纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计（全套含CAD图纸）
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本科毕业设计（论文）开 题 报 告 题 目 纵轴 式 掘 进机装载机构及装载减速器设计 指 导 教 师 院（系、部） 专 业 班 级 学 号 姓 名 日 期 教务处印制 一、 选题的目的、意义和研究现状 目的： 掘进机是巷道掘进和隧道施工的重要设备，它具有截割、装载、转运、独立行走、喷雾降尘的功 能。 装载机构是掘进机的主要工作机构之一，其性能能够直接的影响着整机的生产能力，掘进机的装载部分主要是由驱动装置、铲板体和升降油缸等组成。掘进机的装载机构位于整个掘进机前端的下方，它的作用是把截割机构所采下来的煤岩进行收集、装载到中间刮板输送机上，而后经过后部转载设施进行卸载。 本次设计 的 目的在于，通过该设计使自己对掘进机的装载结构、组成和原理有更深入的认识。在设计过程中，熟悉装载机构的方案设计以及减速器的设计过程，把理论与实际相结合。 意义： 通过对悬臂式掘进机装载机构的设计， 能够使 整个机器的工作性能 得到 很大 的提升 ，而且还可以 提高装载机的生产率 ， 做此次 设计我们能够 进一步 的 熟悉 悬臂式装载机构 各 部分的工作原理，对其进行更好的改进，使其能够 更加的省时省力 ，使其在日常 的工作中 能够有更好的经济效益。 研究现状 和趋势 ： 纵观 国内外悬臂式掘进机的发展情况，各国都在技术方面进行创新，未来的发展趋于：重型化 ， 大功率 ， 机器重量越来越大，以增加稳定性 。研制 集掘、钻、锚为一体的采掘综合机组。 喷雾降尘 设备的随机化 ， 使工作时的粉尘度大大降低 。 智能化 ， 自动化，提高生产效率和生产能力。矮型化 。 附件化 。 装载运输 机构 采用可伸缩型结构，保证机器的机动性和适应性。 二、 研究方案及预期结果 本论文主要对 掘进机装载机构进行方案设计并对 其减速器 进行了详细计算： 一、 掘进机装载机构的设计 （ 1） 装载机构 生产能力确定 （ 2） 星轮尺寸的 确定 （ 3） 星轮转速的 确定 （ 4） 装载功率 的确定 （ 5） 铲板 结构的设计 二、 减速器 设计 (1) 电动机选择 (2) 传动装置 的运动和动力参数计算 (3) 齿轮 部分 设计 (4) 轴 及轴承的 设计 (5) 绘制减速器装配图 三、 研究进度 1 周 布置设计任务，熟悉设计内容 ， 查阅资料 ； 2 5 周 参 观、实习 、 收集资料、了解机器的结构原理和特点； 6 9 周 总体方案确定，总体布置及参数选择 ，总装图设计及草图绘制，总体验算； 10 13 周 减速器 设计阶段； 14 周 编写设计说明书 15 16 周 整理说明书及完善图纸。 四、 主要参考文献 1 机械设计编委会 减速器和变速器 械工业出版社， 2007 2王洪新 北京：中国矿业大学出版社， 2001. 3李晓豁，沙永东 北京 :冶金工业出版社 ,4黄日恒 . 悬臂式掘进机 M . 徐州 : 中国矿业大学出版社 , 1996. 5王运敏 北京：科学出版社 ,6段鹏文，毛君 M沈阳：东北大学出版社 ,2002. 7王洪欣 ,李木 ,刘秉忠 I)M徐州 : 中国矿业大学出版社 ,2001. 8唐大放 ,冯晓宁 ,杨现卿 M徐州 : 中国矿业大学出版社 ,2001. 9吴宗泽 M北京 :化学工业出版社 ,1999. 10巩云鹏 ,田万禄 ,张祖立 ,黄秋波 M沈阳 :东北大学出版社 ,2000. 11马维绪 ,掘进及其机电技术，北京：煤炭工业出版社 12 李晓豁，谢锡纯 M徐州 :中国矿业大学出版社， 2000. 五、 指导教师意见 指导教师签字： 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 摘要 掘进机是巷道掘进和隧道施工的重要设备，它具有截割、装载、转运、独立行走、喷 雾降尘的功能。根据所掘断面的形状大小分，有部分断面掘进机和全断面掘进机；依据截割对象的性质划分，有煤巷掘进机、半煤巷掘进机和岩巷掘进机三种，依据截割头布置方式划分，部分断面掘进机包括纵轴式和横轴式掘进机。 目前在国内外产品有很多种，使用最多的一种掘进机是纵轴式掘进机，它是截割头的轴线与悬臂轴线共线或平行的一种部分断面掘进机， 装载机构是掘进机的主要工作机构之一，其性能 能够 直接的影响着整机的生产能力，掘进机的装载部分主要是由 驱动装置、铲板体和升降油缸等组成。掘进机 的 装载机构位于整个掘进机前端的下方，它的作用是把截割机构所采下来的煤岩进行收集、装载到中间刮板输送机上，而后经过后部转载设施进行卸载。 本设计的内容包括装载机构的方案设计（含铲板）、结构方案设计、 参数 的 确定、动力元件 的 选择、传动系统 的 确定来 进行分析及确定，并对装载机构减速器进行设计和计算。其目的在于，通过该设计使自己对掘进机的装载结构、组成和原理有更深入的认识。在设计过程中，熟悉装载机构的方案设计以及减速器的设计过程，把理论与 实际相结合 。 关键词： 悬臂式掘进机；装载机 构；减速器 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 I he is of of to of of a of to of to of At of at a is it is of or to a of is of of is of a a of is of to to of to on of to of of In of of of 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 录 1 绪论 . 1 国外掘进机发展概况 . 2 国内掘进机发展概况 . 3 掘进机技术的发展趋势 . 3 2 掘进机装载机构的设计 . 5 装载机构的组成 . 5 铲板体结构 . 6 驱动装置 . 7 装载机构设计 . 7 装载机构生产能力确定 . 7 星轮结构尺寸确定 . 7 星轮转速确定 . 9 装载功率确定 . 10 铲板的结构设计 . 11 3 装载机构减速器的设计 . 13 电动机的选择 . 13 传动装置的运动和动力参数计算 . 13 传动比的分配 . 13 选择齿轮齿数 . 13 各轴功率、转速和转矩的计算 . 14 齿轮部分设计 . 14 第一级齿轮传动计算 . 14 第二级齿轮传动计算 . 18 第三级齿轮传动计算 . 25 轴及轴承的设计计算 . 31 第一级传动高速轴的设计及强度校核 . 31 第一级传动高速轴的轴承的寿命计算 . 36 第一级传动低速轴的设计及强度校核 . 37 第一级传动低速轴的轴承的寿命计算 . 41 第二级传动低速轴的设计及强度校核 . 42 第二级传动低轴承 的寿命计算 . 46 4 结论 . 48 致谢 . 48 参考文献 . 48 附录 A . 50 附录 B . 