合了國內(nèi)外薄煤層采煤機的成功經(jīng)驗,是針對我國具體國情而設(shè)計的新型大功率薄煤層采煤機。采煤機主要技術(shù)參數(shù)1、適用煤層 采高0.85-1.6m 傾角30 煤質(zhì)硬度f3 2、生產(chǎn)能力 最大理論生產(chǎn)能力528t/h 經(jīng)濟生產(chǎn)能力249t/h 3、截割部 滾筒轉(zhuǎn)速:75.62rpm 滾筒直徑:850、1000、1200 調(diào)高方式:液壓調(diào)高4、牽引部 牽引方式:液壓無級調(diào)速、擺線齒輪、銷排無鏈牽引 最大牽引力:20t 牽引速度:0-5.5m/min 5、電動機 牽引電機。滾筒采煤機的組成如圖1.1 所示。現(xiàn)代采煤機基本上都使用模塊化設(shè)計,采用多電機橫向布置,結(jié)構(gòu)取消了螺旋傘齒輪,各主要部件通過高強度液壓螺栓聯(lián)接,之間沒有動力傳遞,結(jié)構(gòu)簡單,傳動效率高,傳動可靠,維修和檢查方便;采煤機的牽引部分也采用了無鏈牽引,牽引嚙合效率高,不會出現(xiàn)斷鏈?zhǔn)鹿使ぷ鞲踩?。圖1.1 雙滾筒采煤機 1.2.2 滾筒采煤機工作原理雙滾筒采煤機工作時,前滾筒割頂煤,后滾筒割底部煤并清理浮煤。(雙滾筒采煤機的工作原理如圖1.2所示)因此雙滾筒采煤機沿工作面牽引一次,可以進一次刀;返回時,又可以進一刀,即采煤機往返一次進兩次刀,這種采法稱為雙向采煤法。 圖1.2 雙滾筒采煤機工作原理為了使?jié)L筒落下的煤能裝入刮板輸送機,滾筒上的螺旋葉片螺旋方向必須與滾筒旋轉(zhuǎn)方向相適應(yīng):對順時針旋轉(zhuǎn)(人站在采空側(cè)看)的滾筒,螺旋葉片方向必須右旋;逆時針旋轉(zhuǎn)的滾筒,其螺旋葉片方向必須左旋?;蛘咝蜗蟮臍w結(jié)為“左轉(zhuǎn)左旋;右轉(zhuǎn)右旋”,即人站在采空區(qū)從上面看滾筒,截齒向左的用左旋滾筒,向右的用右旋滾筒。雙滾筒采煤機有自開缺口的能力,當(dāng)采煤機割完一刀后,需要重新將滾筒切入一個截深,這一過程稱為進刀。常用的進刀方式有兩種:1端部斜切法利用采煤機在工作面兩端約2530m的范圍內(nèi)斜切進刀稱端部斜切進刀法;2中部斜切法(半工作面法)利用采煤機在工作面中部斜切進刀稱為中部斜切法。1.3 采煤機械化的發(fā)展與趨勢 機械化采煤開始于上世紀(jì)40年代,是隨著采煤機械(采煤機和刨煤機)的出現(xiàn)而開始的。40年代初期,英國、蘇聯(lián)相繼生產(chǎn)了采煤機,聯(lián)邦德國生產(chǎn)了刨煤機,使工作面落煤,裝煤實現(xiàn)了機械化。但是當(dāng)時的采煤機都是鏈?zhǔn)焦ぷ鳈C構(gòu),能耗大、效率低,加上工作面輸送機不能自移,所以生產(chǎn)率受到一定的限制。50年代初期,英國、聯(lián)邦德國相繼生產(chǎn)了滾筒采煤機、可彎曲刮板輸送機和單體液壓支柱,大大推進了采煤機械化的發(fā)展。由于當(dāng)時采煤機上的滾筒是死滾筒,不能實現(xiàn)調(diào)高,因而限制了采煤機械的適用范圍,我們稱這種固定滾筒的采煤機為第一代采煤機。因此,50年代各國的采煤機械化的主流還只是處于普通水平。雖然在1954年英國已經(jīng)研制出了液壓自移式支架,但是由于采煤機和可彎曲刮板輸送機尚不完善,綜采技術(shù)僅僅處于開始試驗階段。60年代是世界綜采技術(shù)的發(fā)展時期。第二代采煤機單搖臂滾筒采煤機的出現(xiàn),解決了采高調(diào)整的問題,擴大了采煤機的適用范圍;特別是1964年第三代采煤機雙搖臂采煤機的出現(xiàn),進一步解決了工作面自開缺口問題;再加上液壓支架和可彎曲刮板輸送機的不斷完善,滑行刨的研制成功等,把綜采技術(shù)推向了一個新水平,并在生產(chǎn)中顯示了綜合機械化采煤的優(yōu)越性高效、高產(chǎn) 、安全和經(jīng)濟,因此各國競相采用綜采技術(shù)。進入70年代,綜采機械化得到了進一步發(fā)展和提高,綜采設(shè)備開始向大功率、高效率及完善性能和擴大使用范圍等方向發(fā)展,相繼出現(xiàn)了功率為7501000KW,生產(chǎn)率達1500T/H的刮板輸送機,以及工作阻力達1500KN的強力液壓支架等。1970年采煤機無鏈牽引系統(tǒng)的研制成功以及1976年出現(xiàn)的第四代采煤機電牽引采煤機,大大改善了采煤機的性能,并擴大了它的使用范圍。目前,各主要產(chǎn)煤國家已基本上實現(xiàn)了采煤機械化。衡量一個國家采煤機械化水平的指標(biāo)是采煤機械化程度和綜采機械化程度。