掘进机截齿三向力测试实验台设计【全套CAD图纸+毕业答辩论文】

买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 含 纸和论文 最新答辩完整资料 摘 要 本论文为掘进机截齿作用力测试实验台设计，其主要目的是研究一种实验装置，用来测量三个方向的力。本次设计的内容包括动力的传递和设计出可以实现三个方向运动的装置，实质上是实验台的结构设计。其工作原理是控制实验台的三个方向运动，再用电动机带动工作头旋转，从而带动夹持的截齿实现截割运动，模拟出在实际掘进机在工作过程中截齿的工作状态。把实际掘进机截齿复杂的运动分解成三个方向的运动，也就是说截齿实际受到来自于三个方向的力，然后用信号检测设备收集、还原、分析和检测，做进一步研究。 本次设计主要在于如何设计出一种可 以检测三个方向受力的实验装置，为日常生活中的隧道挖掘、煤矿开采等施工设备，积累实验数据和必要参数，以促进这类行业的发展。 关键词 ： 掘进机；截齿；实验台；设计 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 含 纸和论文 最新答辩完整资料 is to a to of of is of is to of to in in of of in to do is to a of of in to of 文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 含 纸和论文 最新答辩完整资料 目 录 摘 要 . I 关键词 . I . . 综述 . 1 2 方案设计 . 4 计任务 . 4 务分析 . 4 体设计要求分析 . 4 计思路分析 . 5 案设计 . 8 案选择比较 . 9 3 设计计算 .动机的选择 . 11 作头电动机选择 . 11 向运动电动机选择 . 12 板的选择 . 13 杠、导轨的选择 . 13 轨滑块 . 13 动丝杠和丝杠螺母 . 16 轴的选择设计 . 18 速器的选型与设计 . 19 速器的选型 . 19 速器的选型校核 . 19 4 轴的校核 . 21 轴的校核 . 21 轴的校核 . 22 5 轴承的寿命验算 . 28 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 含 纸和论文 最新答辩完整资料 轴轴承的寿命验算 . 28 轴轴承寿命验算 . 30 6 键的校核 . 32 轴上键的校核 . 32 轴上键的校核 . 32 7 联轴器的计算与选型 . 34 8 经济技术分析 . 37 9 结束语 . 39 10 致谢 . 40 参考文献 . 41 附录 . 42 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 含 纸和论文 最新答辩完整资料 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 含 纸和论文 最新答辩完整资料 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 含 纸和论文 最新答辩完整资料 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 1 1 综述 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 30 50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 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 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买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 2 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 30 200初步形成系列化产品，尤其是近年来，我国相继开发了以 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 f 6 8，截割功率在 120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 、 及佳木斯煤机厂生产的 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 地利 国 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 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 。 截割头是掘进机直接用来破碎煤沿的部件，其形状、尺寸和其上截齿的排列方式对掘进机的工作性能有重大影响。截割头主要由截割头体、螺旋叶片和截齿座等组成。在齿座里装有截齿，叶片上焊有安装内喷雾用的喷嘴座。 截齿头部的外形轮廓有球形、球柱形、球锥形和球柱锥形四种，其中以球锥形截割头的截齿受力较为合理，因而得到了较多应用。 截齿的布置方式对截齿、截割头乃至整机受力有较大影响。纵轴式截割头的截齿均按螺旋线方式分布在头体上，螺旋线头数一般为 2距对截割效果有较大影响。较大的截距可增加单齿的磨损也随 之增加，两者应该兼顾。