58 1 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 2 1 绪论 国外掘进机发展概况 国外主要的生产单位有 :英国 司、英国 司，德国的阿特拉斯科普柯 称 E), 奥地利的奥钢联、保拉特 (限公司，日本三井三 池制作所、前苏联雅西诺瓦斯克机械制造厂。这些公司的发展现状基本上代表着国外悬臂式掘进机的技术现状。 在全世界范围内，自第二次世界大战的几十年来，新的理论以及新的技术被广泛应用到掘进机的设计、制造以及使用之中，使矿山掘进机械有了非常大的进步。使工人的劳动强度得到 很大的缓解 ，生产的效率也得到非常大的提高。 目前，国外的掘进机的型式趋于系列化和多样化。国外的新型掘进机均配备有完善的工况监测和系统故障诊断系统， 很早的 就能够 发现故障 ， 所以 能够很快的排除故障，可以减少很长一部分停机时间。有些重型掘进机还能够配置自动控制 系统，使机器的生产率提高 30 %左右，以保证切割机构的负载平稳，避免由于人为 的 操作不当等 原因 引起的尖峰负荷，使 机器的 使用寿命 延长 约 20%。此外，一些发达国家的掘进机电控系统，除了 可以 完成常规控制以外，还具有遥控、程控的 一系列的 功能，增设掘进断面自动控制和掘进定向功能 ,，使掘进机能够按照预定的方案进行作业，极大程度 的 提高了掘进机的自动化程度与掘进效率。近些年来国外悬臂式掘进机的发展与研究情况主要体现在以下几个方面： (1)切割功率能力稳定提高，机器的可靠性高。日本成功使用 掘进机掘进全岩巷引水隧道 ，截割抗压强度高达 170 200 岩石，目前最大 掘进机重 160t。 切割功率可达 408定位切割断面面积可达 408先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加工精度都能进行严格的控制。有效地保证了主机的质量水平。此外，近年来广泛采用可靠性的技术。简化机械结构，在齿轮传动、机械联接及液压传动等方面尽量减少串联系统。 (2)配套设备的多样化。为了充分的发挥掘进机的效能，人们十分重视综掘 作业线配套设备的研究。为了 大幅度 缩短支护时间，在中间顶板稳定 的 前提下，常用机载锚杆钻机支护，为了让掘进机与支护平行作业，运用超前液压支架或自带盾牌掩护支架。在后配套运输方面，通常采用桥式、带式转载机。 (3)采用机电一体化技术。国外的新型掘进机均配备有完善的工况监测和故障诊断系统，很早的 就可以 发现故障 ， 所以可以 快速的排除故障， 能够很大的 减少停机时间。这样还可 3 以保证切割机构的负载平稳，避免因为人为操作的不当所引起的系统载荷，可以 极大的 延长机器的使用寿命，部分新型掘进机还可实现推进方向监控、截割路线循环程序控制 、切割断面轮廓尺寸监控。 国内掘进机发展概况 我国于 1962 年开始掘进机的研制工作，最初是仿前苏联产品，机身轻，功率小，性能差，未广泛应用 。 在 20 世纪 60 年代初期到 70 年代末，这一阶段主要是以引进国外掘进机为主，在引进的同时进行消化、吸收。为我国悬臂式掘进机的第二阶段的发展打下了一个 很 良好的技术基础。这一阶段掘进机的主要特点是：使用的范围越来越广泛 ， 切割能力有了 逐渐的 提高，有了切割夹岩和过断层的能力。 20 世纪 70 年代末到 80 年代末，我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐步地实现了国产化，其 典型的代表是与奥地利、日本合作生产的 及 ，这两种机型现已成为国内市场主导产品。随后，国产掘进机也在加快 其研制步伐 。我国自行设计以及制造了几种悬臂式掘进机， 比如 48 、 机型 靠性较高，已经可以适应本国煤巷掘进的需要。半煤岩巷的掘进技术也达到很高的水平， 出现了重型机。 由 20 世纪 80 年代末至今，重型机型大批出现。悬臂式掘进机的设计与制造水平已相当先进。可以根据矿井生产的不同要求实现部分个性化设计。这一阶段悬臂式掘进机的特点是：设计水平较为先进，可靠性大幅提高。功能更加完善，功率更大。一些高新技术已用于机组的自动化控制并逐步发展到全岩巷的掘进。通过几十年的发展，我国悬臂式掘进机的设计、生产 、使用进入了一个较高的水平。已经可以跨入了国际先进行列，由于纵轴式掘进机工作中良好的截割性能，整机调用灵活和可截割不同巷道断面的优点，在很多方面得到广泛的应用。 掘进机技术的发展趋势 综观国内和国外悬臂式掘进机的发展情况 ,各国都在技术方面进行创新 ,未来的发展趋向如下： (1)重型化、大功率 。 随着采煤机械化程度的提高和巷道断面的不断扩大 ， 掘进机面对越来越硬和研磨性更强的岩石 ， 单向抗压强度超过 170 因此 ， 开发研制高功率 、大质量的重型硬岩掘进机尤为迫切 。 目前 ， 国外许多重型掘进机截割功率达到 200 300 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 4 最高可达 500 而我国重型掘进机尚处于发展阶段 ， 截割功率目前已达 200 越来越高的截割功率虽然可提供给截割头巨大的截割力 , 但使机器的振动进一步加剧 。 对生产率、机器的寿命和日常保养都将产生不利影响 。 随之而来的是机器的重量将越来越大 。 以增加稳定性。 (2)掘、钻 、锚一体化 。 研制集掘、钻、锚为一体的采掘锚综合机组 。 以实现快速掘进的同时又能打眼安装锚杆 ， 支护顶板、侧帮 ， 实现掘进、支护平行作业 ， 解决掘进机利用率低的问题 。 因此 ， 掘、钻、锚一体化是实现巷道快速掘进 ， 满足高产 、高效工作面发展需要的重要技术途径。 (3)喷雾降尘设备随机化 。 目前 ， 掘进机大多设有内、外喷雾装置 ， 但对呼吸性粉尘降尘效果差 ， 喷嘴堵塞严重 。 因此 ， 对现有机型设置机 载降尘设备 ， 强化外喷雾的使用效果 。将会使掘进机在工作时的粉尘浓度大大降低。 (4)智能化、自动化 。 配置激光导向系统 、计算机断面控制系统和遥控系统 ， 以降低对操作人员的反应要求 ， 提高生产效率和生产能力。 (5)矮型化 。 在加大机重、截割功率和提高截割硬度的前提下 ， 注重发展机身较低的机型 ， 以易于井下运输和适用于掘进中、小断面巷道 ， 同时也为配置其他辅助设备 (锚杆安装机、辅助工作平台等 )带来了方便。 (6)附件化 。 保留必要的截、装、运 、行主要组成功能 。 将降尘、辅助支护等装置以附件形式出现 可根据需要选择装配各 种附加件 ， 给设计、制造、使用都带来方便。 (7)装载运输装置亦采用可伸缩型结构 ， 保证机器的机动性和适应性 。 液压系统逐步趋于完善、可靠。 5 2 掘进机装载机构的设计 装载机构位于机器前端的下方，将被截割机构分离和破碎的物料集中装载到运输机构上去。装载机构主要是由铲板及左右对称的收集装置组成。根据收集装置结构的不同，装载机构可分为刮板式装载机构、螺旋式装载机构、耙爪式装载机构和星轮装载机构。 装载机构的有以下 4 双环刮板链式、螺旋式装载机构、耙爪式装载机构和星轮式。 （ 1）单双环形刮板链式。