采煤機械化的發(fā)展方向是:不斷完善各類采煤設(shè)備,使之達到高效、高產(chǎn)、安全、經(jīng)濟;向遙控及自動控制發(fā)展,并逐步過渡到無人工作面采煤;提高單機的可靠性,并使之系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化;研制厚、薄及急傾斜等難采煤層的機械設(shè)備。1.4 本章小結(jié) 本章為論文的緒論部分,主要是對設(shè)計題目的分析,重點介紹了采煤機的分類、組成、工作原理、進刀方式、發(fā)展及趨勢。2 搖臂整體方案確定2.1 MG160/390-WD型采煤機簡介MG160/390-WD 無鏈電牽引采煤機,裝機總功率390KW,截割功率 2160KW,牽引功率230KW。MG160/3900-WD無鏈電牽引采煤機,采用多電機驅(qū)動橫向布置形式,截割搖臂用銷軸與牽引部聯(lián)接,左、右牽引部及中間箱,采用高強度液壓螺栓聯(lián)接。在牽引減速箱內(nèi)橫向裝有開關(guān)磁阻電機,通過牽引機構(gòu)為采煤機牽引力,中間控制箱裝有調(diào)高油缸,電控、變壓器、水閥,每個主要部件可以從老塘側(cè)抽出,易維修,易更換。其主要用途及適用范圍:MG160/390WD無鏈電牽引采煤機一般適用于中厚煤層的開采,傾角小于35度,煤質(zhì)中硬或中硬以上,含有少量夾矸的長壁式工作面。 2.1.1主要技術(shù)參數(shù)該機的主要技術(shù)參數(shù)如下表2.1:表2-1采煤機主要技術(shù)參數(shù)采高m1.3-3.0截深m0.6適應(yīng)傾角 35 適應(yīng)煤質(zhì)硬度f4滾筒轉(zhuǎn)速r/min 46,52滾筒直徑mm1250,1400,1600搖臂形式整體彎搖臂搖臂長度mm 1700搖臂回轉(zhuǎn)中心距mm5813 搖臂擺角42,-19.7牽引速度m/min 0-7牽引型式交流變頻調(diào)速無鏈牽引機面高度mm 1100最小臥底量mm 410滅塵方式內(nèi)外噴霧裝機功率KW 391電壓v 1140 2.1.2 MG160/390-WD 型電牽引采煤機截割部組成截割部主要完成截煤和裝煤作業(yè),主要組成部分有:截割電動機、搖臂減速箱、內(nèi)外噴霧系統(tǒng)和截割滾筒等。截割部為整體彎搖臂結(jié)構(gòu),即截割電機、減速器均設(shè)在截割機構(gòu)減速箱上,與牽引部鉸接和調(diào)高油缸鉸接,油缸的另一端鉸接在牽引部上,當(dāng)油缸伸縮時,實現(xiàn)搖臂升降。支承組件固定在左、右牽引部上,與行走箱上的導(dǎo)向滑靴一起承擔(dān)整機重量。 搖臂減速箱主要由殼體、輸入軸部件、惰輪、行星齒輪減速器、滾筒聯(lián)接裝置及內(nèi)外噴霧等裝置組成。搖臂的作用是將截割電動機的動力傳遞到滾筒使之旋轉(zhuǎn)采煤,同時通過調(diào)高油缸的行程控制滾筒的升降。 2.1.3 截割部電動機的選擇由設(shè)計要求知,截割部功率為2160KW,即每個截割部功率為160KW。根據(jù)礦下電機的具體工作情況,要有防爆和電火花的安全性,以保證在有爆炸危險的含煤塵和瓦斯的空氣中絕對安全;而且電機工作要可靠,啟動轉(zhuǎn)矩大,過載能力強,效率高。據(jù)三相鼠籠異步防爆電動機YBCS4-160(B), 其主要參數(shù)如下: 表2-2 YBCS4-160(B)主要技術(shù)參數(shù)額定功率:400KW;額定電壓:1140V額定轉(zhuǎn)速:1470P/m接線方式:Y額定頻率:50HZ;冷卻方式:外殼水冷該電機總體呈圓形, 其電動機輸出軸上 帶有漸開線花鍵,通過該花鍵電機將輸出的動力傳遞給搖臂的齒輪減速機構(gòu)。2.2 搖臂具體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的確定 系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化是采掘機械發(fā)展的必然趨勢。所以,這里把左右搖臂設(shè)計成對稱結(jié)構(gòu),搖臂減速箱完全互換,只是搖臂殼體分左右。為加長搖臂,擴大調(diào)高范圍,搖臂內(nèi)常裝有若干惰輪,致使截割部齒數(shù)較多。同時由于行星齒輪為多齒嚙合,傳動比大,效率高,可減小齒輪模數(shù),故末級采用行星齒輪傳動可簡化前幾級傳動。(1) 殼體:采取直臂形式,用ZG25Mn材料鑄造,并在殼體內(nèi)腔表面設(shè)置有八組冷卻水管。(2) 軸 :軸齒輪,軸承,端蓋,密封座,套筒,密封件組成,通過以花鍵聯(lián)接的扭矩軸與截割電機聯(lián)接。(3) :為惰輪組,軸齒輪,軸承,端蓋,密封件,密封座組組成。(4) 軸:齒輪,軸承,端蓋,密封座,套筒,密封件組成。(5) 軸:齒輪,軸承,端蓋,密封座,套筒,密封件組成。(6) 軸:齒輪,軸承,端蓋,密封座,套筒,密封件組成。(7) 軸:惰輪組,軸齒輪,軸承,端蓋,密封件,密封座組組成。