毕业设计（论文）-采煤机摇臂高速区轴承故障分析（全套图纸三维）.pdf

采煤机摇臂高速区轴承振动特性与故障分析采煤机摇臂高速区轴承振动特性与故障分析 摘摘 要要 采煤机是煤矿综采工作中的关键机械设备之一，大功率、高强度、高 可靠性是现代采煤机发展方向。 本论文完成了采煤机摇臂的设计，对摇臂中的传动部件都做了具体分 析计算，重点对轴承的寿命进行了估算。包括摇臂减速器的布局设计及三 维建模。文中主要介绍了目前国内外采煤机的研究现状及未来发展趋势， 同时介绍了采煤机的类型、工作原理和主要组成，还介绍了采煤机摇臂的 具体结构。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 在设计过程中，主要对减速器传动方案的确定和相关组件的计算和设 计，重点完成了采煤机摇臂高速区轴承振动特性与故障分析。首先，完成 了对摇臂减速器的传动比分配，转速及传递功率的计算，其次，完成了采 煤机摇臂壳体内一轴、二轴、三轴、四轴、五轴和各轴传动齿轮的设计及 校核，简单介绍了行星轮系的装配关系确定和强度校核。再次，重点对摇 臂高速区轴承的振动特性进行详细分析。最后，对采煤机摇臂进行了三维 建模，仿真。 关键词关键词：采煤机；摇臂；轴 ABSTRACT The MG160/390- WD shearer is a medium- low power electric haulage shearers mining medium- thick seam, for coal seam thickness of 1.52.92m, mining height 1.33.0m,coal bed pitch less than 35, it can be used for hard coal mining. This paper completed the design of shearer rocker arm, including the layout and three- dimensional modeling of speed reducer, it described the current status of domestic and international coal mining research and future development trends, the type of shearer, working principles and main components，it also introduced the specific structure of shearer rocker. In the design process, completed the calculation and design of the reducer drive scheme and related components. First, completed the rocker reducer transmission ratio , speed and transfer power distribution calculation. Secondly, the completion of the design and check of five shafts and the shaft driving gears inside the rocker arm shell,simply introduced the assembly relationships and intensity checking of the planetary gear train. Thirdly, the completion of the selection and check the spline for connection. Finally, the three- dimensional modeling. Keyword: shearer; rocker arm;axis 目目 录录 1 绪论绪论 . 1 1.1 设计思路的提出 . 6 1.2 采煤机概述 . 7 1.2.1 采煤机分类及组成 . 7 1.2.2 滚筒采煤机工作原理 . 8 1.3 采煤机械化的发展与趋势 . 9 1.4 本章小结 . 10 2 摇臂整体方案确定摇臂整体方案确定 . 11 2.1 MG160/390-WD 型采煤机简介 . 