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掘进机 截齿三 测试 实验 设计

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掘进机截齿三向力测试实验台设计,掘进机,截齿三,测试,实验,设计

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沈阳理工大学学士学位论文摘 要本论文为掘进机截齿作用力测试实验台设计，其主要目的是研究一种实验装置，用来测量三个方向的力。本次设计的内容包括动力的传递和设计出可以实现三个方向运动的装置，实质上是实验台的结构设计。其工作原理是控制实验台的三个方向运动，再用电动机带动工作头旋转，从而带动夹持的截齿实现截割运动，模拟出在实际掘进机在工作过程中截齿的工作状态。把实际掘进机截齿复杂的运动分解成三个方向的运动，也就是说截齿实际受到来自于三个方向的力，然后用信号检测设备收集、还原、分析和检测，做进一步研究。本次设计主要在于如何设计出一种可以检测三个方向受力的实验装置，为日常生活中的隧道挖掘、煤矿开采等施工设备，积累实验数据和必要参数，以促进这类行业的发展。关键词：掘进机；截齿；实验台；设计AbstractThis thesis for determing tooth three-axis testing machine, its main purpose is to study a experimental device used to measure the three directions. The design of power transmission and includes design can realize three direction of movement, is essentially experimental design. Its principle of work is to control the movement of the three experimental work motivation, electricity driven to rotate, realize the clamping cutting movement, the tooth in actual roadheader in simulating the working process of working condition. The actual tooth complicated movement determing the movement direction of decomposed into three, i.e. cut teeth from three directions in actual strength, then using the signal detection equipment, collection, analysis and detection, and to do further research.This design is how to design a main force of three direction detection, the experimental apparatus for daily life tunneling coal mining, construction equipment, the accumulation of experimental data and the necessary parameters, in order to promote the development of the industry.Keywords: Roadheader; Cut teeth; Experimental platform; Design目 录摘 要I关键词IAbstractIIKeywordsII1 综述12 方案设计42.1 设计任务42.2 任务分析42.2.1 总体设计要求分析42.2.2 设计思路分析52.3 方案设计82.4 方案选择比较93 设计计算113.1 电动机的选择113.1.1 工作头电动机选择113.1.2 三向运动电动机选择123.2 钢板的选择133.3 丝杠、导轨的选择133.3.1导轨滑块133.3.2滚动丝杠和丝杠螺母163.4主轴的选择设计183.5 减速器的选型与设计193.5.1 减速器的选型193.5.2 减速器的选型校核194 轴的校核214.1 轴的校核214.2 轴的校核225 轴承的寿命验算285.1 轴轴承的寿命验算285.2 轴轴承寿命验算306 键的校核326.1 轴上键的校核326.2 轴上键的校核327联轴器的计算与选型348 经济技术分析379 结束语3910致谢40参考文献41附录42IV1 综述掘进机分为两种：开膛式掘进机和护盾式掘进机。