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利用一種新的沖模磨損試驗(yàn)方法體系測試對基本材料磨損性能的影響
關(guān)鍵字：
U/AHSS，沖壓，沖模磨損試驗(yàn)，沖模材料，涂層
摘要：
沖壓超/高強(qiáng)度鋼板時在接觸面的壓力不均勻，正因?yàn)檫@個原因會產(chǎn)生很高的磨損率和回彈，為了防止沖壓模具對零件的磨損影響, 采取了各種各樣的防護(hù)措施提出例如：改進(jìn)涂料的選擇,表面改進(jìn)除了利用新模具材料包括鑄造，冷沖壓的工作工具,粉末冶金工具鋼。
一種新的、滑球類型的測試系統(tǒng)成熟的復(fù)制到了實(shí)際沖壓生產(chǎn)的條件，
包括接觸壓力狀態(tài),滑動速度的快慢和連續(xù)的以及新的接觸(沒有與模具接觸的沖壓表面)。垂直加工中心,具有垂直和正常的軸向力，
傳感器安裝在其主軸,被用來產(chǎn)生接觸壓力和控制運(yùn)動在沖壓樣品材料上的未接觸表面的壓力。
一些模具材料使用有涂層或表面未刷漆的條件進(jìn)行測試,對不同的AHSS和不銹鋼板材在一定的負(fù)荷、滑動速度、潤滑情況進(jìn)行測試。本文簡要介紹了試驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法,并給出了耐磨損性能四個不同的基板材料即DC 53, SKD 11, DRM 3, DRM 51涂以同樣的熱擴(kuò)散(TD)技術(shù)的涂層。在所有的模具標(biāo)本中對一種先進(jìn)的高強(qiáng)度冷級雙向鋼板進(jìn)行測試承受的壓力是600MPa。
介紹
板材在沖壓過程中發(fā)生的磨損是不希望產(chǎn)生的和難以預(yù)測的。它直接影響到成形性的部分和表面質(zhì)量,使成本增加和延遲造成生產(chǎn)損失,AISI D2模具材料成為一種被廣泛采用的工具鋼應(yīng)用在沖壓成形的產(chǎn)業(yè)。然而,它被發(fā)現(xiàn)是不適合先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼沖壓(展現(xiàn)出等級(DP，TRIP,等等)因?yàn)檫^度磨損,韌性的問題。好幾次一直試圖找到
對模具耐磨性的解決方法，包括開發(fā)不同的模具材料,涂料和表面強(qiáng)化工藝。
不同的磨損狀態(tài)根據(jù)不同豐富的沖壓磨損試驗(yàn)方法開發(fā)不同的應(yīng)用軟件。然而,他們要么不能反映實(shí)際沖壓件條件或要求特殊的、粗笨的昂貴的準(zhǔn)備工作,不適用小空間,像是實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。例如,在pin-on-disk測試[Rabinowicz1995年,Blau和Budinski 1999年]、模具材料(一個非常小的形狀)是在與同樣的工件表面(金屬板材)整個過程中,測試時間不真實(shí)地代表實(shí)際沖壓零件運(yùn)行情況,因?yàn)樵诿總€沖壓過程中模具材料會不停地接觸新的板料表面(即,新接觸的表面)。此外,相對于實(shí)際的沖壓條件下,接觸表面面積為在實(shí)驗(yàn)臺上很小。
SRV (Schwingung Reibung Verschleiβ: 往復(fù)式的摩擦磨損)測試儀是一種多種構(gòu)造的小型的測試形式。同樣的沖壓表面,金屬板材的磨損在接觸的期間整個測試[Wan et al. 1995; Hardell 2007].同樣的，抗扭抗壓實(shí)驗(yàn)(TCT) [Lenard, Medley, 和 Schey 1996; Costello and Riff 2005] 基于重復(fù)接觸軌道在同一片材表面,它被發(fā)現(xiàn)適合比較測試變量(比如潤滑劑)而不是獲得絕對測量磨損[Dalton 2002]。 同樣,在負(fù)載掃描儀測試中, 一個定置試驗(yàn)圓柱體被使用作為一個工具樣本，這是與另一個旋轉(zhuǎn)的圓柱體有聯(lián)系的金屬板材的磨損。[Podgornik, Hogmark, and Pezdirnik 2004] 在這項(xiàng)測試中,同樣的接觸表面反復(fù)被掃描在每個周期;然而,在真正的沖壓操作模具/沖壓機(jī)在不斷接觸從未接觸過的空白的表面。另一方面,其他磨損試驗(yàn)測試就像（a）拉拔工藝 [Attaf et al. 2002; Boher et al. 2005]（b）U型彎管/深沖壓[Sato 和 Besshi 1998; Schedin 1994; Nilsson, Gabrielson, 和 Stahl 2002]（c）去表面[Schedin 1994; Jonasson et al. 1997; Hortig 和 Schmoeckel 2001]（d）拉深壓邊筋[Sanchez
1999]（e）結(jié)合拉拔和擠壓[Dalton 2004]（f）在一定的彎曲度的帶狀壓力[Schedin 1994; Eriksen 1997]是更能代表實(shí)際的沖壓條件。然而他們?nèi)唛L(例如，15-70公里帶狀材料長度是必須的結(jié)合拉拔、剝?nèi)ダ煸囼?yàn)) 昂貴的,并且要求特別的安排就像特別的狹縫線圈、大型測試領(lǐng)域和額外的設(shè)備液壓鉗夾,印刷機(jī),卷取機(jī) / 完全卷取機(jī)等。
隨著越來越多新的需求輕質(zhì)材料引入到汽車的身體組件、更新和替代沖壓材料、涂料、表面處理、改進(jìn)、潤滑油成為必要確保模具壽命延長,減少成本的費(fèi)用和提高產(chǎn)品的質(zhì)量。準(zhǔn)確、快速測試所有可能的組合沖壓材料,涂覆及表面處理使用現(xiàn)有的耐磨試驗(yàn)方法并不是可行的從時間、成本和可靠性上來說。