在选择截距时，应考虑到截割头上不同部位的截齿所受的负荷不同而有所区别，应力求各截齿的负荷均匀，以减少冲击载荷和使截齿的磨损速度接近。截齿的合理布置是一个复杂的问题，应针对所截煤买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 3 沿的机械性质，通过理论分析、计算机模拟、实验及实际使用经验加以合理地确定。 横轴式截割头这种截割头的头体多为厚钢板的组焊结构或螺钉连接结构，由左右对称的两个半体组成。在头体上焊有齿座和喷嘴座，在头体内开有内喷雾水道，装有配水装置。截割头体是通过胀套式联轴器同减速器的输出轴相连接，可起过载保护作用。 配置截齿是，应 使每个截齿的破岩量相近，负荷均匀，力争达到最佳截割效果。经过深入分析研究，多种数学方程推算、用计算机反复模拟和修正后，可得到较为理想的横轴式截割头的外形轮廓和布齿模型。 截齿及截齿座除掘进机所采用的截齿也有扁形和锥形两种，其结构形状同于采煤机截齿。过去，纵轴式截割头均采用扁形截齿，横轴式截割头均采用锥形截齿。经过长期的实验证明，在截割硬岩时，锥形截齿的寿命比扁形截齿长，且由于锥形齿在使用中有自转磨锐性，耐冲击，所以近十年来，纵轴式截割头也较多地采用了锥形截齿。 截齿座用以安装截齿。安装锥形截齿的齿座应由两种 材料用特种工艺制成，器内层材料的耐磨性要高于外层，以减少因截齿在截割过程中自动旋转而产生的磨损量，增加齿座的实用寿命。也可以采用在齿座内嵌套磨损后可以及时更换的耐磨合金套。 截割减速器的作用是将电动机的运动和动力传递到截割头。由于截割头工作时承受较大的冲击载荷，因此要求减速器有高的可靠性和较强的过载能力，其箱体作为悬臂的一部分，应有较大的刚性，连接螺栓应有可靠的放松装置，减速器最好能实现变速，以适应煤岩硬度的变化，增强机器的适应能力。 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 4 2 方案设计 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。 务分析 体设计要求分析 由设计任务可知，要求需要可调节，最终的目的是合理的设计出掘进机截齿三向力测试实验台。 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 图 示 )，实验 台可以参照龙门铣床改制，本实验台结构和运动方式和龙门铣床的十分相似。 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 500 400 400 的试块（尺寸大小不固定，相差不太大即可）。 图 齿 文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 5 计思路分析 本设计总体上可以分为四个部分：支撑部分（支架）；工作头部分；煤样夹持部分；三个方向运动部分。 支撑部分（支架）：整个实验台的骨架，相当于人身体的骨骼，承担着实验台 80%的重量，工作头固定在支架上。龙门铣床的支架包括横梁和立柱，横梁固定在立柱上，把工作 的道具安装在横梁上，以实现上下、左右运动，本省实现旋转运动。参照龙门铣床，由于本设计是实验台，考虑到经济成本和设计简洁的理念，考虑用角钢或者口型钢安装成框架的形式，用来固定工作头。 支架如图 示： 图 支架 工作头部分：整个实验台的灵魂部位，这一部分由电动机、减速器、主轴、夹持截齿的夹持器。其中主轴和截齿夹持器是安装在一起的，保证同轴度的要求，这样电动机的转速通过减速器降到截齿在实际工作时的转速，在主轴的带动下旋转，从而达到截割的运动。 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 6 工作头如图 示 : 图 工作头 煤样夹持部分：此部分是为了固定煤样的，保证在实验过程中，煤样保持位置固定不动，只随着实验台上设计的三个方向运动的装置而运动，这样测量出的结果比较理想、精确。使实验测量出的误差尽可能的小，接近理想值。 煤样夹持器如图 示： 图 样夹持器 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 7 三个方向运动部分：此部分是整个实验台的核心部分，因为要想实验台能个测量出想要的结果，此部分是必须保证的，只有此部分的合理设计，才能保证设计的理想化。此部分是由三个小的部分 组成，分别掌控着自己单独方向的运动，使整体按上下、前后和左右的方向运动，实现三个方向的运动，从而测量出三个方向的力。每部分都是由滚动丝杠和丝杠螺母的相对运动，使与其分别连接的上下板在导轨、滑块上运动，滚动丝杠在伺服电动机的带动下实现的。 三向运动装置示意图： 图 向运动装置 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 8 案设计 要想完成本设计其实质是完成上面四个部分的设计，在把这四个部分合理的组合在一起。其中工作头和三向运动的设计方案的选择决定了总体设计方案的选择，工作头和三向运动的设计方案选的不同，或者工作头和三向运动的组合不同，这都是总体设计方案的不同。 方案一 由龙门铣床改制成的实验台，有两个垂直刀架，截齿的水平进给、垂直进给动作以及工作台的往返运动，分别由液压缸驱动，而且速度可调。 