（机械制造及其自动化专业论文）淤煤装载机提装部减量化设计与分析.pdf

摘要 摘要 在矿井的正常运行和安全生产中，水仓淤煤的清理十分重要。现行的煤矿水 仓淤煤清理机械大多还存在一些问题，比如设计的安全系数偏高，制造过程不够 节约和环保等。为了使淤煤清理机械的安全系数更合理化，减小其体型并提高安 全性，使设计和制造过程符合节能减排的理念，提出了“淤煤装载机减量化设计 研究”的课题。本文是在前期工作的基础上针对淤煤装载机的提装部进行减量化 设计与分析。 首先，介绍了淤煤装载机的整体结构和工作原理，并阐述了矿用机械减量化 设计的含义与目的，结合国内外研究现状，指出了对淤煤装载机减量化研究的必 要性。并从材料和结构形式上对淤煤装载机提装部各零、部件进行减量化筛选设 计，为整机减量化打下基础。 其次，利用p r o e n g i n e e r 软件建立了淤煤装载机提装部的重要组成部分提 装槽的三维模型，在a n s y s 软件中对其模型进行静态分析，得到了静态载荷作用 下结构的节点变形、应力和应变图。分析结果证明了原提装槽的结构满足刚度和 强度要求，并具有一定的优化空间。为使提装槽的设计最优化，分别从改变模型 的结构参数和材料属性方面进行优化，再次进行有限元分析，以达到减量化设计 的目标。 然后，利用a n s y s 软件对优化后的提装槽的动态特性进行分析和校核。通过 模态分析得到提装槽的前六阶固有频率和振型，通过谐响应分析获得不同频率时 响应值的变化曲线。分析结果证明提装槽在减量化设计后其动态性能稳定。 最后，对淤煤装载机提装部的减量化设计进行绿色设计评价，探讨了淤煤装 载机减量化设计的一般方法，为以后类似机械的减量化设计提供理论上的参考。 图 5 6 】表【9 参 6 5 】 关键词：淤煤装载机；减量化；提装槽；有限元分析；优化 分类号：t h 2 4 3 + 2 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t mt h en o 肌a lo p e r a t i o no ft h em i n e 觚d p r o d u c t i o ns a f e 吼c l e a i l i n gt h es i l tc o a li n w a t e rs t o r a g ei sv e r yi m p o n a n t t h ec u l l r e n ts i l tc o a lc l e 锄i n gu pm a c h i n e d ，o fw a t e r s t o r e h o u s ei nc o a lm i n em o s t l ya l s oh a v es o m ep r o b l e m s f o re x 锄p l et 1 1 e d e s i g n s a f e t yc o e 衔c i e n ti sl l i 曲m a i l u f a c t l l r i n gp r o c e s si sn o te c o n o m i c a la 1 1 de n v i r o 啪e n t a l p r o t e c t i o na n ds oo n i no r d e rt or e d u c e 也es i z eo f 1 es i l tc o a lc l e a l l i n gu pm a c h i n e 眄， i n c r e a s ei t ss a f e 哆a i l dg e n e r a l i z a t i o n ，m a k es u r et h ed e s i 印a i l dm a l l u f a c t u r i n gp r o c e s s a c c o r dw i t hm ec o n c e p to fe n e r g ys a v i n ga i l dc o m 锄i n a n tr e d u c t i o n t h et o p i co f “r e d u c t i o nd e s i g na n dr e s e a r c ho ft 1 1 es i hc o a ll o a d e rm a c m n e w a sr a i s e d o nt h e b a s i so ft h ep r e v i o u sw o r k ，c a 仃i e do nt h er e d u c t i o nd e s i g na n d a 1 1 a l y s i so ft h e1 i r i n g a 1 1 dl o a d i n go fs i l tc o a ll o a d e rm a c h i n e f i r s t l y ，t h eo v e r a l ls 咖c t u r ea n dt h ew o r kp r i n c i p l eo ft h es i l tc o a ll o a d e rm a c h i i l e w e r ei n 仃o d u c e d a n dt l l em e 撕n ga l l d9 0 