太陽輪通過花鍵聯(lián)接將動力傳遞給行星減速器。(8) 行星減速器:太陽輪,行星輪,內(nèi)齒圈,行星架和輪軸,軸承,套筒組成。該行星減速器有三個行星輪系,太陽輪浮動,行星架靠兩個套筒軸向定位,徑向有一定的配合間隙。(9) 中心水路:水管和接頭組成。(10) 離合器:離合手把,壓蓋,轉(zhuǎn)盤,推桿軸,扭矩軸等組成。2.3 傳動方案的確定 2.3.1 傳動方式確定 其傳動系統(tǒng)如圖2.1,建模如圖2.2:圖2-1 傳動系統(tǒng)圖表2.3傳動系統(tǒng)圖明細(xì)表序號名稱序號名稱序號名稱1電動機8齒輪415太陽輪2軸9齒輪516轉(zhuǎn)臂3齒輪110軸17內(nèi)齒圈4軸惰輪11齒輪618齒輪85齒輪212軸 惰輪19軸 惰輪6軸13齒輪720箱體7齒輪314行星輪圖2-2 搖臂三維建模 2.3.2 傳動比的確定 總傳動比 電動機轉(zhuǎn)速 r/min 滾筒轉(zhuǎn)速 r/min2.4 傳動比的分配多級傳動系統(tǒng)傳動比的確定有如下原則:(1) 各級傳動的傳動比一般應(yīng)在常用值范圍內(nèi),不應(yīng)超過所允許的最大值,以符合其傳動形式的工作特點,使減速器獲得最小外形。(2) 各級傳動間應(yīng)做到尺寸協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)勻稱;各傳動件彼此間不應(yīng)發(fā)生干涉碰撞;所有傳動零件應(yīng)便于安裝。(3) 使各級傳動的承載能力接近相等,即要達到等強度。(4) 使各級傳動中的大齒輪進入油中的深度大致相等,從而使?jié)櫥容^方便。采煤機一般需要34級減速,對于中厚煤層采煤機采用2K-H(NGW)負(fù)號行星齒輪傳動時,行星齒輪安在最后一級比較合理。采煤機每級傳動比一般為34(行星齒輪傳動可達56),傳動比應(yīng)從高速級向低速級遞減。在初步設(shè)計時可按/=20%30%。本次設(shè)計采用NWG型行星減速裝置,其原理如圖2.3所示:圖2-3 NWG型行星減速裝置這種型號的行星減速裝置,效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、傳動功率范圍大,可用于各種工作條件。查閱文獻4,采煤機截割部行星減速機構(gòu)的傳動比一般為2.89。這里定行星減速機構(gòu)傳動比,則其他三級減速機構(gòu)總傳動比:31.965=6.39。由于采煤機機身高度受到嚴(yán)格限制,每級傳動比一般為根據(jù)前述多級減數(shù)齒輪的傳動比分配原則和搖臂的具體結(jié)構(gòu),據(jù)文獻8,、分別為高速級和低速級的傳動比。初定各級傳動比為: ,;以此計算三級減速傳動比的總誤差=(31.69-2.411.851.425)/31.69=2.71%,在誤差允許范圍5內(nèi),合適。2.5 傳動效率選擇 圓柱齒輪傳動選擇8級傳動,傳動效率0.97;扭矩軸0.99;滾動軸承0.98(一對),行星齒輪傳動0.98。2.6 本章小結(jié) 本章是論文的整體方案確定部分,主要包括采煤機截割電機的選擇、搖臂的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計、傳動方案選擇、傳動比分配、傳動效率確定、及潤滑方式的選擇,進而在此基礎(chǔ)上進行傳動系統(tǒng)的設(shè)計和校核.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計3.1 各級傳動轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩的確定各軸轉(zhuǎn)速計算:從電動機出來,各軸依次命名為、軸。軸 min軸 min軸 14702.42=607.44軸 609.96/1.84=330.13軸 軸 各軸功率計算:軸 1600.99=158.4軸 158.40.970.98=150.58軸 150.580.970.98=143.14軸 143.140.970.98=136.07軸 136.070.970.98=129.35軸 129.350.970.98=122.96各軸扭矩計算:軸 軸 978.26軸 = 2250.41 軸 =3936.23軸 =5350.83軸 =5086.49將上述計算結(jié)果列入下表,供以后設(shè)計計算使用表3-1 傳動系統(tǒng)的運動和動力參數(shù)表軸號功率/kW轉(zhuǎn)速n/(rmin)轉(zhuǎn)矩T/(Nm)軸158.414701029.06軸150.581470978.26軸143.14607.442250.41軸136.07330.133936.23軸129.35230.865350.83軸122.96230.865086.493.2 齒輪設(shè)計及強度效核這里主要是根據(jù)查閱的相關(guān)書籍和資料,借鑒以往采煤機截割部傳動系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗,思路如下:初步確定各級傳動中齒輪的齒數(shù)、轉(zhuǎn)速、傳動的功率、轉(zhuǎn)矩以及各級傳動的效率,進而對各級齒輪模數(shù)進行初步確定。