掘进机的截割机构的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 I 摘 要 随着煤炭行业机械化程度的加快，煤炭行业以前只是重视采煤的机械化，大多数的煤炭行业很少有在掘进方面有较大的投入和研究，这样就造成了采掘速度远远大于开拓速度，此时怎样来提高出煤量，开拓的机械化就显得极其重要了。 作为我国主要能源的煤炭资源在开采上日趋机械化的同时，迫切需要拥有先进的掘进机械，掘进机的研制成功标志着我国的煤炭行业已达到世界的先进水平。 掘进机截割机构是掘进机的主要组成部分， 按照掘进机截割部的总体、动力部分、传动部分以及执行部分的设计思路进行掘进机截割部的设计。在设计时，动力部分做选型计算 ，传动部分的行星减速机构做具体的设计计算和校核，执行部分只对执行元件进行设计计算和校核。设计 对于提高和改进掘进机工作性能， 发展我国大口径全断面掘进机产业以及进一步提高我国的盾构研发能力、改善研发条件具有重大战略意义 。 关键词 ：掘进机 ; 截割臂 ; 行星减速器 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 of of is in to of of a As of in of in of is in of of In of of do of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 录 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 进机 的作 用和分类 . 1 进机在煤矿领域中的作用 . 1 进机的分类 . 1 内外悬臂式掘进机的现状和发展趋势 . 2 外悬臂式掘进机的现状和发展趋势 . 2 内悬臂式掘进机的现状和发展趋势 . 3 文的主要研究内容及意义 . 5 第 2 章 悬臂 式掘进机截割部的结构设计和动力装置的选择 . 6 进机截割机构设计方案选择 . 6 体形式选择 . 6 割头布置方式选择 . 6 轴式悬臂掘进机的结构组成 . 7 割部的设计参数 . 8 割部的总体结构设计 . 8 割部对电动机的要求 . 9 割电动机的选择 . 10 第 3 章 悬臂式掘进机截割部的传动装置 . 11 级行星减速器齿轮的设计计算 . 11 级行星减速器齿轮 传动比的分配 . 11 级行星减速器高速级齿轮的设计计算和校核 . 13 级行星减速器低速级齿轮的设计计算和校核 . 27 级行星减速器输入输出轴的设计计算 . 40 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 二级行星减速器输入轴的设计计算 . 40 级行星减速器输出轴的设计计算 . 44 级行星减速器轴承的校核 . 46 级行星减速器齿轮用轴承的选择和校核 . 46 级行星减速器输入输出轴用轴承的选择 . 52 第 4 章 悬臂式掘进机截割臂的设计计算 . 54 割头轴的设计计算和校核 . 54 割头轴用轴承的选择和校核 . 60 结论 . 62 致谢 . 63 参考文献 . 64 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 V . . 1 he BM . 1 in of . 1 . 1 . 2 . 2 . 3 he . 5 of of . 6 of . 6 . 6 . 6 . 7 of . 8 of of . 8 of of . 9 of . 10 . 11 . 11 wo . 11 wo . 13 wo 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 VI . 27 wo of . 40 wo . 40 wo . 44 wo . 46 wo . 46 wo . 52 of . 54 he . 54 he . 60 . 62 . 63 . 65 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 绪论 掘进机的作用和分类 掘进机在煤矿领域中的作用 掘进机主要由行走机构、工作机构、装运机构和转载机构组成。随着行走机构向前推进，工作机构中的切割头不断破碎岩石，并将碎岩运走。有安全、高效和成巷质量好等优点，但造价大，构造复杂，损耗也较大。 掘进机的主要功能是剥落煤岩，能掘出不同的巷道断面尺寸。在给定所掘巷道的地质情况下，有较高的生产率。 掘进机在井下不但用于巷道的掘进，在对一些特殊的煤和煤岩也起到采掘作用 。