毕业设计（论文）-采煤机截割部设计.doc

摘 要 MG4000 900 3 3D 型采煤机是一种电牵引大功率采煤机 该机机身矮 装机功率大 所有电机横向布置 机械传动都是直齿传动 电机 行走箱 驱动轮组件等均可从老塘侧抽出 故传动效率高 容易安装和维护 主要 介绍了采煤机截割部的设计计算 MG400 900 3 3D 型采煤机截割部主要是 由一个减速箱和四级齿轮传动组成 截割部电机放在摇臂内横向布置 电 动机输出的动力经由三级直齿圆拄齿轮和行星轮系的传动 最后驱动滚筒 旋转 截割部采用四行星单浮动结构 减小了结构尺寸 采用大角度弯摇 臂设计 加大了过煤空间 提高了装煤效果 在设计过程中 对截割部的轴 传动齿轮 轴承和联接用的花键等部 件进行了设计计算 强度校核和选用 此外 还对 MG400 900 3 3D 采煤机的使用与维护进行了说明 以便能 更好的发挥该采煤机的性能 达到最佳工作效果 关键词 采煤机 截割部 减速箱 行星轮系 传动齿轮 设计 目 录 第一章第一章 概述概述 1 1 1 采煤机发展的历史 1 1 2 我国采煤机 30 多年的发展进程 2 1 3 采煤机的发展趋势 4 1 4 采煤机的类型及主要组成 6 第二章第二章 总体方案的确定总体方案的确定 8 2 1 MG400 900 3 3D 型采煤机简介 8 2 2 摇臂结构设计方案的确定 9 2 3 截割部电动机的选择 9 2 4 传动方案的确定 9 第三章第三章 传动系统的设计传动系统的设计 12 3 1 各级传动转速 功率 转矩的确定 12 3 2 齿轮设计及强度效核 13 3 3 轴的设计及强度效核 24 3 4 截割部行星机构的设计计算 31 3 5 轴承的寿命校核 53 3 6 花键的强度校核 54 第四章第四章 采煤机的使用与维护采煤机的使用与维护 56 4 1 采煤机使用过程中常见故障与处理 56 4 2 大功率采煤机截割部温升过高现象及解决方法 57 4 3 采煤机轴承的维护及漏油的防治 58 4 4 煤矿机械传动齿轮失效的改进途径 60 4 5 硬齿面齿轮的疲劳失效及对策 64 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 1 页 第一章 概述 1 1 采煤机发展的历史 20 世纪 40 年代初 英国和前苏联相继研制出了链式采煤机 这种采 煤机是用截链式截落煤 在截链上安装有被称为截齿的专用截煤工具 其 工作效率低 同时德国研制出了用刨削方式落煤的刨煤机 50 年代初 英 国和德国相继研制出了滚筒式采煤机 在这种采煤机上安装有截煤滚筒 这是一种圆筒形部件 其上安装有截齿 用截煤滚筒实现落煤和装煤 这 种采煤机与可弯曲输送机配套 奠定了煤炭开采机械化的基础 这种采煤 机的主要缺点有二 其一是截煤滚筒的高度不能在使用中调整 对煤层厚 度及其变化适应性差 其二是截煤滚筒的装煤效果不佳 限制了采煤机生 产率的提高 进入 60 年代 英国 德国 法国和前苏联先后对采煤机的截 割滚筒做出革命性改进 1 截煤滚筒可以在使用中调整其高度 完全解决 对煤层赋存条件的适应性 2 把圆筒形截割滚筒改进成螺旋叶片截煤滚筒 即螺旋滚筒 极大地提高了装煤效果 这俩项关键的改进是滚筒式采煤机 称为现代化采煤机械的基础 可调高螺旋滚筒采煤机或刨煤机与液压支架和可弯曲输送机配套 构 成综合机械化采煤设备 使煤炭生产进入高产 高效 安全和可靠的现代 化发展发展阶段 从此 综合机械化采煤设备朝着大功率 遥控 遥测方 向发展 其性能日臻完善 生产率和可靠性进一步提高 工矿自动检测 故障诊断以及计算机数据处理和数显等先进的监控技术已经在采煤机上得 到应用 我国现行采煤机摇臂壳体的设计基本上都采用传统的设计方法 根据经 验和以往设计实例设计人员在纸面上设计所需的产品 根据小功率采煤机摇 臂尺寸适当加大来设计更大功率的采煤机摇臂 如果出现问题或不满足预定 设计要求的情况 就要修改设计 这在现实设计中确实出现了许多的问题 随 着采煤机装机功率越来越大 单纯依靠经验 根据小型机器设计大功率机器和 加大安全系数的方法 往往使设计产品的尺寸越来越大 结构的应力分布 变 形分布 内力分布也很难得到合理保证 然而通过对采煤机摇臂进行有限 元分析 可以得出采煤机摇臂壳体在不同位置 不同工况的应力 应变规律 摸清其危险截面 极限工况 极限载荷和极限应力 提出摇臂承载能力的优 化方案 同时还可以对摇臂壳体固有频率 各阶振型 动力性能进行探索 性分析研究 应用该技术可以在产品设计阶段预测产品质量 使产品在投入 生产之前进行优化以提高产品质量 从而缩短产品开发周期 进而降低开发成 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 2 页 本 提高市场竞争力 1 2 我国采煤机 30 多年的发展进程 1 2 1 20 世纪世纪 70 年代是我国综合机械化采煤起步阶段年代是我国综合机械化采煤起步阶段 20 世纪 70 年代初期 煤炭科学研究总院上海分院集中主要科技骨干 研制出综采面配套的 MD 150 型双滚筒采煤机 另一方面改进普采配套的 DY100 型 DY150 型单滚筒采煤机 70 年代中后期 制造出 MLS3 170 型 双滚筒采煤机 20 世纪 70 年代我国采煤机的发展有以下特点 1 装机功率小 例如 MLS3 170 型双滚筒采煤机 装机功率 170KW KD 150 型双滚 筒采煤机 装机功率 150KW DY 100 和 DY 150 型单滚筒采煤机 装机功 率 100KW 