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，并将碎石运走。截齿是一种加工的道具，主要用于煤矿开采和巷道、隧道、地面开沟等工程的掘进。是掘进机上易破损的主要部件，需要测量截齿在工作时所承受的力。本课题是掘进机截齿三向力测试实验台用来测试截齿在工作过程中所承受的力，对于改进截齿的形状和材质以及刚度、强度的要求以及收集整理数据都有一定的作用。近年来，随着我国煤炭行业的快速发展，与之唇齿相依的煤机行业也日益受到重视。在煤炭行业纲领性文件关于促进煤炭工业健康发展的若干意见中，在全国煤炭工业科学技术大会上以及国家发改委出台的煤炭行业结构调整政策中，都涉及到发展大型煤炭井下综合采煤设备等内容。掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，国家的方针是：采掘并重，掘进先行。煤矿巷道的快速掘进是煤矿保证矿井高产稳产的关键技术措施。采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性及关键性技术。我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘进机。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3050kW 的小功率掘进机为主，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AM50 型掘进机、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S-100 型掘进机，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30kW 到200kW ，初步形成系列化产品，尤其是近年来，我国相继开发了以EBJ-120TP 型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f68，截割功率在120kW 以上，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EBJ-120TP 型、EBZ160TY 型及佳木斯煤机厂生产的S150J 型三种机型为主，占半煤岩掘进机使用量的80以上。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WAV300、奥地利AHM105、英国MK3 型重型悬臂式掘进机。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EBZ200H 型硬岩掘进机，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。截割头是掘进机直接用来破碎煤沿的部件，其形状、尺寸和其上截齿的排列方式对掘进机的工作性能有重大影响。截割头主要由截割头体、螺旋叶片和截齿座等组成。在齿座里装有截齿，叶片上焊有安装内喷雾用的喷嘴座。截齿头部的外形轮廓有球形、球柱形、球锥形和球柱锥形四种，其中以球锥形截割头的截齿受力较为合理，因而得到了较多应用。截齿的布置方式对截齿、截割头乃至整机受力有较大影响。纵轴式截割头的截齿均按螺旋线方式分布在头体上，螺旋线头数一般为2-3条。截距对截割效果有较大影响。较大的截距可增加单齿的磨损也随之增加，两者应该兼顾。在选择截距时，应考虑到截割头上不同部位的截齿所受的负荷不同而有所区别，应力求各截齿的负荷均匀，以减少冲击载荷和使截齿的磨损速度接近。截齿的合理布置是一个复杂的问题，应针对所截煤沿的机械性质，通过理论分析、计算机模拟、实验及实际使用经验加以合理地确定。横轴式截割头这种截割头的头体多为厚钢板的组焊结构或螺钉连接结构，由左右对称的两个半体组成。在头体上焊有齿座和喷嘴座，在头体内开有内喷雾水道，装有配水装置。截割头体是通过胀套式联轴器同减速器的输出轴相连接，可起过载保护作用。配置截齿是，应使每个截齿的破岩量相近，负荷均匀，力争达到最佳截割效果。经过深入分析研究，多种数学方程推算、用计算机反复模拟和修正后，可得到较为理想的横轴式截割头的外形轮廓和布齿模型。截齿及截齿座除掘进机所采用的截齿也有扁形和锥形两种，其结构形状同于采煤机截齿。过去，纵轴式截割头均采用扁形截齿，横轴式截割头均采用锥形截齿。经过长期的实验证明，在截割硬岩时，锥形截齿的寿命比扁形截齿长，且由于锥形齿在使用中有自转磨锐性，耐冲击，所以近十年来，纵轴式截割头也较多地采用了锥形截齿。截齿座用以安装截齿。安装锥形截齿的齿座应由两种材料用特种工艺制成，器内层材料的耐磨性要高于外层，以减少因截齿在截割过程中自动旋转而产生的磨损量，增加齿座的实用寿命。也可以采用在齿座内嵌套磨损后可以及时更换的耐磨合金套。截割减速器的作用是将电动机的运动和动力传递到截割头。由于截割头工作时承受较大的冲击载荷，因此要求减速器有高的可靠性和较强的过载能力，其箱体作为悬臂的一部分，应有较大的刚性，连接螺栓应有可靠的放松装置，减速器最好能实现变速，以适应煤岩硬度的变化，增强机器的适应能力。