方案二如图 示： 图 方案二 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 减速器 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 滚动丝杠 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。下部为移买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 9 动板带动整体的水平方向移动，由电动机 滚动丝杠 移动板。此运动为三向力之一的水平运动。 案选择比较 比较着两个方案的优缺点 。 方案一采用液压系统推动运动，液压传动出力大、重量轻、惯性小以及输出刚度大。首先，功率 意味着同样功率的控制系统，液压系统体积小、重量轻。其次，转矩 味着液压系统能够产生大的加速度，也就是说时间常数小，响应速度快，具有优良的动态品质。最后就是其操作方便、省力、系统结构空间的自由度大，易于实现自动化，且可以实现无级调速。但是其传动介质易泄漏和可压缩性会使传动比不能严格保证；由于能量传递过程中压力损失和泄漏的存在使传动效率低；发生故障不容易诊断。 方案二采用电力拖动系统，尽管电力拖动系 统出力小、调速也没有液压系统方便快速，没有液压系统快速，但是做为实验台，考虑到制造成本和结构简单的优势，便于普及和实验操作，更适合于用到实验测量仪器上，电力拖动系统操作节奏不大，便于记录数据和实验结果。 经过上述比较，决定采用方案二。 方案二的具体叙述： 支架部分把口型钢用螺纹连接安装成框架用来固定工作头和承担实验台的大部分重量，并且起到支撑固定的作用，使实验台在工作过程中不至于倒塌或者变形。把支架的四个支柱固定到水平 不要和上面的移动板接触，把煤样和煤样夹持器固定到移动板上，并且和四 个支柱不发生干涉，这样使煤样随着移动板仪器移动以实现一个方向的运动。 把工作头的一面和水平 工作头随移动板移动以实现一个方向的运动，水平 Y 方向的固定板和竖直 Z 方向的移动板相连，这样实际上是工作头和竖直 Z 方向的移动相连，从而随着移动板的移动而移动以实现一个方向的运动。竖着 支架是不动的，这样就保证 3个方向运动互补影响而有能相互照应实现想要达到的目的。 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 10 工作头的设计，把主轴和截齿夹持器相连，保证其同轴度，然后把主轴安装在圆筒内，然后把圆筒焊接在另一个由口型钢焊接 的框架上，在圆筒上面有个安装板 螺纹连接在框架上，用来放置电动机和减速器。上面提到的把工作头和水平 际上是把这个框架螺纹连接在移动板上，以实现其相连。 最终方案如图 示： 图 最终方案 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 11 3 设计计算 动机的选择 作头电动机选择 传动示意图： 图 动示意图 一 按工作要求以及工作条件选用三相异步电动机，封闭式结构，电压 380V， 二 截齿旋转时所需有效功率： 1000（ 式中， P 表示功率； j 表示转矩； w 表示转速。 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 12 传动装置总效率： 4321 （ 联轴器效率： 直齿轮效率： 锥齿轮效率： 滚动轴承效率： 所需电动机功率： 查表可知，可以选 Y 系列三相异步电动机 定功率 ，或选 132定功率 。 三 根据截齿旋转时的转速，经过各级速度，尤其 是减速器，知道电动机的转速高于截齿的转速。经过两个电动机比较选择，考虑到成本，传动比，选择 Y 系列三相异步电动机 向运动电动机选择 三个方向的运动是由滚动丝杠和丝杠螺母在导轨滑块的相对运动实现的，其主要动力源来自于是滚动丝杠的转动还是丝杠螺母的转动，如果一个件保持转动，那么另一个件就必然保持静止，负责直线运动。由于三向运动不需要较大的功率和转速，所以决定采用伺服电动机带动。考虑经济性，适用性，选择用 率 400W，转速 3000 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 13 板的选择 选择钢板用来做固定板、移动板和上面放置电动机、减速器的平板，平板选择在 25间的钢板，在市场上很容易找到。 杠、导轨的选择 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。 轨滑块 1、导轨本身刚度大于接触刚度： 导轨所受的最大、最小和平均压强分别为 1m a x （ 1m （ m a （ 式中， F 导轨所受集中力（ N）； M 导轨的受颠覆力矩（ N 由集中力引起的压强（ 由颠覆力矩引起的压强（ a 导轨宽度（ L 动导轨长度（ 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 14 由上式得出： 设计导轨时尽可能使 16 0P ， 。因此合力作用点距导轨中心的距离61 当 16 0P ， 。压强呈三角形分布，导轨全长上都接触。当61可以采用无压力开式导轨。 当 16 轨面将出现一段长度不接触，必将采用压板，与压板 接触的导轨面称辅助导轨面。 a 轨刚度较低： 如果导轨刚度较低时，在确定导轨压强时就应同时考虑导轨本身的弹性变形和导轨面的接触变形。压强不是线性分布，最大压强和平均压强之比可达 2或者更多。属于这种类型导轨有：立车刀架，牛头刨床和插床的滑枕，龙门刨床的刀架，外圆磨床工作台、长工作台的导轨等。 