和 150KW 2 有链牵引 输出牵引力小 此时期的采煤机牵引方式都是圆环链轮与牵引链轮啮合传动 传递牵 引力小 牵引力在 200KN 以下 3 牵引速度低 由于受液压元部件可靠性的限制 设计的牵引力功率较小 牵引速度 一般不超过 6m min 4 自开切口差 由于双滚筒采煤机摇臂短 又都是有链牵引 很难割透两端头 且容易留下 三角煤 故需要人工清理 单滚筒采煤机更是如此 5 工作可靠性较差 我国基础工业比较薄弱 元部件质量较差 反映在采煤机的寿命普遍较低 特别是液压元部件的损坏比较严重 1 2 2 20 世纪世纪 80 年代是我国采煤机发展的兴旺时期年代是我国采煤机发展的兴旺时期 20 世纪 70 年代后期 我国总共引进 143 套综采成套设备 世界主要采 煤机生产国如英国 德国 法国 波兰 日本等都进入中国市场 其技术 也展示在中国人的面前 为我们深入了解外国技术和掌握这些技术创造了 条件 同时通过 20 世纪 70 年代自行研制采煤机的实践 获得了成功和失 败的经验与教训 确立了我国采煤机的发展方向 即仿制和自行研制并举 解决难采煤层的问题是 20 世纪 80 年代重大课题之一 具体的课题是 薄煤层综合机械化成套设备的研制 大倾角综采成套设备的研制 三硬 三软 4 5m 一次采全高综采设备的研制 解决短工作面的开采问题 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 3 页 短煤臂采煤机的研制 据初步统计 20 世纪 80 年代自行开发和研制的采煤机品种有 50 余种 是我国采煤机收获的年代 基本满足我国各种煤层开采的需要 大量依靠 进口的年代已一去不复返了 20 世纪 80 年代采煤机的发展有如下特点 1 重视采煤机系列的开发 扩大使用范围 20 世纪 70 年代开发的采煤机 一种类型只有一个品种 十分单一 覆 盖面小 很难满足不同煤层开采需要 20 世纪 80 年代起重视系列化采煤机 的开发工作 一种功率的采煤机可以派生出多种机型 主要元部件在不同 功率的采煤机上都能通用 这样不仅扩大了工作面的适应范围 而且便于 用户配件的管理 采煤机系列化是 20 世纪 80 年代采煤机发展中非常突出 的特点 2 元部件攻关先行 促使采煤机工作可靠性的提高 总结 20 世纪 70 年代采煤机开发中的经验教训 元部件的可靠性直接 决定采煤机开发的成功率 所以功关内容为 主电机的攻关 以解决烧机 的现象 齿轮攻关 从选择材质上 热处理工艺上着手 学习国内外先进 技术成功经验 以德国齿轮为目标进行攻关 达到预期目的 解决了低速 重载齿轮早失效的问题 液压系统和液压元部件的攻关 主油泵和油马达 的可靠性直接影响牵引部工作的可靠性 在 20 世纪 80 年代中期 把斜轴 泵 斜轴马达 阀组和调速机构等都列入重点攻关内容 3 无链牵引的推广使用 使采煤机工作平稳 使用安全 在引进大功率采煤机的同时 无链牵引技术传入中国 德国艾柯夫公 司的销轨式无链牵引和英国安德森公司的齿轨式无链牵引占绝大多数 而 且技术成熟 为此 我国研制采煤机的无链牵引都向引进机组的结构上靠 拢 仿制和引进技术生产的采煤机更是如此 无链牵引使采煤机工作平稳 使用安全 承受的牵引力大 因此 得到用户的广泛欢迎 大功率采煤机 都采用无链牵引系统 1 2 3 20 世纪世纪 90 年代至今是我国电牵引采煤机发展的时代年代至今是我国电牵引采煤机发展的时代 进入 20 世纪 90 年代后 随着煤炭生产向集约化方向发展 减员提效 提高工作面单产成为煤炭发展的主流 发展高产高效工作面势在必行 此 采煤机开发研制围绕高产高效的要求进行 其主要方向是 1 大功率高参数的液压牵引采煤机 最具代表性的机型是 MG2X400 W 型采煤机 2 高性能电牵引采煤机 电牵引采煤机的研制从 20 世纪 80 年代开 始起步 20 世纪 90 年代全面发展 电牵引的发展存在直流和交流两种技术 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 4 页 途径 进入 20 世纪 90 年代后 交流变频调速技术在中厚煤层采煤机中推 广使用 上海分院先后开发成功 MG200 500 WD MG200 450 BWD MG250 600 WD MG400 920 WD 和 MG450 1020 WD 等采煤机 变频调速箱可以是机载 也可以是非机载 另外派生出 8 种机型 都已投 入使用 取得较好的效果 太原矿山机械厂在引进英国 Electra1000 直流电 牵引全套技术的基础上 开发出 MG400 900 WD 和 MG250 600 WD 型两种 电牵引采煤机 鸡西煤机厂 辽源煤机厂也开发了交流电牵引采煤机 国产电牵引采煤机虽然发展速度很快 但在性能和可靠性上与世界先 进国家的 I 采煤机相比 还存在较大的差距 所以一些有实力的矿务局 在 装备高产高效工作面时 把目光移到国外 进口国外先进电牵引采煤机 如神府华能集团引进美国的 7LS 6LS 电牵引采煤机 兖州矿业集团公司引 进德国的 SL 500 型和日本的 MCLE DR102 型交流电牵引采煤机 但由于 价格昂贵 故引进数量较少 90 年代采煤机技术发展的特点如下 1 多电机驱动横向布置的总体结构成为电牵引采煤机发展的主流 我国开发的电牵引采煤机 一般都采用横向布置 各大部件由单独的 电动机驱动 传动系统彼此独立 无动力传递 结构简单 拆装方便 因 而有取代电动机纵向布置的趋势 2 我国采煤机的主要参数与世界先进水平的差距在缩小 