11 2.1.1 主要技术参数 . 11 2.1.2 MG160/390-WD 型电牵引采煤机截割部组成 . 12 2.1.3 截割部电动机的选择 . 13 2.2 摇臂具体结构设计方案的确定 . 13 2.3 传动方案的确定 . 14 2.3.1 传动方式确定 . 14 2.3.2 传动比的确定 . 15 2.4 传动比的分配 . 16 2.5 传动效率选择 . 17 2.6 摇臂的润滑 . 17 2.7 本章小结 . 18 3 传动系统设计传动系统设计 . 19 3.1 各级传动转速、功率、转矩的确定 . 19 3.2 齿轮设计及强度效核 . 20 3.2.1 齿轮 2 和齿轮 3（惰轮 1）的设计及强度效核 . 21 3.2.2 齿轮 4 和齿轮 5 设计及强度效核 . 22 3.2.3 齿轮 6 和齿轮 7（惰轮）设计及强度校核 . 24 3.2.4 验算齿轮 3 和齿轮 6 是否干涉 . 25 3.2.5 行星齿轮设计及强度校核 . 26 3.3 轴的设计校核与轴承选用 . 34 3.3.1 轴的设计及强度效核 . 34 3.3.2轴的设计及强度效核 . 38 3.3.3轴的设计及强度效核 . 43 3.3.4轴的设计及强度效核 . 46 3.3.5轴的设计及强度效核 . 49 3.4 轴承的寿命校核 . 52 3.4.1 轴轴承的寿命校 . 52 3.4.2 轴轴承的寿命校核 . 53 3.4.3轴轴承的寿命校核 . 54 3.4.4轴轴承的寿命校核 . 54 3.4.5轴轴承的寿命校核 . 55 3.5 花键的选择与强度校核 . 56 3.5.1 轴花键的强度校核 . 56 3.5.2 轴花键的强度校核 . 57 3.6 本章小结 . 58 4 摇臂的三维建模摇臂的三维建模 . 60 4.1 基于 PROE 的参数原理 . 60 4.2 基于 PROE 的模拟仿真 . 60 4.3 减速器参数化设计及仿真的总体方案及技术路线 . 60 4.4 摇臂三维实体建模 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 4.5 本章小结 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 结论结论 . 错误！未定义书签。 参考文献参考文献 . 错误！未定义书签。 致致 谢谢 . 错误！未定义书签。 1 1 绪论绪论 我国是一个多煤少油贫气的国家，已探明的煤炭储量占世界煤炭储 量的 33.8，可采量位居第二，产量位居世界第一位。煤炭在我国一次 性能源结构中处于绝对主要位置，50 年代曾高达 90。随着大庆油田、 胜利油田及天然气等的开发和利用，一次性能源结构才有了一定程度的 改变， 但近二十年来煤仍然占到 70以上， 在今后相当长的一段时间内， 煤炭作为我国主要能源形式还将长期占着重要地位。 在 2009 年度中国可持续能源发展战略研究报告中，20 多位院 士一致认为，到 2010 年煤炭在一次性能源生产和消费中将占 60左右； 到 2050 年，煤炭所占比例不会低于 50。可以预见，煤炭工业在国民 经济中的基础地位，将是长期的和稳固的，具有不可替代性 12。 而作为我国特大煤炭生产基地，神东矿区（指神东公司所属矿井） 2010 年生产原煤达 2 亿吨，占全国煤炭产量 6%强，其高效的生产、管理 模式，有力地促进了我国煤炭行业生产方式的转变，正积极地引导着中 国煤炭工业向现代化、信息化、数字化方面发展，为我国煤炭工业的安 全健康发展，起了积极的示范促进作用。 神东矿区自 2005 年在全国率先成为亿吨矿区以来， 更是以每年 2000 万吨的增长速度快速发展， 在 2010 年又在全国率先成为 2 亿吨特大生产 基地。目前，神东矿区常年综采工作面保持在 30 个左右，年安装回撤工 作面达各达 50 多个， 其高产高效的生产管理模式有力地支撑起神东矿区 的快速发展并引起世界煤炭工业广泛关注。 作为综采工作面关键设备之一，神东矿区全部引进先进世界上采煤 国家大功率、高强度采煤机，典型如德国 EICKHOFF SL 型采煤机、美国 LS 系列采煤机， 总装机功率最大已达2590KW， 如EICKHOFF SL 1000 -6698 采煤机目前在神东矿区补连塔矿使用，其单截割电机功率达 1000KW，滚 筒直径达 3.5 米，采高范围可达 7 米，是目前世界上在用的最大电牵引 交流变频双滚筒采煤机。 