并且在截割过程中动载荷小，生成的粉尘少，比能耗低，取代了人工钻 眼放炮的原始掘进方法，掘进机自身携带装载、转载以及独立的行走机构，提高了井下的工作环境、工作效率和井下安全系数 1。 掘进机的分类 掘进机可按下列几种方式进行分类： 1. 按所掘断面的形状 分为全断面掘进机和部分断面掘进机 2。 2. 按截割头的布置方式 分为横轴式和纵轴式。 3. 按掘进对象 分为煤巷、煤 岩巷和全岩巷掘进机。 4. 按矿井类型 分为竖井、斜井和平硐掘进机。 5. 按悬臂形式 分为单臂式、双臂式和三臂式掘进机 3。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 国内外悬臂式 掘进机的现状和发展趋势 国外悬臂式掘进机的现状和发展趋势 早在上世纪 30 年代，德国、前苏联、英国、美国就开始了煤矿巷道掘进机的研制，但巷道掘进机得到较广泛工业性应用还是在第二次世界大战之后。1948 年，匈牙利开始研制 F 系列煤巷掘进机。当时是为了适应“房柱式”开采的需要。 1949 年生产的 掘进机，是世界上的第一台悬臂式掘进机，不过当时还未能实现悬臂式掘进机的全部功能。 1951 年匈牙利研制了采用履带行走机构的 悬臂式掘进机，这种机型除采用横轴截割方式和调动灵活的履带行走机构外，还采用了铲板 和星轮装载机构，并采用了刮板运输机转运物料。这种机型已具备了现代悬臂掘进机的雏形。 F 系列掘进机是目前悬臂式横轴掘进机的原始机型。 1971 年奥地利 司在匈牙利 F 系列掘进机的基础上，研制了 50 型掘进机，并在此基础上逐步形成了 1972 年德国引进 50 型掘进机在半煤岩巷中使用，在此基础上 司自行研制出 掘进机，并在此基础上发展成为列掘进机。 1973 年 司研制成功了 170 和200 型掘进机，并在此基础上发展为 列掘进机。 F 系列、 列掘进机均采用的是横轴截割机构 7。 1956 年前苏联生产了首台 3 型纵轴悬臂式掘进机，在 8面下煤巷中使用。 3 型掘进机是目前纵轴悬臂式掘进机的雏形。 1960 1964年，英国从前苏联引进了 3 型掘进机，进行工业性试验，同时开始了悬臂式掘进机的研制。 1963 年 司在 3 型掘进机的基础上，通过改变截割头截齿配置和更换电气系统，研制成了 和 型掘进机，并逐步发展成为 列掘进机。 1968 年，德国 进机的基础上研制出了 100 型掘进机。后来德国 司又研制出了 列掘进机，使纵轴悬臂式掘进机逐步形成系列化。 1966 年，日本三井三池机械制造公司在前苏联 3 型和英国进机的基础上研制成功了 S 系列掘进机。到上世纪 70 年代后期，S 系列掘进机已逐步形成系列化 8。 经过半个多世纪的发展，目前，国外掘进机主要生产国有 :英国、德国、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 俄罗斯、奥地利、日本等国所生产的掘进机已被广泛用于硬度 f 低于 8 半煤岩的采准巷道掘进，并扩大到岩巷。重型机不移位截割断面达 35 42数机型能在纵向 16、横向 8的斜坡上可靠工作，截割功率在 132 300重在 50 100t，切割岩石硬度 f 为 12。部分机型截割速度已降至 1m/s 以下，牵引速度采用负载反馈调节，以适应不同岩石硬度；一些机型除设有后支撑外，还在履带前后安装了卡爪式液压扎脚机构，以便在切割岩石时锚固定位。机电一体化已成为掘进机发展趋势，新推出的掘进机可以实现推进方向和断面监控、电动机功率自动调节、离机遥控操作及工况监测和故障诊断，部分掘进机实现 制，实现回路循环检测 9。 国内悬 臂式掘进机的现状和发展趋势 我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于 20 世纪 60 年代，以 3050小功率掘进机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。 80 年代初期，我国淮南煤机厂（现重组为凯盛重工）引进了奥地利奥钢联公司 掘进机、佳木斯煤机厂（现隶属于国际煤机）引进了日本三井三池制作所 掘进机，通过对国外先进技术的引进、消化、吸收，推动了我国综掘机械化的发展。但当时引进的掘进机技术属于 70 年代的水平，设备功率小、机重轻、破岩能力低及可靠性差，仅适合在条件较好的煤巷中使 用，加之国产机制造缺陷，在使用中暴露了很多问题。国内进一步加强对引进机型的消化吸收工作，积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。