（机械制造及其自动化专业论文）淤煤装载机螺旋给料部的减量化设计与分析.pdf

摘要 摘要 为使煤炭地下开采装载类机械的设计符合当今国家大力倡导的节能减排要 求，我们提出了煤炭地下开采装载类机械减量化设计理论研究课题。煤炭地下开 采装载类机械的减量化设计是指在设计过程中尽可能减少资源消耗和废物的排 放，实现煤炭地下开采装载类机械的轻型化、小型化、绿色环保，从而促进节能 减排、提高煤矿机械化开采程度和安全生产的目的。 本文作为“煤炭地下开采装载类机械减量化设计理论研究的子课题，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 k j 3 0 0 b ( 2 0 0 6 1 , - - , 2 0 0 7 1 2 ) 和安徽省淮南市重点科研项目“轻型淤煤装载机的开发 2 0 0 6 产学研0 7 ( 2 0 0 6 7 , - - - 2 0 0 8 7 ) 的研究基础上，对煤炭地下开采装载类机械中的淤煤 装载机的螺旋给料部进行减量化设计与分析。 首先，对本淤煤装载机的总体结构，工作原理进行说明。阐述煤矿机械减量 化设计的含义与目的。其次，对螺旋给料部的设计进行结构形式减量化筛选设计， 并建立小型设计数据库，加入扩充接口，为以后数据库的扩充和完善做准备。 接着，运用大型参数化c a d 设计软件s o l i d w o r k s ，建立了淤煤装载机螺旋滚 筒的三维模型，利用p r o e n g i n e e r 与a n s y s 软件的接口导入a n s y s 中建立有限 元模型。在大型有限元分析软件a n s y s 的平台上，对螺旋滚筒进行静力学分析， 得到静态载荷作用下结构的节点应力云图和变形云图。为使设计最优化，分别以 管壁厚度和叶片厚度为优化目标，进行强度减量化的优化设计，得出最优设计方 案。 然后，利用有限元分析对螺旋滚筒的动态特性进行校核。通过模态分析，得 到螺旋滚筒的前几阶固有频率、振型和应力分布图。根据螺旋滚筒的谐响应分析， 计算出螺旋滚筒在几种频率下的响应并得到一些响应值对频率的变化曲线，进而 得到峰值响应和峰值频率对应的变形大小，确保减量化设计后动态性能的稳定性。 最后，阐述了煤矿机械进行减量化设计的必要性，着重说明了其环保节能方 面的作用，对本淤煤装载机螺旋滚筒的减量化设计进行环保评价。在以上分析的 基础上，总结出淤煤装载机减量化设计的流程，利用建立的小型数据库，为今后 类似机械的设计提供理论参考。 图4 9表6参5 8 关键词：淤煤装载机；减量化；有限元法；最优化；数据库 安徽理工大学硕士学位论文 分类号：t h 2 4 3 + 2 i i 摘要 a b s t r a c t t om e e tt h ee n e r g y - s a v i n gm i n u ss c h e d u l i n gr e q u i r e m e n t sg r e a t l ya d v o c a t e db y t h ec o u n t r y , w ep r o p o s et h eu n d e r g r o u n dc o a lm i n i n g m a c h i n e r yl o a dr e d u c t i o nd e s i g n t h e o r ya n dr e s e a r c h u n d e r g r o u n dc o a l m i n i n ga n dl o a d i n gm a c h i n e r yr e d u c t i o nd e s i g n i st h ed e s i g np r o c e s st om i n i m i z er e s o u r c ec o n s u m p t i o na n de m i s s i o n ，t h er e a l i z a t i o n o fu n d e r g r o u n dc o a lm i n i n gm a c h i n e r y , l i g h tl o a d ，t h es m a l l e r , g r e e ne n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ，s oa st oa c h i e v et h ep u r p o s eo fe n e r g y - e f f i c i e n te m i s s i o nr e d u c t i o na n dt h e p r o m o t i o no fc o a lm i n es a f e t yi np r o d u c t i o n o nt h eb a s i so fa n h u ip r o v i n c ee d u c a t i o nd e p a r t m e n tn a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o np r o j e c t ”c o a lm i n es u m pl i g h ts