毕业设计（论文）矿车清车机毕业设计

第1页1绪论矿车在煤矿井下运输中占有十分重要的地位，煤矸粘结矿车车底，是煤矿生产运输过程中存在的一个普遍问题。经常而及时地清扫矿车车箱是提高矿井轨道运输效率的重要因素。所以，清理车底的问题，在煤矿就显得尤为重要。清扫矿车车箱的主要要求是及时和干净，否则日积月累形成的煤、岩粉粘结层厚而结实，使用现有的任何清扫方法均难以立刻完全见效。清理矿车粘结物，可分为人工和机械清理、高压水射流清理等。用人工清理，劳动强度大，清车速度慢，且不符合煤矿安全生产规定；采用机械清理，不仅可以降低劳动强度而且清车效果好，效率高；高压水射流清理由于耗水量大，在推广上受到限制。目前国内矿车清理机械形式繁多，品种不一，而且造价较高。11国内几种矿用清车机简介70年代中后期，煤炭工业部召开了多次矿车清理机械化经验交流会，此后国内许多煤炭、冶金和化工等矿山推出了多种适合自己具体条件的清车机。这些清车机在提高运输效率和减小工人劳动强度方面都起了一定的作用。但是，由于各个矿山的具体条件不同和清车机本身的某些不完善之处使它们的发展受到了一定的限制。尽管如此，在完善和创新两方面仍然取得了不少可喜的成果。矿用清车机按照工作原理可分为振动法、电渗法、高压水射流法、机械法等，其中振动法又包括电磁振动、电动高频振动、电动低频振动、风力振动以及与翻车机笼体联动的无动力振动等；机械法又包括抓斗式、刮板式和圆盘（旋转）式等。现将几种主要的矿用清车机简介如下一、振动清车机振动清车机是我国使用比较早、研究比较多的一种清车机。在多年的实践和研究中，通过取长补短和采用有关的新技术，已逐步趋于完善。部分金属矿山在采用电动高频振动清车机时，吸取了电动低频振动清车机的长处，由冲击强度和刚度比较小的矿车底部或两侧改为冲击强度和刚度比较大的矿车斗缘，以延长矿车的使用寿命用比较简单的偏心轴皮带轮取代比较复杂的振动器，使结构简单近年来，广东某矿在清车机上采用小功率振动电机获得了成功。取得了明显的经济效益。煤炭部门所最多采用的电动低频振动清车机虽有不少优点，但缺点也第2页较多。湘东铁矿矿务局对北京有色冶金设计研究总院为南京凤凰山铁矿设计的低频振动清车机作了一些改进，由原来比较复杂的单独安装简化为与翻笼固定在一起，由原来需要摘钩、每次只能清理一辆矿车改为不需要摘钩，每次能清理两辆矿车。东北工学院和北京有色冶金设计研究总院所作的电测应力分析表明，翻笼安装这种清车机对其强度影响是不大的，因而不必另外增加静笼的结构强度。为了向安装在翻笼上的清车机电机供电，在煤矿上采用集电环联动机构之后，一些金属矿山又推出了电磁给电装置和电动推杆给电装置。二、电渗清车器电渗法清理矿车是在外电场的作用下，以水为介质在矿车与粘结物之间形成一层水膜，使粘结物与车壁脱离而达到清理矿车的目的。这种方法具有无噪声、无粉尘、不损坏矿车等优点。但是由于耗电较多，故它仅适用于存积物含水量较高的矿车。该方法起初在徐州权台煤矿使用。后来，铜陵铜山铜矿和龙游黄铁矿等金属矿山也陆续采用，并取得了较好的效果。三、高压水射流联合机械截齿清理机该种矿车清理装置的工作机理包括高压水射流清理和机械截齿清理两部分。高压水射流清理高压水经喷嘴喷出后形成具有一定动能的高压水射流，当作用于矿车粘结物时，将对其进行切割和冲刷作用，使有一定粘结力的非固结性粘结物迅速脱落，同时高压水射流冲人粘结物的缝隙和孔洞后，则产生高压水楔作用，使粘结物的缝隙和孔洞不断扩展断裂，而破碎脱落。机械截齿清理利用螺旋分布的截齿对坚硬粘结物的切割作用，使粘结物快速与矿车分离。结构组成该种清理装置主要由可三维空间移动的门式组合机架、高压泵站、电控系统和截齿可伸缩清理滚筒等组成，其中清理滚筒是实现清理作业的直接执行部件。截齿可伸缩清理滚筒由圆柱形筒体、切割截齿、高压水射流喷嘴、旋转密封等组成，筒体上螺旋分布着12个切割截齿和6个高压水射流喷嘴，每个切割截齿能沿其旋转直径方向在50MM的范围内伸缩移动，以适应变形矿车的清理。高压水射流喷嘴随截齿螺旋均匀分布，泵站提供的高压水，经高压管路和旋转密封进入圆柱形筒体的中心孔，由各喷嘴喷出而形成高第3页压水射流，实现对粘结物的冲刷、冷却润滑截齿和灭尘的作用。四、机械清车机机械清车机利用电动机带动清扫器在矿车车箱内转动清除车底的粘结物。清扫器有金属刷式、盘式、滚筒式、螺旋割刀式等几种。清车机的横向行走部、纵向行走部、截割部都是由许多机械零件组合起来的，因此，结构笨重、操作复杂、维修量大。此外，使用这种清车机还需二次翻卸，费工费时，效率不高。有关煤矿虽作了一些改进，但效果不明显。吉林通化铜矿曾研制成一台由刷洗头、制动轴、减速器和电动机等组成的车箱清扫器。其纵向行走部分是一个装有四个小轮的小车，能沿轨道前进或后退。清扫器底座与小车铰接，能绕铰点上下和左右摆动。最近，这类清车机有了新的进展。由洛阳工学院等单位研制的QW3型机械铣切卧式三吨矿车清车机通过了技术鉴定。据称，适应性强；能利用部分现有配件和标准件，便于加工；与同类产品相比成本低、省人、省力、省电、经济效益好。