a lo fq u a n t i 哆- r e d u c i n gf o rm i n em a c h m e 巧 d e s 适n w a l s e x p o u l l d e d c o m b i i l i n gd o m e s t i c a r l d f o r e i g nr e s e a r c hs t a _ t u s ， t h e n e c e s s i t i e so ft h er e d u c t i o nr e s e a r c hf o rm es i l tc o a ll o a d e rm a c h i n ew a sp o i n t e do u t t h r o u 曲t h em a t e r i a l sa n ds t n j c t u r e ，t h er e d u c t i o ns c r e e i l i n gw a l sc a 而e do nf o rt l l e p 叭so fl i r i n ga n dl o a d i n go fs i l tc o a ll o a d e rm a c h i n e t 1 1 ef o u i l d a t i o l l so ft h e r e d u c t i o nd e s i g no fm ew h o l em a c h i n ew e r el a i d s e c o n d l y ，u s i n gp r o e n g i n e e rs o 觚a r e ，t h e3 dm o d e l so fl i 衔n ga 芏1 dl o a d i n g 仃o u 曲o fs i l tc o 出l o a d e rm a c h i n e 、v a u sb u i l d i i la n s y ss o r w 鹏，t h e 涮i ca 1 1 a l y s i s f o rl i r i n ga i l dl o a d i n gt r d u g hm o d e lw a l sp r o v i d e d a n dt h e 删i cl o a dr l o d es t m c t u r e d e f o 肌a t i o n ，s n e s sa i l ds 砌nc l o u df i g u r ew e r eg o t t h er e s u l t sp r o v e dt 1 1 a tt 1 1 e s t 九】c t u r eo ft l l el i r i n ga n dl o a d i n g 仃o u g hm e e tt h es t i 丘h e s sa i l ds t r e n g t hr e q u i r e m e n t s ， a 1 1 dh a sc e r t a i ns p a c et oo p t i m i z e 1 1 1o r d e rt om a l ( et h ed e s i 印o ft h el i r i n ga 1 1 dl o a d i n g 仃o u g ho p t i m i z a t i o n ，r e s p e c t i v e l y 疳o mt l l ea s p e c t so fc h a n g i n gt l l em o d e ls t l l t u r e p a r a m e t e r sa n dm a t l ：r i a lp r o p e n i e st oo p t i m i z e i no r d e rt oa c h i e v et 王1 e g o a lo f r e d u c t i o nd e s i 印u s e da n s y ss o f h v a r et om a l ( et h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa g a i n a n dt 1 1 e n ，廿1 ed y n 锄i cc h a r a c t e r i s t i co ft 1 1 eo p t i m i z e dm o d e lo fm el i 衔n ga i l d l o a d i n g 仃o u 曲w e r ea n a l y z e da n dc h e c k e d t l l r o u g h l em o d a la i l a j y s i s ，t h ef i r s ts i x o r d e rn a e u r a l 丘e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d eo ft h el i r i n ga n dl o a d i n g t r o u g hw e r eg o t t h r o u 曲t h eh a n i l o 伍cr e s p o n s ea n a l y s i s ，m ec h a l l g