i l tc o a ll o a d e rr e s e a r c h ”2 0 0 6 k j 3 0 0 b ( 2 0 0 6 1 2 0 0 7 1 2 ) a n dh u a i n a nc i t ys c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t s ，a n h u ip r o v i n c e ”l i g h ts i l tc o a ll o a d e rd e v e l o p m e n t ”2 0 0 6 0 115 ( 2 0 0 6 1 2 0 0 7 12 ) ，w ec a l t yo nt h e r e s e a r c ho ft h eu n d e r g r o u n dm i n i n go fc o a ll o a d i n gm a c h i n e r ys p i r a lf e e dr e d u c t i o n f i r s to fa l l ，t oe x p l a i nt h eo v e r a l ls t r u c t u r e ，w o r k i n gp r i n c i p l eo fs i l tc o a ll o a d e r m a c h i n e r y , a n dm e a n i n ga n dp u r p o s eo fc o a lm i n i n gm a c h i n e r yr e d u c t i o nd e s i g n s e c o n d l y , t of i l t e rr e d u c t i o nd e s i g no fs p i r a lf e e d e rd e s i g n ，a n dt oe s t a b l i s hs m a l l d e s i g nd a t a b a s e ，a d d i n gt h ee x p a n s i o ni n t e r f a c e ，ad a t a b a s ef o rf u t u r ee x p a n s i o na n d p e r f e c tp r e p a r a t i o n s e c o n d ，t ou s el a r g e - s c a l ep a r a m e t e r so fc a dd e s i g ns o f t w a r es o l i d w o r k s ， e s t a b l i s h i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fs p i r a lr o l l i n go fs i l tc o a ll o a d e r t ou s ea n s y s i n t e r f a c eo fp r o e n g i n e e ra n da n s y ss o f t w a r et oc r e a t eaf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n l a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o t t w a r ea n s y sp l a t f o r m ，t oa n a l y s es p i r a lr o l l i n g s t a t i cm e c h a n i c a l ，t og e ts t a t i cl o a dn o d es t r u c t u r es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nc l o u dc l o u d i no r d e rt om a k et h es t r u c t u r a ld e s i g no p t i m i z a t i o n ，r e s p e c t i v e l y , w a l lt h i c k n e s sa n dt h e b l a d et h i c k n e s st oo p t i m i z et h et a r g e t i n ga n dm i n i m i z a t i o no ft h eo p t i m u md e s i g ni n o r d e rt og e tt h eo p t i m a ld e s i g n t h i r d ，t oa n a l y s et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs p i r a lr o l l e rf i n i t ee l e m e n t t h r o u g hm o d a la n a l y s i s ，t og e tt h ef i r s tf e wb a n d sn a