电牵引双滚筒采煤机的设计

摘 要本文介绍了采煤机的发展历史、组成及工作原理。在分析煤炭工业的行业背景的基础上，展望了采煤机的发展趋势，并针对采煤机的发展现状进行了 MG110/260WD 型采煤机的截割部设计。本文首先确定了设计方案和选择了基本部件并开展了传动系统的可靠性分析。MG110/260WD 型采煤机截割部主要是由四级齿轮和三级惰轮传动组成。截割部电动机放在摇臂内横向布置，电动机输出的动力由直齿圆柱齿轮和惰轮的传动，最后驱动滚筒旋转。对 MG110/260WD 的油路和内喷雾装置进行了研究分析。油路采用辅助泵供油方式，降低工作温度，起到润滑作用，降低能耗。内喷雾装置采用特质的类似 DY150 型送水机构。为了提高采煤机的块煤率，降低比能耗，提高采煤效率，本人对采煤机的截齿进行了分析，并且针对采煤过程中出现的主要截齿失效形式而进行了优化。本人分析、校核了齿轮、轴、轴承、和花键的可靠性，同时本文还介绍了截割部的安装、维护和故障处理等采煤机规则。本采煤机截割部具有较高的可靠性、实用性和安全维修性。关键词：电牵引双滚筒采煤机； 截割部； 惰轮； 内喷雾装置；截齿ABSTRACTThis paper introduces the development history of coal minning machine, composition and working principle .In view of the analysis of the basis of the coal industrys background, we have forecasted the development trend of the coal mining machine, and in the light of coal minning machine development present situation, I have carried on the MG110/260WD type coal minning machines cutting part design. First，This paper determines the design plan and choses the basic components and launches a transmission system reliability analysis.MG110/260WD type coal minning machines cutting department is mainly composed of four wheel drive idler gear and the three idle gears .The cutting part motor is placed in motor rocker by transverse decorate, the power output is drived by spur gears and the transmission, finally by an inert round driving drum rotating. The oil lines and inner spray device of MG110/260WD type coal mining machine have been analyzed. By auxiliary pump oil supply mode, we can reduce working temperature, lubricate effect and reduce energy consumption. The inner spray device is adopted the similar type DY150 send water agencies .In order to improve the lump of coal mining machinery, reduce energy consumption rate than coal, improve the efficiency of coal mining machine, I have analysed cutting teeths of the coal mining machine and I have optimized in the light of the main cut teeth appearing in failure form of the coal mining process.I have analysed and checked the reliability of the gears, axle, bearings, and spline, the paper introduces the cutting part of installation, maintenance and fault processing coal mining machine rules. This