本研究的主要動機(jī)是建立一個測試系統(tǒng),提供可靠的結(jié)果,在快速地模擬/控制參數(shù)高達(dá)可能真正的條件。測試系統(tǒng)提出了消除重復(fù)接觸通過持續(xù)去除表面問題沒有新的/通過表面金屬板材工具/沖壓樣品對表面產(chǎn)生的影響。
提出了一項(xiàng)研究的結(jié)果關(guān)于不同的基板材料的效果,最近推出了工具鋼常規(guī)工具鋼DC 53,進(jìn)口SKD 11(等價的1.2379 AISI D2 / DIN),冷鍛造工具剛DRM 3 DRM 51、對模具磨損沖壓條件下DP 600造成了金屬板材的抗磨損能力。測試系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)條件,模具材料、詳細(xì)介紹了金屬工具板材的性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)測量和計算結(jié)果描述，根據(jù)結(jié)論和建議討論未來的發(fā)展方向。
測試形式
另一個沖壓磨損試驗(yàn)方法體系在發(fā)展迅速的前提下可以準(zhǔn)確的評估磨損性能來選擇模具材料,發(fā)現(xiàn)新的沖壓件材料。早期的設(shè)計和比較現(xiàn)有的沖壓磨損試驗(yàn)方法方式進(jìn)行了討論，作者的研究[Cora, Usta, 2007],簡單介紹了最新的測試系統(tǒng)如下:這套沖壓磨損試驗(yàn)方法體系是基于使用的精密和得到控制垂直運(yùn)動的加工中心(Haa VF-3 CNC)x,y,z軸線上（沒有主軸旋轉(zhuǎn))。一個稱重傳感器裝在通過主軸固定器上測試沖壓樣品的磨損程度。AHSS未加工薄片用夾具固定在了X-Y軸的沖壓臺上。CNC是一個沖模精確沖壓樣品和單向的加工/清潔AHSS上未加工的金屬板材的一種控制程序。正常的是發(fā)生在和摩擦力沖壓,未加工表面記錄時的測試。圖二顯示的是沖壓樣品尺寸和一個實(shí)際的圖片和穿軌道未加工的金屬板材。
實(shí)驗(yàn)程序和測試材料在每個沖壓測試樣品在2.2公里跟蹤下正常重量的平均距離滑動速度與220N 0.33m/s利用上述系統(tǒng)。DP 600(雙向,600MPaUTS)未加工的金屬板材330x330x1mm被用于測試?；瘜W(xué)對模具和未加工金屬板材測試涂層材料硬度的組合, 在沖壓未加工金屬板材的硬度的程度見表格1到表格4.
DC 53沖壓樣品在1030°C下進(jìn)行淬火,然后回火1小時在550°C溫度下。應(yīng)用;熱處理后沖壓樣品經(jīng)過機(jī)加工,最終尺寸通過熱處理(TD)鍍膜工藝。TD樣品一個熱處理后再鍍膜工藝的改進(jìn)性能。最后的程序是為零件的樣品拋光。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及分析
沖壓樣品的性能評估基于以下衡量(1)質(zhì)量損失,(2)表面輪廓(粗糙度)(3)微觀的評價。信息有關(guān)表面接觸表面粗糙度、沖壓樣品(Ambios XP-1, Ambios Tech., CA), 一種表面拋光儀。所有的測量隨著測試在正常的范圍內(nèi)變化。3至6個月的數(shù)據(jù)顯示接觸表面的顯微組織試驗(yàn)材料之前和之后的測試結(jié)果?；瑒臃较蛟诮佑|上是無法以確認(rèn)的
表面在 DRM 3 樣本上除過幾乎不能看得見軌道。
具體的磨損率(k)用來評估耐磨損性能。它的定義是如下:
k=v/s*Fn
V代表耐磨性,s代表滑動距離,Fn應(yīng)用正常負(fù)荷,代表具體的磨損率(mm3 / N.m)。明確的磨損速率測試樣品圖7給出。
較小的值代表更高的磨損阻力和可以推斷出沖床關(guān)于執(zhí)行DRM 3、和DRM 51是相類似的,這略高于DC 53,略小于SKD 11。對重復(fù)目的,三次重復(fù)進(jìn)行的檢驗(yàn)DC 53樣品。從反饋中獲得真實(shí)的結(jié)果在圖7中加以描述,其他的方案沒有重復(fù)進(jìn)行。該涂料沒有完全從基材上去掉在重復(fù)測試后,更說明了了測試結(jié)果的一致性。這個測試是我們所有測試中的一項(xiàng)測試。不同基質(zhì)硬度的影響DC 53材料,效果不同的涂料類型對DC 53板上耐磨材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究 [Cora 和 Ko. 2008a,b]?？傮w上來說,增加質(zhì)量損失在預(yù)想著著同樣的材料隨著接觸正常的力量/應(yīng)力得出了結(jié)合基體材料測試涂料類型前就表現(xiàn)的更好測試樣品。
表5和6顯示平均平方表面粗糙度值,然后才能實(shí)驗(yàn)。同樣,圖8描繪表面平均的變化粗糙度值(Ra)用誤差線。平均和以及平方根在變化趨向粗度數(shù)值是相同的，而且這在大部份的情形下是一種預(yù)期的情形。
表面粗糙度值(Ra,Rq)為沖模樣品接觸面進(jìn)行了改善當(dāng)比較了表面粗糙度值和以前的測試結(jié)果之后。
在測試審查中驗(yàn)證了改進(jìn)的表面粗糙度的時候摩擦系數(shù)的變化。特別是,摩擦系數(shù)樣品SKD 11沖壓樣品作為測量0.04(平均值)。人們注意到的摩擦系數(shù)隨著負(fù)荷而增加。摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性可以被解釋為板材上表面材料的移動的程度。