i n gc u n ，e sa tt h ed i 虢r e n t i i a b s t r a c t 疔e q u e n c yr e s p o n s ev a l u e sw e r eg o t n er e s u l t sp r o v e dt h el i 衔n ga 1 1 dl o a d i n g 仃o u 曲 d y n 锄i cp e r f - o n n a n c ei ss t a b l ea r e rt h er e d u c t i o nd e s i g n f i n a l l y ，铲e e nd e s i 印e v a l u a t i o no ft 1 1 er e d u c t i o nd e s i 盟o ft l l el i r i n ga 1 1 dl o a d i n g p a nw a sc a r r i e do n n er e d u c t i o nd e s i 印g e n e r a lm e t h o do fs i l tc o a l l o a d e rm a c h i n e w a sd i s c u s s e d a n dat h e o r e t i c a l r e f e r e n c ef o rs i m i l a rm e c h a n i c a ld e s i g nw a sp r 0 v i d e d f i g u r e 5 6 】t a b l e 【9 】r e f e r e n c e 【6 5 】 k e y w o r d s ： s i l tc o a ll o a d e rm a c h i n e ；r e d u c t i o nd e s i 印；l i r i n ga i l dl o a d i n g 缸d u 曲； f i i l i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；o p t i m i z 砒i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 2 4 3 + 2 1 1 1 引言 引言 当前，煤矿井下水仓淤煤的清理工作仍然是一件困难的事。水中夹杂着碎煤 流入矿井水仓中，时间久了，水仓就沉积了大量淤煤。如果不定期清理淤煤，水 仓不能及时地投入使用，这会直接威胁到矿井的安全采用，因此，井下水仓的定 期清理至关重要。现行的淤煤清理方式已有多种，但是由于淤煤的流动性较强， 清理十分困难，目前大多数煤矿主要还是用人工清理，这种清理方式难度较大、 效率较低，费时费力。根据上述情况和采取的现场资料，利用现代的设计方法和 理论，设计出了一种新型的淤煤装载机来满足清理的需要。 大多煤矿机械的安全系数设计的不尽合理，致使其成本偏高，因而限制了此 类机械的使用和普及。为响应煤矿机械行业节能减排的号召，在保证安全生产的 前提下，对煤矿机械进行减量化设计很有必要。鉴于此，提出了“淤煤装载机减 量化设计理论研究”的课题。由于煤矿井下环境等诸多因素的影响，有必要对本 文所研究的淤煤装载机各部件进行静力学和动力学分析及校核，确保该设备在井 下安全、可靠的运行。由此本文在原课题的基础上提出了“淤煤装载机提装部减 量化设计与分析”的子课题。 本文将运用三维设计软件p r o e n g i n e e r 建立淤煤装载机提装部的核心部分提 装槽的三维模型，将其模型导入有限元分析软件a n s y s 中，对提装槽进行静力 学和动力学分析。根据a n s y s 的分析数据，对结构的刚度及强度进行校核，使 其在安全使用的范围。为使提装槽的重量减轻，安全系数更合理，从改变模型结 构参数和材料属性两个方面对提装槽结构进行优化，并对优化后两种材料的结构 进行动态特性校核。最后，需要对提装部的减量化设计进行绿色评价，并探讨淤 煤装载机减量化设计的流程，为以后的类似机械的减量化设计提供理论上的参考。 1 绪论 1 1 课题研究背景及来源 1 1 1 课题研究背景 1 绪论 目前，煤矿的采掘系统和井下运输系统已基本实现自动化和机械化，这在很 大程度上提高了采煤效率，降低了工人的劳动强度，也保证了煤矿的安全生产n 1 。 然而在煤矿生产过程中，极易产生煤矿安全事故的水仓淤煤清理工作还未能很好 的实现机械化。煤炭在开采过程中，采煤产生的回水以及地下水，会携带着碎煤 和其他杂质流入水仓，随着时间的累积，大量淤煤就会沉积在水仓。特别是地下 水丰富的矿井，由于涌水过多，水仓中淤煤的沉积量会更大，从而大大减少水仓 的有效蓄水容量，如不能按时清理，水仓就不能及时投入使用，对矿井的安全生 产会造成直接威胁，因此有必要对水仓内的淤煤进行定期清理瞳1 。但是井下水仓 淤积物中含水量大，并且工作环境恶劣。就国内矿井来说，目前大部分的淤煤还 是靠人工来清理，不但劳动强度大，而且效率也很低。由于水仓断面有限，不可 能多人同时作业，所以清理周期很长，水仓处在巷道的最低层，一旦发生水灾事 故很容易造成人员伤亡4 1 。为解决水仓淤煤清理的问题，同时达到矿用机械节能 减排的目标，通过调研和收集资料，并利用减量化理念设计了一种新型的淤煤装 载机。