在装机功率方面 我国的液压牵引采煤机装机功率达到 800KW 电牵 引采煤机装机功率达到 1020KW 其牵引功率为 2X50KW 可满足高产高 效工作面对功率的要求 在牵引力和牵引速度方面 电牵引的最大牵引力 已达到 700KN 最大牵引速度达 12 56m min 微处理机的工矿监测 故障 显示 无线电离机控制等方面已达到较高技术水平 3 液压紧固技术的开发研究取得成功 采煤机连接构件经常松动是影响工作可靠性的重要因素 而且解决难 度较大 液压螺母和专用超高压泵 在电牵引采煤机中得到推广应用 防 松效果显著 基本解决采煤机连接可靠性的问题 回顾这 30 多年我国采煤机发展的历程 走的是一条自力更生和仿制引 进结合的道路 也是一条不断学习国外先进技术为我所用的发展道路 从 20 世纪 70 年代主要靠进口采煤机来满足我国生产需要 到近年几乎是国产 采煤机占我国整个采煤机市场 这也是个了不起的进步 1 3 采煤机的发展趋势 80 年代以来 滚筒式采煤机在结构 性能参数 可靠性和易维修性上 都有很大的改进 归结起来 滚筒式采煤机有以下特征和发展趋势 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 5 页 1 增大功率和能力 为了适应综采工作面高产 高效和在不同地质条件下快速截割煤岩的需 要 不论厚 中厚和薄煤层的采煤机均在不断增大装机功率和生产能力 2 电牵引采煤机已成为主导机型 目前电牵引采煤机已成为德国 英国 美国 日本和法国等主要生产国 的主导机型 3 增大牵引速度和牵引力 并改进无链牵引机构 为了适应综采高产高效的要求 近代采煤机的牵引速度和牵引力都有较 大的增大 4 机器的结构布置有新的发展 近年来不断发展和研制出了多机横向布置 部件可侧面拉装的整机箱式 机身 纵向布置采煤机的牵引部和截割部合为一个部件 破碎机采用单独 电动机传动 改进挡煤板传动装置 无底托架或不用整体底托架等新的结 构布置方式 5 截割滚筒的革新和改进 截割滚筒的改进是围绕增大截深 减低煤尘 增大块煤率和提高寿命等 目标进行的其主要改进有增大截深 采用强力截齿 增大块煤率和减少煤 尘生成 滚筒设计 CAD 高压水射流喷雾降尘和助切 加固滚筒结构等方 面 6 扩大采煤机的使用范围 不断开发难采煤层的机型 薄煤层 厚煤层 硬粘并有夹矸煤层 大倾角 破碎顶板等难采煤层的 机型的发展有 开发出了薄煤层 厚煤层 大倾角 短机身 窄机身等机 型 7 提高采区工作电压 80 年代以前 各国采区工作面设备电压多为 1000V 左右 随着综采设 备向大功率发展 目前采煤机最大功率达 1220kW 截割电机最大功率达 6000kW 刮板输送机最大功率达 1125kW 驱动电机最大功率达 525 kW 加上工作面长度的不断增长 所以必须提高采区的供电电压 目前各国生 产的大功率采煤机 其供电电压一般为 2300 3300 4160 和 5000V 等几档 8 采用微电子技术 实现机电液一体化的采集 工况监测 故障诊断和自 动控制 现代采煤机均装有功能完善的用微处理器控制的数据采集 工况监测 故障诊断和自动控制 这是代表采煤机水平的重要标志 现代采煤机的微 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 6 页 处理系统除了工况监测 还可以对其采集信息进行分析处理 再输出显示 存储 控制和传输等 以实现检测 预警 保护 健康诊断 事故查询 维修指导和调度分析等多种功能 9 贯彻标准化 系列化和通用化原则 加速开发适合不同地质条件的新机 型 目前各主要采煤机生产厂家都十分重视三化原则 将采煤机各主要部件 如电动机 截割部固定减速箱 摇臂 滚筒 牵引部 截牵箱 行走箱 牵引机构等 制定标准 作为适合不同条件的通用部件 各部件间的连接 尺寸一致 这样 就可以根据不同的地质条件的要求 很容易用积木式方 法将各部件组合成新机型 以扩大采煤机的系列和加速研制过程 10 提高采煤机的可靠性和寿命 提高易维修性 缩短井下更换部件时间 延长大修周期 提高机器的使用率和开机率 1 4 采煤机的类型及主要组成 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 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 7 页 1 左截割部 2 右截割部 3 左行走部 4 右行走部 5 左旋滚筒 6 右旋滚筒 7 液压传动 8 电控部 铭牌 电控部 编程站 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 8 页 第二章 总体方案的确定 2 1 MG400 900 3 3D 型采煤机简介 MG400 900 WD 型机载交流电牵引采煤机 该机装机功率 900KW 截 割功率 2 400KW 牵引功率 该采煤机使用的电气控制箱符合矿用电气设备防爆规程的要求 可在 有瓦斯或煤层爆炸危险的矿井中使用 并可在海拔不超过 2000m 周围介 质温度不超过 40 或低于 10 不足以腐蚀和破坏绝缘的气体与导电 尘埃的情况下使用 2 1 2 主要技术参数 该机的主要技术参数如下 采高 m2 2 3 5 截深 mm800 适应倾角 25 适应煤质硬度 F 4 滚筒转速 r min 40 摇臂长度 mm 3500 牵引速度 m min 0 15 牵引型式 齿轮 齿轨 机面高度 mm 1726 最小卧底量 mm 265 灭尘方式 内外喷雾 