2 方案设计2.1 设计任务掘进机属于多功能的煤矿井下重大设备，广泛用于煤矿巷道、城市地下隧道和多种采掘工作面的掘进。截割头是掘进机直接参与截割的工作装置，是整机工作性能的综合体现，是直接决定整机工作的可靠性、经济效益和生产率。本次设计主要完成研究掘进机截割装置的基本结构和工作原理。完成测试实验台。2.2 任务分析2.2.1 总体设计要求分析由设计任务可知，要求需要可调节，最终的目的是合理的设计出掘进机截齿三向力测试实验台。截齿有刀型齿和镐型齿之分。本设计选择对镐型齿进行分析设计。选择的镐型齿型号为S150(如图2.1所示)，实验台可以参照龙门铣床改制，本实验台结构和运动方式和龙门铣床的十分相似。截割实验用的煤样从露天矿采集后，用石蜡、石膏封闭，然后加工成外形尺寸为500400400的试块（尺寸大小不固定，相差不太大即可）。图2.1 截齿S1502.2.2 设计思路分析本设计总体上可以分为四个部分：支撑部分（支架）；工作头部分；煤样夹持部分；三个方向运动部分。支撑部分（支架）：整个实验台的骨架，相当于人身体的骨骼，承担着实验台80%的重量，工作头固定在支架上。龙门铣床的支架包括横梁和立柱，横梁固定在立柱上，把工作的道具安装在横梁上，以实现上下、左右运动，本省实现旋转运动。参照龙门铣床，由于本设计是实验台，考虑到经济成本和设计简洁的理念，考虑用角钢或者口型钢安装成框架的形式，用来固定工作头。支架如图2.2所示：图2.2 支架工作头部分：整个实验台的灵魂部位，这一部分由电动机、减速器、主轴、夹持截齿的夹持器。其中主轴和截齿夹持器是安装在一起的，保证同轴度的要求，这样电动机的转速通过减速器降到截齿在实际工作时的转速，在主轴的带动下旋转，从而达到截割的运动。工作头如图2.3所示:图2.3 工作头煤样夹持部分：此部分是为了固定煤样的，保证在实验过程中，煤样保持位置固定不动，只随着实验台上设计的三个方向运动的装置而运动，这样测量出的结果比较理想、精确。使实验测量出的误差尽可能的小，接近理想值。煤样夹持器如图2.4所示：图2.4 煤样夹持器三个方向运动部分：此部分是整个实验台的核心部分，因为要想实验台能个测量出想要的结果，此部分是必须保证的，只有此部分的合理设计，才能保证设计的理想化。此部分是由三个小的部分组成，分别掌控着自己单独方向的运动，使整体按上下、前后和左右的方向运动，实现三个方向的运动，从而测量出三个方向的力。每部分都是由滚动丝杠和丝杠螺母的相对运动，使与其分别连接的上下板在导轨、滑块上运动，滚动丝杠在伺服电动机的带动下实现的。三向运动装置示意图：图2.5 三向运动装置2.3 方案设计要想完成本设计其实质是完成上面四个部分的设计，在把这四个部分合理的组合在一起。其中工作头和三向运动的设计方案的选择决定了总体设计方案的选择，工作头和三向运动的设计方案选的不同，或者工作头和三向运动的组合不同，这都是总体设计方案的不同。方案一 由龙门铣床改制成的实验台，有两个垂直刀架，截齿的水平进给、垂直进给动作以及工作台的往返运动，分别由液压缸驱动，而且速度可调。方案二如图2.5所示： 图2.5 方案二此方案为安龙门铣床修改后的工作方案，分为三个部分传动，分别用三个电动机带动三个方案的运动传动彼此之间互不干扰，各自为政。上部为工作头的工作传动，由电动机-传动系统-减速器-传动系统-工作头截齿。此为三向力之一的旋转方向运动。由四个支架固定在实验台移动板上，随着移动板一起移动。中间为升降运动，由电动机-传动系统-滚动丝杠-丝杠螺母-升降机构。此为三向力之一的上下方向运动。把升降机构安装在移动板上，随移动板一起运动。下部为移动板带动整体的水平方向移动，由电动机-传动系统-滚动丝杠-丝杠螺母-移动板。此运动为三向力之一的水平运动。2.4 方案选择比较 比较着两个方案的优缺点。方案一采用液压系统推动运动，液压传动出力大、重量轻、惯性小以及输出刚度大。首先，功率-质量比大，这意味着同样功率的控制系统，液压系统体积小、重量轻。其次，转矩-惯量比大，意味着液压系统能够产生大的加速度，也就是说时间常数小，响应速度快，具有优良的动态品质。最后就是其操作方便、省力、系统结构空间的自由度大，易于实现自动化，且可以实现无级调速。但是其传动介质易泄漏和可压缩性会使传动比不能严格保证；由于能量传递过程中压力损失和泄漏的存在使传动效率低；发生故障不容易诊断。方案二采用电力拖动系统，尽管电力拖动系统出力小、调速也没有液压系统方便快速，没有液压系统快速，但是做为实验台，考虑到制造成本和结构简单的优势，便于普及和实验操作，更适合于用到实验测量仪器上，电力拖动系统操作节奏不大，便于记录数据和实验结果。经过上述比较，决定采用方案二。方案二的具体叙述：支架部分把口型钢用螺纹连接安装成框架用来固定工作头和承担实验台的大部分重量，并且起到支撑固定的作用，使实验台在工作过程中不至于倒塌或者变形。把支架的四个支柱固定到水平X方向移动的底板上，但不要和上面的移动板接触，把煤样和煤样夹持器固定到移动板上，并且和四个支柱不发生干涉，这样使煤样随着移动板仪器移动以实现一个方向的运动。