SKD 11是日本的標(biāo)準(zhǔn)金屬工具材料被人們知道作為與AISI D2(DIN 1.2379)等價的材料。它一直是最常用的工具在寒冷的沖壓鋼鐵材料的成型、落料、修剪,和校準(zhǔn)在過去的三四十年。當(dāng)形成先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼,使用D2作為一種工具/模具材料問題造成過多材料表面質(zhì)量缺陷因?yàn)檫^度磨損的問題。其他經(jīng)常遇到的問題如縮短刀具壽命,工具的意外損壞,生產(chǎn)損失的出現(xiàn)。這些問題為鋼模材料和表面處理技術(shù)在工業(yè)中替代選擇開始了探索。一些合金鋼和制成粉狀的生產(chǎn)工具鋼的發(fā)展為增長的工具壽命，減少的磨耗問題。作為以前的研究報告的作者[Cora和Koc 2008a] D2是在沖壓測試中沒有涂層保護(hù)磨損最少的工具鋼模具材料的選擇。與不耐磨的性能相反，D2工具鋼,擴(kuò)展工具的磨損壽命涂保護(hù)層增加其壽命[Miller 2008]. 類似的改善性能用于SKD 11樣品在測試之后?？山邮艿纳舷薜木唧w磨損工程滑面速度為1x10-6 mm3 /m.N。所有的測試樣品表現(xiàn)良好和給出的數(shù)值相比較[van der Heide et al. 2006].
總結(jié)及未來研究
基本材料的影響對沖壓模具耐磨程度通過四種不同的鋼抵抗先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板DP 600。該測試系統(tǒng)能夠快速、性價比高、可靠的磨損阻力評估,特別是對沖壓使用的材料進(jìn)行先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼板材測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,組合基體材料及涂層技術(shù)應(yīng)用它能顯著地改變的耐磨性,表面未刷漆的性能材料。最佳的硬度涂料基體材料技術(shù)應(yīng)用是其它重要的因素績效的提升?？梢砸姳?、基質(zhì)硬度值不同測試材料從57到62,然而,對測試的沖壓樣品進(jìn)行分析,兩個的優(yōu)缺點(diǎn)是難以區(qū)分的。它也是一個值得采用涂料測試材料的性能明顯提高前一個測試階段的經(jīng)驗(yàn)。應(yīng)用TD涂料,兩次獨(dú)立的過程，熱處理前和鍍膜工藝。
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
學(xué) 院
機(jī)械工程學(xué)院
?！?業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 生 姓 名
王明欣
學(xué) 號
0601013126
設(shè)計（論文）題目
掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測試實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計
內(nèi)容及要求：
掘進(jìn)機(jī)屬于多功能的煤礦井下重大設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煤礦巷道、城市地下隧道和多種采掘工作面的掘進(jìn)。截割頭是掘進(jìn)機(jī)直接參與截割的工作裝置，是整機(jī)工作性能的綜合體現(xiàn)，是直接決定整機(jī)工作的可靠性、經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)率。
完成主要內(nèi)容及要求：
1、研究掘進(jìn)機(jī)截割裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；
2、根據(jù)設(shè)計任務(wù)，完成總體方案論證及設(shè)計；
3、完成測試實(shí)驗(yàn)臺的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行裝置的設(shè)計；
4、完成一篇相關(guān)內(nèi)容英文文獻(xiàn)的翻譯；
5、撰寫畢業(yè)論文。
進(jìn)度安排：
第1~2周：收集相關(guān)資料，調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，完成開題報告；
第3~4周：完成總體方案論證；
第5~12周：完成測試實(shí)驗(yàn)臺的動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)和執(zhí)行裝置的相應(yīng)圖紙繪制；
第13~14周：撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
指導(dǎo)教師（簽字）：
年 月 日
學(xué)院院長（簽字）：
年 月 日
開題報告
題目名稱
掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測試實(shí)驗(yàn)臺設(shè)計
題目來源
A
題目類型
2
導(dǎo)師姓名
學(xué)生姓名
班級學(xué)號
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
一、課題背景和意義
掘進(jìn)機(jī)分為兩種：開膛式掘進(jìn)機(jī)和護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)。主要由行走機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)組成。隨著行走機(jī)構(gòu)向前推進(jìn)，工作機(jī)構(gòu)中的切割頭不斷破碎巖石，并將碎石運(yùn)走。截齒是一種加工的道具，主要用于煤礦開采和巷道、隧道、地面開溝等工程的掘進(jìn)。是掘進(jìn)機(jī)上易破損的主要部件，需要測量截齒在工作時所承受的力。
本課題是掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測試實(shí)驗(yàn)臺用來測試截齒在工作過程中所承受的力，對于改進(jìn)截齒的形狀和材質(zhì)以及剛度、強(qiáng)度的要求以及收集整理數(shù)據(jù)都有一定的作用。