t u r a lf r e q u e n c i e s ，v i b r a t i o nm o d e o ft h e s p i r a lr o l l ea n dt h ep r e v i o u sb a n d s s t r e s sd i s t r i b u t i o n t h r o u g ht h es p i r a lr o l l e ro f h a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，t oc a l c u l a t es p i r a lr o l l e ri ns e v e r a lf r e q u e n c yr e s p o n s ea n d t og e ts o m ev a l u eo nt h ef r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v e ，a n dt h e ng e ta p e a kr e s p o n s ea n d 1 1 1 安徽理工大学硕士学位论文 t h ep e a kf r e q u e n c yo ft h ec o r r e s p o n d i n gd e f o r m a t i o ns i z e ，t oe n s u r et h a tt h es t a b i l i t yo f t h er e d u c t i o nd e s i g no fd y n a m i cp e r f o r m a n c e f i n a l l y , t oe x p l a i nt h en e c e s s a r yo f t h ec o a lm i n i n gm a c h i n e r yt or e d u c t i o nd e s i g n ， k g h l i g h t e dt h er o l eo fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n g t oe v a l u a t et h e s i l t c o a ll o a d e rd e s i g nf o rr e d u c t i o no fe n v i r o n m e n t a le v a l u a t i o n o nt h eb a s i so f t h ea b o v e a n a l y s i s ，s u m m i n gu pt h er e d u c t i o nd e s i g np r o c e s so ft h es i l t c o a ll o a d e r , u s i n gt h e e s ta ：b l i 妇to fs m a l l s c a l ed a t a b a s e s ，f o rt h ef u t u r ed e s i g no fs i m i l a rm e c h a n i c a l t h e o r e t i c a lb a s i s f i g u r e4 9 t a b l e6r e f e r e n c e5 8 k e y w o r d s ：c o a ll o a d e rm a c h i n e r y ，r e d u c t i o n ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o & o p t i m i z a t i o n , d a t a b a s e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 2 4 3 + 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 月上日 本学位论文作者完全了解塞邀堡王太堂有保留、使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于塞邀堡 王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适 用本授权书) 学位论文作者签名：苏砷 签字魄秒多年月孑日 导师签名： 无签字日期：印年彭月萝日 引言 引言 目前，对煤矿来说，清理井下水仓的淤煤是非常困难的事。地下水和采煤过 程中( 降尘等) 产生的回水夹带着碎煤及小块状煤最后流入水仓，日积月累，水 仓就聚积大量淤煤。因而，井下水仓必须定期清理。但是由于井下淤煤流动性强， 清理比较困难，对于煤矿来说，都是在巷道下倾1 2 。1 5 。再开一个巷道，使水 煤流入，再开一个泵眼，等水煤澄清以后再用泵将水抽出，每隔一段时间用人工 清理。这样清理比较困难费力而且影响生产效率。以前北京煤机厂曾设计生产过 一种重型淤煤装载机，但由于结构比较复杂，售价昂贵。而且井下淤煤需要间隔 很长时间才清理一次，设备闲置时间比较长。