单环 形是利用一组环形刮板链直接将煤岩装到机体后面的就能调节装载宽度，但结构复杂。环形刮板链式装载机构制造筒单。但由于单向装载，在使用效果较差。 （ 2）螺旋式。是横轴式掘进机上使用的一种装载机构。它利用左右两个截割头上旋向相反的螺旋叶片将煤岩向中间推入输送机构。由于头体形状的缺点，这种机构目前使用 很少。 （ 3）耙爪式。是利用一对交替动作的耙爪来不断地耙取 物料并装入转载运输机构。这种方式结构简单、工作可靠、外形尺寸小、装载效果好。目前应用很普遍。但这种装载 机构宽度受限制，为扩大装载宽度，可使铲板连同整个耙爪机构一起水平摆动，或设计成双耙爪机构，以扩大装载范围。 (4) 通常应选择 星轮 式装载机构，但考虑装载宽度问题，可选择双 星轮 机构，也可设计成耙爪与星轮可互换的装载机构。 装载机构可以采用电动机驱动。装载部是由铲板本体、侧铲板、铲板驱动装置、从动轮装置等组成。通过两个电动机带动星轮 ，把截割下来的物料装到刮板运输机内的装置。 本次 设计的 掘进机采用三齿星轮式进行装载，装载部是用两台 电动机 驱动星轮实现耙装运动。 本文将对弧形三齿星轮装载机构加以分析，并设计出减速器装置。 装载机构的组成 装载机构是掘进机的主要工作机构之一，其性能直接影响着整机的生产能力。掘进机装载部分主要由铲板体、驱动装置和升降油缸等组成。图 1 所示为 掘进机装载纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 6 机构。装载机构的作用是将截割机构破落下来的煤岩收集、装载到中间刮板输送机上 , 然后经后部转载设备卸载。装载机构的设计要与整机相匹配 , 设 计要求为 : (1)装载机构的生产率应大于截割机构的生产率； (2)装载铲板的宽度应大于行走履带的宽度，铲板应能升降，且装载铲板的前沿应呈切刀形状，以减少铲板插入阻力； (3)执行机构的设计要做到尽量增大装载面积，提高装载效果。 图 2掘进机装载机构图 铲板体结构 铲板体结构有分体和整体 2 种形式。分体铲板由铲板本体和左右副铲板组成 ， 如 就是典型的分体铲板设计 ， 铲板本体采用铸焊结合方式 ， 铲板头部为一箱形结构的铸件。整体铲板是将整个铲板设计为一个箱形体 ， 可采用铸焊结合或全部采用板焊形式 ， 如 掘进机铲板 ， 就是典型的整体铲板设计。分体铲板结构复杂 ， 可以减小大件尺寸 ， 便于井下运输 ， 且可减少焊接变形 ； 整体铲板结构简单 ， 外形尺寸较大 ，若井筒和巷道断面小 ， 下井运输较困难。再一个就是对于大型焊接件 ， 若结构设计和 焊接工艺不合理 ， 会产生严重的焊接变形。至于铲板体设计采用何种形式 ， 要结合整个装载机构设计综合考虑后确定。图 2 为 掘进机铲板体。 图 2掘进机铲板体图 7 驱动装置 驱动装置是装载机构的动力源。传统的驱动方式为 ： 电机 (或马达 )锥齿轮减箱，执行机构 (蟹爪式或星 轮式 )。以前掘进机多采用蟹爪式装载机构 ， 采用试验法或 者 图解法进行初步再现，然后用解析法进行精确计算。而现在掘进机基本上是采用星轮装载机构，且多采用低速大扭矩马达直接驱动星轮的方式。蟹爪式装载机构左右蟹爪工作时必须保证严格的同步 , 但是左右装载减速器都在第一级锥齿轮处 ， 由一个中间过轴来联接起来 , 它的结构较为复杂。但是星轮装载机构与蟹爪式装载机构相比较 则 具有结构简单、装载能力高、易维护、故障率低、运转平稳的一系列优点。 图 3 所示为 掘进机液压马达直接驱动星轮的驱动装置 图 2液压 马达直接驱动星轮的驱动装置图 -3 装载机构 设计 装载机构生产能力 确定 截割机构的生产能力应该 小于 装载机构的生产能力应该 , 这是确定装载机构技术参数的一个条件。设计时装载机构生产能力等于截割机构生产能力的 1. 01 为宜 星轮结构 尺寸确定 星轮结构如图 4 所示 , 有关尺寸确定如下。 ( 1) 星轮大径 D: 要确定星 轮的 大 径 ，就要结合铲板尺寸和驱动装置外形尺寸，并且与 星轮 的回转中心有密切的关系。 按照设计要求 取 1328轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 8 ( 2) 星轮小径 d: 星轮小径 与驱动装置外形尺寸 有关 ，在满足 强度要求的 基础上，星轮小径尺寸应该尽量的小 按照设计要求 取 566 。 图 2载星轮图 -4 3) 星轮小径高度 H : 星轮小径高度与铲板 和驱动装置结构尺寸及机器总体布置要求有关系，并且 H 越小越好。按照设计要求 取 195 4) 星轮爪子的数量及宽度 L: 星轮爪子的数量如今多数 以 三爪、四爪及六爪居多。爪子的数量越多 , 结构越发复杂 , 装载效率越低 , 所以建议设计时候采用三爪星轮。星轮爪子的设计宽度 L, 应在满足强度的条件下尽量减小。按照要求 取 130 5) 星轮爪子高度 h: 爪子高度由星轮的大径 D、星轮 的小径 d、星轮爪子的数量、星轮转速及装载机构的生产率确定。装载机构的生产率由下式计算得出 (不计铲板角度 )。 286 1 022 S h n K = 228 1 3 2 8 5 6 66 1 0 3 4 9 4 0 0 6 7 2 3 2 2 5 2 . 8 922 装载爪子高度为 82106 22 M S =67中 装载机构的生产率 , 3/ 星轮大径， d 星轮小径， M 星轮爪子数量， 个 S 星轮爪子面积， 2 2/ 2 / 2 1 3 0 1 3 2 8 / 2 5 6 6 / 2 4 9 4 0 0S L D d m m 9 n 星轮工作转速， /装载系数，取 用 上式计算出装载爪子高度 , 要结合星轮转速确定 , 星轮爪子的数量和尺寸 , 综合考虑确定。一般星轮爪子高度 h 推荐设计为 60 100 星轮 转速确定 对星轮工作状态进行动力学分析后可以 确定 星轮转速。装载星轮运动示意如图 2示。 图 2载星轮 运动示意图 -5 of 1） 物料 m 所受离心力22900gn m 星轮 所拨物料质量 r 物料 m 所处星轮位置的半径 （ 2） 离心率1： 221 c o 式中， 为物料 m 所处星轮位置的离心力与爪面切线的夹角。 离 心力10 222 s i （ 3） 物料运动时与铲板之间的摩擦力3g 为重力加速度 ; f 为物料与铲板之间的摩擦因数。 （ 4） 物料运动时所受的垂直于爪面的力4F： 224 3 2 s i F m g f m （ 5） 物料运动时与爪面之间的摩擦力5s i m g f m f 要使物料沿爪面向离心方向运动，所受离心力必须克服其所受摩擦阻力，因此物料沿爪面向离心方向运动的临界条件为15由此得出星轮转速 n 3 0 3 0 0 . 4 9 . 8 1 2 . 9 8( c o s s i n ) 3 . 1 4 0 . 8 8 5 ( c o s 4 5 0 . 4 s i n 4 5 ) 如上计算出了星轮转速 n 的临界值但是星轮的转速确定还要结合实际 现有的机型 情况综合来进行考虑确定。一般星轮转速推荐 采用 3050 r/据实际情况这里选取n=33r/选择弧形面。 