机械圆盘截齿式矿车清扫机1电动机2减速器3小链轮4链轮大轴5截盘轴6圆截盘7前轮轴8大齿轮9双向摩擦离合器10小齿轮11大齿轮12单向摩擦离合器13锥齿轮14下踏板15离合器手把16底轮传动轴17锥齿轮组18换向手把19升降架20升降手轮21司机座椅22上车架23底架五、液压清车机液压传动与机械、电气、气压传动相比，其主要优点是容易实现无级变速，调速范围大，单位重量的输出功率大，结构紧凑，惯性小，能传递大扭矩和较大的推力，控制和调节简单、方便、省力，可实现自动控制和过载保护。因此，近年来，各种液压清车机相继问世。1980年4月，邯邢矿山局矿山研究所研制成功YQJ型液压清车机，它用于符山铁矿侧卸式矿车，以铲头的铲扒达到清车的目的。1983年，湖南马田煤矿研制成功液压铲抓式清车机，其效果优于圆盘切割式清车机和机械高频振动清车机不需第4页要二次翻卸。1986年L2月，徐州矿山设备制造厂试制成功的适用于LT矿车的YQL型液压清车机通过了市级技术鉴定。1987年5月，徐州矿山机械厂和中国矿业大学共同研制的适用于U型矿车的YLQ型液压螺旋式清车机通过了部级技术鉴定。这几种清车机的共同特点是结构紧凑、操作轻便灵活，拆装维修方便等。最近，福州大学又研制成全液压矿车清理机控制系统，以液压逻辑元件组成的逻辑控制回路取代由电器元件组成的控制线路，实现对清车机的自动控制。整机除了用防爆型电机及磁力启动器驱动油泵工作外，没有其它电器元件，符合井下防爆要求。12液压矿车清车机的特点以前研制的圆盘截齿式清车机见上图，属于六十年代产品。该机前后、左右等行走部靠磨擦离合器控制，运行容易产生打滑，无法保证正常工作。同时该机操作复杂、清车效果差，满足不了煤矿实际生产的需要。为此，我针列该机使用上存在的这些缺点，对原清车机进行了改进，设计了一台液压式双圆盘截齿清车机。在设计过程中，我吸取了国内各类清车机的特点，经过分析与论证，最后选定了液压式双圆盘截齿清车机。根据以前的清车机现场使用情况，我认为传动机构必须有一定的过载能力，设计时须考虑冲击负荷对清车机的影响，应采取相应的减振、缓冲和过载保护等措施。液压控制部分的流量与压力必须满足该机纵向、横向行走速度的要求。在零部件的设计选型中，在不影响总体设计的情况下，尽量采用了煤矿常用标准零部件。如轨道传动部分中选用的车轮、车架、轨道、轴承等均系煤矿常用标准零部件。13液压式双圆盘截齿矿车清车机简介液压式圆盘截齿清车机主要由行走机构、截割机构、液压驱动系统以及操作机构等四部分组成。各部关系如下图所示。矿车清车机组成图框1、纵向行走机构由上车体、纵向行走轮轴、纵内行走液压缸等组成。由于纵内行走液压缸的缸体与纵向行走的轨道架连接，而活塞杆与上车架连接，因此通过操作换向阀，使液压油进入压力缸，使活塞作往复运动以带动清车机前进或后退。2、横向行走机构由下车体、横向行走轮轴、横向行走油液压缸等组行走机构截割机构矿车操作机构第5页成。横向行走液压缸的缸体铰接在地面上，活塞杆与下车体底托盘连接。同理操作换向阔的手柄即可使清车机左、右行走。3、截割机构由圆形截盘，升降臂和支承截盘的轴承等组成。截割盘是清车机的主要工作部件。每个截齿盘上装有四个截齿。截齿的旋转是通过链条传动的。为适应矿车清理的需要，升降臂靠液压活塞可作上下摆动，以达清理整个车底之目的。4、驱动机构有气动、液动、电动和机械式四种形式。气动式速度快，结构简单，成本低。采用电位控制或机械挡块定位时，有较高的重复定位精度。液动式可实现连续控制，使工业机械的用途和通用性更广，定位精度一般在1MM范围内。本设计采用液动驱动方式。5、液压传动系统，如下图所示液压传动系统图1横向行走液压缸2电磁换向阀3电磁溢流阀4纵向行走液压缸5电磁换向阀6电磁溢流阀7仰俯液压缸8电磁换向阀9电磁溢流阀10液压马达11电磁换向阀12电动机13齿轮泵14滤清器15空气滤清器16液位液温计17压力表清车机安装在垂直于翻车机纵向中心线的专用硐室中，翻车机专用于第6页安放待清矿车于水平位置。清扫过程是，载重矿车进入翻车机，翻车机连同矿车朝清车机的相反方向旋转270度完成卸载后开动清车机，割盘由液压马达通过链条带动旋转，操纵纵向液压换向阀，压力油进入液压缸，纵向液压缸伸出，使机身纵向前进，将割盘伸入到矿车内，割盘旋转，截割粘车底煤。然后操纵横向换向阀，压力油进入液压缸，横向液压缸作往复运动，使截盘沿矿车往复截割，并可配合仰俯换向阀，可使截盘上下摆动，直到全部清理干净为止。14与原机械式矿车清车机的比较与机械式矿车清扫机相比较液压矿车清车机主要改进了以下部位1、由摩擦离合器控制行走部改为液压控制，控制系统采用液压系统代替，安装了多路液压换向控制阀，分别控制清车机前后、左右行走及割盘升降。2、增设了传动轴中心距调整装置降低工作噪声，延长使用寿命。3、增加链保护罩，为链传动提供更优的工作环境。4、由单排链改为三排链，极大地减小了链轮尺寸。5、主要传动轴的滑动轴承均改为滚动轴承，并增加了密封，减少传动系统的磨损与振动，延长了寿命。15矿车清车机设计的目的毕业设计是本科教学的一个重要教学环节，是学完技术基础课及有关专业课以后的一个专业课程内容的综合设计。矿车清车机的设计正是通过具体设计来提高学生的机构分析与综合能力、机械结构设计的能力、机电液一体化系统设计能力，掌握实现生产过程自动化的设计方法有效途径。