自神东矿区 1994 年正式引进世界范围内先进采矿设备以来，截止 2010 年，采煤机目前已引进达 45 台。随着采煤机过煤量（采煤机寿命 2 期内产量）的大幅度提高，人停机不停、高强度的生产模式，设备的老 化现象严重，故障率特别是关键部件故障率大幅度升高，已在一定程度 上制约着综采工作面制约产量的提高，影响到矿井均衡生产计划，进而 甚至影响到矿区高产高效模式。如 2007 年神东矿区补连塔煤矿 31401 综 采工作面一台 EICKHOFF SL 6459 电牵引采煤机因右摇臂齿轮箱行星头故 障，由于故障原因不明，现场判断处理不当，最后不得不整体更右换截割 部摇臂齿轮箱，直接设备部件经济达 450 万元，影响生产达 38 个小时，影 响产量达 6 万吨，间接损失 3000 多万元，造成严重生产事故，影响较大3。 采煤机截割部摇臂齿轮箱作为采煤机关键部件，直接承担综采工作面 截割动力传动的重任，据对神东矿区近年来进口采煤机摇臂齿轮箱故障率 的统计， 平均摇臂齿轮箱又占采煤机故障率的 34.2%， 且有呈现逐年上升的 趋势。 表 1-1 摇臂齿轮箱占采煤机故障率统计表3 年份 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 摇臂故障率 27.5% 33.3% 29.4% 34.6% 38.5% 36.2% 39.8% 由于其与一般工业用齿轮箱安装方式不一样，现代典型先进的采煤 机截割摇臂齿轮箱， 其连接方式为截割电机+摇臂齿轮箱+螺旋截割滚筒， 截割部作为一个整体与采煤机机身通过摇臂连接板（俗称摇臂耳座）销 轴连接， 截割部随着综采工作面采煤机截割煤生产工艺而上下前后调整， 摇臂齿轮箱一方面随煤壁采高的不同而上下调整，另外一方面随着采煤 机截割煤壁方向而前进或后退，这种复杂的安装接方式决定了采煤机摇 臂齿轮箱随着采煤机截割部上下前后移动，运行工况十分复杂。随着设 备的老化和高强度生产模式（平均一天检修 3 小时，生产约 20 小时）作 为采煤机最薄弱部件，摇臂齿轮箱承担着采煤机故障最主要故障源，极 大地制约着综采工作面的产量的提高。 一直以来，由于煤矿行业生产环境恶劣，煤炭工业经济发展不景气， 煤矿工人素质普遍低，专业人才的缺乏，技术力量的落后，严重制约了 采矿设备故障诊断维修水平的发展，煤矿企业设备管理水平大大落后于 一般工业企业，如电力行业、钢铁行业。许多国产采矿设备开机率极低， 可靠性非常差，有的甚至在设备安装调试阶段就出现这样故障或那样问 3 题而现场不能解决，最后只能拉回设备生产厂家解决，即便是下井设备 也经常出现故障而不能正常有效运转，极大了影响到煤矿安全生产水平 的提高和煤炭产量的提升。 作为采煤机摇臂齿轮箱，因其安装、运行方式的特殊，目前在我国 国有重点煤矿一般采用油液铁谱分析技术对摇臂齿轮箱状态进行监测， 铁谱分析是通过铁谱技术对齿轮箱润滑油液磨损颗粒的大小、形态、面 积、特征等参数进行定性或定量的分析摇齿轮箱齿轮箱工作状态的现状 及发展趋势。然而铁谱分析技术最大的缺点就是受制于人为因素、量大 繁杂费时，不能及时准确快速地在现场判断摇臂齿轮箱工作状态，在生产 实践中不能及时准确满足现场实际需要。 随着近二十年来设备状态监测与故障诊断技术的快速发展，特别是针 对齿轮箱故 障诊断技术理论与实践的成熟，机械振动监测、信号处理、状态识别用于 齿轮箱故障 诊断取得巨大的成功，本课题根据对齿轮箱振动故障机理分析、信号测试 采集技术、 故障特征提取分析，试将机械振动故障诊断方法应用于煤矿现场采煤机摇 臂齿轮箱故 障诊断中，提高了摇臂齿轮箱工作可靠性，预知设备状态，确保了安全 生产；降 低了煤矿工人劳动生产强度、节约生产成本、提高了采煤机开机率；积 极推广先 进的设备故障诊断技术于矿山设备管理中，促进矿山设备管理水平的提 高，促进 了矿井高产高效生产模式的发展。 1.1 国内外研究现状 1.1.1 齿轮箱故障诊断研究的国内外现状齿轮箱故障诊断研究的国内外现状 设备状态监测与故障诊断(Equipment Condition Monitoring and Faults 4 Diagnosis)是随着现代科学技术的进步及设备管理水平的提高而快速发展起 来的一门综合性高新技术, 它以机械、力学、电子、数学、物理、计算机及 人工智能技术等多个学科作为基础， 作为一门新型实用技术, 它广泛地应用 到世界范围内工矿企业设备管理实践中，并取得了可观的社会效益和经济 效益4。 