掘进机星轮装载机构的装运能力主要决定于输送机链速与星轮转速之间的匹配关系。链速一定的情况下 , 如果星轮的转速太低 , 物料只能够 去做 圆周运动 , 那么星轮所作无用功非常 之多 ；但如果星轮的转速太高 , 那么破落的煤输送机不能够及时的运走，会再次 被星轮带回 , 那样 则会 产生甩煤现象。建议星轮的工作转速大于 40 r/，星轮爪面宜采用弧形面。 装载功率确定 装载功率主要由俩部分组成 , 一是克服物料与铲板间的摩擦力所消耗 的功率 1N; 二是以一定速度推动物料所消耗的功率2N。其他不确定因素需要的功率由计算时给出安全系数2N= 保证。 ( 1) 星轮每转装载物料的重力 11 物料的 容量 星轮有效 工作体积 = 2) 物料在铲板表面滑动需克服的摩擦力： 1 5 . 6 0 . 4 2 . 2 4 f ( 3) 星轮工作静摩擦需消耗的功率 : 11 72 4 . 9 89 5 5 0 9 5 5 0 1 . 9 1 1 0f n T 为工作扭矩。 (4) 动能需消耗的功率 : 2 3 2 2 2 22 1 0 1 05 6 0 0 1 6 0 3 . 1 4 3 2 1 . 3 2 8 1 5 . 1 92 . 1 6 1 0 2 . 1 6 1 0 n 式中 , ( 5) 装载星 轮工作需输出功率 : 2 3 212 7 1 0 5 . 1 31 . 9 1 1 0 2 . 1 6 1 0 n DW f n N ( 6) 装载电动机所需输出功率 : 327 1 0 1 6 . 81 . 9 1 1 0 2 . 1 6 1 0a W f n 式中 , x为系统总效率 通过计算，选定装载功率 铲板的结构设计 铲板的结构设计包括前缘（即前刃）形状的选择和有关几何尺寸的确定。 铲板前缘的形状目前 有如下五种形式： （ 1） 直线形前缘：适用于底板比较平坦的情况下，装载块度小且不坚硬的物料。 （ 2） 锯齿形前缘：适用于底板不太平坦的情况下，装载大块，坚硬的物料。缺点是有时发生 “卡齿 ”现象。而当齿槽被坚硬物料卡住时，将使插入阻力显著增大，插入深度减小，引起生产率下降。 （ 3） 曲线形前缘：铲板前缘为两段与爪尖运动轨迹相似的曲线形，可以减小耙爪的 “死区 ”面积，降低播入阻力。 （ 4） 凸刃形前缘：用于装载大块、坚硬的物料。凸刃能较好的松动料堆，有利于铲板顺利插入料堆。 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 12 （ 5） 三齿形前缘：比凸刃形前缘能更有效地预先松动料堆，大大减少插入阻力，而且不会出现锯齿形前缘的 “卡齿 ”现象。三齿形前缘制造也比较简单，是一种比较理想的前缘形式。 从上面的分析结合实际情况铲板前缘采用三齿形前缘。 再有铲板前缘的两边角都必须倒角，这会改善铲板的工作条件，降低插入阻力。 铲板的各部分尺寸如图 2示 铲板宽度 b： b 2d 式中 b=2400 10311板的 结构简图 板的倾角 与插入料堆的阻力、耙爪工作长度、铲板下面安装传动部件所需的空间有关，由前面所述，取 =23o。 13 3 装载机构减速器的设计 电动机的选择 根据装运机构电动机功率 P=11n=1500r/择电动机型号为： 列电动机， 主要性能参数如表 1。 型号 功率 同步转速 额定转速 效率 重量 功率因素 11 1500r/ 1460r/88% 217 1 电动机型号表 传动装置的运动和动力参数计算 传动比的分配 由前面确定的装载星轮 的转速 33次 /分。可知总传动比 0 1460 4 4 . 2 433 ， 中间输送机机头减速器形式为锥齿轮和圆柱齿轮二级减速，装载星轮传动形式为单级圆锥齿轮传动。 设中间输送机机头减速器的第一级减速为第一级减速，中间输送机机头减速器的第二级减速为第二级减速，传动比分配为： 取装载星轮部分减速器的传动比为： 减速器的 传动比为34 4 . 2 4= 1 3 . 7 83 . 2 1ii i 减取两级齿轮 减速器高速 级 的传动比1 1 . 3 5 = 1 . 3 5 1 3 . 7 8 4 . 3 2 减则低速级 的传动比2 11 3 . 7 8 3 . 1 94 . 3 2 选择齿轮齿数 根据传动比的分配 查 文献 1选择齿轮数： 第一级：圆柱齿轮 小 的齿数为 19， 与其啮合的 齿轮 为 61； 第二级：弧齿锥齿轮 小 的 齿数为 10，与其啮合的齿轮为 44； 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 14 第三级 : 弧齿锥齿轮 小的 齿数为 14，与其啮合的齿轮为 45。 各轴功率、转速和转矩的计算 查 文献 【 1】 表确定各零件效率取： 联轴器效率：联=轮啮合效率：齿=动轴承效率：承=0 轴：电动机轴 r =11KW 460/0=1103 /1460= I 轴：第一级减速高速轴 0 01=11n1=n0/n0/460/1=1460r/1 =103 /1460= 轴：第一级减速低速轴 12 =承=121 2 1 21 4 6 0 / 2 . 5 8 5 6 5 . 8 9 / m i 203 / 轴 :第二级减速低速轴 223=承=232 3 25 6 5 . 8 9 / 4 . 5 6 1 2 4 . 1 / m i 303 / 齿轮部分设计 第一级齿轮传动计算 （ 1）选择齿轮材料： 小轮选用表面硬化处理的钢：硬度 58 大轮选用表面硬化处理的钢：硬度 58 （ 2）按齿根弯曲疲劳强度设计计算： 15 采用斜齿圆柱齿轮传动，按 3110 . 0 1 2 0 . 0 2 1 /n P s,参考 文献 【 1】表 。选取 差组 7 级 小轮分度圆直径 可由下式求得： 321 12 齿宽系数 d,查 文献 【 1】表 按齿轮相对轴承为非对称布置，取d=齿轮齿数 9 大齿轮齿数 1i=19圆整 所以 取 1 齿数比 u=1=61/19 适 传动比误差 =（ ，误差在 5%内 小轮转矩 荷系数 K 查 文献 【 1】表 得 K= K K使用系数 查 文 献 【 1】表 载荷系数 献 【 1】表 得 向载荷分布系数 K查 文献 【 1】表 得 K=间载荷分布系数 K的初值 推荐值（ 7o 20o）中初选0=13o 查 文献 【 1】表 得 =+1/+(1/ ) =+1/61)+(1/ )190.5 = = 文献 【 1】表 得 载荷系数的初值为： K= v =点影响系数 查 文献 【 1】表 得 性系数 查 文献 【 1】表 得 Z= 13轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 16 重合度系数 Z， 查 文献 【 1】表 Z= 触疲劳极限应力 2 查 文献 【 1】表 得 1=1500N/ 2=1400N/应力循环次数 60014601(1630010) =09h u=09/09h 则查文献表得接触强度的寿命系 数1 接触强度安全系数 查 文献 【 2】 表（ 8 化系数 献【 2】 表 （ 8 许用接触应力由式（ 8 H = H 则： 11500! H= 114002 H=故 设计初值 23 2 2 . 