进机截齿三向力测试实验台论文

摘 要 本论文为掘进机截齿三向力测试实验台，其主要目的是研究如何测试三个方向的力的机械测试方法。本次设计主要包括动力传动设计和如何检测三个方向的力。其工作原理主要是结构控制工作台的不同运动方向和工作头的旋转截割，把实际复杂的运动受力分解成三个方向的力，然后再进行信号收录、还原、分析，做进一步检测。 本次设计的主要目的在于如何设计出三个方向分析的机械检测设备，为大型大量的实际施工设备、操作，收集和积累实验数据和必要的参数。关键词 掘进机；截齿；三向力AbstractThis thesis for determing tooth three-axis testing machine, its main purpose is to study how to test the strength of the three directions mechanical testing method. This design includes power transmission design and how to detect the three directions. Its principle of work is mainly structure control of workbench movement direction and different job rotation of the head, the actual cutting force of sports complex in three directions of decomposing signal, and then collected, reduction, analysis, further testing.The main purpose of this design is how to design a three direction of mechanical testing equipment for large, large amounts of actual construction equipment and operation, collect and accumulating experimental data and the necessary parameters.Key Words roadheader；Cut teeth； three forces 1. 绪言掘进机分为两种：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。 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 由任务书的设计任务可知，本设计为自主设计，只有大概的方向，没有具体的细节束缚。 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，实验台可以参照龙门刨床改制，因为本设计的实验台的结构和龙门刨床的结构十分类似。 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）。2.3 方案设计 方案如图2-1所示： 图2-1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。 3.部件选择3.1电动机选择 在实际的掘进机工作过程中，截齿是通过截齿座安装在掘进机工作头上的，所以截齿工作时的截割工作力是通过掘进机工作头的旋转而形成的，所以本设计的实验台夹持截齿的中线和旋转中心存在着偏心。用来模拟实际的工作运动过程。根据实际的工作，所选的截齿S150实际的工作转速大致在1000r/min，所以工作头的动力选择Y160M-2电动机即可，次电动机的功率为15KW，足可以带动工作的运动，选择DBY型减速器，这样可以模拟掘进机工作过程中的实际运动受力情况。 升降部分和水平移动部分的电动机选择YH801-6型，功率为0.75KW，足可以实现实验台的升降和移动运动。3.2固定架选择 考虑到经济性的问题，本设计选择的固定架为平常生活中经常可以遇到的部件。支撑工作头的支架，选择用角钢，把角钢安设计的尺寸，用螺纹组装成角钢框，在上面安装上固定板。用螺纹把工作头安装到支架上，安情形需要，可以在直接外围用铁皮装裱上，显得美观。下面用螺纹安装到移动板上。升降台也用角钢用螺纹组装成框架式，中间用角钢加固，同是把法兰盘安在这段固定角钢上，这样可以把和丝杠螺母连接出的升降延伸部分安装到一起，以实现升降的运动。3.3刚板的选择 选择钢板用来做底座、移动板和上面放置夹持煤样座的平板，平板选择在25-50mm之间的钢板，在市场上很容易找到。3.4丝杠选择 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。3.5轴的选择设计设计的轴如图3-1所示： 图3-14轴的校核4.1 轴的校核由图3.2 作轴的受力简化图 图 4.1 轴简化图带轮轴的功率 P3 ：小齿轮分度圆直径 49mm检验轴的最小直径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 由图3.3 作轴的受力简化图 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 我i危险截面安全系数校核计算弯曲应力幅对称循环弯曲应力 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 轴轴承的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Pv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.结论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。 8. 设计体会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