通过这一教学环节要求达到（1）通过设计，把有关课程（机构分析与综合、机械原理、机械设计、液压与气动技术等）中所获得的理论知识在实际中综合地加以运用，使这些知识得到巩固和发展，并使理论知识和生产密切的结合起来。因此，矿车清车机设计是有关专业基础课和专业课以后的综合性的专业课程设计。（2）矿车清车机设计是机械工程及自动化专业的学生一次比较完整的机电一体化整机设计。通过设计，培养学生独立的机械整机设计的能力，树立正确的设计思想，掌握机电一体化机械产品设计的基本方法和步骤,为自动化机械设计打下良好的基础。（3）通过设计，使学生能熟练的应用有关参考资料、计算图表、手册、图册和规范；熟悉有关国家标准和部颁标准，以完成一个工程技术人员在第7页机械整体设计方面所必须具备的基本技能训练。（4）煤矿生产的需要。2总体设计的方案确定21方案的制定原则此次毕业设计的题目是矿车清车机的设计。作为一次整机的设计，对各方面都有明确的原则要求。1）设计出的整机矿车清车机要能够在控制系统的控制驱动下，准确实现预定动作，完成设计任务；2）设计出的整机矿车清车机结构尺寸要合理，要具有良好的工艺性，方便制造，方便安装。要留有合理的空间，以便各种控制线路或是液压油路的铺设；3）设计出的整机矿车清车机在最大负载情况下要能够符合强度要求。并且，为了提高其抗瞬间振荡冲击的能力，应留有一定的强度和功率余度。原则是固定的大框架，在设计过程中，还应在遵循大框架的前提下，做一些灵活的变动，以达到设计的良好工艺性、高效性，积极应用各种优化设计方法。22本设计方案的规划221清车机各部分的设计一、矿车清车机运动方式的选择矿车清车机，不仅要求能够顺利的实现动作，而且还要求这种有目的的动作能够有耗时短、动作迅速，效率高，能耗小的特点。所以，在设计矿车清车机的时候，我们就要根据现场的实际使用需求来最优化的选择它的动作实现方案。本设计中的矿车清车机，在实际生产中主要要求实现的任务是完成矿车底部粘结物的清理。在综合考虑了各种方案后，我选择了以下方案1）截割部实现粘结物的清理工作；2）行走部实现前后左右的行走；3）臂部实现截割部支撑与上下摆动；4）控制部分实现整机的操作控制；5）液压传动系统实现动力的传递和转换。二、矿车清车机驱动方式的选择第8页设计矿车清车机时，选择哪一类驱动系统，要根据矿车清车机的作业要求、矿车清车机的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运动的功耗、性能与价格比以及现有条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性以及可靠性后进行最终的选择。工业机械较之其他如教育、医疗或科研等其他用处机械，显示出的主要特点就是输出功率大，需承受载荷重。因此，在本次设计如此定位的情况下，选择了液压传动方式。相比较其他的传动方式，如电动、气动、机械传动等方式，液压传动方式有着自己独有的优点1）液压传动能在运行中实线无级调速，调速方便且调速范围比较大，可达100120001。2）在同等功率的情况下，液压传动方式装置的体积小，重量轻，惯性小，结构紧凑（如液压马达的重量只有同功率奠基重量的1020），而且能传递较大的力或转矩；3）液压传动工作比较平稳，反映快冲击小，能高速启动、制动和换向。液压传动装置的换向频率，回转运动每分钟可达500次，往复直线运动可达4001000次；4）液压传动装置的控制、调节比较简单，操纵比较方便、省力，易于实现自动化，与电气控制配合使用，能实现复杂的顺序动作和远程控制；5）液压传动装置易于实现过载保护，系统超负载，油液经溢流阀回油箱。由于采用油液做工作介质，能自行润滑，所以寿命长；6）液压传动易于实现系列化、标准化、通用化，易于设计，制造和推广使用；7）液压传动易于实现回转、直线运动，且元件排列布置灵活。制约因素较少；8）液压传动中，由于功率损失所产生的热量可由流动着的由带走，所以可避免在系统某些局部位置产生过度的温升。当然，相比其他传动方式，液压传动由于其工作方式的特殊性，也存在一些缺点1）液体为工作介质，易泄漏，油液可压缩，故不能用于传动比要求很高的场合。2）液压传动中有机械损失、压力损失、泄漏损失，效率较低，所以不宜作远距离传动。第9页3）液压传动对油温和负载变化比较敏感，不宜在底、高温度条件下使用，对污染也很敏感。4）液压传动需要有单独的能源（例如液压泵站），液压能不能像电能那样从远处传来。5）液压元件制造精度高，造假高，所以需要组织专业生产。6）液压传动装置出现故障时不易追查原因，不易迅速排除。222可行性和必要性分析本次矿车清车机的设计，采用的液压驱动系统驱动。在设计中要解决的几个核心问题有如下几个方面1）设计好本次设计之矿车清车机的极限工作载荷（G），并当之以一个重要的已知条件来设计计算后续的结构尺寸；2）确定驱动液压缸的参数D、D；3）在设计臂部俯仰动作时，我首先确定臂部的俯仰行程角度、1。然后在计算了俯仰各部的重量、轴销处的摩擦阻力矩后适当选择驱动2液压缸。俯仰液压缸的行程如下图所示。4）各连接处的螺栓、螺钉或销钉连接要严格按照连接强度要求。各液压缸的各密封处的密封件也要严格按照密封条件选取。以上就是本次矿车清车机设计的可行性和必要性分析。