二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
近年來，隨著我國煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，與之唇齒相依的煤機(jī)行業(yè)也日益受到重視。在煤炭行業(yè)綱領(lǐng)性文件《關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中，在全國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)大會上以及國家發(fā)改委出臺的煤炭行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策中，都涉及到發(fā)展大型煤炭井下綜合采煤設(shè)備等內(nèi)容。
掘進(jìn)和回采是煤礦生產(chǎn)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，國家的方針是：采掘并重，掘進(jìn)先行。煤礦巷道的快速掘進(jìn)是煤礦保證礦井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)措施。采掘技術(shù)及其裝備水平直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力和安全。高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件，也是巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已出現(xiàn)了年產(chǎn)幾百萬噸級、甚至千萬噸級超級工作面，使年消耗回采巷道數(shù)量大幅度增加，從而使巷道掘進(jìn)成為了煤礦高效集約化生產(chǎn)的共性及關(guān)鍵性技術(shù)。
我國煤巷高效掘進(jìn)方式中最主要的方式是懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配套作業(yè)線，也稱為煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)，在我國國有重點(diǎn)煤礦得到了廣泛應(yīng)用，主要掘進(jìn)機(jī)械為懸臂式掘進(jìn)機(jī)。
我國煤巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制和應(yīng)用始于20 世紀(jì)60 年代，以30～50kW 的小功率掘進(jìn)機(jī)為主，研究開發(fā)和生產(chǎn)使用都處于試驗(yàn)階段。80 年代初期，我國淮南煤機(jī)廠（現(xiàn)重組為凱盛重工）引進(jìn)了奧地利奧鋼聯(lián)公司AM50 型掘進(jìn)機(jī)、佳木斯煤機(jī)廠（現(xiàn)隸屬于國際煤機(jī)）引進(jìn)了日本三井三池制作所S-100 型掘進(jìn)機(jī)，通過對國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收，推動了我國綜掘機(jī)械化的發(fā)展。但當(dāng)時引進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)屬于70 年代的水平，設(shè)備功率小、機(jī)重輕、破巖能力低及可靠性差，僅適合在條件較好的煤巷中使用，加之國產(chǎn)機(jī)制造缺陷，在使用中暴露了很多問題。國內(nèi)進(jìn)一步加強(qiáng)對引進(jìn)機(jī)型的消化吸收工作，積極研制開發(fā)了適合我國地質(zhì)條件和生產(chǎn)工藝的綜合機(jī)械化掘進(jìn)裝備。經(jīng)過近30 年的消化吸收和自主研發(fā)，目前，我國已形成年產(chǎn)1000 余臺的掘進(jìn)機(jī)加工制造能力，研制生產(chǎn)了20 多種型號的掘進(jìn)機(jī)，其截割功率從30kW 到200kW ，初步形成系列化產(chǎn)品，尤其是近年來，我國相繼開發(fā)了以EBJ-120TP 型掘進(jìn)機(jī)為代表的替代機(jī)型，在整體技術(shù)性能方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平。基本能夠滿足國內(nèi)半煤巖掘進(jìn)機(jī)市場的需求，半煤巖掘進(jìn)機(jī)以中型和重型機(jī)為主，能截割巖石硬度為f＝6～8，截割功率在120kW 以上，機(jī)重在35t 以上。煤礦現(xiàn)用主流半煤巖巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)以煤科總院太原研究院院生產(chǎn)的EBJ-120TP 型、EBZ160TY 型及佳木斯煤機(jī)廠生產(chǎn)的S150J 型三種機(jī)型為主，占半煤巖掘進(jìn)機(jī)使用量的80％以上。
然而，國內(nèi)目前巖巷施工仍以鉆爆法為主，重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)用于大斷面巖巷的掘進(jìn)在我國處于試驗(yàn)階段，但國內(nèi)煤炭生產(chǎn)逐步朝向高產(chǎn)、高效、安全方向發(fā)展，煤礦技術(shù)設(shè)備正在向重型化、大型化、強(qiáng)力化、大功率和機(jī)電一體化發(fā)展，新集能源股份公司、新汶礦業(yè)集團(tuán)、淮南礦業(yè)集團(tuán)及平頂山煤業(yè)集團(tuán)公司等企業(yè)先后引進(jìn)了德國WAV300、奧地利AHM105、英國MK3 型重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)。全巖巷重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)代表了巖巷掘進(jìn)技術(shù)今后的發(fā)展方向。