经过近 30 年的消化吸收和自主研发，目前，我国已形成年产 1000 余台的掘进机加工制造能力，研制生产了 20 多种型号的掘进机，其截割功率从 30200初步形成系列化产品，尤其是近年来，我国相继开发了以掘进机为代表的替代机型，在整体技术性能方面达到了国际先进水平。基本能够满足国内半煤岩掘进机市场的需求，半煤岩掘进机以中型和重型 机为主，能截割岩石硬度为 f 6 8，截割功率在 120上，机重在 35t 以上。煤矿现用主流半煤岩巷悬臂式掘进机以煤科总院太原研究院院生产的 、 及佳木斯煤机厂生产的 三种机型为主，占半煤岩掘进机使用量的 80以上。 90买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 年代初至今为自主研发阶段。这一阶段中型悬臂式掘进机发展日趋成熟，重型掘进机大批出现悬臂式掘进机的设计与加工制造水平已经相当先进，并且具备了根据矿井条件实现个性化的能力 9。 我国的悬臂式掘进机发展主要受英国 本三井三池 S 系列型 掘进机的影响。目前主要以纵轴悬臂式为主。同时由于吸收奥地利 列型掘进机的特点，也有部分掘进机设计为横轴截割方式 10。 然而，国内目前岩巷施工仍以钻爆法为主，重型悬臂式掘进机用于大断面岩巷的掘进在我国处于试验阶段，但国内煤炭生产逐步朝向高产、高效、安全方向发展，煤矿技术设备正在向重型化、大型化、强力化、大功率和机电一体化发展，新集能源股份公司、新汶矿业集团、淮南矿业集团及平顶山煤业集团公司等企业先后引进了德国 地利 国 重型悬臂式掘进机。全岩巷重型悬臂式掘进机代表了 岩巷掘进技术今后的发展方向。虽然三一重装去年推出了国内第一台 硬岩掘进机，但国产重型掘进机与国外先进设备的差距除总体性能参数偏低外，在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质条件的截割、装运及行走部载荷谱没有建立，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统等核心技术方面有较大差距 。 随着煤矿采掘机械化的不断发展。悬臂式掘进机的发展具有以下趋势 : (1) 适用范围不断扩大； (2) 可靠性不断提高； (3) 增加机器的截 割能力，提高工作稳定性； (4) 机电一体化趋势明显； (5) 采掘锚综合机组出现 12。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 论文的主要研究内容及意义 随着煤炭行业机械化程度的加快，煤炭行业以前只是重视采煤的机械化，大多数的煤炭行业很少有在掘进方面有较大的投入和研究，这样就造成了采掘速度远远大于开拓速度，此时怎样来提高出煤量，开拓的机械化就显得极其重要了 13。 悬臂式掘进机具有掘进速度快，巷道成形好，便于与其他设备配套使用在综掘工作面以及成本较为合理等优点，因而被广泛应用。近年来掘进机不仅广泛用于煤及软岩巷道的掘进 ，在中等硬度的半煤岩巷道掘进中也获得良好的技术经济效果 14。 据初步统计，目前我国统配煤矿巷道掘进工作中，综掘机械化平均仅占10%左右，而前苏联、英、德等主要采煤国在六十年代末就已达到这一水平。与此不成比例的是，我国综采机械化的发展却相当快，煤矿高产高效的要求是二者比例协调。为了适应综采机械化的发展，保持采掘比例协调，综掘机械化程度厄待提高。因此全面提高国产悬臂式掘进机的技术性能，也成为迫切要求 15。 本文简单介绍了悬臂式掘进机的分类、特点和国内外的发展应用状况。详细说明了掘进机截割部的组成、工作原 理和传动过程，并对截割部减速器的选择和设计计算有一个比较全面的认识和掌握，同时对截割部相关的零部件以及它们的工作原理、选用方式和本身的特性有一定的了解。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 第 2 章 悬臂式掘进机截割部的结构设计和动力装置的选择 掘进机截割机构设计方案选择 整体形式选择 本次设计采用悬臂式方案设计，悬臂式掘进机具有掘进速度快，巷道成形好，工作稳定可靠，便于与其它设备配套使用应用在综掘工作面等优点。随着我国煤矿采掘机械的迅速发展，悬臂式掘进机的可靠性和稳定性在一定程度上也有了很大的提高。目前，我 国自主研发的悬臂式掘进机足以满足现代煤矿掘进的需要 4。 截割头布置方式选择 方案一 掘进机截割机构采用横轴式截割头，横轴式悬臂掘进机一般用于软岩掘进，横轴式截割头的截割性能好，横轴式截割头的头体多为厚钢板的组焊结构或者螺钉连接结构，由左右对称的两个半球体组成。