可能在设计中，我还会遇到很多原理或是机构的矛盾和问题，我也会严格按照设计的功能和强度要求一一纠正的。俯仰液压缸行程示意图第10页23设计方案的内容总结本次设计要求，能够鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等形成的一种新的综合集成技术。尽管机电一体化的产品名目繁多，并由于它们的功能不同而有不同的型式和复杂程度，但做功的机械本体部分（包括动力部分）和微电子控制部分（包括信息处理）是其基本的、必不可少的要素。我们选择矿车清车机作为设计题目，无论从内容的深度、分量以及覆盖各科知识面的程度来衡量都是适当的。设计时的主要流程如下1）拟定整体方案，特别是机电液的有机结合的设计方案；2）根据给定的参数选择合适的截割部、臂部、行走部和控制机构；3）各部件的设计计算；4）矿车清车机工作装配图的设计和绘制；5）液压系统图的设计和绘制；6）编写矿车清车机设计计算说明书。第11页3截割部设计截割头是用来直接工作的部件，由于被清理矿车的形状、尺寸大小等的不同，所以矿车清车机的截割头结构是多种多样的，大部分的截割头结构是根据特定的工作要求而设计的。归结起来，常用的截割头，按其工件的原理，可分为抓斗式、刮板式和圆盘（旋转）式几大类。本设计采用圆盘（旋转）式截割头，由截齿、圆盘和传动机构三部分组成，它对U型矿车的具有较大的适应性，驱动装置为传动机构提供动力，驱动源采用液压系统，传动机构采用减速箱加链条传动。31截割头的设计要求1、截割头截割力大小要适宜，力量过大则动力消耗多，结构庞大，不经济，甚至会损坏矿车；力量过小达不到清理矿车的目的。在确定截割时，除考虑粘结物的粘结力外，还应考虑截割过程中所产生的惯性力和振动，以保证截割安全可靠。2、截齿应有一定的截割能力以便于截割粘结物。3、要求结构紧凑、重量轻、效率高在保证本身刚度、强度的前提下，尽可能使构紧凑、重量轻，以利于减轻臂部的负载。4、应考虑通用性和特性要求一般情况下，截割头多是专用的，为了扩大它的使用范围，提高它的通用化程度，以适应截割不同硬度的粘结物需要，故采取截齿可调整地办法，如更换截齿。此外，还要考虑要适应工作环境提出的特殊要求，如耐粉尘、耐腐蚀、能承受冲击力、防爆等。32截割头的设计截割头的组成截割头由截齿、圆盘组成。1、截齿采用类似于采煤机的自制截齿。材料一般选用硬质合金，它具有刚度好、密度小、重量轻等特点。圆盘结构分类圆盘式、滚筒式等。本设计选用圆盘式，它具有结构简单，设计加工方便，实现动作方便的优点。大致结构如下图所示第12页2、截齿座的设计齿座结构如右图其结构既便于更换截齿，又能使截齿安装后不会绕轴向转动。焊接在圆盘上。33截割臂的设计臂部是截割头的主要握持部件。他的作用是支撑截割头并带动它们作上下摆动。臂部运动的目的实现截割头俯仰升降运动。臂部的各种运动常用驱动机构（如液压缸或气缸）和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受截割部的静、动载荷，而且自身又要摆动，故受力复杂。因而，他的机构、工作范围、灵活性等直接影响矿车清车机的工作性能。在这次设计中，臂部要完成的功能主要是，在伸缩液压缸的驱动下实第13页现臂部部分的的俯仰动作。采用的是双向杆机构。331截割臂的基本要求臂部设计首先要实现所需要的运动，为此，须满足臂部应承载能力大、刚度好、自重轻的要求。对于矿车清车机臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。以臂部为例，一般结构上较多采用悬伸梁形式（水平或垂直悬伸）。显然，臂的悬伸长度愈大，则刚度愈差。332截割臂的设计计算根据综合考虑，臂部结构采用定轴式仰俯机构。下图为矿车清车机臂部俯仰动作结构示意图。经计算，矿车清车机仰俯总行程为26，其中向上最大仰角度为13，向下最大俯角度为13。设计向上最大仰角度为15，121向下最大俯角度为15，仰俯总行程为30。其工作状态如下图所示。2臂部俯仰状态图仰俯角的计算过程已知臂长1200MM滚筒直径300车箱宽870建立三角形如图解得向上最大仰角度为15，向下最大俯角度为15。12为使控制摆动的液压缸的摆角留有余量，设计为向上最大仰角度为第14页15，向下最大俯角度为15，仰俯总行程为30，是合理的。设12计的极限状态如下图所示。因此，控制摆动的液压缸只要能使前伸臂绕轴摆动30即可。结合实际清车机结构，来设计仰俯摆动机构尺寸。前支点正常工作在两个15角之间，当前支点至26摆角时，进入死角位置，应避免。（1）驱动力矩的计算取截割头的质量M150KG，臂部质量为50KG则臂部所产生的阻力矩M为M9065120N极限状态下的夹角（2）摆动驱动缸力的计算当滚筒位于最低点时,摇臂与液压缸车呈01260IN2SFM则N9473当滚筒位于最高点时,摇臂与液压缸车呈08第15页8IN20SFMN3491取两者之大即F47239N作为摆动缸设计计算驱动力。34仰俯液压缸的设计341液压缸工作压力及主要结构尺寸的计算1初选液压缸的工作压力液压缸工作压力主要根据液压设备的类型来确定的，对于不同用途的液压缸，由于工作条件不同，通常采用的压力范围也不同。参考同类设计，初定液压缸的工作压力为35MPA。