7 7 1 9 5 0 2 . 5 8 1 1 8 9 . 8 2 . 4 6 0 . 8 20 . 5 2 . 5 8 1 0 7 6 . 9 面模数 mn=9=取 齿顶高系数 1 31 齿根高 中心距 a=1+(2)=3(19+61)/(2整取 a=133度圆螺旋角 =1+2a =(19+61)/(2133) = 轮分度圆直径的计算值 =319/周速度 = 60000/11 nd t=460/60000=s 17 与估取 对 不必修正 ,取 间载荷系数 K =+1/+(1/ ) =+1/61)1/190.5 文献【 2】 表（ 8 K=荷系数 K= v =轮分度圆直径 = d 1=轮分 度圆直径 d2=344/宽 b= 1 =轮齿宽 b2=b=证 5轮齿宽 b1=5 10)=25+(5 10)=30 3）按齿根弯曲疲劳强度校核计算 由式 112齿形系数 3 01 / c o s 1 9 / c o s 2 5 . 5 4 2 5 . 8 6 21 2 5 . 5 4 2 . 5 8 6 5 . 8 9 u 查 文献 【 2】 表 8 1 ，2力修正系数献【 2】 表 8 1，2合度系数YY=a=旋角系数YY=1 2 02 4 0 =用弯曲应力 F F =NY 弯曲疲劳极限 查 文献【 2】 图 812950N/轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 18 弯曲寿命系数献【 2】 图 81 尺寸系数献【 2】 图 8全系数 查 文献【 2】 表 8 F =950132N/ 1F = 2 2 . 7 1 7 1 2 3 0 2 . 8 4 1 . 5 4 0 . 7 3 0 . 9 33 0 5 3 . 3 9 3 N/重型、特重型掘进机，应采用滚动结构型式。 d液压系统。液压系统多采用开式系统多路阀集中控制 (直接操纵或遥控操 纵 )方式。以往国内外多采用齿轮泵，近年来掘进机液压系统采用柱塞泵有增多 的趋势。 e电控系统。电控系统包括动力部分、控制部分和检测部分。电控系统必须按照煤矿井下防爆要求 设计、制造、检验，必须符合 准中的有关规定和要求。为了提高掘进机在作业时的安全性，操作的灵活性以及机械传动部分的故障诊断及监控功能，从实用角度考虑，装设必要的离机遥控装置、测控压力、温度、液位及关键部位的故障诊断装置。 3）总体布置 总体布置的内容包括以下几个方面： （ 1）确定各部件在整机说的位置，并对外形尺寸提出要求； （ 2）确定各部件、部件与整机之间的连接方式； （ 3）估算整机重量，并对各部件的重量提出要求； （ 4）布置各操纵机构、司机座位等； （ 5）审核个运动部件的运动空 间，排除可能发生的运动干涉。 4） 具体要求 在掘进机总体布置时，需注意以下问题： （ 1）工作机构减速器减速器的进、出轴尽量同轴线； （ 2）悬臂和铲板的尺寸关系相适应，既有利于装载，又要避免截割头截割铲板； （ 3）悬臂的水平和垂直摆动中心的位置可以重合，也可以不重合。从增加机器的稳定性看，摆动这些都高度应尽量降低。在保证悬臂不与其他机构干涉的 条件下， 摆动中心的位置应尽量靠后， 但必须保证中心在机器的纵向对称平面内； 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 54 （ 4）当各主要部件设计出来之后。应进行校核，不满足需求时需仅需调整， 使 重心位于履带中心稍偏前且小于 L/6（ L 为履带接地长度）。此外，还需求重心位置在截割机构回转台中心线之后，而且重心高度越低越好，以提高机器作业时的稳定性。 （ 5）总体布置应考虑左右两侧重量对称并照顾工作习惯及方便操作。司机 座一般设在机身左侧、且位于机身后部，座椅高度应保证司机的视线，使其哪个 很好地操纵机器，截割出规则的巷道； （ 6）操纵台位置要适当，应保证司机操纵方便、省力。仪表显示装置的位置要便于司机观察，又不分散司机正常操作的注意力。 5）传动型式及动力元件的选择 a传动型式及元件选择应遵循 的原则 ： （ 1）技术先进性：能够改善机器性能，提高生产率； （ 2）经济合理性：传动系统尽量简单、元件少，易加工，价格低，维修容易，使用寿命长； （ 3）工作可靠性 :传动系统的可靠性表现为元件使用寿命，因此也是对元件 质量的要求； （ 4）适应性：元件应适应传动系统的载荷、工况及环境等条件的要求。 b各机构对传动系统的要求及传动型式的选择掘进机的截割、装载、运输、行走等机构一般均为分别传动，各部件受力状态及工作条件不同，因而传动型式有不同的要求。 （ 1）工作机构要求有较大的短时过载能力，而油马达对冲 击负荷很敏感， 过载负荷能力低，影响截割头正常连续运转。所以，掘进机的工作机构宜采用电 动机为动力的机械传动型式。应利用体积小、功率大、过负荷能力强的专用电动 机，并配备可靠的电气保护装置。根据工作机构结构紧凑的特点，通常工作机构的减速器设在悬臂内 I 摘要 掘进机是巷道掘进和隧道施工的重要设备，它具有截割、装载、转运、独立行走、喷 雾降尘的功能。根据所掘断面的形状大小分，有部分断面掘进机和全断面掘进机；依据截割对象的性质划分，有煤巷掘进机、半煤巷掘进机和岩巷掘进机三种，依据截割头布置方式划分，部分断面掘进机包括纵轴式和横轴式掘进机。 目前在国内外产品有很多种，使用最多的一种掘进机是纵轴式掘进机，它是截割头的轴线与悬臂轴线共线或平行的一种部分断面掘进机， 装载机构是掘进机的主要工作机构之一，其性能 能够 直接的影响着整机的生产能力，掘进机的装载部分主要是由 驱动装置、铲板体和升降油缸等组成。掘进机 的 装载机构位于整个掘进机前端的下方，它的作用是把截割机构所采下来的煤岩进行收集、装载到中间刮板输送机上，而后经过后部转载设施进行卸载。 本设计的内容包括装载机构的方案设计（含铲板）、结构方案设计、 参数 的 确定、动力元件 的 选择、传动系统 的 确定来 进行分析及确定，并对装载机构减速器进行设计和计算。其目的在于，通过该设计使自己对掘进机的装载结构、组成和原理有更深入的认识。在设计过程中，熟悉装载机构的方案设计以及减速器的设计过程，把理论与 实际相结合 。 关键词： 悬臂式掘进机；装载机 构；减速器 he is of of to of of a of to of to of At of at a is it is of or to a of is of of is of a a of is of to to of to on of to of of In of of of 目录 1 绪论 . 1 国外掘进机发展概况 . 1 国内掘进机发展概况 . 2 掘进机技术的发展趋势 . 2 2 掘进机装载机构的设计 . 4 装载机构的组成 . 4 铲板体结构 . 5 驱动装置 . 6 装载机构设计 . 6 装载机构生产能力确定 . 6 星轮结构尺寸确定 . 6 星轮转速确定 . 8 装载功率确定 . 9 铲板的结构设计 . 