其特点是安全可靠，结构简单，有很高的利用率，并且适应市场需求，价 格合理瞄1 。 传统的矿用机械大多是重型机械，体型较大，有些设备为了满足安全需要， 往往造成成本偏高，使得设备的使用和推广受到很大限制。就目前而言可行的清 理设备通常存在的问题就是结构设计不够合理、节能效果不佳、对淤煤的清理不 够彻底等。随着科学技术的发展，设备的节能减排、绿色环保、轻型化、经济实 用等成为发展趋势，同样矿用机械设备也不例外哺棚。为此，本课题采用减量化的 设计理念来设计新型的淤煤装载机。 所谓减量化就是从生产到消费的各个环节都要减少对资源的消耗和废物的产 生。减量化的概念在上世纪的8 0 年代就已提出，在很多领域得到应用，如今，制 造业、环保业和包装业等都在推行减量化的理念和思想引。矿用机械设备的减量 化设计是指通过合理的设计减少在制造过程中对资源的消耗和废物的排放，从而 实现矿用机械的绿色环保、安全可靠、轻型化和小型化，达到节能减排和促进安 全生产的目的”引。本课题的研究将为此提供坚实的理论基础。 安徽理工大学硕士学位论文 1 1 2 课题来源 本课题是在安徽省教育厅自然科学基金项目“煤矿水仓轻型淤煤装载机的研 究”2 0 0 6 3 0 0 b 和安徽省淮南市自然科学基金产学研重点项目“轻型淤煤装载 机的开发 2 0 0 6 7 前期工作的基础上，由安徽理工大学机制及数控研究所确立的 “淤煤装载机减量化设计理论研究”的子课题。 1 2 国内外矿用机械减量化研究现状及存在的问题 1 2 1 国内外研究现状 1 国外研究现状 近年来，国外矿用机械设备在广泛应用新技术的基础上进入了一个新的发展 阶段，其中尤以减量化设计发展迅猛。这种新的设计理念不仅提高了机械设备的 通用性，使设备本身的效能得到充分发挥，降低用户在设备上的投资，还尽可能 地充分利用机械设备作业来代替人工劳动，提高了劳动效率。 目前，国外的机械产品设计过程中正充分贯穿着资源节约设计、创新设计、 智能设计、虚拟设计、协同设计、全生命周期设计等全新的设计理念，这些设计 理论和方法是现代产品设计的主导方向2 j 。智能化、数字化、最优化、创新性 和系统性是现代产品设计理论与方法的主要体现。现代产品设计理论与方法能够 从“传统”的设计理论和方法中脱颖而出，充分体现了现代设计理论与方法的科 学性、前沿性和实用性n 引。 国外先进国家的水仓清理机械，大多自动化程度较高，结构复杂，如德国所 使用的大型全液压履带水仓清理机，缺点是价格偏高，实用性不强，不容易被推 广。随着煤矿安全的要求越来越高，以及煤矿行业经济形势的好转，对水仓淤煤 的清理实现机械化是大势所趋。轻型、实用和经济的水仓淤煤清理设备具有广阔 的应用空间。 2 国内研究现状 近几十年来，我国矿用机械在制造和使用上得到了较大发展。但是在提高煤 炭产量的过程中，我国的矿用设备逐渐暴露出很多缺点，如：设备体积过大并且 比较笨重，自动化程度不高，适应性不强，生产效率较低等。近年来，我国矿用 设备与国外著名厂商( 如韩国现代公司，日本小松公司，美国卡特皮勒公司) 合 作，以及对产品和技术的引进，使得矿用机械行业有了长足的进步，大大提高了 产品的更新换代速度，同时在制造工艺、产品的性能、结构和外观上都有了较大 的改进，还使部分矿用机械设备( 主要是装岩机和装载机等) 销往国外。目前，计 1 绪论 算机辅助设计、智能化设计和满足异地协同设计正在成为国内外机械产品的设计 方向。矿用设备在发展和改进的过程中要结合煤矿实际情况，要满足机械设备的 环保节能性、多重适应性、可持续使用等方面的需求，及时调整机械设备发展的 方向和机械设备的人性化设计，以适应各个不同的需求n 钊。 目前，清理井下水仓的淤煤仍是非常困难的事情。国内设计生产的水仓清理 机械效果较好的有：中央排污水泵、压气排泥罐、铲斗装岩机、耙头装载机以及 q n j 1 1 4 d 型水仓清理机等，这些清理机械，各有其优点和适用范围，但是也有 一定的缺点和局限性，因此均未得到广泛的应用n 5 _ 引。致使国内目前广泛使用人 工对水仓进行定期清理。国内某厂家曾设计生产过一种专用重型水仓清挖机，由 于结构欠佳、实用性不强、成本偏高等原因，也未能使其推广和普及。 1 2 2 存在问题 经过国内外技术人员多年的研究，目前，煤炭开采装载机械已得到很好的发 展。但是国内外的研究多局限于传统的设计的方法，如类比法、经验法等，计算 机辅助设计和智能化设计还没能很好的应用到煤矿机械的设计中。国内外对煤矿 水仓清理机械方面的研究还不是很完善，致使水仓清理机械多为大型、重型机械， 安全系数不合理，成本高，阻碍了在煤矿的推广应用。因此，对淤煤装载机进行 减量化研究很有必要。 1 3 淤煤装载机介绍 该淤煤装载机的主要技术参数如表l 所示。 表l 主要技术参数 t a b l elm a i nt e c h n i c a ld a t a 长( m m )3 2 0 0 宽( m m ) 2 8 0 0 高( m m )2 3 0 0 电机额定功率( k w ) l l 刮板上下浮动角度 3 0 。 