装机功率 kw 900 电压 v 1140 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 9 页 2 1 3 MG400 900 WD 型采煤机采用多电机横向布置方式 截割部用销轴 与牵引部联结 左 右牵引部及中间箱采用高强度液压螺栓联结 在中间 箱中装有泵箱 电控箱 水阀和水分配阀 该机具有以下特点 1 截割电机横向布置在摇臂上 摇臂和机身连接没有动力传递 取 消了纵向布置结构中的螺旋伞齿轮和结构复杂的通轴 2 主机身分为三段 即左牵引部 中间控制箱 右牵引部 采用高 度液压螺栓联结 结构简单可靠 拆装方便 2 2 摇臂结构设计方案的确定 由于煤层地质条件的多样性 煤炭生产需要多种类型和规格的采煤机 利用通用部件 组装成系列型号的采煤机 可以给生产带来很多方便 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 2 3 截割部电动机的选择 由设计要求知 截割部功率为 400 2KW 即每个截割部功率为 400KW 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 据此选择由抚顺厂生产的三相鼠笼异 步防爆电动机 YBC3 400 其主要参数如下 额定功率 400KW 额定电压 1140V 额定电流 296A 额定转速 1470P m 额定频率 50HZ 绝缘等级 H 接线方式 Y 工作方式 S1 质量 1502KG 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 4 传动方案的确定 2 4 1 传动比的确定 滚筒上截齿的切线速度 称为截割速度 它可由滚筒的转速和直径计 算而的 为了减少滚筒截割产生的细煤和粉尘 增大块煤率 滚筒的转速 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 10 页 出现低速化的趋势 滚筒转速对滚筒截割和装载过程影响都很大 但对粉 尘生成和截齿使用寿命影响较大的是截割速度而不是滚筒转速 总传动比 总 i 7536 40 1470 n n I 滚 总 电动机转速 r minn 滚筒转速 r min 滚 n 2 4 2 传动比的分配 在进行多级传动系统总体设计时 传动比分配是一个重要环节 能否 合理分配传动比 将直接影响到传动系统的外阔尺寸 重量 结构 润滑 条件 成本及工作能力 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 由于采煤机在工作过程中常有过载和冲击载荷 维修比较困难 空间 限制又比较严格 故对行星齿轮减速装置提出了很高要求 因此 这里先 确定行星减速机构的传动比 本次设计采用 NWG 型行星减速装置 其原理如图所示 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 11 页 a 太阳轮 b 内齿圈 g 行星轮 x 行星架 NWG行星机构 该行星齿轮传动机构主要由太阳轮 a 内齿圈 b 行星轮 g 行星架 x 等组成 传动时 内齿圈 b 固定不动 太阳轮 a 为主动轮 行星架 x 上的 行星轮 g 面绕自身的轴线 ox ox 转动 从而驱动行星架 x 回转 实现减 速 运转中 轴线 ox ox 是转动的 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 造方便 传动功率范围大 可用于各种工作条件 因此 它用在采煤机截 割部最后一级减速是合适的 该型号行星传动减速机构的使用效率为 0 97 0 99 传动比一般为 2 1 13 7 如上图所示 当内齿圈 b 固定 以 太阳轮 a 为主动件 行星架 g 为从动件时 传动比的推荐值为 2 7 9 查 阅文献 4 采煤机截割部行星减速机构的传动比一般为 4 6 这里定行星 减速机构传动比 747 5 ib ag 则其他三级减速机构总传动比 36 75 5 747 6 39 总 II b ag i 由于采煤机机身高度受到严格限制 每级传动比一般为根据 4 3 j i 前述多级减数齿轮的传动比分配原则和摇臂的具体结构 初定各级传动比 为 79 1 i1 56 1 i2 29 2 i3 以此计算 四级减速传动比的总误差为 1 56 2 29 5 747 36 75 0 2 79 1 75 36 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 12 页 在误差允许范围 5 内 合适 第三章 传动系统的设计 截割部传动系统图 3 1 各级传动转速 功率 转矩的确定 各轴转速计算 从电动机出来 各轴依次命名为 轴 轴 min1470 1 n r 轴 min 2 82179 1 1470 3 rn 轴 43 52656 1 2 821 234 inn min r 轴 min 88 22929 2 43 526 346 rinn 各轴功率计算 轴 0 99 396400 31 PPkW 轴 0 98 0 99 384 2396 2 1212 PP 2 kW 轴 0 98 0 99 372 75 2 384 1223 PPkW 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 13 页 轴 0 98 0 99 0 99 35875 372 31234 PPkW 轴 0 98 0 99 0 99 