10 3 装载机构减速器的设计 . 12 电动机的选择 . 12 传动装置的运动和动力参数计算 . 12 传动比的分配 . 12 选择齿轮齿数 . 12 各轴功率、转速和转矩的计算 . 13 齿轮部分设计 . 13 第一级齿轮传动计算 . 13 第二级齿轮传动计算 . 17 第三级齿轮传动计算 . 24 轴及轴承的设计计算 . 30 第一级传动高速轴的设计及强度校核 . 30 第一级传动高速轴的轴承的寿命计算 . 35 第一级传动低速轴的设计及强度校核 . 36 第一级传动低速轴的轴承的寿命计算 . 40 第二级传动低速轴的设计及强度校核 . 41 第二级传动低轴承 的寿命计算 . 46 4 结论 . 47 致谢 . 47 参考文献 . 47 附录 A . 50 附录 B . 58 1 1 绪论 国外掘进机发展概况 国外主要的生产单位有 :英国 司、英国 司，德国的阿特拉斯科普柯 称 E), 奥地利的奥钢联、保拉特 (限公司，日本三井三池制作 所、前苏联雅西诺瓦斯克机械制造厂。这些公司的发展现状基本上代表着国外悬臂式掘进机的技术现状。 在全世界范围内，自第二次世界大战的几十年来，新的理论以及新的技术被广泛应用到掘进机的设计、制造以及使用之中，使矿山掘进机械有了非常大的进步。使工人的劳动强度得到 很大的缓解 ，生产的效率也得到非常大的提高。 目前，国外的掘进机的型式趋于系列化和多样化。国外的新型掘进机均配备有完善的工况监测和系统故障诊断系统， 很早的 就能够 发现故障 ， 所以 能够很快的排除故障，可以减少很长一部分停机时间。有些重型掘进机还能够配置自动控制系统， 使机器的生产率提高 30 %左右，以保证切割机构的负载平稳，避免由于人为 的 操作不当等 原因 引起的尖峰负荷，使 机器的 使用寿命 延长 约 20%。此外，一些发达国家的掘进机电控系统，除了 可以 完成常规控制以外，还具有遥控、程控的 一系列的 功能，增设掘进断面自动控制和掘进定向功能 ,，使掘进机能够按照预定的方案进行作业，极大程度 的 提高了掘进机的自动化程度与掘进效率。近些年来国外悬臂式掘进机的发展与研究情况主要体现在以下几个方面： (1)切割功率能力稳定提高，机器的可靠性高。日本成功使用 掘进机掘进全岩巷引水隧道，截割 抗压强度高达 170 200 岩石，目前最大 掘进机重 160t。 切割功率可达 408定位切割断面面积可达 408先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加工精度都能进行严格的控制。有效地保证了主机的质量水平。此外，近年来广泛采用可靠性的技术。简化机械结构，在齿轮传动、机械联接及液压传动等方面尽量减少串联系统。 (2)配套设备的多样化。为了充分的发挥掘进机的效能，人们十分重视综掘作业线 配套设备的研究。为了 大幅度 缩短支护时间，在中间顶板稳定 的 前提下，常用机载锚杆钻机支护，为了让掘进机与支护平行作业，运用超前液压支架或自带盾牌掩护支架。在后配套运输方面，通常采用桥式、带式转载机。 (3)采用机电一体化技术。国外的新型掘进机均配备有完善的工况监测和故障诊断系统，很早的 就可以 发现故障 ， 所以可以 快速的排除故障， 能够很大的 减少停机时间。这样还可纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 2 以保证切割机构的负载平稳，避免因为人为操作的不当所引起的系统载荷，可以 极大的 延长机器的使用寿命，部分新型掘进机还可实现推进方向监控、截割路线循环程序控制、切割 断面轮廓尺寸监控。 国内掘进机发展概况 我国于 1962 年开始掘进机的研制工作，最初是仿前苏联产品，机身轻，功率小，性能差，未广泛应用 。 在 20 世纪 60 年代初期到 70 年代末，这一阶段主要是以引进国外掘进机为主，在引进的同时进行消化、吸收。为我国悬臂式掘进机的第二阶段的发展打下了一个 很 良好的技术基础。这一阶段掘进机的主要特点是：使用的范围越来越广泛 ， 切割能力有了 逐渐的 提高，有了切割夹岩和过断层的能力。 20 世纪 70 年代末到 80 年代末，我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐步地实现了国产化，其典型的 代表是与奥地利、日本合作生产的 及 ，这两种机型现已成为国内市场主导产品。随后，国产掘进机也在加快 其研制步伐 。我国自行设计以及制造了几种悬臂式掘进机， 比如 48 、 机型 靠性较高，已经可以适应本国煤巷掘进的需要。半煤岩巷的掘进技术也达到很高的水平，出现了 重型机。 由 20 世纪 80 年代末至今，重型机型大批出现。悬臂式掘进机的设计与制造水平已相当先进。可以根据矿井生产的不同要求实现部分个性化设计。这一阶段悬臂式掘进机的特点是：设计水平较为先进，可靠性大幅提高。功能更加完善，功率更大。一些高新技术已用于机组的自动化控制并逐步发展到全岩巷的掘进。通过几十年的发展，我国悬臂式掘进机的设计、生产 、使用进入了一个较高的水平。已经可以跨入了国际先进行列，由于纵轴式掘进机工作中良好的截割性能，整机调用灵活和可截割不同巷道断面的优点，在很多方面得到广泛的应用。 掘 进机技术的发展趋势 综观国内和国外悬臂式掘进机的发展情况 ,各国都在技术方面进行创新 ,未来的发展趋向如下： (1)重型化、大功率 。 随着采煤机械化程度的提高和巷道断面的不断扩大 ， 掘进机面对越来越硬和研磨性更强的岩石 ， 单向抗压强度超过 170 因此 ， 开发研制高功率 、大质量的重型硬岩掘进机尤为迫切 。 目前 ， 国外许多重型掘进机截割功率达到 200 300 3 最高可达 500 而我国重型掘进机尚处于发展阶段 ， 截割功率目前已达 200 越来越高的截割功率虽然可提供给截割头巨大的截割力 , 但 使机器的振动进一步加剧 。 对生产率、机器的寿命和日常保养都将产生不利影响 。 随之而来的是机器的重量将越来越大 。 以增加稳定性。 (2)掘、钻 、锚一体化 。 研制集掘、钻、锚为一体的采掘锚综合机组 。 以实现快速掘进的同时又能打眼安装锚杆 ， 支护顶板、侧帮 ， 实现掘进、支护平行作业 ， 解决掘进机利用率低的问题 。 因此 ， 掘、钻、锚一体化是实现巷道快速掘进 ， 满足高产 、高效工作面发展需要的重要技术途径。 (3)喷雾降尘设备随机化 。 目前 ， 掘进机大多设有内、外喷雾装置 ， 但对呼吸性粉尘降尘效果差 ， 喷嘴堵塞严重 。 因此 ， 对现有机型设置机载降尘 设备 ， 强化外喷雾的使用效果 。将会使掘进机在工作时的粉尘浓度大大降低。 (4)智能化、自动化 。 配置激光导向系统 、计算机断面控制系统和遥控系统 ， 以降低对操作人员的反应要求 ， 提高生产效率和生产能力。 (5)矮型化 。 在加大机重、截割功率和提高截割硬度的前提下 ， 注重发展机身较低的机型 ， 以易于井下运输和适用于掘进中、小断面巷道 ， 同时也为配置其他辅助设备 (锚杆安装机、辅助工作平台等 )带来了方便。 (6)附件化 。 