1P2确定液压缸的主要结构尺寸本设计系统选用单作用、液压缸固定的单杆式液压缸。设计取液压缸缸体内径等于活塞杆的直径的两倍，即。取液压缸回油腔DD2DD背压为04MPA。2P当压力油进入无杆腔时，对活塞产生的推力F21PAF（31）CMF（32）式中工作过程中最大的外负载，即活塞杆伸出时最大的推力；F液压缸密封处的摩擦力它的精确值不易求得，常用液压FC缸的机械效率来进行估算；液压缸的机械效率，一般09097CMCM设计取095；C将各数值代入公式（31）、（32），可计算液压缸无杆腔的有效面积1A第16页1A6211025390475PFCM2CM15072则液压缸的直径D1918MMA40715取D80MM由，可求活塞杆的直径2DD40MM，80MMD3活塞杆弯曲稳定性的验算活塞杆完全伸出时需考虑活塞杆弯曲稳定性，设定受力完全作用在1F活塞杆轴线上，主要验算设活塞杆纵向弯曲破坏的临界载荷为KP取活塞杆的安全系数为3安N根据保守的校核公式得124K0LNDP式中N末端条件系数,把活塞杆两端看作两端绞支,查表得1ND活塞杆杆径活塞杆计算长度,L故得124K0LNDP1243N605第17页安全系数为853947210N6由此可见,活塞杆满足稳定性要求4液压缸的工作压力的确定根据设计选取缸径和活塞杆的直径，计算出活塞杆伸出时所需液压油的压力PA2514008497231MPAFP5液压缸实际所需流量的确定液压缸处于工作行程时其活塞杆的行进速度V为01MSV2D4QD式中V活塞杆的行进速度Q进入有杆腔的流量代入数据计算，得LD3720M40841D422活塞杆的行进速度V为/S96408437Q223A342液压缸壁厚和外径的计算1液压缸壁厚和外径的计算液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算。液压缸的壁厚一般是指缸筒结构中最薄处的厚度。从材料力学可知，承受压力的圆筒，其内应力分布规律因壁厚不同而各异。一般设计可分为薄壁圆筒和厚壁圆筒。液压缸的内径与其壁厚的比值的圆筒称为薄壁圆筒。工D10/D程机械的液压缸一般用无缝钢管材料，大多数属于薄壁圆筒结构，其壁厚按薄壁圆筒公式计算第18页332DPY式中液压缸的壁厚，M；液压缸的内径，M；D试验压力，MPA,一般取最大工作压力的（12515）倍，设YP计取151251875MPA；Y缸筒的材料的许用应力,MPA,缸筒的材料选用无缝钢100110MPA,设计取110MPA。将各数据代入上式33，计算出液压缸的壁厚为000068M设计取068MM。则液压缸缸体的外径1DMM36821D参照工程机械用标准液压缸的外径系列（JB106867）将液压缸外径进行圆整得M9512液压缸壁厚的验算液压缸壁厚的验算应包括以下四个方面（1）额定工作压力应低于一定的极限值，以保证工作安全NPMPA3421350DSN式中额定工作压力，MPA；NP缸筒材料的屈服强度，MPA，设计选用缸筒材料为45钢，S则335MPA。S液压缸缸体的外径；1D液压缸缸体的内径；将各已知数据代入上式34，得第19页341MPA125MPA2958030NP计算知额定工作压力远小于一定的极限值。NP（2）额定压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免N塑性变形的发生（035042）NPRLPMPA57809LG352LG321DSRL（035042）（035042）RLP（20132415）MPA44MPANP式中缸筒发生完全塑性变形的压力，MPA；RLP（3）验算缸筒径向变形应处在允许的范围内D3421EPR式中缸筒耐压试验压力，MPA，设计取35MPA；RPRP缸筒材料的弹性模数，MPA，设计取MPA；E3102E缸筒材料的泊松比，钢材03；将已知各数据代入上式34，求得D000823MM30895210382D查手册，变形量没有超出密封圈的允许范围。（4）验算缸筒的爆裂压力是否远大于耐压试验压力EPRP236EP8095LG6132LG1DB第20页1047MPA35MPARP式中缸筒的爆裂压力；EP缸筒材料的抗拉强度，MPA，设计取610MPA；BB通过以上四方面的计算知液压缸壁厚满足要求。343液压缸缸盖厚度的确定液压缸多为平底缸盖，其有效厚度按强度要求进行近似计算无孔时4302YPDT有孔时022DTY式中缸盖的有效厚度，M；T缸盖止口内径，M；2D缸盖孔的直径，M；0D试验压力，MPA,设计取35MPA；YPYP则液压缸无孔后缸盖的厚度1T618MM0538401T液压缸前缸盖的厚度2T874MM408153042T将计算的数据圆整设计取值后缸盖的厚度10MM；前缸盖的厚度1T10MM。2T344液压缸缸体长度的确定液压缸缸体内部长度应大于活塞的行程、缸盖滑动支承面的长度1LL第21页与活塞的宽度之和。缸体外形长度还要考虑端盖的厚度。LB活塞的行程等于活塞杆的行程为320MM；L缸盖滑动支承面的长度设计取60MM；LL活塞的宽度48MM。则液压缸缸体内部长ML考虑实际，取液压缸缸体内部长度428MM，则缸体外形长度1L471MM。