装满一矿车淤煤所需时间( s ) 6 0 滚筒转速( r m i n )3 0 巷道内行走速度( 桃)o 1 刮板链速度( i t l m i n ) 1 5 3 2 行走方式电力拖动，轨轮式 安徽理1 = 大学硕士学位论文 1 3 1 淤煤装载机的结构及其工作原理 1 淤煤装载机的结构 淤煤装载机的结构主要是由液压控制系统、行走机构、提装部、给料机构和 动力系统等几部分构成n ”，如图1 所示。其中，提装部分是由提装槽、链轮机构 和刮板链等组成，提装部是淤煤装载机的核心部分；动力系统则是为装载机的滚 筒运行和自身的行走提供动力的。 g 彰 ， 2 l 5 6 萋 n 一 一 一哆 j 。一l 。 鬈 l u 恬三：副：l | ：= 3 3 【= = ；i = 二到：蕞 i 一广一l 彳。一 忝 垂 。 奄 图1 淤煤装载机 l 液压马达；2 提装部；3 制动机构；4 行走装置； 5 操作控制台；6 一螺旋给料部 f i g 1s i l tc o a ll o a d e rm a c h i n e l - h y d r a u l i cm o t o r ；2 - l i r i n ga i l dl o a d i n gp a n ；3 b r a k ei n s t i t u t i o n s ； 4 - r u n n i n gi n s t a l l m e n t ；5 - o p e r a 土i o nc o n n 0 lc o n s o l e ；6 s p i r a lf e e d e rp 矾 2 淤煤装载机的工作原理 装载机系统的动力由电动机来提供，通过单泵双马达动力系统带动运输机构 和行走机构。一只马达带动刮板运输链在提装槽中运动，实现淤煤的运输；另一 只马达用来驱动淤煤装载机的轨轮，使其产生运动n 引。淤煤装载机采用了3 组支 撑装置，用于支撑刮板提装部的重量和调节角度。为适应不同巷道的高度，要求 支撑可调节提装部的安装角度。其中前支撑是一个固定支架，用来承载提装部的 重量；中间支撑是一个固定支撑，使提装部和行走箱之间保持一定的间距，后支 1 绪论 撑是液压缸结构，可以实现高度的调节。淤煤装载机行走时，支撑液压缸工作， 提装部和螺旋给料机构抬起。装载机正常工作时，支撑装置固定不动，支撑液压 缸不工作，提装部保持在3 0 度左右。扳动制动手柄，依靠轨轮与制动装置产生的 摩擦可使装载机停止运动。 1 3 2 淤煤装载机结构特点 本淤煤装载机是根据国内某厂家生产的履带式装载机和各种矿用装载机的结 构进行优化和设计的。它与以前的履带式淤煤装载机有很大的区别。首先，将履 带式改为轨轮式的行走机构，不仅降低了制造成本和制造难度，而且可以和矿车 共用同一轨道。其次，在传动方式上本机使用单泵双马达的液压系统，与以往淤 煤装载机的纯机械传动相比有了很大改变，其特点是利用两个马达分别来控制运 输机构和行走机构，使设备的运动更平稳，而且节省了两组螺旋滚筒机构和离合 器，在降低淤煤装载机制造成本的同时也使其结构更简单、合理。 1 3 3 提装部的结构组成 淤煤装载机提装部的结构简图如图2 所示。 l 互上广 jk 、 正一一二二二i 【_ 区( | 一 - 口。一 图2 淤煤装载机提装部 1 一液压马达2 提装槽3 一刮板链4 一刮板5 一链轮 f 培2s i l tc o a l l o a d e rm a c h i n el i r i n g 锄dl o a d i n gp a j t 1 - h y d r a u l i cm o t o r ；2 一l i 衔n g 锄dl o a d i n gt r o u 曲；3 一s c r 印e rc h a i n ；4 一s c r a p e r ；5 s p r o c k e t s ； 该淤煤装载机的提装部主要由提装槽、刮板、刮板链、链轮和马达组成。提 装部的动力是由液压马达提供的，通过链轮来带动刮板链在提装槽中运动。提装 槽是提装部最主要的组成部分，在装载机工作过程中起着重要作用。 1 提装槽简介 安徽理工大学硕士学位论文 提装槽结构如图2 中的2 所示，分为上段槽体和下段槽体，槽体主要由侧板、 中板和底板焊接而成。中板对刮板部分起支撑作用，刮板链带动刮板在中板与底 板之间回转，两侧板与中间板所包围的空间用以运送淤煤。上、下段槽体的尾端 分别设计有卡槽，用来安装主动链轮轴和从动链轮轴，卡槽的外侧设计有加强板， 以保证有足够的强度来支撑链轮轴。上、下段槽体连接处焊有角钢，采用螺栓连 接在一起，并在联接处采用堆焊工艺口9 l 。 提装槽的上段槽体总长1 4 4 8n u n ，上段槽体的卡槽处最大高度为4 3 0m m ， 提装槽的槽宽3 1 0m m ，钢板厚6n u n ，侧板有两块钢板构成，卡槽处与链轮配合， 提装槽的中板上有另外的钢板，称为伸缩板和支撑伸缩板，两者都为焊接件。 提装槽的下段槽体总长2 2 0 9 n u i l ，从卡槽中心到另一端的距离是2 1 1 0 m m ，内 槽宽为3 1 0 n u n 。也是由6 m m 厚的侧板、中板、底板等焊接组成，中板与淤煤直接 接触，要有一定的耐磨耐腐蚀能力，焊接后要用砂轮打磨以减少摩擦。上、下段 槽体联接部分采用螺栓联接，联接处采用堆焊工艺，焊后用砂轮打磨，既提高了表 面的耐磨性，又在一定程度上减少了摩擦。 