保留必要的截、装、运 、行主要组成功能 。 将降尘、辅助支护等装置以附件形式出现 可根据需要选择装配各种附加 件 ， 给设计、制造、使用都带来方便。 (7)装载运输装置亦采用可伸缩型结构 ， 保证机器的机动性和适应性 。 液压系统逐步趋于完善、可靠。 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 4 2 掘进机装载机构的设计 装载机构位于机器前端的下方，将被截割机构分离和破碎的物料集中装载到运输机构上去。装载机构主要是由铲板及左右对称的收集装置组成。根据收集装置结构的不同，装载机构可分为刮板式装载机构、螺旋式装载机构、耙爪式装载机构和星轮装载机构。 装载机构的有以下 4 双环刮板链式、螺旋式装载机构、耙爪式装载机构和星轮式。 （ 1）单双环形刮板链式。单环形是利 用一组环形刮板链直接将煤岩装到机体后面的就能调节装载宽度，但结构复杂。环形刮板链式装载机构制造筒单。但由于单向装载，在使用效果较差。 （ 2）螺旋式。是横轴式掘进机上使用的一种装载机构。它利用左右两个截割头上旋向相反的螺旋叶片将煤岩向中间推入输送机构。由于头体形状的缺点，这种机构目前使用 很少。 （ 3）耙爪式。是利用一对交替动作的耙爪来不断地耙取物料并 装入转载运输机构。这种方式结构简单、工作可靠、外形尺寸小、装载效果好。目前应用很普遍。但这种装载 机构宽度受限制，为扩大装载宽度，可使铲板连同整个耙爪机构一起水平摆动，或设计成双耙爪机构，以扩大装载范围。 (4) 通常应选择 星轮 式装载机构，但考虑装载宽度问题，可选择双 星轮 机构，也可设计成耙爪与星轮可互换的装载机构。 装载机构可以采用电动机驱动。装载部是由铲板本体、侧铲板、铲板驱动装置、从动轮装置等组成。通过两个电动机带动星轮，把截 割下来的物料装到刮板运输机内的装置。 本次 设计的 掘进机采用三齿星轮式进行装载，装载部是用两台 电动机 驱动星轮实现耙装运动。 本文将对弧形三齿星轮装载机构加以分析，并设计出减速器装置。 装载机构的组成 装载机构是掘进机的主要工作机构之一，其性能直接影响着整机的生产能力。掘进机装载部分主要由铲板体、驱动装置和升降油缸等组成。图 1 所示为 掘进机装载 5 机构。装载机构的作用是将截割机构破落下来的煤岩收集、装载到中间刮板输送机上 , 然后经后部转载设备卸载。装载机构的设计要与整机相匹配 , 设计要求 为 : (1)装载机构的生产率应大于截割机构的生产率； (2)装载铲板的宽度应大于行走履带的宽度，铲板应能升降，且装载铲板的前沿应呈切刀形状，以减少铲板插入阻力； (3)执行机构的设计要做到尽量增大装载面积，提高装载效果。 图 2掘进机装载机构图 铲板体结构 铲板体结构有分体和整体 2 种形式。分体铲板由铲板本体和左右副铲板组成 ， 如 就是典型的分体铲板设计 ， 铲板本体采用铸焊结合方式 ， 铲板头部为一箱形结构的铸件。整体铲板是将整个铲板设计为一个箱形体 ， 可采用铸焊结合或全部采用板焊形式 ， 如 掘进机铲板 ， 就是典型的整体铲板设计。分体铲板结构复杂 ， 可以减小大件尺寸 ， 便于井下运输 ， 且可减少焊接变形 ； 整体铲板结构简单 ， 外形尺寸较大 ，若井筒和巷道断面小 ， 下井运输较困难。再一个就是对于大型焊接件 ， 若结构设计和焊接工 艺不合理 ， 会产生严重的焊接变形。至于铲板体设计采用何种形式 ， 要结合整个装载机构设计综合考虑后确定。图 2 为 掘进机铲板体。 图 2掘进机铲板体图 轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 6 驱动装置 驱动装置是装载机构的动力源。传统的驱动方式为 ： 电机 (或马达 )锥齿轮减箱，执行机构 (蟹爪式或星轮式 )。以前掘进机多采用蟹爪式装载机构 ， 采用试验法或 者 图解法进行初步再现，然后用解析法进行精确计算。而现在掘进机基本上是采用星轮装载机构，且多采用低速大扭矩马达直接驱动星轮的方式。蟹爪式装载机构左右蟹爪工作时必须保证严格的同步 , 但是左右装载减速器都在第一级锥齿轮处 ， 由一个中间过轴来联接起来 , 它的结构较为复杂。但是星轮装载机构与蟹爪式装载机构相比较 则 具有结构简单、装载能力高、易维护、故障率低、运转平稳的一系列优点。 图 3 所示为 掘进机液压马达直接驱动星轮的驱动装置 图 2液压马达直 接驱动星轮的驱动装置图 -3 装载机构 设计 装载机构生产能力 确定 截割机构的生产能力应该 小于 装载机构的生产能力应该 , 这是确定装载机构技术参数的一个条件。设计时装载机构生产能力等于截割机构生产能力的 1. 01 为宜 星轮结构 尺寸确定 星轮结构如图 4 所示 , 有关尺寸确定如下。 ( 1) 星轮大径 D: 要确定星轮的 大 径 ，就要结合铲板尺寸和驱动装置外形尺寸，并且与 星轮 的回转中心有密切的关系。 按照设计要求 取 13287 ( 2) 星轮小径 d: 星轮小径 与驱动装置外形尺寸 有关 ，在满足 强度要求的 基础上，星轮小径尺寸应该尽量的小 按照设计要求 取 566 。 图 2载星轮图 -4 3) 星轮小径高度 H : 星轮小径高度与铲板 和驱动装置结构尺寸及机器总体布置要求有关系，并且 H 越小越好。按照设计要求 取 195 4) 星轮爪子的数量及宽度 L: 星轮爪 子的数量如今多数 以 三爪、四爪及六爪居多。爪子的数量越多 , 结构越发复杂 , 装载效率越低 , 所以建议设计时候采用三爪星轮。星轮爪子的设计宽度 L, 应在满足强度的条件下尽量减小。按照要求 取 130 5) 星轮爪子高度 h: 爪子高度由星轮的大径 D、星轮 的小径 d、星轮爪子的数量、星轮转速及装载机构的生产率确定。装载机构的生产率由下式计算得出 (不计铲板角度 )。 286 1 022 S h n K = 228 1 3 2 8 5 6 66 1 0 3 4 9 4 0 0 6 7 2 3 2 2 5 2 . 8 922 装载爪子高度为 82106 22 M S =67中 装载机构的生产率 , 3/ 星轮大径， d 星轮小径， M 星轮爪子数量， 个 S 星轮爪子面积， 2 2/ 2 / 2 1 3 0 1 3 2 8 / 2 5 6 6 / 2 4 9 4 0 0S L D d m m 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 8 n 星轮工作转速， /装载系数，取 用上式计 算出装载爪子高度 , 要结合星轮转速确定 , 星轮爪子的数量和尺寸 , 综合考虑确定。一般星轮爪子高度 h 推荐设计为 60 100 星轮 转速确定 对星轮工作状态进行动力学分析后可以 确定 星轮转速。装载星轮运动示意如图 2示。 图 2载星轮 运动示意图 -5 of 1） 物料 m 所受离心力22900gn m 星轮 所拨物料质量 r 物料 m 所处星轮位置的半径 （ 2） 离心率1： 221 c o 式中， 为物料 m 所处星轮位置的离心力与爪面切线的夹角。 