雖然三一重裝去年推出了國內(nèi)第一臺EBZ200H 型硬巖掘進(jìn)機(jī)，但國產(chǎn)重型掘進(jìn)機(jī)與國外先進(jìn)設(shè)備的差距除總體性能參數(shù)偏低外，在基礎(chǔ)研究方面也比較薄弱，適合我國煤礦地質(zhì)條件的截割、裝運(yùn)及行走部載荷譜沒有建立，沒有完整的設(shè)計理論依據(jù)，計算機(jī)動態(tài)仿真等方面還處于空白；在元部件可靠性、控制技術(shù)、在截割方式、除塵系統(tǒng)等核心技術(shù)方面有較大差距。
一、 三、課題主要內(nèi)容
用于刀形齒實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)臺。它是有龍門刨床改制成的，有兩個垂直刀架，截齒的水平進(jìn)給、垂直進(jìn)給動作以及工作臺的往返運(yùn)動，分別由液壓缸驅(qū)動，而且速度可調(diào)。
實(shí)驗(yàn)臺的測試系統(tǒng)屬于多向力動態(tài)測量，它由安裝在刀體上的雙八角環(huán)測力儀（該測力儀能將截割過程中載荷產(chǎn)生的應(yīng)變按切向、法向和側(cè)向分別轉(zhuǎn)換成電量）和測試放大器以及記錄分析儀器表組成。
整個測試系統(tǒng)用模擬量法收集數(shù)據(jù)，記錄采用紙筆記錄和磁帶記錄儀兩種方式。記錄在磁帶中的信號，可以通過重放，利用信號分析儀對波形進(jìn)行統(tǒng)計分析和信號處理。
四、日程安排
第1~2周：收集相關(guān)資料，調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；
第3~4周：論證設(shè)計方案，進(jìn)行總體設(shè)計；
第5~14周：繪制總裝配圖、主要零件圖，翻譯相關(guān)英文資料；
第15~16周：撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
五、參考文獻(xiàn)
[1] 《龍門刨床自動控制系統(tǒng)》 李恩林編著 科學(xué)出版社
[2] 《刨工必讀》 天津第一機(jī)械工業(yè)局主編 機(jī)械工業(yè)出版社
[3] 《刨工技術(shù)》 國防工業(yè)出版社
[4] 《刨插工基礎(chǔ)》 湖南人民出版社
[5] 《刨工應(yīng)知會》 江蘇科學(xué)基礎(chǔ)出版社
指導(dǎo)教師意見
指導(dǎo)教師(簽字): 年 月 日
學(xué)院意見
學(xué)院院長(簽字): 年 月 日
填表說明: 題目類型: 1、工程設(shè)計； 2、應(yīng)用研究； 3、理論研究； 4、其它；（選1、2、3、4）。
題目來源: A、自擬課題； B、民用科研課題；C、國防科研課題；（選A、B、C）。
開題報告內(nèi)容使用宋體小四字號。
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摘 要
本論文為掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測試實(shí)驗(yàn)臺，其主要目的是研究如何測試三個方向的力的機(jī)械測試方法。本次設(shè)計主要包括動力傳動設(shè)計和如何檢測三個方向的力。其工作原理主要是結(jié)構(gòu)控制工作臺的不同運(yùn)動方向和工作頭的旋轉(zhuǎn)截割，把實(shí)際復(fù)雜的運(yùn)動受力分解成三個方向的力，然后再進(jìn)行信號收錄、還原、分析，做進(jìn)一步檢測。
本次設(shè)計的主要目的在于如何設(shè)計出三個方向分析的機(jī)械檢測設(shè)備，為大型大量的實(shí)際施工設(shè)備、操作，收集和積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和必要的參數(shù)。
關(guān)鍵詞 掘進(jìn)機(jī)；截齒；三向力
Abstract
This thesis for determing tooth three-axis testing machine, its main purpose is to study how to test the strength of the three directions mechanical testing method. This design includes power transmission design and how to detect the three directions. Its principle of work is mainly structure control of workbench movement direction and different job rotation of the head, the actual cutting force of sports complex in three directions of decomposing signal, and then collected, reduction, analysis, further testing.
The main purpose of this design is how to design a three direction of mechanical testing equipment for large, large amounts of actual construction equipment and operation, collect and accumulating experimental data and the necessary parameters.