把工作头的一面和水平Y方向的移动板相连接，使工作头随移动板移动以实现一个方向的运动，水平Y方向的固定板和竖直Z方向的移动板相连，这样实际上是工作头和竖直Z方向的移动相连，从而随着移动板的移动而移动以实现一个方向的运动。竖着Z方向的固定板固定在支架上，而支架是不动的，这样就保证3个方向运动互补影响而有能相互照应实现想要达到的目的。工作头的设计，把主轴和截齿夹持器相连，保证其同轴度，然后把主轴安装在圆筒内，然后把圆筒焊接在另一个由口型钢焊接的框架上，在圆筒上面有个安装板 螺纹连接在框架上，用来放置电动机和减速器。上面提到的把工作头和水平Y方向的移动板相连，实际上是把这个框架螺纹连接在移动板上，以实现其相连。最终方案如图2.6所示：图2.6 最终方案3 设计计算3.1 电动机的选择3.1.1 工作头电动机选择传动示意图：图3.1 传动示意图一.选择电动机系列按工作要求以及工作条件选用三相异步电动机，封闭式结构，电压380V，Y系列。二.选择电动机功率截齿旋转时所需有效功率： （3.1）式中，P表示功率；j表示转矩；w表示转速。传动装置总效率： （3.2）联轴器效率：直齿轮效率：锥齿轮效率：滚动轴承效率：所需电动机功率：查表可知，可以选Y系列三相异步电动机Y112M-4，额定功率，或选Y系列三相异步电动机Y132M1-6型，额定功率。三.确定电动机转速根据截齿旋转时的转速，经过各级速度，尤其是减速器，知道电动机的转速高于截齿的转速。经过两个电动机比较选择，考虑到成本，传动比，选择Y系列三相异步电动机Y112M-4型。3.1.2 三向运动电动机选择三个方向的运动是由滚动丝杠和丝杠螺母在导轨滑块的相对运动实现的，其主要动力源来自于是滚动丝杠的转动还是丝杠螺母的转动，如果一个件保持转动，那么另一个件就必然保持静止，负责直线运动。由于三向运动不需要较大的功率和转速，所以决定采用伺服电动机带动。考虑经济性，适用性，选择用SGMAH04AAA41，功率400W，转速3000rad/min。3.2 钢板的选择选择钢板用来做固定板、移动板和上面放置电动机、减速器的平板，平板选择在25-50mm之间的钢板，在市场上很容易找到。3.3 丝杠、导轨的选择为实现水平运动和上下的升降运动，选择滚动丝杠和丝杠螺母，加上滑块在固定导轨上来实现直线运动。3.3.1导轨滑块1、导轨本身刚度大于接触刚度：导轨所受的最大、最小和平均压强分别为 （3.3） （3.4） （3.5）式中，F导轨所受集中力（N）；M导轨的受颠覆力矩（Nmm）；Pf由集中力引起的压强（MPa）；Pm由颠覆力矩引起的压强（MPa）；a 导轨宽度（mm）；L动导轨长度（mm）。 由上式得出：设计导轨时尽可能使，。因此合力作用点距导轨中心的距离。当，。压强呈三角形分布，导轨全长上都接触。当时，就可以采用无压力开式导轨。当时，导轨面将出现一段长度不接触，必将采用压板，与压板接触的导轨面称辅助导轨面。 2、导轨刚度较低：如果导轨刚度较低时，在确定导轨压强时就应同时考虑导轨本身的弹性变形和导轨面的接触变形。压强不是线性分布，最大压强和平均压强之比可达2-3倍或者更多。属于这种类型导轨有：立车刀架，牛头刨床和插床的滑枕，龙门刨床的刀架，外圆磨床工作台、长工作台的导轨等。通常在龙门铣床和龙门刨床等机床上导轨的最大压强一般为（0.6-0.7）MPa。考虑到运动的行程和适用性、经济性，采用导轨滑块的型号为GGB16AA。3、导轨的受力分析：导轨上所受的外力包括切削力、工件及夹具重量、动导轨部件的重量和牵引力。这些外力使各支承导轨面产生支反力和支反力距。牵引力、支反力、支反力矩都是未知的，一般可以用静力平衡方程式求出。当未知数多而静不定时，可根据接触变形的条件建立附加方程式求各力。导轨滑块示意图：图3.2（一）导轨滑块实物图图3.2（二） 导轨滑块cad图3.3.2 滚动丝杠和丝杠螺母示意图如图3.3所示：图3.3 滚动丝杠和丝杠螺母1、 滚动丝杠滚珠丝杠轴承是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠轴承由螺杆、螺母和滚珠组成，滚珠丝杠轴承功能是将旋转运动转化成直线运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。滚珠丝杠轴承特点: 滚珠丝杠具有高精度、可逆性和高效率等特点，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将进口轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠轴承被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠轴承的用途：滚珠丝杠轴承为适应各种用途，提供了标准化种类繁多的产品。滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。预压方式有定位预压（双螺母方式、位预压方式）、定压预压。可根据用途选择适当类型。