343 9358 31245 PPkW 轴 0 98 0 99 333 6 9 343 1256 PPkW 轴 0 98 0 99 0 99 320 5 6 333 31267 PPkW 轴 0 98 0 99 0 99 307 8 5 320 31278 PPkW 各轴扭矩计算 轴 95509550 1 1 1 n P TmN 65 2572 1470 396 轴 95509550 3 3 3 n P TmN 9 4358 2 821 75 372 轴 95509550 4 4 4 n P TmN 23 66981 43 526 358 轴 95509550 7 7 7 n P TmN 13792 8 229 5 320 将上述计算结果列入下表 供以后设计计算使用 运动和动力参数 编号功率 kW转速 n r min 1 转矩 T N m 传动比 轴 39614702572 65 轴 372 75821 24358 9 1 79 轴 358526 436698 231 56 轴 320 5229 88137922 29 轴 307 8229 88427494 25 747 3 2 齿轮设计及强度效核 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 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 14 页 系统的设计经验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 具体计算过 程级计算结果如下 统的设计经验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 具体计算过程及计算结果如下 齿轮 1 和惰轮 2 的设计及强度效核 计算过程及说明计算结果 1 选择齿轮材料 查文献 1 表 8 17 齿轮选用 20GrMnTi 渗碳淬火 2 按齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精度等级 按估 3 111t np0 022 n 0 013v 取圆周速度 参考文献 1 表 8 14 表 8 15smvt 24 14 选取 小轮分度圆直径 由式 8 64 得 1 d 3 2 H HE d 1 1 ZZZ u 1ukT2 d 齿宽系数查文献 1 表 8 23 按齿轮相对轴承为非对称布 d 置 取 0 6 d 小轮齿数 19 1 Z 1 Z 惰轮齿数 34 01 2 Z 2 Z 1979 1 11 Zi 齿数比 uu19 34 12 ZZ 传动比误差 误差在范围内0 uu 3 HRC 56 62 smvt 24 14 公差组 6 级 0 6 d 19 1 Z 34 2 Z 1 79u 合适 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 18 页 小轮转矩mmNT 2572650 1 载荷系数 由式 8 54 得K KKKKK VA 使用系数 查表 8 20 A K 动载荷系数 查图 8 57 得初值 V K Vt K 齿向载荷分布系数 查图 8 60 K 齿间载荷分配系数 由式 8 55 及得 K0 cos Z 1Z 1 2 388 1 21 1 88 3 2 1 19 1 34 1 617 查表 8 21 并插值 1 K 则载荷系数的初值 K1 2 t K108 1 1 175 1 t K 弹性系数 查表 8 22 E Z 189 8 E Z 2 mmN 节点影响系数 查图 8 64 H Z 0 xx 0 21 重合度系数 查图 8 65 Z 0 许用接触应力 由式得 698 H HHHLim SZZ 接触疲劳极限应力 查图 8 69 21HLimHLim 应力循环次数由式得 708 1 75 A K 1 11 Vt K 1 08 K 1 K 1 2 t K 189 8 E Z 2 mmN 2 5 H Z 0 897 Z 2 1 1450mmN HLim 2 2 1450mmN HLim 9 1 1058 10 N 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 19 页 1030020 2147060njL60N h1 9 12 1092 5 79 1 58 10u NN 则 查图 8 70 得接触强度得寿命系数 1 21 NN ZZ 硬化系数 查图 8 71 及说明 Z 接触强度安全系数 查表 8 27 按高可靠度查 H S 取6 1 5 1 HLim S6 1 H S 2 2H1H mm N25 9066 1 111450 故的设计初值为 1 d t d1 6 183 25 906 897 05 28 189 79 1 179 1 6 0 25726501 22 3 2 1 t d 齿轮模数 查表 8 3mmZdm t 66 9 19 6 183 11 小齿分度圆直径的参数圆整值 t d1919mZ1 圆周速度 v60000 147019014 3 60000 11 ndv t 与估取很相近 对取值影响不大 不必修smvt 6 14 V K 正 V K 1 11 VtV KK 1 2 t KK 小轮分度圆直径 t dd 11 惰轮分度圆直径 3403410 22 mZd 中心距 a 265 2 341910 2 21 ZZm a 9 2 1092 5 N 1 21 NN ZZ 1 Z 6 1 H S mm10 m 