截割部齒輪的設(shè)計及強度效核,具體計算過程及計算結(jié)果如下: 3.2.1 齒輪2(惰輪1)和齒輪3的設(shè)計及強度效核(1)選擇齒輪材料及熱處理查文獻5表16.2-59、60、61,大齒輪選用20GrMnTi滲碳淬火,齒面硬度59HRC;大齒輪用20Gr滲碳淬火,齒面硬度59HRC。由圖16.2-17及圖16.2-26,按MQ級質(zhì)量要求取值=1450(2)按齒面彎曲強度設(shè)計計算齒寬系數(shù)取0.4載荷系數(shù)取K=1.6 小輪轉(zhuǎn)矩=978.26許用接觸應(yīng)力,按表16.2-33,取1.2查圖6-8 ,1.5=246.67取齒數(shù)=30=301.42=72.3 取=73,實際傳動比(即齒數(shù)比)=2.43查圖6-7得齒形系數(shù)2.59,2.270.0105,0.0092,取較大者,即前者模數(shù)m,代入數(shù)據(jù)得m3.6,取m=4中心距 齒寬 b=0.4206=82.4小齒輪一般比大齒輪齒寬多5-10mm,取, 83(3)驗算齒面接觸強度,代入數(shù)據(jù)得910.05 (4)齒輪幾何尺寸計算 分度圓直徑 =m=430=120, =473=292 齒頂高 齒根高 =6 齒頂圓直徑 =128 =300 齒根圓直徑 =282 =110 齒寬b ,83 中心距 =206 3.2.2 齒輪4和齒輪5設(shè)計及強度效核(1)選擇齒輪材料 小齒輪4選用20GrMnTi滲碳淬火,齒面硬度59HRC;大齒輪5用20Gr滲碳淬火,齒面硬度59HRC (2)按齒面彎曲強度設(shè)計計算齒寬系數(shù)取0.4載荷系數(shù)取K=1.6 小輪轉(zhuǎn)矩=2250.41許用接觸應(yīng)力按表16.2-33,取1.2查圖6-8 ,1.5=246.67取齒數(shù)=40=301.85=74 取=74實際傳動比(即齒數(shù)比)=1.85查圖6-7得齒形系數(shù)2.45,2.260.0093,0.0092取較大者,即前者模數(shù)m代入數(shù)據(jù)得m4.2,取m=5中心距 齒寬 b=0.4285=114小齒輪一般比大齒輪齒寬多5-10mm取 (3)驗算齒面接觸強度,代入數(shù)據(jù)得737.43 (4)齒輪幾何尺寸計算 分度圓直徑 =m=540=200 =574=370 齒頂高 齒根高 =6.25 齒頂圓直徑 =210 =380 齒根圓直徑 =187.5 =357.5 齒寬b , 中心距 =285 3.2.3 齒輪6和齒輪7(惰輪)設(shè)計及強度校核(1)選擇齒輪材料 小齒輪6選用20GrMnTi滲碳淬火,齒面硬度59HRC;大齒輪7用20Gr滲碳淬火,齒面硬度59HRC (2)按齒面彎曲強度設(shè)計計算齒寬系數(shù)取0.4載荷系數(shù)取K=1.6 小輪轉(zhuǎn)矩=3936.23許用接觸應(yīng)力按表16.2-33,取1.2查圖6-8 ,1.5=246.67取齒數(shù)=37=371.42=52.54 取=53實際傳動比(即齒數(shù)比)=1.43查圖6-7得齒形系數(shù)2.54,2.260.0103,0.0096取較大者,即前者模數(shù)m,代入數(shù)據(jù)得m5.8,取m=6中心距 齒寬 b=0.4240=96, 取 (3)驗算齒面接觸強度,代入數(shù)據(jù)得1133.23 (4)齒輪幾何尺寸計算 分度圓直徑 =m=637=222, =653=318 齒頂高 齒根高 =7.5 齒頂圓直徑 =234, =330 齒根圓直徑 =192 =288齒寬b , 中心距 =240 3.2.4 驗算齒輪3和齒輪6是否干涉軸和軸中心距=285257285故齒輪3和齒輪6是不干涉 3.2.5 行星齒輪設(shè)計及強度校核(1)行星傳動類型為2K-H(A)。(2)齒輪材料及熱處理太陽輪和行星輪的材料為20GrMnTi,表面滲碳淬火處理,加工精度等級6級,表面硬度為:太陽輪60HRC,行星輪5662 HRC。據(jù)文獻9圖6-12和圖6-27,取=1450和=370。內(nèi)齒圈選用20Cr調(diào)質(zhì),加工精度等級7級,硬度。=1450和=370(3)確定主要參數(shù)1)行星機構(gòu)總傳動比=4.97。2)行星輪數(shù)目:根據(jù)文獻9表3-2,取=3。