通常在龙门铣床和龙门刨床等机床上导轨的最大压强一般为（ 考虑到运动的行程和适用性、经济性，采用导轨滑块的型号为 3、导 轨的受力分析： 导轨上所受的外力包括切削力、工件及夹具重量、动导轨部件的重量和牵引力。这些外力使各支承导轨面产生支反力和支反力距。牵引力、支反力、支反力矩都是未知的，一般可以用静力平衡方程式求出。当未知数多而静不定时，可根据接触变形的条件建立附加方程式求各力。 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 15 导轨滑块示意图： 图 ）导轨滑块实物图 图 ） 导轨滑块 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 16 动丝杠和丝杠螺母 示意图如图 示： 图 动丝杠和丝杠螺母 1、 滚动丝杠 滚珠丝杠轴承是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。滚珠丝杠轴承由螺杆、螺母和滚珠组成，滚珠丝杠轴承功能是将旋转运动转化成直线运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。 滚珠丝杠轴承特点 : 滚珠丝杠具有高精度、可逆性和高效率等特点，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将进口轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠轴承被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。 滚珠丝杠轴 承的用途：滚珠丝杠轴承为适应各种用途，提供了标准化种类繁多的产品。滚珠的循环方式有循环导管式、循环器式、端盖式。预压方式有定位预压（双螺母方式、位预压方式）、定压预压。可根据用途选择适当类型。丝杆有高精度研磨加工的精密滚珠丝杠（精度分为从 个等级）和经高精度冷轧加工成型的冷轧滚珠丝杠轴承（精度分为从 个等级）。另外，为应付用户急需交货的情况，还有已对轴端部进行了加工的成品，可自由对轴端部进行追加工的半成品及冷轧滚珠丝杠轴承。作为此轴承的周边零部件，在使用所必要的丝杠支撑单元、螺母支 座、锁紧螺母等也已被标准化了，可供用户选择使用。 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 17 滚珠丝杠轴承以多年来所累积制品技术为基础，从材料、热外理、制造、检查至出货，都是以严谨的品保制度来加以管理，因此具有高信赖性。 2、 滚动丝杠设计选择 额定动载荷是指一批相同参数的滚动丝杠螺母副，在 0 的相同工作条件下运转 10的 6次方转后， 90%的螺旋副部发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷，定义为额定动载荷 额定静载荷是指把滚动丝杠副在静态或低转速 0 条件下， 受接触应力最大的滚珠和滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到滚珠直径 时的最大轴向载荷，定义为额定静载荷 3、 滚动丝杠副疲劳强度计算 滚动丝杠应根据其额定动载荷选用。滚动丝杠当量动载荷： 3 （ 式中 轴向工作载荷，当载荷按单调式规律变化，各种转速使用机会相同时。 3/m a （ 式中， 丝杠最大、最小轴向载荷； L 工作寿命，以 10 的 6 次方为一单位， 1000000/60 ； n 丝杠转速； T 使用寿命，对数控机床可取 T=15000h。 4、 滚动丝杠的静载荷强度计算 低速运转时的滚动丝杠副，应按最大轴向工作载荷，即按计算静载荷 选择依据。其计算公式为： m a （ 式中， 最大轴向载荷； 载荷性质系数，数值同上； 硬度影响系数， 58 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 18 5、 滚动丝杠螺母的选择 计算作用在滚珠丝杠上的当量动载荷 数值： /3 从滚动丝杠产品样本中找出与当量动载荷 近的额定动载荷 使，初步选取几个丝杠的型号和有关的结果参数。 根据具体工作要求，对于结构尺寸，循环方式，调隙方法及传动效率等方面进行初选，并从初选的几个型号中选出比较合适的名义直径，螺距，滚珠工作圈数，滚珠列数等，再确定型号。 根据被选出的型号，列出各参数的数值，并验算其刚度及稳定性安全系数是否满足要求。如不满足要求，需另选其他型号，再作上述验算，直至满足要求为止。 当 0 低速运转时，滚珠丝杠需要进行静强度运算。 轴的选择设计 设计的主轴如图所示： 图 轴 在轴上直径为 8开键槽剖面尺寸为 b h=3 8。轴的精度为 8 级。轴的材料为45号钢，调制处理 。 买文档送全套 纸 Q 号交流 414951605 19 速器的选型与设计 速器的选型 由于电动机和截齿的转速不同，需要加上减速器进行速度的改变，在设计的工作头中，主轴的旋转轴线是垂直于水平面的，而在主轴的上面安装了安装板，要把减速器和电动加安装在安装板上，以便于随时维护和更换，电动机和减速器输入轴的轴线是平行于水平面的，也就是说这两个轴的轴线是相互垂直 的，这就要求所选择的减速器输入端和输出端的轴线是相互垂直的，所以选择的减速器为圆锥 圆柱齿轮减速器。 速器的选型校核 减速器的承载能力受机械强度和热平衡许用功率两方面限制。因此，选用减速器时必须对这两个功率进行校核。 首先，按减速器机械强度许用公称功率 果减速器的实用输入转矩和承载能力表中三档转速中的转速相对误差超过 4%,则应按实用转速验算减速器