基于以上情况和现场资料，我们利 用先进设计方法设计一种新型的淤煤装载机来替代，以满足清理的需要。 某些煤炭地下开采装载类机械的设计安全系数选取未最优化，而导致其成本 不够合理，使得这些机械的使用和普及受到限制。随着科学技术突飞猛进的发展， 各行各业中都在大力倡导节能减排。在保证煤矿安全生产的前提下，对煤炭地下 开采装载类机械进行“减肥大有必要，轻型化、小型化和绿色环保的煤炭地下 开采装载类机械呼之欲出。鉴于此，提出了淤煤装载机减量化设计理论研究课题。 淤煤装载机的减量化设计是指在设计过程中尽可能减少资源消耗和废物的排放。 本文作为“煤炭地下开采装载类机械减量化设计理论研究 的子课题，运用 大型参数化c a d 设计软件s o l i d w o r k s ，建立了淤煤装载机螺旋滚筒的三维模型， 利用p r o e n g i n e e r 与a n s y s 软件的接口导入a n s y s 中建立有限元模型。在大型 有限元分析软件a n s y s 的平台上，对螺旋滚筒进行静，动力学分析。利用a n s y s 的分析结果对其结构设计进行优化，使螺旋滚筒结构简单，重量最轻，并具有良 好的静、动态性能。最后，对螺旋给料部的减量化设计进行环保评价，总结出淤 煤装载机的减量化设计流程，为今后的淤煤装载机减量化设计提供理论参考。 安徽理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1课题研究背景及研究意义 随着工业技术的发展，采煤过程已经向着机械化、自动化的方向迈进。无论 是采掘系统，还是运输系统都己基本实现机械化了，正是由于这些进步，使采煤 的效率得以大大地提高，工人的劳动强度也大大降低。然而在采煤的过程中，还 有一项工作未能很好的实现机械化，那就是煤矿水仓中的淤煤的清理工作。在采 煤的过程中，地下水和采煤产生的回水夹带着碎煤及小块状煤最终流入水仓，日 积月累，水仓就淤积大量的淤煤。因而，井下水仓必须定期清理。根据对现场的 调研发现，对煤矿来说，目前清理淤煤还是非常困难的，因此这项工作主要还是 依靠手工来完成的。为了解决这个问题，并实现煤矿地下开采机械节能减排的要 求，经过现场调研和资料收集，我们利用减量化概念设计了一种新型淤煤装载机， 以满足淤煤清理作业的需要。其特点是结构简单、价格合理，适应市场需要n 1 。 减量化是指在生产、流通和消费等过程中减少资源消耗和废物产生。减量化 概念的提出可追溯到上世纪8 0 年代。早在1 9 8 2 年德国就通过立法形式，对1 9 7 2 年颁布的废弃物处理法进行了修改，并改名为废弃物避免及处理法，第一 次引入了“避免和减少垃圾产生及再利用”的理念。而随着工业化程度的逐渐提 高，环境污染不断加剧，不可再生资源的日益短缺，为适应社会发展的需求，“减 量化的理念和思想已经应用到国民经济各个领域。现如今，制造业、包装业、 环保业等都在大力倡导并推行减量化幢k 。我国在2 0 0 8 年8 月全国人民代表大会 常务委员会上通过的中华人民共和国循环经济促进法中明确规定：“发展循 环经济应当在技术可行、经济合理和有利于节约资源、保护环境的前提下，按照 减量化优先的原则实施。 煤炭地下开采机械装备的减量化设计是指在设计过程中尽可能减少资源消耗 和废物的排放，克服传统煤炭地下开采机械装备以类比法设计所带来的结构臃肿 和成本的虚高等缺陷，对煤炭地下开采机械装备进行“减肥”，实现煤炭地下开采 机械装备的轻型化、小型化、绿色环保，从而达到节能减排和促进煤矿安全生产 的目的，本课题将为此打下坚实的理论基础h 1 。 1 2国内外煤炭地下开采机械减量化研究现状 自2 0 世纪9 0 年代以来，国外煤炭地下开采装载类机械进入了一个新的发展 时期，在广泛应用新技术的同时，不断涌现出新结构和新产品。为了全方位地满 2 第1 章绪论 足不同用户的需求，国外煤炭地下开采装载类机械在朝着系列化、轻型化方向发 展的同时，已进入多用途、微型化的发展阶段。推动这一发展的因素，首先源于 液压技术的发展通过对液压系统的合理设计，使得工作装置能够完成多种作 业功能；其次，快速可更换连接装置的诞生安装在工作装置上的液压快速可 更换连接器，能在作业现场完成各种附属作业装置的快速装卸及液压软管的自动 连接。一方面，工作机械通用性的提高，可使用户在不增加投资的前提下充分发 挥设备本身的效能，能完成更多的工作；另一方面，为了尽可能地用机器作业替 代入力劳动，提高生产效率。小型及微型煤矿机械有了用武之地，并得到了较快 的发展睛】。如卡特彼勒公司生产的i t 系列综合多用机、克拉克公司生产的“山猫 等。 近年来，我国煤炭地下开采装载类机械行业通过对产品和技术的引进，或者 与国外著名厂商，如美国卡特皮勒公司、日本小松公司和韩国现代公司等的合作、 合资，加速了产品的更新换代，煤炭地下开采装载类机械行业有了长足的进步， 传统产品的结构、性能和外观有了较大的提高和改进，制造工艺技术水平有了较 大的提升。还使一部分煤炭地下开采装载类机械产品( 主要是装岩机和装载机等) 销往国外( 绝大多数是销往非洲、东南亚等地的发展中国家) 。因此我们除了进一 步完善和提高现有机械的性能和可靠性，还要不断地开发研究新的技术和元部件， 扩大功能，做到“一机多用 ，使其发挥最大的经济效益。 