Key Words roadheader；Cut teeth； three forces
1. 緒言
掘進(jìn)機(jī)分為兩種：開膛式掘進(jìn)機(jī)和護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)。主要由行走機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)組成。隨著行走機(jī)構(gòu)向前推進(jìn)，工作機(jī)構(gòu)中的切割頭不斷破碎巖石，并將碎石運(yùn)走。截齒是一種加工的道具，主要用于煤礦開采和巷道、隧道、地面開溝等工程的掘進(jìn)。是掘進(jìn)機(jī)上易破損的主要部件，需要測量截齒在工作時所承受的力。
本課題是掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測試實(shí)驗(yàn)臺用來測試截齒在工作過程中所承受的力，對于改進(jìn)截齒的形狀和材質(zhì)以及剛度、強(qiáng)度的要求以及收集整理數(shù)據(jù)都有一定的作用。
近年來，隨著我國煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，與之唇齒相依的煤機(jī)行業(yè)也日益受到重視。在煤炭行業(yè)綱領(lǐng)性文件《關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中，在全國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)大會上以及國家發(fā)改委出臺的煤炭行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策中，都涉及到發(fā)展大型煤炭井下綜合采煤設(shè)備等內(nèi)容。
掘進(jìn)和回采是煤礦生產(chǎn)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，國家的方針是：采掘并重，掘進(jìn)先行。煤礦巷道的快速掘進(jìn)是煤礦保證礦井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)措施。采掘技術(shù)及其裝備水平直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力和安全。高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件，也是巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已出現(xiàn)了年產(chǎn)幾百萬噸級、甚至千萬噸級超級工作面，使年消耗回采巷道數(shù)量大幅度增加，從而使巷道掘進(jìn)成為了煤礦高效集約化生產(chǎn)的共性及關(guān)鍵性技術(shù)。
我國煤巷高效掘進(jìn)方式中最主要的方式是懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配套作業(yè)線，也稱為煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)，在我國國有重點(diǎn)煤礦得到了廣泛應(yīng)用，主要掘進(jìn)機(jī)械為懸臂式掘進(jìn)機(jī)。
我國煤巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制和應(yīng)用始于20 世紀(jì)60 年代，以30～50kW 的小功率掘進(jìn)機(jī)為主，研究開發(fā)和生產(chǎn)使用都處于試驗(yàn)階段。80 年代初期，我國淮南煤機(jī)廠（現(xiàn)重組為凱盛重工）引進(jìn)了奧地利奧鋼聯(lián)公司AM50 型掘進(jìn)機(jī)、佳木斯煤機(jī)廠（現(xiàn)隸屬于國際煤機(jī)）引進(jìn)了日本三井三池制作所S-100 型掘進(jìn)機(jī)，通過對國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收，推動了我國綜掘機(jī)械化的發(fā)展。但當(dāng)時引進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)屬于70 年代的水平，設(shè)備功率小、機(jī)重輕、破巖能力低及可靠性差，僅適合在條件較好的煤巷中使用，加之國產(chǎn)機(jī)制造缺陷，在使用中暴露了很多問題。國內(nèi)進(jìn)一步加強(qiáng)對引進(jìn)機(jī)型的消化吸收工作，積極研制開發(fā)了適合我國地質(zhì)條件和生產(chǎn)工藝的綜合機(jī)械化掘進(jìn)裝備。經(jīng)過近30 年的消化吸收和自主研發(fā)，目前，我國已形成年產(chǎn)1000 余臺的掘進(jìn)機(jī)加工制造能力，研制生產(chǎn)了20 多種型號的掘進(jìn)機(jī)，其截割功率從30kW 到200kW ，初步形成系列化產(chǎn)品，尤其是近年來，我國相繼開發(fā)了以EBJ-120TP 型掘進(jìn)機(jī)為代表的替代機(jī)型，在整體技術(shù)性能方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平?；灸軌驖M足國內(nèi)半煤巖掘進(jìn)機(jī)市場的需求，半煤巖掘進(jìn)機(jī)以中型和重型機(jī)為主，能截割巖石硬度為f＝6～8，截割功率在120kW 以上，機(jī)重在35t 以上。煤礦現(xiàn)用主流半煤巖巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)以煤科總院太原研究院院生產(chǎn)的EBJ-120TP 型、EBZ160TY 型及佳木斯煤機(jī)廠生產(chǎn)的S150J 型三種機(jī)型為主，占半煤巖掘進(jìn)機(jī)使用量的80％以上。