截割头体是通过涨套式联轴器同减速器的输出轴相连，可起到过载保护作用。横轴式截割头结构较为复杂。截割头掏槽时横轴式的推进方式与截割力方向基本一致，必须用较大的进给力，如果用行走机构进给掏槽，则应加大行走功率，而且最大截割深度最大不能超过 2/3的截割直径，这不便于挖柱窝。横轴式截割头在掘进巷道时在工作面某一位置沿巷道掘进方向切进一定深度，然后截割头上下左右摆动扩大截割范围，实现对全工作面的截割，但要注意点是由于横轴式截割头的结构所限，不容许完全做垂直摆动截割，否则两截割头中间部分将触媒，增大工作阻力。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 方案二 掘进机截割机构采用纵轴式截割头，纵轴式悬臂掘进机采用二级行星齿轮传动。它的特点是同轴传动、结构紧凑、传递功率大、传动效果好，在推进过程中方向几乎垂直截割方向，因而只需较小的进给力，而且截割深度可由几厘米到整个截割头长度任选。在巷道掘 进中纵轴截割头可以朝任何方向摆动，因而可以选择岩层较弱、阻力最小的方向截割，同时还能掘出平整的巷道 5。纵轴式截割头在掘进巷道时截割头首先要钻进工作面一定深度，然后横向摆动截割，达到巷道边界后，沿垂直方向截割一定高度，在水平摆动截割，如此循环往复，直到完成对全工作面的截割。 本次设计采用纵轴式悬臂掘进机的截割机构进行设计。 纵轴 式悬臂掘进机的结构组成 纵轴式悬臂掘进机主要由截割机构、装载机构、回转台、液压系统、行走机构、电气系统、后支撑和转载机构等组成。截割头是由截割机构上的电动机驱 动，行走、装载、运输和转载的动力则是由安装在本体部的电动机和液压马达提供。截割臂的上下、左右摆动、铲板起落、后支撑支地和伸缩部伸缩都是由液压油缸来实现的 6。 1 2 3 4 5 6 7 81 截割机构； 2 装载机构； 3 回转台； 4 液压系统； 5 行走机构； 6 后支撑； 7 电气系统； 8转载机构 图 1纵轴式悬臂掘进机 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 截割部的设计参数 悬臂式掘进机截割部的初始设计参数： 截割头转速： 截割头摆动速度： m/截割头平均直径： 截割头所受径向力： 截割头所受轴向力： 经济截割硬度： 截割部的总体结构设计 悬臂式掘进机截割部主要由截割头组件、截割臂、二级行星减速器和电动机组成。 电动机选用掘进机专用电动机，减速器采用 二 级行星减速器，它具有结构紧凑、体积和质量小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低、结构简单、制造方便、传动功率范围大而且轴向尺寸小等优点。 截割臂的上下、左右动作是由截割部与回转台间的两个伸缩油缸完成的。 截割功率是由电动机输出的功率经减速器后，传递到截割臂，截割臂主轴上花键与截割头相连接，将功率输出。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 1 2 3 4 51 截割头组件； 2 截割臂； 3 减速器； 4 联轴器； 5 电动机 图 2悬臂式掘进机截割部 截割部对电动机的要求 悬臂式掘进 机是一种主要应用于煤炭行业的掘进设备。因此在选择截割电动机时，首先要考虑截割电动机的防爆性能。而且掘进机的截割电动机在工作过程中，大多数情况为空载起动。当遇到软岩或夹石时，会有较大的阻力矩，因此要求电动机应有较大的最大转矩。当遇到截割阻力矩较大的情况时，转为低速操作。而且 掘进机 的截割电动机是截割部不可缺少的一部分，除须符合 3836有关规定外，其外形机壳结构的机械强度、连接方式、冷却方法以及防尘防水程度都必须满足掘进机作业的要求 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 截割电动机的选择 根据艾克霍 夫公司实验资料可得，对于 5f 的煤岩取 3h/H，利用能耗法比能耗的实验数据估算截割功率 N 0(2式中H 比能耗， 3h/H； 截割头摆动速度， m/v ； L 截割深度， ； D 截割头平均直径， 。 N 根据计算得知，选用标准电动机的功率为 135再根据表 2电动机的技术要求中，选用 掘进机专用隔爆型三相异 步电动机。 表 2动机技术数据 型号 功率 额定 电压 V 转速 效率 % 功率因数 额定转矩 冷却方式 工作制 绝缘等级 重量 135 135/122 660/1140 970/955 壳水冷 1700 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 第 3 章 悬臂式掘进机截割部 的传动装置 二级行星减速器齿轮的设计计算 二级行星减速器齿轮传动比的分配 从掘进机的工作条件考虑，选用 行星齿轮减速器。