设备故障诊断发展历程大致经历了如下三个阶段： 第一个阶段是设备故障诊断技术的初级阶段，20 世纪六十年代以前, 设备故障诊断主要以现场工人直观判断或专家传统经验为主, 诊断结论往 往是对现场设备故障现象作简单的定性分析, 主要特点是结合传统生产实 践经验对设备状态作出简单的判断, 极大地受制于个人经验水平; 第二阶段是设备故障诊断快速发展阶段, 20 世纪六十年代以后, 随着 现代科学技术水平的大幅度快速跃进, 以传感器技术、 测试技术及信号处理 技术为基础现代设备故障诊断技术得到极大发展，设备故障诊断理论快速 发展，故障诊断系统、仪器的大量研制，诊断方法百花齐放，尤其以机械 振动信号测试、信号分析处理、故障特征提取为基础的振动故障诊断技术 在机械设备故障诊断中得到广泛应用； 第三阶段是设备故障诊断智能诊断技术阶段，20 世纪 80 年代中期以 后，机电设备日益向大功率、多功能化、复杂化、智能化方向发展，而随 着人类科技文明的进一步发展，设备故障智能诊断技术也得到了飞速发展， 基于知识的人工智能故障诊断系统层出不穷，如故障诊断专家系统、模糊 故障诊断系统、灰色理论、人工神经网络、远程网络故障诊断等等新概念 诊断模式在生产实践中得到进一步的推广应用5。 齿轮箱状态监测与故障诊断的研究最早始于 20 世纪 60 年代，根据诊 断方法一般可以分为两大类：一类是根据摩擦磨损理论，通过铁谱技术分 析齿轮箱润滑油中的磨屑颗粒性质大小特征来诊断齿轮箱的运行状况及发 展趋势，目前在某些行业也广泛应用，如神东矿区采煤机、刮板运输机等 矿山设备采取铁谱分析技术来对各类关键齿轮箱状态作监测，并取得一定 的效果；另一类则通过对齿轮运行中的动态信号分析处理来诊断齿轮箱的 运行状况，由于振动信号便于采集记录、信号处理技术的飞速发展以及不 易受到干扰等优点，在世界各国工业设备管理中更大范围内被广泛采用6。 5 目前齿轮箱故障诊断研究主要集中在齿轮箱故障机理研究、 振动信号处 理和典型故障特征的提取、诊断方法和人工智能技术的应用及齿轮箱状态 监测系统和仪器研制四个方面。 （1）齿轮箱故障机理的研究 故障机理研究是设备状态检测与故障诊断的理论基础，是获得正确诊 断结果的前提条件。它是以现代数学、线性和非线性动力学理论、动力学、 材料力学、摩擦学、振动与噪声、物理、计算机技术等众多学科为基础， 根据所研究对象的故障特点，结合数字模拟仿真和实验研究，建立设备故 障对应的数学物理模型，模拟故障的动力学特性，最后通过实验验证, 了解 故障的形成与发展过程，从而掌握故障的产生原因及故障与特征之间的复 杂关系7。 早在一百多年前，人们就已经开始对齿轮箱的振动和噪声机理进行了 研究。但直到上个世纪六十年代中期，齿轮的振动和噪声才成为评价一个 齿轮箱传动系统好坏的重要因素，并引起了世界范围内各国学者的广泛关 注。英国学者 Hoptiz 在 1968 年就齿轮振动与噪声的机理，发表了一些著 名的研究报告，其中阐述了齿轮箱的振动和噪声是传动功率和齿轮传动误 差及齿轮精度的函数。 另外， 如美国的 Buckingham 和德国的 Niemann 也对 齿轮箱的振动和噪声机理作出了自己的研究。我国很多学者教授对齿轮箱 故障机理也很了很多研究，如丁康等对齿轮箱典型故障振动特征与诊断策 略进行了研究、李润芳等研究齿轮系统动力学，研究齿轮振动、冲击及噪 声机理，研究表明啮合刚度、啮合误差、及啮合冲击内部激励是齿轮振动 是根本因素，并研究了齿轮系统振动分析模型。在齿轮箱轴承故障诊断方 面也开展了大量的理论及实践研究。近年来，国内大批科研院所博士硕士 在相关科研课题资金资助下大量开展齿轮箱故障诊断研究工作，并取得了 可喜的研究成果。 （2）振动信号处理 信号处理与典型故障特征提取技术是通过对传感器采集的信号进行 有效的分析与处理，提取出能敏感反映设备运行状态的典型故障特征信息。 齿轮箱振动信号的处理是齿轮箱故障诊断的关键，国内外学者在这方面研 究取得了重要的成果。近几十年来，信号处理技术经历了由时域频域 6 时频域发展过程。传统的时域分析包括时域波形分析、时域参数统计分析， 包括最大值、峰峰值、均值、均方值、和方差等，及无量纲的特征值指标， 其中有方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指标、峰值指标、脉 冲指标、裕度指标等。