3)載荷不均衡系數(shù): 采用太陽輪浮動和行星架浮動的均載機構(gòu),取=1.154)配齒計算根據(jù)文獻9表3-2及傳動比,選擇太陽輪齒數(shù)=17行星輪齒數(shù) =25,內(nèi)齒圈齒數(shù)=67,實際傳動比i=4.94。其傳動誤,傳動合適。(4)初步計算齒輪的主要參數(shù)文獻9按彎曲強度公式6-50計算齒輪模數(shù)m:式中相關(guān)系數(shù)如下:名義轉(zhuǎn)矩,算式系數(shù),對于直齒輪為=12.1。綜合系數(shù),由表6-5查得=1.8使用系數(shù)由表6-7查得=1.5行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù),=1.15小齒輪齒形系數(shù),由圖6-22得=2.58試驗齒輪彎曲疲勞極限, 齒寬系數(shù),=0.7 小齒輪齒數(shù),=17將上列數(shù)據(jù)帶入公式得:故取齒輪模數(shù)為8。5嚙合參數(shù)計算兩個嚙合齒輪副a-c和b-c中,其標(biāo)準(zhǔn)中心距分別為:由此可見, 滿足非變位同心條件。6.幾何尺寸計算 表3-2星星輪系尺寸表 單位/mm項目計算公式太陽輪a行星輪c內(nèi)齒圈b 分度圓直徑136200536齒頂高 888齒根高 101010齒頂圓直徑 外嚙合152216 內(nèi)嚙合520齒根圓直徑df 外嚙合116180 內(nèi)嚙合556齒寬b9696967條件驗算(1) 鄰接條件 按文獻9公式3-7驗算,即和 式中:裝配行星輪的齒頂圓的半徑,。裝配行星輪的齒頂圓的直徑,。行星輪個數(shù),。為a,c齒輪嚙合中心距,。-相鄰兩行星齒輪中心距,。,故滿足鄰接條件。(2)同心條件 由上知滿足同心條件。(3)安裝條件 按文獻9公式3-20驗算,即(整數(shù)) 條件滿足。 8.齒輪副強度驗算(1)齒面接觸應(yīng)力 1)據(jù)文獻9公式6-53,基本接觸應(yīng)力 式中:節(jié)點區(qū)域系數(shù) 查圖6-9得。彈性系數(shù) 查表6-10得。重合度系數(shù) 查圖6-10得=0.9螺旋角系數(shù),直齒輪,=1端面分度圓上的名義切向力, 小齒輪分度圓直徑,=136小齒輪工作齒寬,=96 齒數(shù)比,接觸應(yīng)力基本值, 2)齒面接觸應(yīng)力據(jù)文獻9公式6-51,齒面接觸應(yīng)力 (6-51) 使用系數(shù) 查表6-7取=1.5動載系數(shù) 公式6-58 式中 , , 為傳動精度系數(shù),。 為小齒輪相對轉(zhuǎn)臂節(jié)點的速度 。 代入公式得1.01齒向載荷分布系數(shù),內(nèi)齒圈的齒寬與行星輪分度 圓的直徑比值小于1,取=1齒間載荷分布系數(shù),查表6-9,取=1.0計算接觸強度時行星輪間載荷分布不均勻系數(shù) ,=1.1,齒面接觸應(yīng)力,(2)許用接觸應(yīng)力 據(jù)文獻9公式6-54,許用接觸應(yīng)力 (6-54)試驗齒輪接觸疲勞極限,=1450接觸強度最小安全系數(shù),查表6-11,=1.2 計算接觸強度的壽命系數(shù),應(yīng)力循環(huán)次數(shù):按每天工作20小時,一年工作300天,使用壽命為8年太陽輪:行星輪:按表6-12,公式(9)計算得:, 潤滑劑系數(shù),查圖6-17得=1.05 速度系數(shù),查圖6-18得=0.9 粗糙度系數(shù),查圖6-19得=0.89 工作硬化系數(shù),=1.2 接觸強度計算的尺寸系數(shù),按表6-15公式(3)強度條件 ( 6-55) 故齒輪副滿足接觸強度條件。9. 齒輪副強度驗算在內(nèi)嚙合齒輪副中只需校核內(nèi)齒圈b的接觸強度。(1)齒面接觸應(yīng)力 1)接觸應(yīng)力基本 式中:節(jié)點區(qū)域系數(shù) 查圖6-9得。彈性系數(shù) 查表6-10得。重合度系數(shù),查圖6-10得=0.9螺旋角系數(shù),直齒輪,=1端面分度圓上的名義切向力, 。小齒輪分度圓直徑,=200小齒輪工作齒寬,=92齒數(shù)比,接觸應(yīng)力基本值,2)齒面接觸應(yīng)力 (6-52) 使用系數(shù) 查表6-7取=1.5動載系數(shù) 公式6-58 ,式中 , , 為傳動精度系數(shù),。 為小齒輪相對轉(zhuǎn)臂節(jié)點的速度 。 代入公式得1.01齒向載荷分布系數(shù),內(nèi)齒圈的齒寬與行星輪分度 圓的直徑比值小于1,取=1齒間載荷分布系數(shù),查表6-9,取=1.1計算接觸強度時行星輪間載荷分布不均勻系數(shù) =1.1齒面接觸應(yīng)力,(2)許用接觸應(yīng)力 (6-54) 試驗齒輪接觸疲勞極限,=780接觸強度最小安全系數(shù),查表6-11,=1.2計算接觸強度的壽命系數(shù),應(yīng)力循環(huán)次數(shù):按每天工作20小時,一年工作300天,使用壽命為8年太陽輪行星輪內(nèi)齒圈按表6-12,公式(9)計算得:, , ,查表6-14,簡化計算的總值為()=0.85工作硬化系數(shù) 接觸強度計算的尺寸系數(shù),按表6-15公式 (3)強度條件 (6-55) 故齒輪副滿足接觸強度條件。