2 链轮部件简介 液压马达输出轴通过花键与主动链轮相连并为主动链轮提供动力，然后再通 过刮板链将动力传递给从动链轮，以带动螺旋滚筒的转动膻0 j 。 主动链轮通过螺栓与提装槽的加强板连接，主动链轮为整个提装部提供动力， 所以轴承所承受的力较大。本淤煤装载机链轮部分可以与轴设计成整体式。主动 链轮结构如图3 所示。 鲨 一帛 叫ivhl 爿ib州ih 寸誓 一 绑恻 图3 主动链轮 f i g 3d r i v es p r o c k e t 从动链轮通过两个m 2 0 的螺栓安装在下段槽体的加强板半圆槽内，如图4 所示。 1 绪论 b 纱3 纱 bd 一 ：7 厂 纠醐阻一譬 砌 斗一 r 1h州h = 剀 一广卜1 ) 斗一广十 矽。q 汐吣 图4 从动链轮 f i g 4f o l l o w e rs p r o c k e t 1 4 淤煤装载机减量化设计与分析简介 应用减量化思想设计机械产品时，既要减轻其重量，又要使其便于报废后的 拆解、回收和循环再利用。使原有机械的安全系数更加合理化，实现矿用机械的 轻小型化和绿色环保。 警 根据现场调研发现，在传统的设计方法中，有些矿用机械设备为了满足安全 需要，一味的追求过高的安全系数，从而导致设备体型较大、成本不够低、增加 了设计和制造难度，阻碍了矿用机械的推广应用，对煤矿行业的持续快速发展也 存在很大的不利因素。当今社会节能减排、低碳经济已是大势所趋，对矿用机械 进行减量化设计大有必要。 鉴于此，结合前期所做的大量工作，我们确立了“淤煤装载机提装部减量化 设计与分析”的课题。通过对淤煤装载机减量化设计理论研究，利用有限元分析、 绿色设计、优化设计以及绿色制造等现代设计理念与方法，有助于解决上述问题， 同时还有利于矿用机械向节约型、低能耗的方向发展。 1 5 课题的主要研究内容和研究意义 1 5 1 课题的主要研究内容 本课题将对提装部进行小型化和轻型化结构筛选，使各个零部件都尽可能实 现小型化、轻型化和绿色环保的要求。重点是通过先进的设计方法与技术手段对 淤煤装载机提装槽进行有限元分析，对提装槽的结构参数和材料进行优化设计， 具体内容如下： 1 对淤煤装载机提装部的减量化设计与分析的方法和内容进行系统的阐述。 介绍淤煤装载机的组成结构和工作原理。对淤煤装载机提装部的各个零部件进行 安徽理：【大学硕士学位论文 减量化筛选设计。 。 2 在p r o e n g i n e e r 软件中建立淤煤装载机提装槽的三维模型，利用a n s y s 有限元分析软件对其结构强度和刚度( 应力校核，应变校核) 进行校核，若具有 优化空间，可从结构参数和材料两方面对其进行优化设计，以减轻重型和大型零 件的重量，达到整机轻型化的目的。为避免淤煤装载机在井下工作时发生较大振 动而影响正常工作，还要对其进行模态( 固有频率和振型) 和谐响应分析。 3 对提装部减量化设计进行绿色评价，以验证减量化设计的成果。初步探讨 减量化设计方法，为淤煤装载机其他部件的减量化设计提供参考。 1 5 2 课题研究意义 现有许多矿用机械的安全系数不尽合理，致使其体型增大、成本偏高，由此 在很大程度限制了此类机械的推广应用。为符合当今社会节能减排、低碳经济的 发展趋势，在保证安全生产的前提下，对矿用机械进行减量化设计具有重要的现 实意义。本研究利用绿色设计、有限元分析和优化设计等现代设计方法对淤煤装 载机提装部进行减量化设计和分析，使产品的安全系数更加合理化，实现了产品 结构简单、体积小、重量轻和成本低的目标。通过对本课题的研究总结出减量化 设计的方法可用于指导其他机械的设计，在一定程度上促进了轻型、小型煤矿机 械的广泛使用和普及。 1 6 本章小结 本章阐述了课题研究背景和来源，概述了煤矿水仓清理所面临的问题，分析 了水仓清理机械的国内外研究现状，介绍了淤煤装载机的结构及其工作原理，并 在此基础上，阐述了本课题的主要研究内容及研究意义。 2 提装部减量化筛选设计 2 提装部减量化筛选设计 2 1 提装槽部分的筛选设计 本装载机是根据刮板输送机的原理及外形设计的，集中了淤煤清理机和刮板 输送机的优点。其中的螺旋给料机构和提装部的刮板链部分适用于运输流动的物 质，轨轮式的行走机构更适合在井下与矿车共用一个轨道，既方便又节省了井下 空间2 。 不同型号的刮板输送机的槽宽是不同的，例如淮南的长壁机械厂生产的刮板 输送机槽宽为8 0 0 m 瑚，北京煤机厂曾设计生产的重型清挖机槽宽为4 0 0 l i u l l ，因 其设备结构复杂，价格昂贵设备闲置时间比较长而被淘汰。在借鉴此清挖机设计 经验的基础上，利用现代的设计方法对淤煤装载机进行减量化设计。鉴于淤煤的 清理是周期性的，因此，所设计的机械不需要特别高的效率，在保证能够满足工 作要求的前提下，在它原有设计的基础上做了改进，首先就是对提装槽进行了尺 寸上的改进，原来设计的槽的宽度、高度及其槽钢的厚度都不太合理，通过多次 的计算和验证，本装载机的提装槽( 如图5 ) 尺寸确定如下：提装槽总长为3 6 5 7 i m ， 槽宽为3 1 0 咖n ，高2 8 0 伽n ，前端卡槽处高度最大为4 3 0 l 砌。 图5 提装槽 f i g 5l i r i n ga n dl o a d i n g 仃o u 曲 提装槽分为上段槽体和下段槽体，槽体主要由6 m m 厚的钢板焊接而成，分 为侧板、中板和底板。