基于传统的傅里叶变换的经典的频谱信号分析方法， 如频谱分析、倒频谱分析、细化分析、Hilbert 包络解调分析等在指导齿轮 箱等机电设备故障诊断实践应用中取得了巨大的成果，目前我国研制的大 多数设备故障诊断仪器最普遍配置基础频谱分析功能，基本能满足实际生 产需要。但是傅里叶变换对是建立在信号平稳性假设理论基础之上的一种 时域和频域的全局性变换，它对分析平稳（或准平稳）程的振动信号是十 分有效，但对非平稳性信号则表现不尽人意，不能很好地提取非稳性信号 的特征。由于机械设备在运行过程中由于阻尼、刚度、弹性等非线性及动 态响应的非线性，反映在其振动信号上也具有非平稳性。当齿轮箱发生冲 击、碰摩、裂纹故障障时，其振动信号往往表现非平稳性，因此信号非平 稳性是设备故障的最根本表征。对于这些非平稳性振动信号必须用非平稳 信号处理方法，即时频分析，如短时傅里叶变换（Short Time Fourier Transform， STFT） 、 Wigner- Ville 分布、 小波变换 （Wavelet Transform， WT） 、 Hilbert- Huang 变换、信号肓源分析、双线性时间频率变换等时频分方法。 1.2 设计思路的提出 采煤机是煤矿综采工作中的关键机械设备之一，大功率、高强度、高可 靠性是现代采煤机发展方向。然而作为采煤机可靠性最为薄弱环节，摇臂 齿轮箱频繁出现机械故障，据统计，近年来其平均故障率占采煤机故障率 的 34.2%，已严重制约着采煤机开机率的提高，影响到煤矿综合采集作业的 均衡生产。齿轮箱主要有齿轮、轴、轴承和机架四个部分组成。本课论文 只从采煤机摇臂高速区轴承振动特性与故障分析方面进行简单讨论研究。 本文在查找大量资料的基础之上，首先针对课题研究的背景、意义及国内 外研究现状进行分析论述，找到采煤机摇臂高速区故障诊断的难点及特点 7 及现有方法的不足，再通过对摇臂齿轮箱安装、运行工况进行分析，详细 分析其结构、常见故障模式，研究高速区轴承振动故障机理。由于煤矿井 下生产环境恶劣，摇臂齿轮箱安装特殊性，由于实际问题限制，以仿真软 件对工况进行模拟仿真来代替在现场检测在目前国内采煤机市场，中厚煤 层重型采煤机在研发、设计、制造和使用方面中占据着主导地位，中厚煤 层采煤机技术日益成熟，有着广阔的提升空间。目前国内生产这类型采煤 机的大型企业有西安煤矿机械厂、鸡西煤矿机械厂、佳木斯煤矿机械厂等， 其中以鸡西煤矿机械厂设计生产的MG160/390-WD型电牵引采煤机也是典型 代表，该机在国内有着广泛的应用，得到众多煤矿的好评。本设计是在其 成功的设计思想和理念基础上，对其摇臂进行设计，分析高速区轴承振动 与三维建模。 1.2 采煤机概述 1.2.1 采煤机分类及组成采煤机分类及组成 采煤机有不同的分类方法：按工作机构形式可分为滚筒式、钻削式和 链式采煤机；按牵引方式可分为链牵引和无链牵引采煤机；按牵引部位置 可分为内牵引和外牵引；按牵引部动力可分为机械牵引、液压牵引与电牵 引；按工作机构位置可分为额面式与侧面式；还可以按层厚和倾角来分类。 现在我们所说的采煤机主要是指滚筒采煤机，这种采煤机适用范围广，可 靠性高，效率高，所以现在使用很广泛。 滚筒采煤机的组成如图 1.1 所示。 现代采煤机基本上都使用模块化设计，采用多电机横向布置，结构取消 了螺旋伞齿轮，各主要部件通过高强度液压螺栓联接，之间没有动力传递， 结构简单，传动效率高，传动可靠，维修和检查方便；采煤机的牵引部分 8 也采用了无链牵引，牵引啮合效率高，不会出现断链事故工作更安全。 图 1.1 双滚筒采煤机 1.2.2 滚筒采煤机工作原理滚筒采煤机工作原理 双滚筒采煤机工作时， 前滚筒割顶煤， 后滚筒割底部煤并清理浮煤。（双 滚筒采煤机的工作原理如图 1.2 所示）因此双滚筒采煤机沿工作面牵引一 次，可以进一次刀；返回时，又可以进一刀，即采煤机往返一次进两次刀， 这种采法称为双向采煤法。 图 1.2 双滚筒采煤机工作原理 为了使滚筒落下的煤能装入刮板输送机， 滚筒上的螺旋叶片螺旋方向必 须与滚筒旋转方向相适应：对顺时针旋转（人站在采空侧看）的滚筒，螺 旋叶片方向必须右旋；逆时针旋转的滚筒，其螺旋叶片方向必须左旋。或 者形象的归结为“左转左旋；右转右旋” ，即人站在采空区从上面看滚筒， 截齿向左的用左旋滚筒，向右的用右旋滚筒。 9 双滚筒采煤机有自开缺口的能力，当采煤机割完一刀后，需要重新将滚 筒切入一个截深，这一过程称为进刀。