从国内外机械产品设计的发展趋势看，智能设计、协同设计、虚拟设计、创新 设计、资源节约设计、全生命周期设计等设计方法代表了现代产品设计模式的发 展方向。现代设计理论与方法的主要特点体现在：最优化、数字化、智能化、系统 性、创新性和网络化【6 】川。现代设计理论与方法从“传统”走向“现代 ，体现了 现代设计理论与方法的科学性、前沿性和与时俱进的品质【8 】【9 】。 煤矿水仓淤煤的清理是采煤过程中的重要一环，它不但繁重，而且危险。水 仓处于煤矿井下最低层，如果发生透水，将首先被淹没。北京煤机厂曾设计生产 过一种专用重型水仓清挖机，售价多达3 0 余万元，设备闲置时间比较长等原因， 推广应用困难，已停产达1 5 年；国内曾设计生产有铲斗式、扒斗式、履带行走刮 板式、泥浆泵式水仓清理机械，或由于装载效率不佳( 如泥浆泵式) ，或设备对水 仓结构限制过严，或价格昂贵，均影响推广，致使国内目前广泛使用人力对水仓 进行定期清理。在国外先进国家，多采用自动化程度高的大型水仓清理机械( 如 德国就采用大型全液压履带水仓清理机) 0 0 1 1 1 2 l 。另几种则是其它装载机的变形， 不仅价格昂贵、而且实用性差推广困难。现随着煤矿经济形势的好转和安全生产 3 安徽理工大学硕士学位论文 意识的提高，机械化水仓清理是大趋势。 1 3 本淤煤装载机介绍 1 3 1 淤煤装载机的结构和工作原理 1 装载机的结构 本淤煤装载机由运输机构、支撑机构、制动机构、行走机构和给料机构等 部分组成，如图1 所示。 l 一 淑 上酬 | l 工l l li1 。 可螂n 图1 淤煤装载机 1 一液压马达；2 一刮板提装机构；3 一电动机；4 一轨轮行走机构； 5 一制动机构；6 操作控制台；7 - - 螺旋给料机构 f i g1s i l tc o a ll o a d e rm a c h i n e 1 - h y d r a u l i cm o t o r ；2 一s c r a p e rm e n t i o nl o a d e db o d i e s ；3 - m o t o r , 4 o r b i tr o u n dw a l k i n gi n s t i t u t i o n s ； 5 一b r a k ei n s t i t u t i o n s ；6 一o p e r a t i n gc o n s o l e ；7 一s p i r a lf e e d e ri n s t i t u t i o n s 2 装载机的工作原理 整个系统动力由电动机提供，通过单泵双马达系统带动行走机构和运输机构。 支撑装置主要用于支撑运输架，即刮板运输装置。装载机在装载运输过程中，承 载的重量较大，刮板槽在不同的矿井环境下的工作高度不同，要求支撑装置进行 调节。因此，淤煤装载机采用了3 组支撑装置，中间为固定支架，此支架使得行 走箱和运输架之间保持固定的距离；两头支撑为液压缸结构，可以调节高度。当 装载机清淤工作时，支撑装置固定不动。制动机构采用双向手动完成，装载机停 止工作时，扳动制动手柄，使轨轮和制动装置产生摩擦，装载机停止运动。 1 3 2 淤煤装载机主要技术参数 表1 主要技术参数 t a b l e1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 4 第1 章绪论 长( n u n )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 ) 8 刮板上下浮动最大角度 3 0 。 装满一矿车所需时间( s ) 6 0 滚筒转速( r r a i n ) 2 8 2 车巷行走速度( m s ) o 1 刮板速度( m r a i n ) 1 5 3 2 行走方式轨轮式，电力拖动 1 3 3 淤煤装载机结构特点 本淤煤装载机与北京煤机厂的产品有很大的区别。它改变了以往淤煤装载机 的纯机械传动的传动方式，采取了用单泵双马达的液压系统，这种传动方式分别 采用双马达来分别控制行走机构和运输机构。使整个机器的变速范围更大，运动 更平稳，并且省去了离合器和两组螺旋滚筒机构，使装载机的结构更加合理，降 低了装载机的制造成本。 1 3 4 淤煤装载机提装和螺旋给料部的工作原理 淤煤装载机提装部分的工作原理是：整个装载机系统由电动机驱动，通过单 泵双马达系统分别带动向行走机构和运输机构的运动。其中一个马达通过一个二 级减速机构驱动轨轮。行走过程中，实现前进、停止、后退运动，该机构依靠液 压控制系统实现马达的正反转，带动行走箱的前进与后退。另一个马达带动刮板 螺旋滚筒主动链轮，主动链轮带动刮板运输链在刮板槽中运动，实现淤煤的运输。 螺旋滚筒给料部是淤煤装载机清理淤煤的关键工作部件。工作时，螺旋滚筒给料 部是通过刮板运输链带动从动链轮，螺旋滚筒的两边叶片分别为左、右旋向，把 淤煤往中间推积，通过刮板运输链运输到矿车。支撑装置主要用于支撑运输架， 即刮板运输装置。如图2 所示。 5 安徽理t 大学硕士学位论文 图2 淤煤装载机提装部 f i g2s i l tc o a ll o a d e rm a c h i n el i f t i n gp a r t 1 3 5 螺旋滚筒部件的结构组成 螺旋给料部的结构简图如图3 所示。 