2L345液压缸结构的设计液压缸是将液压能转变为机械能的装置，它将液压能转变为直线运动或摆动的机械能。液压缸的分类（1）按结构形式分活塞缸、柱塞缸、摆动缸。（2）按作用方式分单作用液压缸，即一个方向的运动依靠液压作用力实现，另一个方向依靠弹簧力、重力等实现；双作用液压缸，即两个方向的运动都依靠液压作用力来实现；复合式缸，即活塞缸与活塞缸的组合、活塞缸与柱塞缸的组合、活塞缸与机械结构的组合等。液压缸结构简图如下356487液压缸结构简图1活塞杆；2法兰盖；3缸盖；4、7密封圈；第22页5活塞；6缸体；8连接螺栓1缸体与缸盖的连结形式缸体端部与缸盖的连接形式与工作压力、缸体材料以及工作条件有关。设计选用缸体与缸盖的连接形式法兰连接，结构形式简图如下图所示。法兰连接结构的优点结构简单、成本低、易于加工、便于装拆、强度较大、能承受高压。2活塞杆与活塞的连结形式活塞杆与活塞的连接形式分整体式结构和组合式结构；组合式结构又分为螺纹连接、半环连接和锥销连接。设计选用螺纹连接形式。其特点结构简单、在振动的工作条件下容易松动，必须用锁紧装置、应用较多。法兰连接结构形式简图3活塞杆导向部分的结构活塞杆导向部分的结构采用端盖整体式直接导向。其特点端盖与活塞杆直接接触导向，结构简单，但磨损后只能更换整个端盖。4活塞及活塞杆处密封圈的选用活塞及活塞杆处的密封圈的选用，应根据密封的部位、使用压力、温度、运动速度的范围不同而选择不同类型的密封圈。选用密封圈密封的优点（1）结构简单，制造方便，成本低；（2）能自动补偿磨损；（3）密封性能可随压力加大而提高，密封可靠；（4）被密封的部位，表面不直接接触，所以加工精度可以放低第23页（5）既可用于固定件，也可用于运动件。设计选用O型密封圈，其截面结构简图如下图所示。O型密封圈截面简图5液压缸的安装连结结构液压缸的安装连接结构包括液压缸的安装结构、液压缸进出油口的连接等。1液压缸的安装形式根据设计的工作要求和安装位置，选用尾部后耳环的安装形式。即缸体固定，活塞杆运动。其安装结构简图如下图耳环的安装形式简图2液压缸进、出油口形式及大小的确定液压缸进、出油口设计布置在缸体上，液压缸设计无专用的排气装置，进、出油口设在液压缸的最处，以便空气能首先从液压缸排出。进、出油口的形式选用螺孔连接，安装尺寸M1815。6液压缸主要零件的材料和技术要求液压缸主要零件如缸体、活塞、活塞杆、缸盖的材料和技术要求如下第24页1）缸体材料QT60002；主要表面粗糙度液压缸内圆柱表面粗糙度为；AR024M技术要求（1）内径用H9的配合；（2）内径圆度、圆柱度不大于直径公差之半；（3）缸体与端盖采用螺纹连接时，螺纹采用H6级精度；（4）为防止腐蚀和提高寿命，内径表面可以镀003004MM厚的硬铬，再进行抛光，缸体外涂耐腐蚀油漆。简图如图2）活塞材料45钢；主要表面粗糙度活塞外圆柱表面粗糙度为RA0816；M技术要求（1）外径D的圆度、圆柱度不大于外径公差之半；（2）活塞外径用橡胶密封圈密封时可取F7F9配合，内径与活塞杆的配合可取H8。3）活塞杆材料45钢；主要表面粗糙度杆外圆柱表面粗糙度为RA0408；技术要求（1）材料热处理调质2025HRC；（2）外径表面直线度在500MM长度不大于003MM；（3）与活塞的连接可采用H8/H8配合。其简图如图D2H80活塞杆简图4）缸盖材料HT200；主要表面粗糙度配合表面粗糙度为RA0816UM；技术要求（1）配合表面的圆度、圆柱度不大于直径公差之半；（2）端面A、B对孔轴线的垂直度在直径1000MM上不大于004MM；（3）对D的同轴度不大于003MM23D、第25页4驱动系统的设计计算41清车机动力的选择目前矿车清车机的驱动方式有液压驱动、气压驱动、电力驱动和机械驱动四种。液压驱动矿车清车机的工作原理是以压力油作为驱动力而进行工作的，被驱动件（如臂部等）的运动速度，决定于油液在油缸（直线油缸或回转油缸）内容积变化的快慢，而驱动力的大小，则决定于油液的单位压力及作用的有效面积。1、液压驱动的特点输出力大体积小。作为传力介质的液压油，其可压缩性不大（高压研究动态性能时不可忽略），能传递的压力大。在同等的功率下，液压传动装置的体积小，重量轻，运动习惯量小，动态性能好。控制性能好。液压系统中，借助于调节阀可以方便地改变系统的压力、流量和方向，能实现无级调整和缓冲定位，以适应不同的工作要求。适用范围广。采用液压传动，右以实现无间隙传动，运动平衡，定位精度比气动高，自我润滑性能好，寿命长，易实现三化。液压系统的缺点是密封性能差，易污染环境，防水性能由于油液粘温性能差，限制液压驱动只能在常温下工作。另外，油液中如果混入气体，将会降低传动机构的刚性，低速爬行，音响定位精度，与气动设备相比成本高。由于以上原因，某些场合限制了清车机的应用。2、气动装置系统的特点系统的输出力小、体积大。空气具有一定的可压缩性。所以气压驱动系统的输出力小。控制性能差，由于空气的可压缩性大，阴尼效果差，低速不能控制，运动稳定性差，速度及定位精度不易控制，压缩空气的粘性小，流速大，与液动相比，动作反应快，易获得高速，冲击大，需要增设缓冲和定位装置。成本低，传动介质是空气，取之不竭，用过之后排入大气，不需要回收设备，不污染环境，可安全地应用在易燃，易爆和粉尘大的场合。