常用的进刀方式有两种： 1端部斜切法 利用采煤机在工作面两端约 2530m 的范围内斜切进刀称端部斜切进 刀法； 2中部斜切法（半工作面法） 利用采煤机在工作面中部斜切进刀称为中部斜切法。 1.3 采煤机械化的发展与趋势 机械化采煤开始于上世纪 40 年代，是随着采煤机械（采煤机和刨煤机） 的出现而开始的。40 年代初期，英国、苏联相继生产了采煤机，联邦德国 生产了刨煤机，使工作面落煤，装煤实现了机械化。但是当时的采煤机都 是链式工作机构，能耗大、效率低，加上工作面输送机不能自移，所以生 产率受到一定的限制。 50 年代初期，英国、联邦德国相继生产了滚筒采煤机、可弯曲刮板输 送机和单体液压支柱，大大推进了采煤机械化的发展。由于当时采煤机上 的滚筒是死滚筒，不能实现调高，因而限制了采煤机械的适用范围，我们 称这种固定滚筒的采煤机为第一代采煤机。因此，50 年代各国的采煤机械 化的主流还只是处于普通水平。虽然在 1954 年英国已经研制出了液压自移 式支架，但是由于采煤机和可弯曲刮板输送机尚不完善，综采技术仅仅处 于开始试验阶段。 60 年代是世界综采技术的发展时期。第二代采煤机单摇臂滚筒采煤 机的出现， 解决了采高调整的问题， 扩大了采煤机的适用范围； 特别是 1964 年第三代采煤机双摇臂采煤机的出现，进一步解决了工作面自开缺口 10 问题；再加上液压支架和可弯曲刮板输送机的不断完善，滑行刨的研制成 功等，把综采技术推向了一个新水平，并在生产中显示了综合机械化采煤 的优越性高效、高产 、安全和经济，因此各国竞相采用综采技术。 进入 70 年代，综采机械化得到了进一步发展和提高，综采设备开始向 大功率、高效率及完善性能和扩大使用范围等方向发展，相继出现了功率 为 7501000KW， 生产率达 1500T/H 的刮板输送机， 以及工作阻力达 1500KN 的强力液压支架等。 1970 年采煤机无链牵引系统的研制成功以及 1976 年出 现的第四代采煤机电牵引采煤机，大大改善了采煤机的性能，并扩大了 它的使用范围。 目前，各主要产煤国家已基本上实现了采煤机械化。衡量一个国家采煤 机械化水平的指标是采煤机械化程度和综采机械化程度。 采煤机械化的发展方向是：不断完善各类采煤设备，使之达到高效、高 产、安全、经济；向遥控及自动控制发展，并逐步过渡到无人工作面采煤； 提高单机的可靠性，并使之系列化、标准化和通用化；研制厚、薄及急倾 斜等难采煤层的机械设备。 1.4 本章小结 本章为论文的绪论部分，主要是对设计题目的分析,重点介绍了采煤机 的分类、组成、工作原理、进刀方式、发展及趋势。 11 2 摇臂整体方案确定摇臂整体方案确定 2.1 MG160/390- WD 型采煤机简介 MG160/390-WD 无链电牵引采煤机，装机总功率 390KW，截割功率 2160KW，牵引功率 230KW。MG160/3900-WD 无链电牵引采煤机，采用多 电机驱动横向布置形式，截割摇臂用销轴与牵引部联接，左、右牵引部及 中间箱，采用高强度液压螺栓联接。在牵引减速箱内横向装有开关磁阻电 机，通过牵引机构为采煤机牵引力，中间控制箱装有调高油缸，电控、变 压器、水阀，每个主要部件可以从老塘侧抽出，易维修，易更换。 其主要用途及适用范围： MG160/390WD 无链电牵引采煤机一般适用于 中厚煤层的开采，倾角小于 35 度，煤质中硬或中硬以上，含有少量夹矸的 长壁式工作面。本论文以 MG160/390WD 为基础进行讨论设计。 2.1.1 主要技术参数主要技术参数 该机的主要技术参数如下表 2.1： 12 表 2.1 采煤机主要技术参数 采高 m 1.3- 3.0 截深 m 0.6 适应倾角 35 适应煤质硬度 f4 滚筒转速 r/min 46，52 滚筒直径 mm 1250,1400,1600 摇臂形式 整体弯摇臂 摇臂长度 mm 1700 摇臂回转中心距 mm 5813 摇臂摆角 42，- 19.7 牵引速度 m/min 0- 7 牵引型式 交流变频调速无链牵引 机面高度 mm 1100 最小卧底量 mm 410 灭尘方式 内外喷雾 装机功率 KW 391 电压 v 1140 2.1.2 电牵引采煤机截割部组成电牵引采煤机截割部组成 截割部主要完成截煤和装煤作业，主要组成部分有：截割电动机、摇 臂减速箱、内外喷雾系统和截割滚筒等。截割部为整体弯摇臂结构，即截 割电机、减速器均设在截割机构减速箱上，与牵引部铰接和调高油缸铰接， 油缸的另一端铰接在牵引部上，当油缸伸缩时，实现摇臂升降。