丝杆有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠（精度分为从CO-C7的6个等级）和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠轴承（精度分为从C7-C10的3个等级）。另外，为应付用户急需交货的情况，还有已对轴端部进行了加工的成品，可自由对轴端部进行追加工的半成品及冷轧滚珠丝杠轴承。作为此轴承的周边零部件，在使用所必要的丝杠支撑单元、螺母支座、锁紧螺母等也已被标准化了，可供用户选择使用。滚珠丝杠轴承以多年来所累积制品技术为基础，从材料、热外理、制造、检查至出货，都是以严谨的品保制度来加以管理，因此具有高信赖性。2、 滚动丝杠设计选择额定动载荷是指一批相同参数的滚动丝杠螺母副，在的相同工作条件下运转10的6次方转后，90%的螺旋副部发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷，定义为额定动载荷Ca。额定静载荷是指把滚动丝杠副在静态或低转速条件下，受接触应力最大的滚珠和滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到滚珠直径0.0001倍时的最大轴向载荷，定义为额定静载荷Ca0。3、 滚动丝杠副疲劳强度计算滚动丝杠应根据其额定动载荷选用。滚动丝杠当量动载荷： （3.6）式中Fm轴向工作载荷，当载荷按单调式规律变化，各种转速使用机会相同时。 （3.7）式中，丝杠最大、最小轴向载荷；L工作寿命，以10的6次方为一单位，；n 丝杠转速；T使用寿命，对数控机床可取T=15000h。4、 滚动丝杠的静载荷强度计算低速运转时的滚动丝杠副，应按最大轴向工作载荷，即按计算静载荷Cj为选择依据。其计算公式为： （3.8）式中，最大轴向载荷；载荷性质系数，数值同上；硬度影响系数，取。5、 滚动丝杠螺母的选择计算作用在滚珠丝杠上的当量动载荷Cm的数值：从滚动丝杠产品样本中找出与当量动载荷Cm相近的额定动载荷Ca，并使，初步选取几个丝杠的型号和有关的结果参数。根据具体工作要求，对于结构尺寸，循环方式，调隙方法及传动效率等方面进行初选，并从初选的几个型号中选出比较合适的名义直径，螺距，滚珠工作圈数，滚珠列数等，再确定型号。根据被选出的型号，列出各参数的数值，并验算其刚度及稳定性安全系数是否满足要求。如不满足要求，需另选其他型号，再作上述验算，直至满足要求为止。当低速运转时，滚珠丝杠需要进行静强度运算。3.4v主轴的选择设计设计的主轴如图所示：图3.4 主轴在轴上直径为8mm处开键槽剖面尺寸为bh=38。轴的精度为8级。轴的材料为45号钢，调制处理 。3.5 减速器的选型与设计3.5.1 减速器的选型由于电动机和截齿的转速不同，需要加上减速器进行速度的改变，在设计的工作头中，主轴的旋转轴线是垂直于水平面的，而在主轴的上面安装了安装板，要把减速器和电动加安装在安装板上，以便于随时维护和更换，电动机和减速器输入轴的轴线是平行于水平面的，也就是说这两个轴的轴线是相互垂直的，这就要求所选择的减速器输入端和输出端的轴线是相互垂直的，所以选择的减速器为圆锥圆柱齿轮减速器。3.5.2 减速器的选型校核减速器的承载能力受机械强度和热平衡许用功率两方面限制。因此，选用减速器时必须对这两个功率进行校核。首先，按减速器机械强度许用公称功率P选用，如果减速器的实用输入转矩和承载能力表中三档转速中的转速相对误差超过4%,则应按实用转速验算减速器的公称功率选用，然后校核减速器热平衡的许用功率。减速器许用公称功率校核载荷为重型载荷，查减速器设计选用手册表4-20，得工作机械工况系数，则：查减速器设计选用手册表4-5，选用DCY315-31.5，其许用输入功率为，在转速为1500热 r/min时为195kw，满足要求。起动转矩校核查减速器设计选用手册得： （3.9）式中， Tk 起动转矩或最大输入转矩 n 转速 Pn 许用输入功率。则：故：转矩满足要求。热效应验算应满足下列关系： （3.10）式中，Pg 减速器热功率，取155KW；fw 环境温度系数，查表4-21取0.89；fa 功率利用系数，查表1-49取0.79。则：，故：满足要求。4 轴的校核4.1 轴的校核做轴的受力简化图：图 4.1 轴简化图带轮轴的功率 P3 ： （4.1）式中，P表示总功率；、表示功率损失。小齿轮分度圆直径 49mm检验轴的最小直径 （4.2）式中，表示直径；表示面积；表示功率；表示转速。设计中取主要轴径处为40mm； 所以该轴校核必然合格。4.2 轴的校核做轴的受力简化图: 图 4.2 轴简化图曲轴大齿轮直径 348 mm 受力分析所以 45 44mm 尺寸合格 弯矩图与扭距图如图4.3所示：图 4.3 弯矩图和扭矩图三支撑可设中间支撑B为多余约束。求其约束反力（用变形法）：解得 由图可知：强度校核：由弯矩图知 截面A-A 为危险截面。安全系数校核计算弯曲应力幅： （4.3）式中，表示应力；表示合力；表示面积。