3.3 軸的設(shè)計及強度效核 3.3.1 軸的設(shè)計及強度效核(1) 選擇軸的材料選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理.查文獻6表7-1,材料強度極限, 取 (2)軸徑的初步估算由文獻6表7-11取C107, 可得(3)求作用在齒輪上的力 軸上大齒輪5分度圓直徑為: 圓周力,徑向力和軸向力的大小如下 小輪6分度圓直徑為: (4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計圖3-1 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計取較寬齒輪距箱體內(nèi)壁距離軸承距箱體內(nèi)壁相鄰 齒輪軸向距離10mm,安裝齒輪處軸段長比輪轂寬少2 mm。 1)擬定軸向定位要求確定各軸段直徑和長度 段安裝圓柱滾子軸承。取軸段直徑,軸承型號N418,尺寸 段安裝齒輪,齒輪左端采用套筒定位,右端使用軸肩定位,取軸段直徑,軸段長度(比齒輪6輪轂寬少2mm)。段取齒輪右端軸肩高度,取軸環(huán)直徑110+29=128軸環(huán)寬度=10.78mm,段長段用于裝齒輪5,左端用軸肩定位,右端采用套筒定位。軸段直徑,軸段長(比齒輪5輪轂寬少2mm)。段安裝圓柱滾子軸承,軸承型軸承型號N418,尺寸,軸段直徑,(齒輪4距離箱體內(nèi)壁為10mm,齒輪6距內(nèi)壁為13mm)。 2)軸上零件的周向定位兩個齒輪均采用漸開線花鍵聯(lián)結(jié),花鍵適用于載荷較大和定心精度要求較高的靜聯(lián)接和動聯(lián)接,它的鍵齒多,工作面總接觸面積大,承載能力高,它的鍵布置對稱,軸、轂受力均勻,齒槽淺,應(yīng)力集中較小,對軸和輪轂的消弱小, 軸端倒角。 (5) 軸的強度效核:1)首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖:圖3-2 軸計算簡圖2) 求支反力:水平面: 垂直面: 3) 計算彎矩 水平彎矩: 垂直面彎矩: 合成彎矩: 4) 扭矩: 5) 計算當(dāng)量彎矩 顯然B處為危險截面,故只對該處進行強度效核 軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,查表41得由得 取 3.3.2 軸的設(shè)計及強度效核 (1)選擇軸的材料選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理.查表7-1,材料強度極限, 取 (2)軸徑的初步估算由文獻表7-11取C107, 可得 (3)求作用在齒輪上的力軸上大齒輪4分度圓直徑為: 圓周力,徑向力和軸向力的大小如下 小輪3分度圓直徑為: (4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 圖3-3 軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 1)擬定軸向定位要求確定各軸段直徑和長度段安裝圓柱滾子軸承。取軸段直徑,軸承型號N420,尺寸;段安裝齒輪3,齒輪左端采用套筒定位,右端使用軸肩定位,取軸段直徑軸段長度(比齒輪3輪轂寬少2mm)段考慮相鄰齒面干涉距離,取其長度為,取齒輪右端軸肩高度,取軸環(huán)直徑120+29=138。段用于安裝齒輪4,左端用軸肩定位,右端采用套筒定位。軸段直徑,軸段長。段安裝圓柱滾子軸承。取軸段直徑,軸承型號 N420,尺寸,取軸段直徑,2)軸上零件的周向定位同軸相同,兩個齒輪均采用漸開線花鍵聯(lián)結(jié)。 (5)軸的強度效核:1)首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖:圖3-4 軸計算簡圖2) 求支反力:水平面: 垂直面: 3) 計算彎矩水平彎矩: 垂直面彎矩: 合成彎矩: 4) 扭矩: 5) 計算當(dāng)量彎矩,顯然C處為危險截面,進行強度效核 軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,強度校核合格3.3.3 惰輪軸的設(shè)計及強度效核 由于心軸不傳遞轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)矩法估算直徑在這里不再適用,采用經(jīng)驗法估算心軸的直徑,軸徑與中心距的關(guān)系為: 初取,經(jīng)受力分析在確定軸的直徑.