支承组件 固定在左、右牵引部上，与行走箱上的导向滑靴一起承担整机重量。 摇臂减速箱主要由壳体、输入轴部件、惰轮、行星齿轮减速器、滚筒联 接装置及内外喷雾等装置组成。摇臂的作用是将截割电动机的动力传递到 13 滚筒使之旋转采煤，同时通过调高油缸的行程控制滚筒的升降。 2.1.3 截割部电动机的选择截割部电动机的选择 由设计要求知，截割部功率为 2160KW，即每个截割部功率为 160KW。 根据矿下电机的具体工作情况，要有防爆和电火花的安全性，以保证在有 爆炸危险的含煤尘和瓦斯的空气中绝对安全;而且电机工作要可靠，启动转 矩大，过载能力强，效率高。据三相鼠笼异步防爆电动机 YBCS4-160（B）, 其主要参数如下： 表 2.2 YBCS4-160(B)主要技术参数 额定功率：400KW； 额定电压：1140V 额定转速：1480r/min 接线方式：Y 额定频率：50HZ; 冷却方式：外壳水冷 该电机总体呈圆形, 其电动机输出轴上 带有渐开线花键，通过该花 键电机将输出的动力传递给摇臂的齿轮减速机构。 2.2 摇臂具体结构设计方案的确定 系列化、标准化和通用化是采掘机械发展的必然趋势。所以，这里把 左右摇臂设计成对称结构，摇臂减速箱完全互换，只是摇臂壳体分左右。 为加长摇臂，扩大调高范围，摇臂内常装有若干惰轮，致使截割部齿数较 多。同时由于行星齿轮为多齿啮合，传动比大，效率高，可减小齿轮模数， 故末级采用行星齿轮传动可简化前几级传动。 （1） 壳体：采取直臂形式，用 ZG25Mn 材料铸造，并在壳体内腔表面设置 有八组冷却水管。 （2）轴 ：轴齿轮，轴承，端盖，密封座，套筒，密封件组成，通过以 花键联接的扭矩轴与截割电机联接。 （3）：为惰轮组，轴齿轮，轴承，端盖，密封件，密封座组组成。 14 （4）轴：齿轮，轴承，端盖，密封座，套筒，密封件组成。 （5）轴：齿轮，轴承，端盖，密封座，套筒，密封件组成。 （6）轴：齿轮，轴承，端盖，密封座，套筒，密封件组成。 （7）轴：惰轮组，轴齿轮，轴承，端盖，密封件，密封座组组成。太阳 轮通过花键联接将动力传递给行星减速器。 （8）行星减速器：太阳轮，行星轮，内齿圈，行星架和轮轴，轴承，套筒 组成。该行星减速器有三个行星轮系，太阳轮浮动，行星架靠两个套筒轴 向定位，径向有一定的配合间隙。 （9）中心水路：水管和接头组成。 （10）离合器：离合手把，压盖，转盘，推杆轴，扭矩轴等组成。 2.3 传动方案的确定 2.3.1 传动方式确定传动方式确定 其传动系统如图 2.1，建模如图 2.2： 图 2.1 传动系统图 表 2.3 传动系统图明细表 15 序号 名称 序号 名称 序号 名称 1 电动机 8 齿轮 4 15 太阳轮 2 轴 9 齿轮 5 16 转臂 3 齿轮 1 10 轴 17 内齿圈 4 轴 11 齿轮 6 18 齿轮 8 5 齿轮 2 12 轴 19 轴 6 轴 13 齿轮 7 20 箱体 7 齿轮 3 14 行星轮 图 2.2 摇臂三维建模 2.3.2 传动比的确定传动比的确定 总传动比 总 i 17r/min.32 46 1480n I= 滚 总 n 16 n 电动机转速 r/min 滚 n滚筒转速 r/min 2.4 传动比的分配 多级传动系统传动比的确定有如下原则： (1) 各级传动的传动比一般应在常用值范围内，不应超过所允许的最 大值，以符合其传动形式的工作特点，使减速器获得最小外形。 (2) 各级传动间应做到尺寸协调、结构匀称；各传动件彼此间不应发 生干涉碰撞；所有传动零件应便于安装。 (3) 使各级传动的承载能力接近相等，即要达到等强度。 (4) 使各级传动中的大齿轮进入油中的深度大致相等，从而使润滑比 较方便。 采煤机一般需要 34 级减速，对于中厚煤层采煤机采用 2K-H(NGW)负 号行星齿轮传动时，行星齿轮安在最后一级比较合理。采煤机每级传动比 一般为i34（行星齿轮传动可达 56） ，传动比应从高速级向低速级递 减。在初步设计时可按() 1 jj ii/ j i=20%30%。本次设计采用 NWG 型行星减 速装置，其原理如图 2.3 所示： a-太阳轮 b-内齿圈 g-行星轮 x-行星架 图 2.3 NWG 型行星减速装置 这种型号的行星减速装置，效率高、体积小、重量轻、结构简单、制 17 造方便、传动功率范围大，可用于各种工作条件。查阅文献4,采煤机截 割部行星减速机构的传动比一般为 2.89。