对称循环弯曲应力 平均应力 由剪应力幅轴 A-A 截面的安全系数故 s s 该州A-A截面是安全的5 轴承的寿命验算5.1 轴轴承的寿命验算轴的轴承有 成对角接触球轴承 7006 AC；深沟球轴承 6007；调心滚子轴承 22207；对轴进行受力分析受力简化图如 图5.1已知：计算轴承支反力：水平方向反力：受力简化如图 5.2 垂直方向支反力：受力简化如图 5.3合成支反力：查轴承手册22207的轴承各参数7006 C 轴承的各参数：所以：轴承的轴向载荷计算轴承的当量动载荷P由 查表9-6 由 所以： 查表 9-7 由受力情况 所以 轴承22207适用所以 轴承7006 C适用5.2 轴轴承寿命验算轴上采用滑动轴承， 选取原则有两条其一：轴承的载荷方向应该在轴中心线左、右35度的范围内。其二：轴承允许通过轴肩承受不大的轴向载荷，当轴肩直径不小于轴瓦肩不外经时，允许轴承的轴向载荷不大于最大径向载荷的30%。 有上述原则选取型号为 QJ 120/50的滑动轴承。滑动轴承的验算：压强的验算：由前面进行的轴的校核可知压强P： 查表 滑动轴承的材料性能 查得：所以 压强验算合格值验算查表 滑动轴承的材料性能查得：所以 验算合格圆周速度验算：查表 滑动轴承的材料性能查得：所以 验算合格所以滑动轴承选取合格。6 键的校核6.1 轴上键的校核由轴的精度为8级，由较高的对中性，故要求选用平键连接。又因为是静连接，选用平头键。由 d=20mm 查手册的键的剖面尺寸为bh=66，参考轮毂长度选键长为16mm。键的材料选用45号钢，A型 GB1096-79。键连接的强度计算连接的主要失效形式是键，轴和轮毂三个零件中材料较弱的一个的工作表面被压溃。由于，轮毂材料是铸铁，实效发生在轮毂上，故按轮毂进行挤压强度进行计算。查表的铸铁的许用挤压应力键的有效工作长度由式故所用的键连接强度足够6.2 轴上键的校核由轴的精度为8级，由较高的对中性，故要求选用平键连接。又因为是静连接，选用平头键。由 d=45mm 查手册的键的剖面尺寸为bh=149，参考轮毂长度选键长为36mm。键的材料选用45号钢，A型 GB1096-79。键连接的强度计算连接的主要失效形式是键，轴和轮毂三个零件中材料较弱的一个的工作表面被压溃。由于三个零件都是45号钢，故按45号钢进行挤压强度进行计算。查表的45号钢的许用挤压应力键的有效工作长度由式故所用的键连接强度足够7 联轴器的计算与选型本设计工作头的联轴器采取液力联轴器，它可以联接两个传动轴，能够保护动力系统免于过载损坏，还可以用于空载启动原动机，还能做离合器、无级调速器等使用。液力联轴器由泵轮、涡轮、外壳和输入轴及输出轴等组成。泵轮与外壳通过螺栓固定连接，其作用是防止工作液体外溢。输入轴（与泵轮固定的连接）与输出轴（与涡轮固定连接）分别与动力机和工作机相连接。泵轮与涡轮均具有径向直叶片的叶轮。由泵轮和涡轮具有叶片的凹腔部分所形成的圆环状空腔称为工作腔，供工作液体在其中循环流动，传递动力进行工作。工作腔的最大直径称为有效直径，是液力偶合器的特征尺寸规格大小的标志尺寸。液力偶合器安装在动力机与工作机之间，当泵轮被动力机带动运转时，工作腔中的液体随泵轮做圆周运动，同时又在离心惯性力作用下沿叶片间通道向外流动，即对泵做相对运动。液体质点相对于叶轮的运动状态由叶轮和叶片形状决定。由于叶片为径向直叶片，假如叶片数目无穷多，厚度无限薄，则液体质点从泵轮半径较小的流道进口处被加速，并被抛向半径较大的流道出口处。从而液体质点的动量距增大，即泵轮从动力机吸收机械能并转化为液体能。在泵轮出口处液流以较高的速度和压强冲向涡轮叶片，并沿着叶片表面与工作腔外环所构成的流道做向心流动。液流对涡轮叶片的冲击减少了自身的速度和压强，是液体质点的动量矩降低，释放的液体能推动涡轮（即工作头）旋转做功（涡轮将液体能转化为机械能）。液流的液体能释放减少后，在其后的液流的推动下，由涡轮外缘（涡轮流道入口）流向内缘（涡轮流道出口），并流入泵轮，开始下一个能量转化的循环流动。如果没有环流运动。就没有能量的传递。液力偶合器与电动机的匹配原则：1、保证额定工况点的高效率在额定传动比，液力偶合器的输入特性曲线应交于电动机械特性的额定工况点上。但与值的选择应相互兼顾，如只考虑高效率而取过大的，则因过小而常会使偶合器的有效直径增大。这时安装空间有限和尽量减少总机尺寸不利。2、确保现矩性能偶合器与电动机联合运行的优点之一就是过载保护，而过载保护是通过限制泵轮力矩不超过电动机的最大力矩来实现的。因此，对于要求过载保护的最大过载系数，这既可充分利用电动机的最大力矩启动，又可以保护电动机。根据载荷性质不同进行匹配 对于带荷启动的液力偶合器，最好取，以便于利用电动机的最大力矩启动。对于阻力小，惯性大的载荷（如转自型破碎机），可使销大于。此处的是指时的值。液力联轴器如图所示：图7.1 液力联轴器液力偶合器由很多优点：隔离纽振，防护动力过载，均匀多台原动力机间的负荷分配，空载启动，离合方便，实现无级调速，无磨损，易于散热以及可挠性联接。但它也存在着许多缺点：其效率低，有功率损失，对于功率大于1000kw的偶合器，除本体外，还有一套冷却供油系统和若干辅助设备，消耗部分辅助功率，当原动机转速较低时，偶合器的尺寸重量较大等。