該心軸分三段,從右端起: 軸段1:該軸段直接安裝在搖臂殼體上,起支撐作用.取其直徑,為使該軸有足夠的支撐強度,取其長度。 軸段2:該段安裝軸承,軸承外圈支承著惰輪。取其直徑,這里選擇調(diào)心滾子軸承21320*,以使其自動補償軸和外殼中心線的相對偏斜,軸承的主要尺寸為:兩軸間有一長為10的距離套對其進行周向定位,該軸的長度。 軸段3:為了對軸承進行定位,取其直徑,由于箱體的厚度,為了保證惰輪與截一軸的齒輪正確嚙合,取該段的長度。1.軸的受力分析,因為此軸為心軸,僅受彎矩作用.圓周力: 選用45鋼調(diào)質(zhì)處理HBS=,因為心軸只受彎矩作用,其危險截面在軸的中間,的雙支點梁,可以認(rèn)為軸沿整個跨度承受均布載荷因為相差無幾,其徑向力抵消后與圓周力相比可以忽略,所以彎矩為:抗彎截面模量:許用彎曲應(yīng)力所以該軸強度合格。 3.3.4 惰輪軸的設(shè)計及強度效核 采用經(jīng)驗法估算心軸的直徑,軸徑與中心距的關(guān)系為: 初取,經(jīng)受力分析在確定軸的直徑.該心軸分三段,從右端起: 軸段1:該軸段直接安裝在搖臂殼體上,起支撐作用.取其直徑,為使該軸有足夠的支撐強度,取其長度。 軸段2:L2=5.7 軸段3:該軸段用于軸承定位 軸段4:該段安裝軸承,軸承外圈支承著惰輪。取其直徑,這里選擇調(diào)心滾子軸承21320*,以使其自動補償軸和外殼中心線的相對偏斜,軸承的主要尺寸為:兩軸間有一長為10的距離套對其進行周向定位,該軸的長度。 軸段5:L5=29.3 軸段7:L7=35 1.軸的受力分析,因為此軸為心軸,僅受彎矩作用.圓周力: 選用45鋼調(diào)質(zhì)處理HBS=,因為心軸只受彎矩作用,其危險截面在軸的中間,的雙支點梁,可以認(rèn)為軸沿整個跨度承受均布載荷因為相差無幾,其徑向力抵消后與圓周力相比可以忽略,所以彎矩為:抗彎截面模量:許用彎曲應(yīng)力所以該軸強度合格。 3.4 軸承的壽命校核 3.4.1 軸軸承的壽命校對軸的圓柱滾子軸承N418進行壽命計算(1)查文獻8表8-24圓柱滾子軸承N418的主要性能參數(shù):,(2)采用在軸的校核中的數(shù)據(jù),(3)合成支反力32700.63,24829.18(4)軸承的當(dāng)量動載荷(徑向動載荷系數(shù)X為1,軸向動載荷系數(shù)Y為0)(5)軸承的壽命查文獻8表8-14,8-15得溫度系數(shù),載荷系數(shù)按公式8-1=19623h采煤機軸承壽命要求為1000030000h,故軸軸承的壽命合格。 3.4.2 軸軸承的壽命校核對軸的圓柱滾子軸承N420進行壽命計算(1)查文獻8表8-24圓柱滾子軸承N420的主要性能參數(shù):,(2)采用在軸的校核中的數(shù)據(jù), ,(3)合成支反力(顯然較大)21367.12(4)軸承的當(dāng)量動載荷(徑向動載荷系數(shù)X為1,軸向動載荷系數(shù)Y為0)。(5)軸承的壽命查文獻8表8-14,8-15得溫度系數(shù),載荷系數(shù)按公式8-1=77697h采煤機軸承壽命要求為1000030000h,故軸軸承的壽命合格。 3.4.3 軸軸承的壽命校核 對軸的圓柱滾子軸承N418進行壽命計算(1)查文獻8表8-24圓柱滾子軸承N418的主要性能參數(shù):,(2)采用在軸的校核中的數(shù)據(jù), (3)合成支反力9125.86 (4)軸承的當(dāng)量動載荷 (徑向動載荷系數(shù)X為1,軸向動載荷系數(shù)Y為0)。(5)軸承的壽命查文獻8表8-14,8-15得溫度系數(shù),載荷系數(shù)按公式8-1=309874h采煤機軸承壽命要求為1000030000h,故軸軸承的壽命合格。 3.4.4 軸軸承的壽命校核對軸的圓柱滾子軸承N418進行壽命計算(1)查文獻8表8-24圓柱滾子軸承N418的主要性能參數(shù):,(2)采用在軸的校核中的數(shù)據(jù), (3)合成支反力8675.6(4)軸承的當(dāng)量動載荷 (徑向動載荷系數(shù)X為1,軸向動載荷系數(shù)Y為0)。(5)軸承的壽命查文獻8表8-14,8-15得溫度系數(shù),載荷系數(shù)按公式8-1=32355h采煤機軸承壽命要求為1000030000h,故軸軸承的壽命合格。 3.5 花鍵的選擇與強度校核 3.5.1 軸花鍵的強度校核查文獻10表4-41選擇花鍵階段和階段軸選漸開線外花鍵,其參數(shù)如下:查文獻10花鍵擠壓強度校核公式式中傳遞的轉(zhuǎn)矩各齒載荷不均勻系數(shù)取(0.70.8)齒數(shù)齒的工作(配合)長度平均直徑mm,漸開線花鍵齒的工作高度mm,漸開線花鍵許用壓強查表4-3-29,=(3060)則只需校核階段 強度校核合格 3.5.2 軸花鍵的強度校核階段和階段軸選漸開線外花鍵,其參數(shù)如下:查文獻10花鍵擠壓強度校核公式許用壓強查表4-3-29,=(3060)則只需校核段強度校核合格。