谶豳撼 图3 淤煤装载机螺旋给料部 l 一护板机构，2 、4 、6 、8 i 螺旋滚筒、3 一支承，5 一螺旋滚筒，7 一密封部件 f i g3s i l tc o a ll o a d e rm a c h i n es p i r a lf e e d e rp a r t 1 g u a r da g e n c i e s ，2 , 4 ，6 ，8 - s p i r a lr o l l e r ，3 - b e a r i n g , 5 - s p i r a ld r u m , 7 - s e a l i n gp a r t s 螺旋滚筒给料机构为左右对称结构，左边为右旋螺旋滚筒，右边为左旋螺旋 滚筒。螺旋滚筒共四段，左右各二段。本淤煤装载机针对水仓宽3 米的工作环境 而设计，不过螺旋滚筒是可拆换的，因此可以通过增减螺旋滚筒的个数来改变螺 旋滚筒给料机构的长度，满足实际工作需要。 1 3 6 螺旋滚筒简介 螺旋滚筒由螺旋叶片和无缝钢管焊接组成，螺旋叶片只有左旋和右旋两种。 因此，设计螺旋滚筒时，只需设计不同长度、厚度的无缝钢管，以下对无缝钢管 和螺旋叶片进行介绍。 1 螺旋叶片 6 第1 章绪论 1 ) 螺旋叶片的材料 螺旋叶片的材料为碳素结构钢一q 2 3 5 一a ，屈服点为2 3 5 m p a ，抗拉强度为 3 7 5 - 4 6 0 m p a ，广泛应用于一般机械零件的制造，如连杆、轴、螺丝、盖、螺母、 螺栓、气缸、机架、焊接件、桥用角钢、工字钢及钢筋等。q 2 3 5 a 属于低碳钢， 含碳量 的中间轴径大的阶梯轴的结构来保证强度。 图1 0 链轮轴3 f i g1 0s p r o c k e ts h a f t3 2 1 2 链轮机构 在螺旋给料部中，链轮的作用：带动螺旋滚筒机构转动；支撑刮板运动。因 此链轮的选取取决于刮板链，链轮的设计主要是参考国际标准i s 0 6 1 3 。通常设计 链轮的基本要求是：强度高、耐磨、能承受脉动载荷、冲击载荷，并具有一定的 韧性，齿形尺寸参数设计准确，加工精度高，保证与链条进行良好的啮合。无论 是哪种结构的链轮都要具备易于拆装的特点。 主要有以下两种方案： 1 方案( 一) 选取整体式边双链轮。这种链轮强度高且便于拆装，一般的运 输机械设备多选用此种链轮，结构如图11 所示。 图l l 整体式边双链轮 f i g11i n t e g r a ld u a ls p r o c k e t 1 2 第2 章螺旋给料部结构形式的减量化筛选设计与数据库建立初探 链轮材料选用优质钢材锻造后调质处理，链窝与齿形表面需经表面淬火处理， 轻型刮板运输机链轮的使用寿命不得小于1 年：中、重型的刮板输送机链轮的使 用寿命不得小于1 5 年。链轮齿数的选择过多会增加链轮的整体尺寸，而链轮的 齿数太少，会增加刮板链在运行中的动载荷，此机构中选用4 齿链轮，在后续章 节对螺旋滚筒进行动力特性分析与校核，以确定齿数选择是否合适。 2 方案( 二) 选取可拆分链轮。为了减小从动轴和链轮的整体尺寸，从动轴 如果选用中间细而两端粗的结构，则链轮就必须采取可拆分式的结构，这种方案 可以减小整体尺寸和给料部分的重量，便于拆卸，但这种方案的配合精度较差。 结构如图1 2 所示。 图1 2 可拆分链轮 f i g1 2d i v i d e ds p r o c k e t 通过两种方案的比较，基于维修方便，可重复利用材料和降低成本等方面的 考虑，当链轮轴选用方案 时，要配合可拆分链轮，可以达到最小化结构的目 标。 确定了螺旋滚筒的从动链轮和链轮轴后，根据功率需要可以从三个系列中选 取：轴径为3 5 m m ，3 8 m m ，4 0 m m ，对应叶片直径为2 5 0 r a m ，3 0 0 m m ，3 5 0 m m 系 列。根据支撑方式分为两大类：滚动轴承支撑和滑动轴承支撑。数据库图形如图 1 3 所示。 制幸洚 匾搿毫 簿前 唾：瞥二瑚圣 画孕 唾，亘 ( a ) 滚动轴承系列 ( b ) 滑动轴承系列 图1 3 从动链轮数据库 f i g1 3p a s s i v es p r o c k e td a t ab a s e 主动链轮也按照两大类，三个系列划分，数据库图形如图1 4 所示。 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 鞋圭争一蛰 鞋圭挚蛰 辩嚣一礤t i 捧i ( a ) 滚动轴承系列( b ) 滑动轴承系列 图1 4 主动链轮数据库 f i g1 4d r i v e ds p r o c k e td a t ab a s e 2 2 螺旋给料部滚筒部分的筛选 2 2 1 螺旋滚筒和焊接叶片 螺旋滚筒由无缝钢管和螺旋叶片组成，叶片焊接在无缝钢管上。选用无缝钢 管的主要原因是为了减轻机构的重量。另一方面，螺旋叶片一般由钢板冲压而成， 它的厚度一般为万= 2 1 0 r a m t ”i ，此处选用的厚度为1 0 m m ，、经过后面的有限元计 算后，对无缝钢管和叶片的厚度进行优化设计。在这部分的设计过程中有两种方 案： 1 方案一：采用大螺距的叶片 对于一般的螺旋给料部，螺距s 可以根据螺旋给料部的布置、物料的特性以 及螺旋直径来选取。