本设计的三向运动中的滚动丝杠和电动机之间的连接采用键联轴器。 键联轴器如图所示：图7.2（一）键联轴器实物图图7.2 （二)键联轴器CAD图8 经济技术分析1、经济性分析：本设计为掘进机截齿三向力测试实验台，主要研究测量三个方向的力，是以截齿为研究对象，本设计的两个关键部位是工作头的旋转和三个方向的运动，而三个方向运动的设计思路和理念是一致的，所以可以单独研究一个方向的运动形式，其他两个方向的运动和所研究的是大同小异的。工作头的框架和整个实验台的外框架都是采用口型钢或焊或用螺纹连接而成的，口型钢所选择的型号和尺寸，在市场上都是可以直接买到的，不用特别的加工，只需要加工出安装用的螺纹孔，这样就降低了制造成本。工作头里面的主轴和外箱体，也都是简单的材料，尽管市场上没有现成的材料，但是加工轴系和筒系，在我国都是比较成熟的加工生产技术，一般的小工厂就可以实现。所有加工的轴和外箱体也都是十分的简单，没有过复杂的外形和技术要求。至于三个方向的移动，采用滚动丝杠和导轨滑块的连接运动方式，这在生产制造机械移动部件的领域也是十分普遍的技术，所要用到得滚动丝杠和导轨滑块的型号都是在市场上可以选择到的，不需要限定做，移动用的板材也都是机械领域经常用到的板材，选择后，不需要经过复杂的精加工，只需要按照安装尺寸加工出我们安装时所需要的孔即可。电动机的选择、减速器的选择和其他一些辅助材料的选择，也都是可以在市场上直接买到的，按照装配图安装即可。本设计所选择的零部件，大部分都是选择的在市场上可以买到看到的，直接就可以用。对于在市场上无法找到的工件，需要在工厂加工生产，但所需要加工的工件也都是很容易加工，这样设计就降低了生产加工的成本，大大降低了本设计产品的制造成本，满足生产产品的经济型要求。2、技术性分析：本设计是为了模拟掘进机工作时截齿的受力情况，所以设计的基本思路也是要根据掘进机工作时截齿的受力情况进行分析，考虑到截齿工作时有本身的旋转和工作的截割煤沿的情况，考虑到用电动机加减速器模拟截齿的旋转运动，通过调研知道了掘进机工作时截齿的旋转时不同的，根据掘进机的型号和截齿型号的不同而不同所以这里，本设计选择S150型号截齿，掘进机选择最普通的小型掘进机S150A为研究对象，通过计算选择出了合适的电动机和减速器，包括其他部件的选择都是合理的，这样就保证了能模拟出实际工作情况下的掘进机截齿旋转运动。而截齿的截割运动是通过运动的分解，把复杂的运动分解成三个方向的运动来实现的。而三个方向的运动的选择上就有很大程度上的分歧，可以产用液压系统，也可以采用机械系统，考虑的液压系统的经济性问题，而且如果采用液压系统作为运动的动力，那么所带来的技术要求就高了，需要对液压阀、加压阀、顺序阀、承压发等一系列液压元件，有足够的了解和掌握，假如采用液压系统生产出来了实验台，在以后的实际操作过程中，液压系统可以会产生内部液压液体泄漏，导致实验台失效，维修液压系统的实验台也是不方便的。从而又带来了经济性的要求。同时，对于正常的维护也不是有利的。所以选择用机械系统。采用滚动丝杠加上导轨滑块的组合，这在制造移动部件的领域是比较成熟的技术，而且用这个组合不仅可以实现本设计所要求的运动形式，而且在操作上也十分方便，采用伺服电动机就可以提供动力，设计的结构也简单化了，从而还降低了生产成本，便于产品生产出来后的普及和工人操作。 9 结束语本次设计为掘进机截齿三向力测试实验台，通过把实际复杂的运动形式简单的分解成三个方向的受力，从而把复杂的运动化为简单的运动，通过实验仪器分析运动受力形式，以此解决实际生产生活中遇到的问题。本次设计的结构不是很复杂，用基本的结构实现设计的要求，所选择的设计材料经济适用，安装、批量生产也十分容易。10 致谢本次设计是在纪玉杰老师的悉心指导和帮助下完成的，纪老师渊博的专业知识和严禁的治学态度使我如沐春风，受益匪浅。通过本次设计我学到了许多东西，对这大学四年学到的东西做了系统的复习与实践。对以前学到而遗忘的知识有了充分的回顾。在这次设计中感触很多，设计和研发一件产品是多么的不容易，需要多少知识的积累和沉淀。在我国，自主研发产品和美国、日本、欧洲国家相比都很弱。这就给我们带来了严峻的考验，同时也给我们带来了相对的发展空间的提升的高度。通过本次设计，明显感觉到自己有多么的不足，学的知识不足和不能够灵活的运用。以后还要在实践中锻炼自己。参考文献1 赵惠臣，李振父编. 冲压技术百问机械工业出版社，1996.62 机械工程师和电机工程师手册编辑委员会 编. 机械工程师手册（卷10）机械工业出版社，1983.103 王孝培主编. 实用冲压技术手册机械工业出版社，2001.64 上海交通大学锻压教研室编. 压力机改装机械工业出版社，1979.25 机械设计手册 机架、箱体及导轨 机械设计手册编委会 机械工业出版社 2008.76 日栗原，昭八著. 实用冲压自动化设计法机械工业出版社，1987.77 孙志礼，冷兴聚主编机械设计东北大学出版社，2000.18 李洪，曲中谦主编实用轴承手册辽宁科学技术出版社，2001.109 上海事技术革新展览会编实用冲压技术上海科学技术出版社，1982.1010 机械设计手册联合编写组编. 