离心力 222 s i （ 3） 物料运动时与铲板之间的摩擦力3g 为重力加速度 ; f 为物料与铲板之间的摩擦因数。 （ 4） 物料运动时所受的垂直于爪面的力4F： 224 3 2 s i F m g f m （ 5） 物料运动时与爪面之间的摩擦力5s i m g f m f 要使物料沿爪面向离心方向运动，所受离心力必须克服其所受摩擦阻力，因此物料沿爪面向离心方向运动的临界条件为15由此得出星轮转速 n 3 0 3 0 0 . 4 9 . 8 1 2 . 9 8( c o s s i n ) 3 . 1 4 0 . 8 8 5 ( c o s 4 5 0 . 4 s i n 4 5 ) 如上计算出了星轮转速 n 的临界值但是星轮的转速确定还要结合实际 现有的机型 情况综合来进行考虑确定。一般星轮转速推荐采用 3050 r/据实际情况这里选取n=33r/选择弧形面。 掘进机星轮装载机构的装运能力主要决定于输送机链速与星轮转速之间的匹配关系。链速一定的情况下 , 如果星轮的转速太低 , 物料只能够 去做 圆周运动 , 那么星轮所作无用功非常 之多 ；但如果星轮的转速太高 , 那么破落的煤输送机不能够及时的运走，会再次 被星轮带回 , 那样 则会 产生甩煤现象。建议星轮的工作转速大于 40 r/，星轮爪面宜采用弧形面。 装载功率确定 装载功率主要由俩部分组成 , 一是克服物料与铲板间的摩擦力所消耗的功率 1N; 二是以一定速度推动物料所消耗的功率2N。其他不确定因素需要的功率由计算时给出安全系数2N= 保证。 ( 1) 星轮每转装载物料的重力 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 10 物料的 容量 星轮有效 工作体积 = 2) 物料在铲板表面滑动需克服的摩擦力： 1 5 . 6 0 . 4 2 . 2 4 f ( 3) 星轮工作静摩擦需消耗的功率 : 11 72 4 . 9 89 5 5 0 9 5 5 0 1 . 9 1 1 0f n T 为工作扭矩。 (4) 动能需消耗的功率 : 2 3 2 2 2 22 1 0 1 05 6 0 0 1 6 0 3 . 1 4 3 2 1 . 3 2 8 1 5 . 1 92 . 1 6 1 0 2 . 1 6 1 0 n 式中 , ( 5) 装载星轮工作 需输出功率 : 2 3 212 7 1 0 5 . 1 31 . 9 1 1 0 2 . 1 6 1 0 n DW f n N ( 6) 装载电动机所需输出功率 : 327 1 0 1 6 . 81 . 9 1 1 0 2 . 1 6 1 0a W f n 式中 , x为系统总效率 通过计算，选定装载功率 铲板的结构设计 铲板的结构设计包括前缘（即前刃）形状的选择和有关几何尺寸的确定。 铲板前缘的形状目前有如下 五种形式： （ 1） 直线形前缘：适用于底板比较平坦的情况下，装载块度小且不坚硬的物料。 （ 2） 锯齿形前缘：适用于底板不太平坦的情况下，装载大块，坚硬的物料。缺点是有时发生 “卡齿 ”现象。而当齿槽被坚硬物料卡住时，将使插入阻力显著增大，插入深度减小，引起生产率下降。 （ 3） 曲线形前缘：铲板前缘为两段与爪尖运动轨迹相似的曲线形，可以减小耙爪的 “死区 ”面积，降低播入阻力。 （ 4） 凸刃形前缘：用于装载大块、坚硬的物料。凸刃能较好的松动料堆，有利于铲板顺 11 利插入料堆。 （ 5） 三齿形前缘：比凸刃形前缘能更有效地预先松动料堆，大大减少插入阻力，而且不会出现 锯齿形前缘的 “卡齿 ”现象。三齿形前缘制造也比较简单，是一种比较理想的前缘形式。 从上面的分析结合实际情况铲板前缘采用三齿形前缘。 再有铲板前缘的两边角都必须倒角，这会改善铲板的工作条件，降低插入阻力。 铲板的各部分尺寸如图 2示 铲板宽度 b： b 2d 式中 b=2400 10311板的结构简 图 板的倾角 与插入料堆的阻力、耙爪工作长度、铲板下面安装传动部件所需的空间有关，由前面所述，取 =23o。 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 12 3 装载机构减速器的设计 电动机的选择 根据装运机构电动机功率 P=11n=1500r/择电动机型号为： 列电动机， 主要性能参数如表 1。 型号 功率 同步转速 额定转速 效率 重量 功率因素 11 1500r/ 1460r/88% 217 1 电动机型号表 传动装置的运动和动力参数计算 传动比的分配 由前面确定的装载星轮 的转速 33次 /分。可知总传动比 0 1460 4 4 . 2 433 ， 中间输送机机头减速器形式为锥齿轮和圆柱齿轮二级减速，装载星轮传动形式为单级圆锥齿轮传动。 设中间输送机机头减速器的第一级减速为第一级减速，中间输送机机头减速器的第二级减速为第二级减速，传动比分配为： 取装载星轮部分减速器的传动比为： 减速器的 传动比为34 4 . 2 4= 1 3 . 7 83 . 2 1ii i 减取两级齿轮 减速器高速 级 的传动比1 1 . 3 5 = 1 . 3 5 1 3 . 7 8 4 . 3 2 减则低速级 的传动比2 11 3 . 7 8 3 . 1 94 . 3 2 选择齿轮齿数 根据 传动比的分配 查 文献 1选择齿轮数： 第一级：圆柱齿轮 小 的齿数为 19， 与其啮合的 齿轮 为 61； 13 第二级：弧齿锥齿轮 小 的 齿数为 10，与其啮合的齿轮为 44； 第三级 : 弧齿锥齿轮 小的 齿数为 14，与其啮合的齿轮为 45。 各轴功率、转速和转矩的计算 查 文献 【 1】 表确定各零件效率取： 联轴器效率：联=轮啮合效率：齿=动轴承效率：承=0 轴：电动机轴 r =11KW 460/0=1103 /1460= I 轴：第一级减速高速轴 0 01=11n1=n0/n0/460/1=1460r/1 =103 /1460= 轴：第一级减速低速轴 12 =承=121 2 1 21 4 6 0 / 2 . 5 8 5 6 5 . 8 9 / m i 203 / 轴 :第二级减速低速轴 223=承=232 3 25 6 5 . 8 9 / 4 . 5 6 1 2 4 . 1 / m i 303 / 齿轮部分设计 第一级齿轮传动计算 （ 1）选择齿轮材料： 小轮选用表面硬化处理的钢：硬度 58 大轮选用表面硬化处理的钢：硬度 58 纵轴式掘进机装载机构及装载减速器设计 14 （ 2）按齿根弯曲疲劳强度设计计算： 采用斜齿圆柱齿轮传动，按 3110 . 0 1 2 0 . 0 2 1 /n P s,参考 文献 【 1】表 。选取 差组 7 级 小轮分度圆直径 可由下式求得： 321 12 齿宽系数 d,查 文献 【 1】表 按齿轮相对轴承为非对称布置，取d=齿轮齿数 9 大齿轮齿数 1i=19圆整 所以 取 1 齿数比 u=1=61/19 适 传动比误差 =（ ，误差在 5%内 小轮转矩 荷系数 K 查 文献
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