第26页维修方便，使用范围广。空气介质清洁不易堵塞，不腐蚀管路，因粘性小，管路损失小，可作远距离输送，可建立空压站集中供应现场的液压设备及气动设备作动力源，使用维修方便。3、电力驱动装置电力驱动是以电机为动力源。一般采用的电力驱动装置是由驱动电机、减速机构和螺旋副三部分组成。驱动电机一般可以分两大类。一类为功率较大的异步电动机和直流电动机驱动，另一类为功率较小的步进电机和伺服电机驱动。1）异步电机和直流电机的驱动特点输出功率较大控制性能差成本低，使用维修方便。与液（气）压传动比较，效率高，易于实现远距离和自动控制。2）步进电机和伺服电机的驱动特点输出功率小，体积也小，不需要专门的调整机构。控制性能好。成本高。由于以上这些特点，步进电机和伺服电机驱动通常只在运动轨迹复杂，工作精度较高的小型机械驱动系统中使用。4、机械驱动装置机械驱动是利用凸轮、齿轮、齿条、蜗杆，链条、链轮和杠杆等机构来完成机械的各种动作。42驱动方案的确定1、针对于本设计，液压驱动还有以下主要的优点1）液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置；2）重量轻，体积小，运动惯性小，反应速度快；3）操作方便，容易控制，可以实现大范围的无级调速；4）可以自动实现过载保护；5）可以自动行润滑，不需要另加润滑剂，使用寿命长。6）容易实现自动化，当采用电液联合控制时，不仅可以实现更高程度的自动化，而且还可以实现远程控制。当然，各种驱方式均具有各自的特点，但与其他几种液压驱动方式相比较，液压驱动的优点更为突出，同时，为尽量在一个自动化系统中采用第27页同一种驱动方式（必要时可以选择几种，应根据要求选择），结合本设计的特点，以及工艺要求、使用条件、资金等具体情况全面考虑综合分析，最后选择液压驱动作为本设计的驱动方式为本设计的最佳方案。本设计采用液压马达作为动力的输出分别经过一级减速箱和链传动后将动力传递给截割部。43马达的选型431马达的相关计算1）设定矿车清车机截割部的额定功率KW5WP2）清车机滚筒截割速度V16M/S由，得60DNVR/MIN8103取转速N100R/MIN3）传动装置总效率选取齿轮传动效率980齿圆锥滚子轴承效率锥承深沟球轴承效率深承滚子链传动效率960链联轴器传动效率花马达效率马总效率齿联马深承链锥承26A9009882第28页07664）清车机输出功率571806WDAPKW432驱动马达的选型设计输出功率718KW滚筒截割速度V16M/S即N679R/MIN综合考虑选取马达型号MMFB45MMFB45型定量直列柱塞液压马达技术参数如下MMFB45型定量直列柱塞液压马达技术参数型号排量/LR1945最高转速2400最低转速100最大输出转矩/NM258重量/KG33马达的流量计算MIN/7251075946LNPQ式中，RL/为排量，第29页MIN/RN为转速，44减速箱的设计计算441传动比的计算1估算传动装置的总传动比310WNI总2传动比分配总II2减速箱传动比31链传动比2I则21I442运动参数及动力参数计算1计算各轴转速R/MIN301NR/MIN12I2计算各轴输入功率9004271联深承马DP633KW983612齿深承614KW3计算各轴输入转矩M52013695011NNPT8422第30页将上述结果列于表中轴号转速N功率P转矩T1300R/MIN633KW2015NM2100R/MIN614KW5868NM443齿轮传动的设计计算（1）选择齿轮材料，确定许用应力考虑减速器传递功率不在，所以齿轮采用软齿面。小齿轮选用40CR调质，齿面硬度为240286HBS，取260HBS。大齿轮选用45钢，1HBS正火，齿面硬度2169217HBS，取210HBS。2确定接触应力HLIM1NNHS查手册得小齿轮接触疲劳极限700MPALI1大齿轮接触疲劳极限550MPALIM2H接触强度寿命系数，应力循环系数N由下式决定N6030011030012160HNJL81046601001103001222查手册得11N1052N取接触强度最小安全系数1MINS则70017001HPAM第31页5501055772HPAM确定许用弯曲应力FLIMNNXFYS弯曲疲劳极限，查手册取378MPA，294LIMFLI1LIM2FPAM弯曲强度寿命系数，查手册取1NYNY2弯曲强度的尺寸系数，查手册（取模数M5MM）取1XY弯曲强度最小安全系数，取14INFS则37811/143861FPAM2941/1421022齿面接触疲劳强度设计，计算确定齿轮传动精度等级，7，查取手册选取小轮大端公差组等TV/MS级为7级。分度圆直径为1D322121MHEDMKTZUDU齿宽系数查手册取08D小齿轮齿数取301Z1大齿轮齿数取902小轮转矩NMT53651载荷系数AVK使用系数。查手册15AK第32页动载系数。由推荐值10514，取12VKVK齿间载荷分布系数。由推荐值1012，取11齿向载荷分布系数。