对于倾斜布置的、输送流动性差和有磨蚀性大的粉状物料， 取s = o 8 d ；对于水平布置的、输送流动性好和磨琢性小的粉状物料，取s = d 。 其中d 为螺旋直径。因为淤煤装载机工作在水仓，淤煤中含有大量的水分，所以 淤煤的流动性较好，且滚筒叶片是水平工作，取s = d 。如图1 5 所示。 大螺距的优点：( 1 ) 提高给料速度； ( 2 ) 减少叶片个数； ( 3 ) 叶片焊接容易； ( 4 ) 滚筒旋转时，淤煤不易飞溅： ( 5 ) 不易被混杂的木棒、竹巴等长条状物体卡死。 大螺距的缺点：( 1 ) 传送的淤煤较多时，所需电机功率大，消耗的电能增多，浪 费能源； ( 2 ) 叶片所受的压力增大，叶片厚度加大，增加制造费用。 1 4 第2 章螺旋给料部结构形式的减量化筛选设计与数据库建立初探 j 一、j 睁谴尚同呼嚅矧 图1 5 大螺距叶片的螺旋给料部 f i g15l a r g ep i t c hb l a d es p i r a lf e e d e rp a r t 2 方案二：采用小螺距叶片 小螺距叶片的螺旋给料部如图1 6 所示。 小螺距的优点： 小螺距的缺点： 图1 6 小螺距叶片的螺旋给料部 f i g16s m a l lp i t c hb l a d es p i r a lf e e d e rp a r t ( 1 ) 所需扭矩小，功率减小，节约能源； ( 2 ) 螺旋叶片所受压力减小，叶片厚度减小，节省成本； ( 3 ) 螺旋叶片在拉伸时，所需拉力相对较小，制造简单。 ( 1 ) 螺旋叶片个数增加，浪费材料： ( 2 ) 降低淤煤传输量； ( 3 ) 叶片与滚筒焊接时，增加劳动强度和工时； ( 4 ) 易被淤煤中的木棒、竹巴等长条状物体卡死； ( 5 ) 相同转速，淤煤易飞溅。 为达到节约能源，降低功耗的减量化设计目标，工况不复杂，输送能力要求 不高的情况下，优先选取小螺距的螺旋叶片；在其他工况恶劣的情况下可以选择 大螺距。有限元静、动力分析后，如果筛选设计不合格，可再选用大螺距，厚度 大的叶片再进行校核，直至校核合格为止。 2 2 2 螺旋叶片的计算 螺旋叶片的加工方法通常有两种：一种是把带缺口圆环拉成螺旋叶片；一种 是把不带缺口的圆环拉成螺旋叶片。所谓带缺口就是下料后，将板料切成带缺口 的圆环；而不带缺口就是不切缺口的圆环。下面将对两种加工方法进行分析比较。 1 带缺口叶片的计算 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 这种加工方法被称为叶片常规加工方法，也称为单个叶片焊接法它适用于 非批量生产。其加工过程：将板料切成带缺口的圆环将它焊接成一串，人工拉 伸至一定螺距，矫正后焊接在轴上。此法工艺简单，经常被工厂采用。已知叶片 直径d ，螺距s ，滚筒轴径d 时，如图1 7 所示，叶片下料计算如下： 财 图1 7 缺口叶片图 f i g1 7g a p b l a d e 三：厄可虿，：厄孑万 h ：( d - d ) 2 ，：l h ( l - o , a = 3 6 0 。 1 一三2 万( ，+ ) ，c = 2 ( r + h ) s i n ( c t 2 ) 式中：工外螺旋实长； 卜一内螺旋实长； 办叶片宽； ，叶片展开内孔半径； q _ 缺口圆心角； c _ 缺口弦长。 2 不带缺口叶片的计算 图1 8 不带缺口叶片 f i g1 8n o ng a pb l a d e 不带缺口叶片，即下料时没有缺口，只将圆环沿a - a 切开，如图1 8 所示。现在 分析不去缺口的的圆环焊接到滚筒后，绕轴旋转的角度( t 2 1 r ) 和它沿轴线上升 1 6 第2 章螺旋给料部结构形式的减量化筛选设计与数据库建立初探 的距离( s - i - x s ) 。 叶片的空间形状是圆柱螺旋面，而圆柱螺旋面又是由无数条螺旋线所组成。 如图1 9 所示，建立坐标系。圆柱螺旋线的方程式为： z 图1 9 圆柱螺旋面图 f i g19c y l i n d r i c a ls p i r a ls u r f a c e x = e c o s f y = e s i n t z = k t ( 其中k = 兰，p 为圆半径) z 万 对上式进行微分得： d x = - e s i n t d t a y = e c o s t d t d z = k d t 代入弧微分公式得： d a = 痧再万i 再 d a ：瓣d l 对上式积分得： 彳： 痧i 锄：括e 2 + k ：t w a ：= 痧e 2 + k 2 t 当t = 2 7 r 时，螺旋线上升一个螺距s ，这时弧长为 爿：痧丽= f 丽2 万= ( 2 n - e ) 2 + s 2 将叶片直径d 和滚筒轴径d 代入公式( 2 - 2 ) 得： ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 安徽理工大学硕士学位论文 外螺旋弧长工= 板芴丽 内螺旋弧长，= ( 7 r d ) 2 + s 2 如果不去掉缺口，内外螺旋线的弧长分别为：2 7 r r ，2 x ( r + h 1 ，则它绕轴旋转 的角度t 由公式( 2 1 ) 得： f = 么孺= 2 万，( d 2 ) 2 + ( s 2 万) 2 去掉缺口的圆环沿轴线上升的距离为螺距s ；而不去掉缺口的圆环沿轴线上升 的距离为s + x ，x 为增量，其计算如下： l 2 z r ( r + h ) = s ( s + x ) s + x = 2 r c s ( r + h ) l = 2 x s ( 2 n - c z ) x = 趴2 万( 2 万一口) 一1 3 二种圆环的计算比较 以大螺距s = 4 0 0 r a m 来计算，已知螺旋叶片直径d = 4 0 0 m m ，滚筒轴径 d = 1 0 2 m m ，其滚筒的长度为2 5 m 。 