这里定行星减速机构传动比 5= b ag i，则其他三级减速机构总传动比： 总 II = b ag i31.965=6.39。 由于采煤机机身高度受到严格限制，每级传动比一般为 ; 43 j i 根据 前述多级减数齿轮的传动比分配原则和摇臂的具体结构， 据文献8，ji、 1+j i 分别为高速级和低速级的传动比。 初定各级传动比为： 41. 2 1= i，85. 1 2= i， 42 . 1 3= i; 以 此 计 算 三 级 减 速 传 动 比 的 总 误 差 = （31.69-2.411.851.425)/31.69=1,在误差允许范围 5内，合适。 2.5 传动效率选择 圆柱齿轮传动选择 8 级传动，查得知传动效率 = 2 0.97；扭矩轴= 1 0.99；滚动轴承= 3 0.98（一对） ，行星齿轮传动 = 4 0.98。 2.6 摇臂的润滑 采煤机截割部因传递功率大而发热严重，其壳体温度可高达 100， 因此传动装置的润滑十分重要。 减速箱中最常用的润滑方法是飞溅润滑，将一部分传动零件浸在油池 中，靠它们向其他零件供油和溅油，同时油甩到箱壁上，以利散热。油面 的位置应使齿轮副的大齿轮浸在油中 1/31/4 中。飞溅润滑的优点是：润 滑强度高，工作零件散热快，不需润滑设备，对润滑油的杂质和粘度下降 不敏感。 摇臂内的传动零件的润滑是个特殊问题，截割顶部煤时滚筒上升，摇 臂端部齿轮得不到润滑；割底煤时滚筒下降，润滑油集中在摇臂端部。为 此常规定滚筒割煤一段时间后，应停止牵引，将摇臂下降，以润滑端部齿 18 轮，然后继续上升工作。 2.7 本章小结 本章是论文的整体方案确定部分，主要包括采煤机截割电机的选择、 摇臂的具体结构设计、传动方案选择、传动比分配、传动效率确定、及润 滑方式的选择，进而在此基础上进行传动系统的设计和校核. 19 3 传动系统设计传动系统设计 3.1 各级传动转速、功率、转矩的确定 各轴转速计算： 从电动机开始计算，各轴依次命名为、轴。 轴 0814 1= n/rmin 轴 = 2 n0814 1= n/rmin 轴 = 3 n= 12/i n14802.41=614.12min/r 轴 = 234 /inn614.12/1.85=331.96min/r 轴 min/77. 32342 . 1 /96.331/ 345 rinn= 轴 min/77. 323 56 rnn= 各轴功率计算： 轴 = 11 PP1600.99=158.4kW 轴 = 3212 PP158.40.970.98=150.58kW 轴 = 3223 PP150.580.970.98=143.14kW 轴 = 3234 PP143.140.970.98=136.07kW 轴 = 3245 PP136.070.970.98=129.35kW 轴 = 3256 PP129.350.970.98=122.96kW 各轴扭矩计算: 轴 m n P T11N.1022 1480 4 . 158 95509550 1 1 1 = 20 轴 95509550 2 2 2 = n P T= 8014 58.150 971.65mN 轴 95509550 3 3 3 = n P T 12.146 14.143 = 2225.13mN 轴 95509550 4 4 4 = n P T 96.313 07.136 =3914.53mN 轴 95509550 5 5 5 = n P T 71.329 35.129 =3746.6mN 轴 95509550 6 6 6 = n P T 3.7723 6.9122 =5023.18mN 将上述计算结果列入下表,供以后设计计算使用 表 3.1 传动系统的运动和动力参数表 轴号 功率/kW 转速 n/(rmin 1 ) 转矩 T/(Nm) 轴 158.4 1480 1022.11 轴 150.58 1480 971.65 轴 143.14 614.12 2225.13 轴 136.07 331.96 3914.53 轴 129.35 233.77 3746.96 轴 122.96 233.77 5023.18 3.2 齿轮设计 这里主要是根据查阅的相关书籍和资料，借鉴以往采煤机截割部传动 系统的设计经验,思路如下：初步确定各级传动中齿轮的齿数、转速、传动 的功率、转矩以及各级传动的效率，进而对各级齿轮模数进行初步确定。 截割部齿轮的设计及强度效核，具体计