机械设计手册（中册. 第二版. 化学工业出版社，1982.1211 徐灏主编. 机械设计手册.（卷3）（卷5）.机械工业出版社，1991.9附录10汉语翻译 一种对应隧道掘进机的测量黏土附着量的方法日期：07.12.21 接受日期：08.8.23 出版时间：08.10.31摘要利用隧道掘进机，在通过凝聚力挖掘时会承受较大的土壤堵塞。造成时间上的延误和费用上的增加。本文介绍一种在发生黏土粘连时测量附着量的方法。用一种模拟的黏土切割轮机器，用在高岭土上施加压缩力变化的办法来测量记录。我们正在进行下一步的研究是为了澄清一个影响因素。这个影响因素包括黏土里的矿物质对砂轮齿面的摩擦产生的影响因素。这个测试可以在实地考察或现场测试附着力，这样得到的测量标准值是我们所希望的。 关键词：附着力 黏土 表面效应 边界层效应 隧道工程 土壤力学 介绍在地下工程中，黏土附着在钢铁机械表面可显著降低机器的工作效率或者直接造成失去工作能力。最近，这个问题发生在一些由液压驱动的盾式隧道掘进机上。图一显示了一个被黏土堵塞的隧道掘进机的砂轮。当这种堵塞发生时，隧道掘进过程必须停止并且需要把砂轮取出清理干净，这样一来会带来时间上的延误和影响预期的进度。因此有一个关于土壤中黏土性能的调查报告同时提供定性和定量的信息是十分必要的。从1838年开始人们开始调查研究这些现象。例如，在早期，农民在耕作时会产生对黏土性能的问题，也就是说什么样的土适合庄家的生长。第一个关于这些现象的报告是在1960年研究建筑工业土层结构的报告上提出来的。在这个时期，对黏土附着力的系统性研究与1960年以后得隧道中遇到的土壤情况联系到了一起，但是对于土壤和钢铁的接触表面的相互作用还是不了解。因此，一种对土壤附着力的测试方法和测试条件的研究被大家提上日程，但是迄今为止，还没有一种被大家普遍接受的测试方法以确定土壤的粘合性能。未来的隧道工程可能会在粘合性更严重的土壤中进行，因此有一个公认的行为标准测试方法是十分必要的。这种方法应该可以提供对土壤的粘接性能有定量和定性的信息，在现场调查中可以被使用，这样在开发一片土地时，对预算、招标和承建都有好处。土壤附着力仅在粘性土壤中含有10%-20%黏土矿物发生粘连。根据土壤成分分析，粘性土壤的固体表面的粘附性依赖于从土壤中吸收的水量，同时还发现粘附力还受到边界层的影响。其中，水的影响包括水层吸附力、水压力、水量、水的膨胀能力、水的膨胀强度、毛细作用，还受到土壤的物理性能的影响和表面吸附力。隧道掘进机的操作方式和泥浆的质量都是不好把握的，休斯提出了一个土壤和钢铁表面粘附性测试的物理模型，用来测试相关的影响。作者在本文建议做个测验，这可能有助于更好了解粘附的物理过程。土壤特征附着力测试方法 土壤附着的实验室测试方法可以用在建筑工业行为标准，这些标准包括：a) 明确界定的参数b) 高分辨率测量c) 重复性高标准岩土实验室d) 方便迅速地执行一般土壤测试实验室e) 简单的测试设备，适合现场使用f) 简单的测试程序g) 如果可能的话，其他规定的标准检验方法的使用h) 参照标准化得土壤参数这种测试方法被主要的检测机构认可并作为以后测试未来关于附着问题项目的测试方法。所以，实验设备和步骤将变的越来越简单，关于实验方法的确定标准和标准土壤力学参数将被更好更充分的证明。土壤附着试验原则两种材料之间经常使用的三维向心力测试的主要原则：剥离、剪切和直接拉伸的关系。剥离测试对土壤松动、被挖掘等感兴趣；剪切试验可以测量出一个结果，但这个结果可被测量出的土壤力学系数的结果所干扰。这样一来，就不容易分辨出附着力的剪切强度了。此外，剪切试验得应力条件使得剪切机的位置不能被确定，很可能，土壤测试的数学解果与剪切原则上测试的结果会产生出误差。与直接拉伸试验类似，压缩试验的对材料的作用力也是施加在表面上的力。对于在土壤中分离钢时产生的最大单向附着张力和附着强度是非常容易明确的并能做出简单的解释说明。为了贯彻这个原则，在土壤力学领域，必须在土壤表面施压力，这个测试原则已经用在土壤附着力测试上了。特维斯建议作为一种工业标准测试方法。关于这个测试原则的一个主要问题是区分在材料界面的附着强度和在土壤中的抗张强度的区别。如果钢铁和土壤内的接口没有破裂，则本身的强度高于拉伸土壤的强度，即大于抗张强度。因此无法测量，只要在固体表面上没有留下土壤就可以进行测量。附着试验附着测试设备附着试验装置由一个刚样品（直径9.0厘米，高4.9厘米）包括一个底盘和一个头盘组成。图三 图四。土壤样本被放置到下环规定的位置。规定的条件：含水量、压实。单位等规则6.2厘米直径的附着测试缸是作表面土壤所需要的。圆柱的截面表面积是30.2平方厘米。这个测试安排可用于各种材料的测试。例如:金属、陶瓷、塑料等。附着测试程序以下这些经过初步调查所确定的最佳的实验程序，测量土壤样品的凝聚力用到土壤样品环。人们发现土壤样品最好放三层，压实，标准普罗科特试验用2.5公斤。经过压实，土壤表面经过精心铲平或用平滑的样品放在压缩和拉伸试验机（图五）或者附着试验缸中。测