6 m m 厚的钢板没有足够的强度来支撑链轮轴及两个链轮， 为了提高提装槽的安全系数，故在安装链轮轴处增设2 0 1 1 1 1 1 1 厚加强板来增大提装 槽的强度和刚度。上、下段槽体联接处焊有角钢，然后采用螺栓将两段槽体联接 在一起。下面对提装槽的各零部件进行介绍。 安徽理丁大学硕士学位论文 2 1 1 槽体焊接板及其材料的选择 根据使用的环境和安全性等方面的要求，提装槽材料的耐磨性、强度、焊接 性等都需要满足一定的要求。为了使提装槽的使用寿命得到提高，可采取以下几 个措施：增加中板的厚度；更换中板材料；在中板上的链道处使用耐磨合 金的等离子喷焊晗2 2 引。 以上方法中，采用增加中板厚度会造成钢铁材料的浪费，同时增加设备的重 量，不能从根本上解决问题。故要保证中板厚度不变的情况下选择强度更高、硬 度更高、耐磨性更高的材料是本文减量化设计的目标之一。 1 中板 根据不同型号的输送机和清理机的槽宽分析，本机提装槽的宽度设计为 3 1 0 m m ，中板焊接在提装槽内，上段槽体的中板是规则的长方形钢板，长9 7 0 m m ， 宽3 1 0 m m ，下段槽体的中板结构如图6 所示：长1 9 7 2 m m ，宽3 1 0 m m 。中板对材 料要求很高，因为它要承受刮板链和淤煤的重量及摩擦。目前国内的刮板输送机 的中板材料采用进口钢材或国产钢材。进口钢材有a r q 3 6 0 、瑞典耐磨钢板 h a i m o x 4 5 0 、进口钨钢k l o o 、日本硬质合金钢f 0 8 、和n k - e h 3 6 0 等。其中 h a r d o x 4 5 其硬度达到4 5 0 h b ，但还是比较容易加工；进口钨钢k 1 0 0 和硬质合 金钢f 0 8 具有耐磨耐腐蚀、强度高的特点，但是进口钢材价格比较高。国产钢材 有1 6 m n 钢、4 0 m n 2 钢和m n l 3 高锰耐磨钢等。其中已有实例证明用1 6 m n 制造 中板容易磨损，综合比较几种材料的性能及价格我们选择中板的材料为4 0 m n 2 钢，它具有较高的强度和耐磨性，比1 6 m n 钢更适合用作中板的材料。4 0 m n 2 钢 的性能：抗拉强度( o b m p a ) ：耋8 8 5 ；屈服点( o 。m p a ) ：耋7 3 5 ；断面收缩率 ( 、i ，) ：至4 5 ；布氏硬度( h b s l 0 0 3 0 0 0 ) ：薹2 1 7 。 图6 下段槽体中板 f 嘻6i n t e m e d i a t ep l a t e0 fl o w e rs e g m e n t 仃o u 曲b o d y 2 底板和侧板 本装载机提装槽设计成封底式的，槽的下面焊接底板，是为了减小刮板链在 2 提装部减量化筛选设计 槽内的返程阻力以及防止槽体下陷变形。 侧板的作用是防止淤煤流淌，提高运输量。侧板使用钢板而不使用槽帮钢的 原因是槽帮钢容易塞煤而导致中板的弯曲变形。 底板和侧板的材料选择国产高耐磨合金材料w z b n m 3 6 0 ，其性能接近进口 材料，但它的价格要比进口材料低廉，符合减量化设计的要求。适用于耐磨、可 焊接高强度结构用钢板，主要用于矿山及各种工程机械用耐磨易损件加工和制造 等使用的结构钢板，在不损失强度的前提下，钢板具有良好的冲击韧性及焊接性 能。 3 角钢 为了便于联接，在提装槽的上、下段槽体联接处焊接有角钢，角钢有许多规 格型号，本文按照标准选取角钢的规格型号为：么6 3 6 ，即角钢的宽度为6 3 m m ， 厚度为6 m m ，底边焊接角钢的长度设计为3 3 2 m m ，两侧焊接角钢的长度为 3 4 3 n l i l l 。角钢的外形结构如图7 所示。 图7 角钢结构 f i g 7a n g l es c e e ls 臼1 j c t u r e 2 1 2 加强板 为了保证提装槽的工作可靠性，故在上、下段槽体两侧安装链轮轴的卡槽处 增设加强板来提高刚度和强度。主动链轮机构放在提装槽前端的半圆槽内，加强 板和槽体用螺栓连接在一起。从动轮放在下段槽体加强板上的半圆槽内，用两个 m 2 0 的螺栓固定，结构简单巧妙。上段槽体加强板的结构尺寸如图8 所示。下段 槽体的加强板也是连接螺旋滚筒部分的连接件。加强板的材料选择和槽体侧板材 料一样为w z b n m 3 6 0 。 安徽理工大学硕士学位论文 2 1 3 与其他结构的比较 图8 上段槽体加强板 f i g 8u p s i d et r o u g hb o d yd o u b l i n gp l a t e 1 槽体设计的合理性与实用性。淤煤装载机的刮板链及所运送的物料( 淤 煤) ，是以滑动摩擦的形式经过槽体的，致使运行阻力和能耗较大，这两者都与槽 体的结构密切相关。由动能公式e = g 矿2 2 9 可知，g 减小，可达到降低能耗的 目的。相对整机而言，选择稍小的槽高槽宽有助子减小淤煤装载机总体的尺寸和 重量。因此，所设计的提装槽的结构尺寸是经济合理的。 2 槽体的结构与通用刮板输送机的槽体结构相比，整体尺寸减小。具有结构 紧凑、体积小、质量轻、能耗安装维修方便等特点。 3 解决了槽的磨损问题。减小磨损的方法有改善装载机的工作条件和提高槽 表面的耐磨性和硬度雎引。