190mm t d1 smv 6 14 11 1 V K1 2 K mmd190 1 mmd340 2 mm265 a 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 20 页 齿宽 b110 6 1836 0 min1 td db 惰轮齿宽 110 2 bb 小轮齿宽 10 5 21 bb 齿根弯曲疲劳强度效荷计算 3 由式 668 FSF 1 1 F YYY mbd KT2 齿形系数 查图 8 67 小轮 F Y 1 F Y 大轮 2 F Y 应力修正系数 查图 8 68 小轮 S Y 1 S Y 大轮 2 S Y 重合度系数 由式 8 67 Y 71 0 617 1 75 0 25 0 75 0 25 0 Y 许用弯曲应力由式 8 71 F FxNFLimF SYY 弯曲疲劳极限 查图 8 72 FLim 弯曲寿命系数 查图 8 73 N Y 尺寸系数 查图 8 74 x Y 安全系数 查表 8 27 F S 则 2 98 0 1850 11121 FXNFLimFF SYY 1 2 1 6 15771 0 54 1 86 2 10190115 257265014 2 2 FF mmN mm110 2 b mmb115 1 2 86 1 F Y 2 47 2 F Y 1 54 1 S Y 1 63 2 S Y 71 0 Y 2 1 850mmN FLim 2 2 850mmN FLim 1 21 NN YY 1 x Y 2 F S 2 1 5 416mmN F 2 2 5 416mmN F 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 21 页 齿轮 4 和齿轮 5 设计及强度效核 1 选择齿轮材料 查文献 1 表 8 17 齿轮选用 20GrMnTi 渗碳淬火 2 按齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精度等级 按 HRC 56 62 2 2 2 16 8471 0 63 1 47 2 10340110 257265014 2 2 FF mmN 4 齿轮几何尺寸计算 分度圆直径 d1910 11 mZd 3410 22 mZd 齿顶高 a hmmmhh aa 10101 齿根高 f h 1025 01 mchh af 齿顶圆直径 a d1021902 11 aa hdd 1023402 22 aa hdd 齿根圆直径 f d 5 1221902 11 ff hdd 5 1223402 22 ff hdd 基圆直径 b d 20cos190cos 11 ddb 20cos340cos 22 ddb 齿距 p 4 31 mp 齿厚 s 7 152 ms 中心距 圆整a265 a 2 1 6 157mmN F 2 2 16 84mmN F mmd190 1 mmd340 2 mmha10 mmhf 5 12 mmda210 1 mmda360 2 mmd f 165 1 mmd f 315 2 mmdb 5 178 1 mmdb 5 319 2 mmp 4 31 mms 7 15 mma265 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 23 页 估取圆周速度 3 333t n pn 022 0 013 0 v smvt 32 11 参考文献 1 表 8 14 表 8 15 选取 小轮分度圆直径 由式 8 64 得 1 d 3 21 1 12 H HE d ZZZ u ukT d 齿宽系数查文献 1 表 8 23 按齿轮相对轴承为非对称布 d 置 取 0 6 d 小轮齿数 4 Z 大轮齿数 37 44圆整取 5 Z 5 Z 2456 1 42 Zi 齿数比 uu24 37 45 ZZ 传动比误差 误差在范围内003 0 uu 5 小轮转矩mmNT 6698230 4 载荷系数 由式 8 54 得K KKKKK VA 使用系数 查表 8 20 A K 动载荷系数 查图 8 57 得初值 V K Vt K 齿向载荷分布系数 查图 8 60 K 齿向载荷分配系数 由式 8 55 及得 K0 cos 1 1 2 388 1 54 ZZ 1 88 3 2 1 23 1 36 1 65 查表 8 21 并插值 1 1 K 则载荷系数的初值 K1 108 1 18 1 75 1 t K smvt 32 11 公差组 7 级 0 6 d 24 4 Z 37 5 Z 1 542u 合适 mmNT 6698230 4 1 75 A K 1 18 Vt K 1 08 K 1 1 K 45 2 t K 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 24 页 弹性系数 查表 8 22 E Z 189 8 E Z 2 mmN 节点影响系数 查图 8 64 H Z 0 0 21 xx 重合度系数 查图 8 65 Z 0 许用接触应力 由式得 698 H HHHLim SZZ 接触疲劳极限应力 查图 8 69 21HLimHLim 应力循环次数由式得 708 1030020 1 2 8216060 1 h njLN 99 12 1089 1 565 1 10956 2 uNN 则 查图 8 70 得接触强度得寿命系数 1 21 NN ZZ 硬化系数 查图 8 71 及说明 Z 接触强度安全系数 查表 8 27 按高可靠度查 H S 取6 1 