由推荐值1012，取1载荷系数198AVK材料弹性系数，查手册，取EZ2189N/MEZ节点区域系数，查手册，取H5H故321348057809D88MM齿轮模数MMM，查手册圆整得M3MM18DZ2930小轮分度圆直径1DZ1圆周速度MVS/M41603960/NDV1、齿宽B取B72MM7281D大轮B72MM2小轮72577MM1B（3）齿根弯曲强度校核计算由式212DMFFASFKTYBU第33页齿形系数，FAY查手册，小轮2521大轮2202FA应力修正系数SY查手册，小轮1631A大轮1782S重合度1751212TANZTAN2Z（）（）重合度系数Y057/068Y故32112915210687/FFNM322180793/FF齿根强度满足要求（4）齿轮的主要尺寸参数大圆分度圆直径2D23907DMZ顶圆直径A1H26A2A703D根圆直径F第34页F2FH70231562DF1F98444轴的设计计算（一）减速箱输入轴的设计计算（1）计算作用在齿轮上的作用力转矩63950215TNM输出轴上大齿轮分度圆直径DM圆周力TF312/2051/9628N径向力0AN478TANRT（2）初步估算轴的直径选取作为轴的材料，调质处理40RC由式计算轴的最小直径并加大3考虑键槽的影响。3PDAN查表取A110MM3MIN6104D（3）轴的结构设计确定轴的结构方案左轴承从轴的有段装入，靠轴肩定位。齿轮和右轴承从轴的右端装入，齿轮左端靠轴肩定位齿轮和右轴承之间用定位套筒使右左端面得以定位，半联轴器靠轴肩定位。左右轴承均采用轴承端盖，半联轴器靠定位销固定，齿轮和半联轴器均采用普通平键得到轴向固定。采用深沟球轴承和平键套筒联轴器。确定各轴段直径长度1段根据（按GB/T11841996）圆整并取35MM并由和NMINDDT选取联轴器型号为，取长度35260LM第35页2段这段主要是固定半联轴器，同时要便于轴承的拆装，选取取轴承端盖的厚度为34MM，轴承端盖外端面到半联轴器左端面40DM的距离为16MM取L50M3段这段轴主要是用来安装轴承和定位套筒。查GB/T27694，选取6209型轴承，其宽度是19MM轴承润滑方式采用油润滑，齿轮和箱体之间的距离取16MM，取轴承距内壁的距离为13MM，则L48M4段，为使套筒能压紧齿轮，这段轴的长度比尺宽短，取50DL7M5段这段主要是用来给齿轮定位的，取，5DL256段这段主要用来安装左轴承，4ML1（4）绘制轴的弯矩图和扭矩图齿轮轴受力如下图所示，（A）求轴承反力H水平面内21478/239RNV竖直面内1265/6（B）求弯矩水平面内弯矩的计算23890741658HMNM垂直面内弯矩的计算3V弯扭组合计算则24HVNM查手册由2735/B得，1260217/B2016/BNM折算系数10584B第36页取06当量弯矩22EMT2240615705CANM（5）验算危险截面强度由上图知齿宽中点处受的弯矩最大，则第37页32CA27051/M16/MNW满足强度要求（二）减速箱输出轴的设计计算（1）计算作用在齿轮上的作用力转矩61495083TN输出轴上大齿轮分度圆直径27DM圆周力TF31/258610/2746N径向力AN4TAN58RT（2）初步估算轴的直径选取作为轴的材料，调质处理40RC由式计算轴的最小直径并加大3考虑键槽的影响。3PDAN查表取A1023MIN6140MD（3）绘制轴的弯矩图和扭矩图齿轮轴受力下图所示，求轴承反力H水平面内214367/2134HRNV竖直面内1258/9V求弯矩图水平面内弯矩的计算217340156HMNM第38页垂直面内弯矩的计算7910257VMNM弯扭组合的计算则2165HVMNM查表101由273/B得，2160/B217/B2016/BNM第39页折算系数10735824B取6当量弯矩22EMT221650863895CANM（4）验算危险截面强度由图知齿宽中点处受的弯矩最大，则32CA89510/M4/6NW满足强度要求445轴承的设计计算（一）减速箱输入轴轴承的设计计算查设计手册，6209轴承的主要性能参数（GB/T27694）为C315KN，205KNOC1）计算轴承支反力H水平支反力1H2R0V垂直支反力N1V22015DCOS9CS3826TFN2计算轴承所受的轴向载荷，1A023计算轴承所受当量动载荷，查表，1R1X1Y0P2386N,查表，A022第40页2P386N4计算轴承寿命取温度系数1F故366TH00150L285HN326CP（二）减速箱输出轴轴承的设计计算查设计手册，6212轴承的主要性能参数（GB/T27694）为C478KN，328KNO1）计算轴承支反力H水平支反力1H2R0V垂直支反力N1V22586DCOS70COS3128TFN2）计算轴承所受的轴向载荷，1A023）计算轴承所受当量动载荷，查手册得，1R1X1Y0P28N,查手册得，A0222314计算轴承寿命取温度系数1F故366TH0047810L475HN26CP第41页45链传动的设计计算451链轮和链的设计计算1）选择链轮齿数12Z小链轮齿数估取链速为0681M/S取Z9大链轮齿数21Z9I2）确定链节数LP初取中心距，则链节数为0A421210PZZP2990641193）确定链节距P载荷系数查手册得AK13AK小齿轮齿数系数查手册估计为链板疲劳，取1ZZK多排链系数查手册得25MKMK链长系数查手册得111LL