然而，國內(nèi)目前巖巷施工仍以鉆爆法為主，重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)用于大斷面巖巷的掘進(jìn)在我國處于試驗(yàn)階段，但國內(nèi)煤炭生產(chǎn)逐步朝向高產(chǎn)、高效、安全方向發(fā)展，煤礦技術(shù)設(shè)備正在向重型化、大型化、強(qiáng)力化、大功率和機(jī)電一體化發(fā)展，新集能源股份公司、新汶礦業(yè)集團(tuán)、淮南礦業(yè)集團(tuán)及平頂山煤業(yè)集團(tuán)公司等企業(yè)先后引進(jìn)了德國WAV300、奧地利AHM105、英國MK3 型重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)。全巖巷重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)代表了巖巷掘進(jìn)技術(shù)今后的發(fā)展方向。
雖然三一重裝去年推出了國內(nèi)第一臺EBZ200H 型硬巖掘進(jìn)機(jī)，但國產(chǎn)重型掘進(jìn)機(jī)與國外先進(jìn)設(shè)備的差距除總體性能參數(shù)偏低外，在基礎(chǔ)研究方面也比較薄弱，適合我國煤礦地質(zhì)條件的截割、裝運(yùn)及行走部載荷譜沒有建立，沒有完整的設(shè)計理論依據(jù)，計算機(jī)動態(tài)仿真等方面還處于空白；在元部件可靠性、控制技術(shù)、在截割方式、除塵系統(tǒng)等核心技術(shù)方面有較大差距。
2..方案設(shè)計
2.1設(shè)計任務(wù)
掘進(jìn)機(jī)屬于多功能的煤礦井下重大設(shè)備，廣泛用于煤礦巷道、城市地下隧道和多種采掘工作面的掘進(jìn)。截割頭是掘進(jìn)機(jī)直接參與截割的工作裝置，是整機(jī)工作性能的綜合體現(xiàn)，是直接決定整機(jī)工作的可靠性、經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)率。
本次設(shè)計主要完成研究掘進(jìn)機(jī)截割裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。完成測試實(shí)驗(yàn)臺。
2.2任務(wù)分析
由任務(wù)書的設(shè)計任務(wù)可知，本設(shè)計為自主設(shè)計，只有大概的方向，沒有具體的細(xì)節(jié)束縛。
截齒有刀型齒和鎬型齒之分。本設(shè)計選擇對鎬型齒進(jìn)行分析設(shè)計。選擇的鎬型齒型號為S150，實(shí)驗(yàn)臺可以參照龍門刨床改制，因?yàn)楸驹O(shè)計的實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)和龍門刨床的結(jié)構(gòu)十分類似。
截割實(shí)驗(yàn)用的煤樣從露天礦采集后，用石蠟、石膏封閉，然后加工成外形尺寸為500×400×400的試塊（尺寸大小不固定，相差不太大即可）。
2.3 方案設(shè)計
方案如圖2-1所示：
圖2-1
此方案為安龍門銑床修改后的工作方案，分為三個部分傳動，分別用三個電動機(jī)帶動三個方案的運(yùn)動傳動彼此之間互不干擾，各自為政。上部為工作頭的工作傳動，由電動機(jī)-傳動系統(tǒng)-減速器-傳動系統(tǒng)-工作頭截齒。此為三向力之一的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動。由四個支架固定在實(shí)驗(yàn)臺移動板上，隨著移動板一起移動。中間為升降運(yùn)動，由電動機(jī)-傳動系統(tǒng)-滾動絲杠-絲杠螺母-升降機(jī)構(gòu)。此為三向力之一的上下方向運(yùn)動。把升降機(jī)構(gòu)安裝在移動板上，隨移動板一起運(yùn)動。下部為移動板帶動整體的水平方向移動，由電動機(jī)-傳動系統(tǒng)-滾動絲杠-絲杠螺母-移動板。此運(yùn)動為三向力之一的水平運(yùn)動。
3.部件選擇
3.1電動機(jī)選擇
在實(shí)際的掘進(jìn)機(jī)工作過程中，截齒是通過截齒座安裝在掘進(jìn)機(jī)工作頭上的，所以截齒工作時的截割工作力是通過掘進(jìn)機(jī)工作頭的旋轉(zhuǎn)而形成的，所以本設(shè)計的實(shí)驗(yàn)臺夾持截齒的中線和旋轉(zhuǎn)中心存在著偏心。用來模擬實(shí)際的工作運(yùn)動過程。根據(jù)實(shí)際的工作，所選的截齒S150實(shí)際的工作轉(zhuǎn)速大致在1000r/min，所以工作頭的動力選擇Y160M-2電動機(jī)即可，次電動機(jī)的功率為15KW，足可以帶動工作的運(yùn)動，選擇DBY型減速器，這樣可以模擬掘進(jìn)機(jī)工作過程中的實(shí)際運(yùn)動受力情況。
升降部分和水平移動部分的電動機(jī)選擇YH801-6型，功率為0.75KW，足可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺的升降和移動運(yùn)動。
3.2固定架選擇
考慮到經(jīng)濟(jì)性的問題，本設(shè)計選擇的固定架為平常生活中經(jīng)常可以遇到的部件。支撐工作頭的支架，選擇用角鋼，把角鋼安設(shè)計的尺寸，用螺紋組裝成角鋼框，在上面安裝上固定板。用螺紋把工作頭安裝到支架上，安情形需要，可以在直接外圍用鐵皮裝裱上，顯得美觀。下面用螺紋安裝到移動板上。
升降臺也用角鋼用螺紋組裝成框架式，中間用角鋼加固，同是把法蘭盤安在這段固定角鋼上，這樣可以把和絲杠螺母連接出的升降延伸部分安裝到一起，以實(shí)現(xiàn)升降的運(yùn)動。
3.3剛板的選擇
選擇鋼板用來做底座、移動板和上面放置夾持煤樣座的平板，平板選擇在25-50mm之間的鋼板，在市場上很容易找到。
3.4絲杠選擇