淤煤是煤与水混合后呈淤泥状的物质，一般没有特大和 特硬的东西，比普通刮板输送机的工作环境好很多。可从提高槽的耐磨性和硬度 上着手，同时使用堆焊方法，对焊接后的槽体用砂轮打磨以防止不均匀磨损。本 文采用4 0 m n 2 和高耐磨合金材料w z b n m 3 6 0 制造提装槽，提高了表面耐磨性。 2 2 提装部链轮与轴的筛选设计 链轮与轴也是提装部的重要组成部分。因而要对其进行筛选设计，主要从材 料、结构形式及受力方面来筛选设计，以减轻重量提高耐用度。链轮与轴的结构 形式和装配方式是根据所受的力的大小和所传递的功率的大小来确定的。 2 2 1 链轮机构 链轮机构是淤煤装载机的重要组成部分，它是传力部件，也是容易损坏的部件， 在运转中不仅受静载荷的作用，还受脉动载荷和冲击载荷的作用。能否正常运转 2 提装部减量化筛选设计 很大程度上取决于链轮机构设计的优劣以及完好情况口5 捌。 在淤煤装载机中链轮的作用是：动力由液压马达传到主动链轮上，再通过刮 板链部分带动从动链轮和螺旋滚筒机构转动，从而将淤煤运到提装槽由刮板输送 到矿车中。链轮的设计和选取与刮板链有很大的关系，本装载机的刮板链采用的 是矿用圆环链( 详见后面章节具体介绍) 。链轮的齿形尺寸参数设计要准确，加工 精度要高，保证设计出的链轮要与圆环链能够进行良好的啮合。矿用链轮一般要 具有耐磨、高强度、能承受冲击载荷和脉动载荷，而且还要具有一定的韧性。链 轮的结构型式有：整体式、焊接式和剖分式。链轮设计的一个重要环节就是选择 合适的结构型式，它与制造加工的经济性，安装维护的方便性和工作的可靠性有 着直接的关系。 为了保证链轮具有良好的耐磨性和足够的强度，采用的材料一般为4 5 号钢， 齿形表面和链窝等处经过淬火可以进一步提高耐磨性和机械强度，为了防止生锈 还要进行发黑处理。根据要求，链轮的使用寿命对轻型刮板运输机来说不能低于 1 年，重型刮板运输机不能低于1 5 年。链轮的基本尺寸和形状要根据煤炭行业标 准矿用圆环链轮的齿形和基本尺寸计算来确定口引。在设计中采用4 齿链轮， 对于选择是否合适，在后面的提装槽动力特性分析与校核章节中会加以确定。为 满足装配和传动需要，主动链轮与从动链轮的结构尺寸相同。 本文对于链轮结构的设计主要讨论整体式、焊接式和剖分式三种方案： 1 整体式。这种链轮在齿轮数不多、链轮尺寸不大、节距较小的情况下比较 适用。且具有强度高、便于拆卸的优点。运输机械通常会优先考虑选用此种链轮。 其结构如图9 所示。 图9 整体式链轮 f i g 9i m e 黟a ls p r o c k e t 2 焊接式。此种方案多应用在齿数多，链轮尺寸大，节距也较大，齿宽远小 于轮毅长度，并且不用球铁或铸钢铸造的情况下。结构是：轮毂做成一部分，齿 轮与轮辐做成另外部分，开好剖口，最后焊接为一体。 安徽理工大学硕士学位论文 3 剖分式。以链轮中心为对称中心，可以把链轮分为轮齿和轮毂两部分，使 用时再合成为一个整体。适用于只能从轮轴中部安装的情况，这种方案的链轮便 于拆卸，但其配合精度比较低。结构如图l o 所示。 2 2 2 链轮轴 图1 0 剖分式链轮 f i g 1oc u n i n gf r a c t i o ns p r o c k e t 选择链轮轴的材料时，主要考虑轴的强度、耐磨性、热处理方法、机加工工 艺性以及轴的材料经济性等因素。机械中使用的轴的材料主要是碳钢和合金钢。 合金钢具有较好的机械和淬火性能，但是价格较贵，还易产生应力集中，对 耐磨性和机械强度有特殊要求时才会用。常温下，碳素钢与合金钢弹性模量相差 不大，相同条件下，用合金钢增加轴的刚度比较困难。碳钢的价格比合金钢要低， 加工工艺性好，不易产生应力集中，并且通过热处理可以提高综合性能，应用十 分广泛，一般用途的轴大多用中碳钢，尤其是4 5 号钢。 根据以上分析并考虑到本机械的特点，选用4 5 钢作为轴的材料，并进行表面 淬火处理，以提高轴的抗疲劳强度。 对于轴的结构设计，以从动轴为例本文有以下两种方案： 1 加工成阶梯轴，如图l l 所示。轴与链轮通过键来连接。其优点是：连接精 确，在传递动力时可靠性和稳定性好；缺点是：此方案会加大链轮的整体尺寸， 使整个机构的重量增加，机构稳定性不好。若是从动轴易使螺旋给料机构失去平 衡，导致整个机构的使用寿命降低。 图1 1 链轮轴l f i g 1 1s p r o c k e ts h a rl 2 提装部减量化筛选设计 2 轴的结构设计成中间细两端粗，如图1 2 所示。从动轴两端设计有螺纹， 其拧紧方向与轴运转方向相同，这样可使滚筒紧固在轴上，不会对轴承产生很大 的轴向力。这种方案减小了链轮轴的尺寸和重量，与其相配合的链轮只能为剖分 式链轮，整体式链轮因无法安装不能选用。若轴的直径小于3 5 n u n 时，可优先选 择此方案。 2 2 3 链轮与轴的装配方式 图1 2 链轮轴2 f i g 12s p r o c k e ts h a f t2 链轮与轴的装配方式主要有组装式和整体式。 组装式结构在链轮或轴损坏时便于拆卸更换，但是也有缺点，比如：导致结 构尺寸大，耗材多，传动精度差。根据以上章节分析的几种链轮与轴的方案，两 者在装配时主要是组装式。如果选用整体式链轮就要配合第1 种方案的轴使用， 这种方案虽然稳定性好而且强度