则有缺口叶片的个数= 2 5 s = 2 5 0 4 = 6 2 5 个 无缺口叶片的个数= 2 5 ( s + x ) = 2 5 0 4 7 5 = 5 2 5 个 叶片采用不带缺1 2 1 的圆环节约材料的比例= ( 6 2 5 5 2 5 ) 6 2 5 = 1 6 由上述比较可知，螺旋滚筒叶片采用不带缺口圆环的经济性是相当可观的。 综上所述，在单段长度4 2 6 m m 的滚筒内安装螺旋叶片，可以划分成2 ，2 5 ， 3 ，3 3 个单位螺距的叶片，组成一个系列，再将叶片外径分为2 5 0 m m ，3 0 0 m m ， 3 5 0 m m 三个大类。在数据库中进行筛选时，针对不同方案可以在系列中选择。如 图2 0 所示。 秘嘞醋精 燃蝴孵悄 1 8 第2 章螺旋给料部结构形式的减量化筛选设计与数据库建立初探 ( a ) 2 5 0 r a m 脐一黼 ( c ) 3 5 0 m m 图2 0 螺旋叶片数据库 f i g2 0s p i r a lb l a d ed a t ab a s e ( b ) 3 0 0 m m 2 2 3 无缝钢管 无缝钢管( s e a m l e s ss t e e lt u b e ) 是一种具有中空截面、周边没有接缝的长条钢 材。钢管具有中空截面，大量用作输送流体的管道，如输送石油、天然气、煤气、 水及某些固体物料的管道等。钢管与圆钢等实心钢材相比，在抗弯抗扭强度相同 时，重量较轻，是一种经济截面钢材，广泛用于制造结构件和机械零件，如石油 钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中用的钢脚手架等。用钢管制造环形 零件，可提高材料利用率，简化制造工序，节约材料和加工工时，如滚动轴承套 圈、千斤顶套等，目前已广泛用钢管来制造。钢管还是各种常规武器不可缺少的 材料，枪管、炮筒等都要钢管来制造。钢管按横截面积形状的不同可分为圆管和 异型管。由于在周长相等的条件下，圆面积最大，用圆形管可以输送更多的流体。 此外，圆环截面在承受内部或外部径向压力时，受力较均匀，因此，绝大多数钢 管是圆管。但是，圆管也有一定的局限性，如在受平面弯曲的条件下，圆管就不 如方、矩形管抗弯强度大，结构用无缝钢管( g b t 8 1 6 2 一1 9 9 9 ) 是用于一般结构和 机械结构的无缝钢管。 一般用无缝钢管是用1 0 、2 0 、3 0 、3 5 、4 5 等优质碳结钢1 6 m n 、5 m n v 等低 合金结构钢或4 0 c r 、3 0 c r m n s i 、4 5 m n 2 、4 0 m n b 等合结钢热轧或冷轧制成的。 1 0 、2 0 等低碳钢制造的无缝管主要用于流体输送管道。4 5 、4 0 c r 等中碳钢制成的 无缝管用来制造机械零件，如汽车、拖拉机的受力零件。一般用无缝钢管要保证 强度和压扁试验。热轧钢管以热轧状态或热处理状态交货；冷轧以热以热处理状 态交货。低中压锅炉用无缝钢管：用于制造各种低中压锅炉、过热蒸汽管、沸水 管、水冷壁管及机车锅炉用过热蒸汽管、大烟管、小烟管和拱砖管等。用优质碳 1 9 安徽理工大学硕士学位论文 素结构钢热轧或冷轧( 拨) 无缝钢管。主要用1 0 、2 0 号钢制造，除保证化学成分 和机械性能外要做水压试验，卷边、扩口、压扁等试验。 对应于螺旋叶片尺寸系列2 5 0 m m ，3 0 0 m m ，3 5 0 m m 三个型号，无缝钢管按 外直径分为1 0 2 m m ，1 0 5 m m ，1 0 8 m m 。数据库图形如图2 1 所示。 匝二二 【、，一l 。匝二二 i i 匝二二 【。，j 图2 1 无缝钢管数据库 f i g2 1s e a m l e s ss t e e lt u b ed a t ab a s e 此螺旋给料机构中，之所以选用无缝钢管主要是考虑到整个机构的重量，无 缝钢管不仅可以满足装载机的工作效率，而且还可以大大减轻设备的重量提高机 器的稳定性。此处的无缝钢管按g b 8 1 6 2 9 9 选取，外径d = 1 0 2 m m ，壁厚万= 1 0 m m 。 2 3 螺旋给料部连接部分的筛选 螺旋滚筒是淤煤装载机的执行机构，长约2 8 米左右。考虑到井下巷道较狭 窄，螺旋滚筒不能做成整体式，而应做成拆卸式。螺旋面的载体是一根无缝钢管， 其壁较薄，因此不宜直接在滚筒上直接开键槽，同时在连接的过程中又要考虑到 密封的问题。 2 3 1 从动轴与滚筒问的连接 从动轴与滚筒间的连接主要考虑