3.6 搖臂的潤滑與維修 采煤機截割部因傳遞功率大而發(fā)熱嚴(yán)重,其殼體溫度可高達100,因此傳動裝置的潤滑十分重要。減速箱中最常用的潤滑方法是飛濺潤滑,將一部分傳動零件浸在油池中,靠它們向其他零件供油和濺油,同時油甩到箱壁上,以利散熱。油面的位置應(yīng)使齒輪副的大齒輪浸在油中1/31/4中。飛濺潤滑的優(yōu)點是:潤滑強度高,工作零件散熱快,不需潤滑設(shè)備,對潤滑油的雜質(zhì)和粘度下降不敏感。搖臂內(nèi)的傳動零件的潤滑是個特殊問題,截割頂部煤時滾筒上升,搖臂端部齒輪得不到潤滑;割底煤時滾筒下降,潤滑油集中在搖臂端部。為此常規(guī)定滾筒割煤一段時間后,應(yīng)停止?fàn)恳?,將搖臂下降,以潤滑端部齒輪,然后繼續(xù)上升工作。采煤機的搖臂的故障一般是漏油,軸承損壞,齒輪損壞。漏油是由于骨架油封磨損或者是油封質(zhì)量不好,按照正確的方法安裝和使用高質(zhì)量的油封就能很好的避免這個問題。齒輪的損壞主要是由于人工操縱時的失誤以及在維修時,加油以及未知情況下使煤塵或者其他異物代入齒輪箱內(nèi),避免的方法當(dāng)然就是提高工作質(zhì)量。軸承的損壞主要是一軸軸承,主要是由于它的轉(zhuǎn)速最高,另外再加上潤滑不好非常容易損壞,并且油量過多過少都會使郵箱溫度過高造成冷卻水壓力不足都會造成軸承損壞,主要的避免方法就是保證潤滑油的質(zhì)和量。3.7 本章小結(jié) 本章為全文的設(shè)計部分,完成了傳動系統(tǒng)功率及轉(zhuǎn)速的分析,重點對齒輪、軸、軸承和聯(lián)接花鍵進行了設(shè)計和校核,在所得數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行了搖臂的三維建模。4 搖臂的三維建模4.1 基于PRO/E的參數(shù)原理 參數(shù)化設(shè)計也叫尺寸驅(qū)動,是CAD技術(shù)在實際應(yīng)用中提出的課題,它不僅可使CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能,還具有自動繪圖的功能。所謂參數(shù)化設(shè)計即是在設(shè)計中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式是確定的,它需要根據(jù)某些具體的條件和具體的參數(shù)來決定產(chǎn)品某一結(jié)構(gòu)形式下的結(jié)構(gòu)參數(shù),從而設(shè)計出不同規(guī)格的產(chǎn)品。其本質(zhì)是對統(tǒng)一結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品通過修改尺寸來生成新規(guī)格的產(chǎn)品,利用計算機來進行參數(shù)化CAD設(shè)計,只需在計算機上輸入機械零件的幾個關(guān)鍵參數(shù),就會準(zhǔn)確地、自動地生成工程樣圖。4.2 基于PRO/E的模擬仿真在機械產(chǎn)品的開發(fā)過程中,有關(guān)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、操作性,生產(chǎn)工藝、裝配性能甚至維護性能等許多問題都需要在開發(fā)過程的前期給予考慮。但有關(guān)裝配的問題往往只會在產(chǎn)品開發(fā)的后期或者在最終產(chǎn)品試運行過程中,甚至在投入使用一段時間后才能暴露出來。仿真技術(shù)的出現(xiàn)給以上問題提供了有效的解決方法,即便是在設(shè)計的初期階段,計算機產(chǎn)生的最初模型也可以放入虛擬環(huán)境進行實驗,甚至可以直接在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建產(chǎn)品模型。4.3 減速器參數(shù)化設(shè)計及仿真的總體方案及技術(shù)路線本設(shè)計是在減速器各零部件得到相關(guān)參數(shù)的基礎(chǔ)上對減速器的部分零件進行參數(shù)化設(shè)計。采用的方案見圖4-1:圖4-1 方案設(shè)計總體框架圖 其主要的技術(shù)路線見圖4.2:圖4-2 減速器參數(shù)化設(shè)計技術(shù)路線框圖4.4 搖臂三維實體建模圖4-3 搖臂減速器軸(制作漸開線齒輪零件,拉伸) 圖4-4 搖臂減速器軸(旋轉(zhuǎn)
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