為實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動和上下的升降運(yùn)動，選擇滾動絲杠和絲杠螺母，加上滑塊在固定導(dǎo)軌上來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。
3.5軸的選擇設(shè)計
設(shè)計的軸如圖3-1所示：
圖3-1
4 軸的校核
4.1 Ⅰ軸的校核
由圖3.2 作Ⅰ軸的受力簡化圖
圖 4.1 Ⅰ軸簡化圖
帶輪軸的功率 P3 ：
小齒輪分度圓直徑 49mm
檢驗(yàn)軸的最小直徑
設(shè)計中取主要軸徑處為40mm； 所以該軸校核必然合格。
4.2 Ⅱ軸的校核
由圖3.3 作Ⅱ軸的受力簡化圖
圖 4.2 Ⅱ軸簡化圖
曲軸大齒輪直徑 348 mm 受力分析
所以 45 < 44mm 尺寸合格
彎矩圖與扭距圖 如圖4.3
圖 4.3 彎矩圖和扭矩圖
三支撐可設(shè)中間支撐B為多余約束。
求其約束反力（用變形法）
解得
由圖可知：
強(qiáng)度校核：
由彎矩圖知 截面A-A 我i危險截面
安全系數(shù)校核計算
彎曲應(yīng)力幅
對稱循環(huán)彎曲應(yīng)力
平均應(yīng)力
由
剪應(yīng)力幅
軸 A-A 截面的安全系數(shù)
故 s< [s] 該州A-A截面是安全的
5 軸承的壽命驗(yàn)算
5.1 Ⅰ軸軸承的壽命驗(yàn)算
Ⅰ軸的軸承有 成對角接觸球軸承 7006 AC；深溝球軸承 6007；
調(diào)心滾子軸承 22207；
對軸進(jìn)行受力分析
受力簡化圖如 圖5.1
已知：
計算軸承支反力：
水平方向反力：受力簡化如圖 5.2
垂直方向支反力：受力簡化如圖 5.3
合成支反力：
查軸承手冊
22207的軸承各參數(shù)
7006 C 軸承的各參數(shù)：
所以：
軸承的軸向載荷
計算軸承的當(dāng)量動載荷P
由
查表9-6
由
所以：
查表 9-7
由受力情況
所以 軸承22207適用
所以 軸承7006 C適用
5.2 Ⅱ軸軸承的壽命驗(yàn)算
Ⅱ軸上采用滑動軸承， 選取原則有兩條
其一：軸承的載荷方向應(yīng)該在軸中心線左、右35度的范圍內(nèi)。
其二：軸承允許通過軸肩承受不大的軸向載荷，當(dāng)軸肩直徑不小于軸瓦肩不外經(jīng)時，允許軸承的軸向載荷不大于最大徑向載荷的30%。
有上述原則選取型號為 QJ 120/50的滑動軸承。
滑動軸承的驗(yàn)算：
壓強(qiáng)的驗(yàn)算：
由前面進(jìn)行的Ⅱ軸的校核可知
壓強(qiáng)P：
查表 滑動軸承的材料性能
查得：
所以 壓強(qiáng)驗(yàn)算合格
Pv值驗(yàn)算
查表 滑動軸承的材料性能
查得：
所以 驗(yàn)算合格
圓周速度驗(yàn)算：
查表 滑動軸承的材料性能
查得：
所以 驗(yàn)算合格
所以滑動軸承選取合格。
6 鍵的校核
6.1 Ⅰ軸上鍵的校核
由軸的精度為8級，由較高的對中性，故要求選用平鍵連接。又因?yàn)槭庆o連接，選用平頭鍵。由 d=20mm 查手冊的鍵的剖面尺寸為b×h=6×6，參考輪轂長度選鍵長為16mm。鍵的材料選用45號鋼，A型 GB1096-79。
鍵連接的強(qiáng)度計算
連接的主要失效形式是鍵，軸和輪轂三個零件中材料較弱的一個的工作表面被壓潰。由于，輪轂材料是鑄鐵，實(shí)效發(fā)生在輪轂上，故按輪轂進(jìn)行擠壓強(qiáng)度進(jìn)行計算。
查表的鑄鐵的許用擠壓應(yīng)力
鍵的有效工作長度
由式
故所用的鍵連接強(qiáng)度足夠
6.2 Ⅱ軸上鍵的校核
由軸的精度為8級，由較高的對中性，故要求選用平鍵連接。又因?yàn)槭庆o連接，選用平頭鍵。由 d=45mm 查手冊的鍵的剖面尺寸為b×h=14×9，參考輪轂長度選鍵長為36mm。鍵的材料選用45號鋼，A型 GB1096-79。
鍵連接的強(qiáng)度計算
連接的主要失效形式是鍵，軸和輪轂三個零件中材料較弱的一個的工作表面被壓潰。由于三個零件都是45號鋼，故按45號鋼進(jìn)行擠壓強(qiáng)度進(jìn)行計算。
查表的45號鋼的許用擠壓應(yīng)力
鍵的有效工作長度
由式
故所用的鍵連接強(qiáng)度足夠
7.結(jié)論
本次設(shè)計為掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測試實(shí)驗(yàn)臺，通過把實(shí)際復(fù)雜的運(yùn)動形式簡單的分解成三個方向的受力，從而把復(fù)雜的運(yùn)動化為簡單的運(yùn)動，通過實(shí)驗(yàn)儀器分析運(yùn)動受力形式，以此解決實(shí)際生產(chǎn)生活中遇到的問題。
本次設(shè)計的結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，用基本的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計的要求，所選擇的設(shè)計材料經(jīng)濟(jì)適用，安裝、批量生產(chǎn)也十分容易。
8. 設(shè)計體會
本次設(shè)計是在紀(jì)玉杰老師的悉心指導(dǎo)和幫助下完成的，紀(jì)老師淵博的專業(yè)知識和嚴(yán)禁的治學(xué)態(tài)度使我如沐春風(fēng)，受益匪淺。
通過本次設(shè)計我學(xué)到了許多東西，對這大學(xué)四年學(xué)到的東西做了系統(tǒng)的復(fù)習(xí)與實(shí)踐。對以前學(xué)到而遺忘的知識有了充分的回顧。
在這次設(shè)計中感觸很多，設(shè)計和研發(fā)一件產(chǎn)品是多么的不容易，需要多少知識的積累和沉淀。在我國，自主研發(fā)產(chǎn)品和美國、日本、歐洲國家相比都很弱。這就給我們帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，同時也給我們帶來了相對的發(fā)展空間的提升的高度。
通過本次設(shè)計，明顯感覺到自己有多么的不足，學(xué)的知識不足和不能夠靈活的運(yùn)用。以后還要在實(shí)踐中鍛煉自己。
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