5 1 HLim S6 1 H S 2 21 25 9066 1 111450mmN HH 齿轮模数 查表 8 3mmZdm t 045 1124 08 265 44 小齿分度圆直径的参数圆整值 t d41124 4 mZ 圆周速度 v 60000 2 82126414 3 60000 34 ndv t 189 8 E Z 2 mmN 2 5 H Z 0 87 Z 2 1 1450mmN HLim 2 2 1450mmN HLim 9 1 10956 2 N 9 2 1089 1 N 1 21 NN ZZ 1 Z 6 1 H S 11 m mmd t 264 4 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 25 页 与估取很相近 对取值影响不大 不必修正smvt 9 V K 1 18 VtV KK 45 2 t KK 小轮分度圆直径 t dd 44 惰轮分度圆直径 4073711 55 mZd 中心距 a 5 335 2 372411 2 54 ZZm a 齿宽 b16008 2656 0 min1 td db 惰轮齿宽 125 5 bb 小轮齿宽 10 5 54 bb 齿根弯曲疲劳强度效荷计算 3 由式 668 FSFF YYY mbd KT 4 4 2 齿形系数 查图 8 67 小轮 F Y 4 F Y 大轮 5 F Y 应力修正系数 查图 8 68 小轮 S Y 4 S Y 大轮 5 S Y 重合度系数 由式 8 67 Y 65 1 75 0 25 0 75 0 25 0 Y 许用弯曲应力由式 8 71 F FxNFLimF SYY 弯曲疲劳极限 查图 8 72 FLim smv 34 11 18 1 V K 45 2 K mmd264 4 mmd407 5 mma 5 335 mmb160 5 mmb135 4 2 71 4 F Y 2 45 5 F Y 1 58 4 S Y 1 64 5 S Y 7 0 Y 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 26 页 弯曲寿命系数 查图 8 73 N Y 尺寸系数 查图 8 74 x Y 安全系数 查表 8 27 F S 则 2 98 0 1850 11421 FXNFLimFF SYY 4F 2 4F mm N14 1977 058 1 71 2 9207130 325100045 2 2 5 2 5 92 1227 064 1 45 2 9324125 325100045 2 2 FF mmN 4 齿轮几何尺寸计算 分度圆直径 d2411 44 mZd 3711 55 mZd 齿顶高 a hmmmhh aa 11111 齿根高 f h 1125 0 1 mchh af 齿顶圆直径 a d1122642 44 aa hdd 1124072 55 aa hdd 齿根圆直径 f d75 1321642 44 ff hdd 75 1324072 55 ff hdd 基圆直径 b d 20cos264cos 44 ddb 2 4 850mmN FLim 2 5 850mmN FLim 1 21 NN YY 0 98 x Y 2 F S 2 1 5 416mmN F 2 2 5 416mmN F 2 4 14 197mmN F 2 5 92 122mmN F mmd264 4 mmd407 5 mmha11 mmhf75 13 mmda286 4 mmda429 5 mmd f 5 236 4 mmd f 5 379 5 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 27 页 20cos407cos 55 ddb 齿距 pmmmp45 34 齿厚 s27 172 ms 中心距 圆整amma336 mmdb248 4 mmdb 5 382 5 mmp45 34 mms27 17 mma336 齿轮 6 和惰轮 7 的几何尺寸计算 齿轮几何尺寸计算 分度圆直径 d1716 66 mZd 2816 77 mZd 齿顶高 a hmmmhh aa 16161 齿根高 f h 1625 01 mchh af 齿顶圆直径 a d1622722 66 aa hdd 1624482 77 aa hdd 齿根圆直径 f d2022722 66 ff hdd 2024482 77 ff hdd 基圆直径 b d 20cos272cos 66 ddb 20cos448cos 77 ddb 齿距 pmmmp24 50 齿厚 smmms12 252 中心距 圆整amma360 mmd272 6 mmd448 7 mmha16 mmhf20 mmda304 6 mmda480 7 mmd f 232 6 mmd f 408 7 mmdb232 6 mmdb382 7 mmp24 50 mms12 25 mma360 惰轮 8 和齿轮 9 的几何尺寸计算 齿轮几何尺寸计算 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 28 页 分度圆直径 d2816 88 mZd 3916 99 mZd 齿顶高 a hmmmhh aa 16161 齿根高 f h 1625 01 mchh af 齿顶圆直径 a d1624482 88 aa hdd 1626242 99 aa hdd 齿根圆直径 f d2024482 88 ff hdd 2026242 99 ff hdd 基圆直径 