它具有结构紧凑、体积和质量小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低、结构简单、制造方便、传动功率范围大而且轴向尺寸小等优点。减速器采用渐开线圆柱直齿轮，高速轴与电动机直接相连。电动机功率 p ，输入转速970n ，输出转速 n 。 图 3割部减速器传动原理图 1. 总传动比 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 2. 各级传动比 两级行星齿轮传动的传动比可利用图 3行分配，图中 i 和 用角标 表示高速级参数， 表示低速级参数。设高速级与低速级外啮合齿轮材料、齿面硬度相同，则 H 1 低速级内齿轮的分度圆直径； 高速级内齿轮的分度圆直径。 2222 式中 A 中间变量 ； C 行星轮数目 ， 35 分度圆的齿宽系数， ； Z 齿面工作硬化系数， Z； 载荷分布系数， K； K 接触强度的载荷系数， 222 。 A 414 88 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 34567810 20 30 40 50E=1 2 4两级 传动比分配 由图 3得 i 二级行星减速器高速级齿轮的设计计算和校核 1. 配齿计算 查表 3择行星轮数目取 3于 可能达到的传动比极限较远，所以可以不检验邻接条件。 确定各齿轮齿数，按文献 16行星减速器齿轮传动的配齿公式进行计算。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 )(21 式中 行星减速器高速级减速比， 行星减速器高速级中心轮齿数； n 整数， 19n ； 行星减速器高速级内齿轮齿数； 行星减速器高速级行星轮齿数。 114611319 146(21 表 3星轮数目与传动比的关系 行星轮数目 3 用不等角变位，可取 1788 846 B 文献 16可查出适用的预计啮合买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 角在 20 23 3021 24范围内；若取 17746 Z 用的预计啮合角在 3023 4017 3026 、 21的范围内。 取 18符合不等角变位的选择条件、且各齿轮齿数间存在公因数。应取 17取 3026 2. 按齿面接触强度初算 传动的中心距和模数 电动机输入转矩 550(3式中 P 电动机功率， P ； n 电动机转速， n 。 T 在对 传动中，中心轮传递的转矩 式中 T 电动机输入转矩， T ； 行星轮个数， 3 载荷不均匀系数， 由文献 16查得 15.1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 9 齿数比 碳淬火，中心轮和行星轮齿面硬度均为 6 ，则试验齿轮的接触疲劳极限 2 / 。 中心轮的许用接触应力 l 式中计算接触强度的寿命系数，根据文献 17查得 1 速度系数，根据文献 17查得 Z； 粗糙度系数，根据文献 17查得 1 工作硬化系数，根据文献 17查得 1 接触强度计算的尺寸系数，根据文献 17查得 1 计算接触强度的最小安全系数，根据文献 17查得 1 2 5 0 0 按文献 16中齿面强度计算公式计算中心距 3 21 (3式中钢对钢配对的齿轮副常系数， 483 u 齿数比， 5.1u ； K 载荷系数， 由文献 16查得 ； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 a 齿宽系数， 7.0a； 许用接触应力， 2P 。 5 0 3 3 2 a 齿轮模数 CA 圆整后取模数 m 。 传动未变位时的中心距 711(28)(2 按预取啮合角 3026 得 传动中心距变动系数 1c Z 式中 标准压力角， 20 。 o s 20c o 则 传动的 实际中心距 圆整后取实际中心距 a 。 3. 计算 传动的实际中心距变动系数 和啮合角 A 传动的实际中心距变动系数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 式中 a 圆整后的实际中心距 ， a ； 传动未变位时的中心距， 12118 传动的啮合角 891 91 15326 . 计算