b d 20cos448cos 88 ddb 20cos624cos 99 ddb 齿距 pmmmp26 50 齿厚 smmms13 252 中心距 圆整amma536 mmd448 8 mmd624 9 mmha16 mmhf20 mmda480 8 mmda656 9 mmd f 408 8 mmd f 420 9 mmdb382 8 mmdb586 9 mmp26 50 mms13 25 mma536 由于齿轮的强度效核方法都是相似的 因而对其它齿轮的强度效核过 程安排在设计说明书以外的篇幅中进行 并全部强度验算合格 3 3 轴的设计及强度效核 先确定 轴 3 3 1 选择轴的材料 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 3 3 2 轴径的初步估算 由表 4 2 取 A 115 可得 mm n p Ad 4 88 2 821 75 372 115 3 3 3 3 1 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 29 页 3轴示意图 3 3 3 求作用在齿轮上的力 轴上大齿轮分度圆直径为 mmmZd340 3 圆周力 径向力和轴向力的大小如下 t F r F F N d T Ft25636 306 435800022 2 3 1 NFF ntr 933120tan25636tan 1 小轮分度圆直径为 mmd264 4 N d T Ft 6 16 33 207 435800022 4 3 2 NFF ntr 1201720tan 6 31411tan 2 3 3 4 轴的结构设计 1 拟定轴向定位要求确定各轴段直径和长度 段安装调心滚子轴承 轴承型号 22219c 尺寸 3615085 BDd 取轴段直径mmd85 1 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 30 页 取齿轮距箱体内壁距离轴承距箱体内壁则 10mm 5mms mmsBL165105150 1 段安装齿轮 齿轮左端采用套筒定位 右端使用轴肩定位 取轴段直径轴段长度 91mmmmL110 2 段取齿轮右端轴肩高度轴环直径 91轴段长 4mmh mm mmL178 3 段用于装轴承 选用深沟球轴承 Nj419 尺寸 取轴段直径轴段长 164 3016090BDd 90 3 mmd mm 2 轴上零件的周向定位 两个齿轮均采用花键联结 花键适用于载荷较大和定心精度 要求较高的静联接和动联接 它的键齿多 工作面总接触面积大 承 载能力高 它的键布置对称 轴 毂受力均匀 齿槽浅 应力集中较 小 对轴和轮毂的消弱小 花键尺寸为 11611210210 BDdN 轴承与轴的周向定位采用过渡配合保证的 因此轴段直径公 差取为 6 K 轴端倒角 452 3 3 5 轴的强度效核 首先根据轴的结构图作出轴的计算简图 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 31 页 轴承1轴承2 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 32 页 2 1 2 求支反力 水平面 NFFR ttRB 2 278439012583 8312583 43 NRFFR HBttHA 4 24817 43 垂直面 NFFR rrRB 9 58259012583 83125 83 43 NRFFR rBrrHA 2127 43 3 计算弯矩 绘弯矩图 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 33 页 水平弯矩 图 b 所示 mmNRM HACH 2 205984483 4 2481783 mmNRM HBDH 250588890 2 2784390 垂直面弯矩 图 c 所示 mmNRM VACV 17654183212783 mmNRM VBDV 52433190 9 582590 合成弯矩 图 d 所示 mmNMMM CHCVC 6 2067395176541 2 2059844 2222 mmNMMM DHDVD 8 25601555243312505888 2222 4 扭矩 mmNT 3251100 3 mmNT 195066032511006 0 3 5 计算当量弯矩 图 f 所示 mmNMM CCa 6 20673950 2 mmNTMM DDa 4 32186131950660 8 2560155 22 2 2 左 mmNMM DDa 8 2560155 2 右 显然 D 处为危险截面 故只对该处进行强度效核 轴的材料为 45 钢 调质处理 查表 4 1 得 2 650mmN B 由得 W MDa 取 2 65 581 0 09 0 mmN B 2 60mmN 333 3 3 91267971 01 0 32 mmd d W 中国矿业大学 2008 届本科生毕业设计第 34 页 2 3 35 3 91267 4 3218613 mmN W MCa 2 60mmN 3 3 6 安全系数效核计算 1 确定参数 由前述计算可知 mNT 1 3251 3 mmNMCa 6 2067395 3 3 91267 mmW min 2 821 3 rn 抗扭截面模量 3333 6 182534972 02 0 16 mmd d W 2 计算应力参数 弯曲应力幅 2 9 20mmN a 因弯矩为对称循环 故弯曲平均应力0