coal mining machine cutting part has higher reliability, practicality and safety maintainability. Keywords: electric traction double roller coal mining machine, idle gear, Cutting unit ,the inner spray device , pick目 录1概述 131.1 前言131.2 国内外薄煤层综采的发展趋势141.2.1 我国薄煤层开采及发展现况151.2.2 国际薄煤层开采及发展现状161.3 薄煤层采煤机设计的目的及其意义171.4 薄煤层综采设备的基本选型181.4.1 薄煤层综采设备选型原则181.4.2 液压支架191.4.3 采煤机201.4.4 刮板输送机201.5 薄煤层采煤机结构特征与工作原理201.5.1 牵引部211.5.2 截割部211.5.3 电气设备211.5.4 附属装置212截割部的设计及计算222.1 本设计过程和思想222.2 电机选择232.3 传动比分配242.31 总传动比分配242.31 各级传动比的确定、分配242.4 各级齿轮（轴）转速、功率、转矩计算242.4.1 各级转速 242.4.2 各级功率计算 252.4.2 各级扭矩计算 253. 截割部各级传动齿轮计算和校核263.1 齿轮 1 和齿轮 2（惰轮 2）设计与校核 263.1.1 选择齿轮材料、确定许用应力 283.1.2 齿面接触疲劳强度设计计算293.1.3 齿根弯曲疲劳强度校核计算313.1.4 齿轮的其它尺寸的计算323.2 齿轮 4 和 5 号设计与校核323.2.1 选择齿轮材料，确定许用应力32 3.2.2 齿面接触疲劳强度设计计算343.2.3 齿根弯曲疲劳强度校核计算373.2.4 齿轮的其它尺寸的计算383.3 齿轮 6 和 7 设计与校核383.3.1 选择齿轮材料，确定许用应力383.3.2 齿面接触疲劳强度设计计算403.3.3 齿根弯曲疲劳强度校核计算433.3.4 齿轮的其它尺寸的计算443.4 齿轮 9 和 10 设计与校核 453.4.1 选择齿轮材料、确定许用应力453.4.2 齿面接触疲劳强度设计计算473.4.3 齿根弯曲疲劳强度校核计算503.4.4 齿轮的其它尺寸的计算514 轴的计算和校核524.1 截一轴的设计与校核524.1.1 计算作用在齿轮上的力524.1.2 初步估算轴的直径534.1.3 轴的结构设计534.2.4 确定轴及齿轮的作用位置554.1.5 绘制轴的弯矩和扭矩574.1.6 按弯扭合成强度校核轴的强度574.1.7 精确校核轴的疲劳强度584.2 截二轴设计与校核594.2.1 计算作用在齿轮上的力604.2.2 初步估算轴的直径604.2.3 轴的结构设计604.2.4 确定轴及齿轮的作用位置624.2.5 绘制轴的弯矩和扭矩624.2.6 按弯扭合成强度校核轴的强度654.2.7 精确校核轴的疲劳强度664.3 截三轴设计与校核674.3.1 计算作用在齿轮上的684.3.2 初步估算轴的直径684.3.3 轴的结构设计684.3.4 确定轴及齿轮的作用位置704.3.5 绘制轴的弯矩和扭矩704.3.6 按弯扭合成强度校核轴的强度724.3.7 精确校核轴的疲劳强度734.4 截四轴设计与校核744.4.1 计算作用在齿轮上的力754.4.2 初步估算轴的直径754.4.3 轴的结构设计754.4.4 确定轴及齿轮的作用位置764.4.5 绘制轴的弯矩和扭矩774.4.6 按弯扭合成强度校核轴的强度794.4.7 精确校核轴的疲劳强度805 采煤机的维护与使用825.1 润滑、注油、密封835.2 地面检查与试运转835.2.1 试运转前的检查835.2.2 试运转时检查835.3 下井及井下组装845.4 井下操作845.4.1 操作前的检查845.4.2 试运转中注意事项855.5 维护与检修855.6 轴承的维护及漏油的防治865.7 硬齿面齿轮的疲劳失效及对策885.8 煤矿机械传动齿轮失效的改进途径895.8.1 设计905.8.2 选材905.8.3 加工工艺905.8.4 热处理905.8.5 表面强化处理915.8.6 正确安装运行91结论 91翻译部分 93英文文献94中文翻译96附录(专题 ) 100致谢106 1 概述1.1 前言我国煤炭储量大且赋存多样化，其中薄与极薄每层资源丰富，分布广发。在已探明矿区中，84.2%的矿区均有薄煤层分布，其主要分布在河南、山西、河北、山东、四川、贵州、吉林、辽宁、安徽、内蒙古等省区，其中有的矿区薄煤层储量占有相当大的比重，如安徽省占 72%，四川省占 51.8%，贵州省占 37.2%。但每年从薄煤层中才出的煤量所占全国总产量的 10.4%，远远低于储量所占的比例，并且自上世纪 90 年代以来，我过薄煤层回采产量呈逐年下降的趋势。目前许多矿区随着开采强度的加大，中厚及厚煤层的储量急剧下降甚至枯竭，薄及较薄煤层逐渐变为主采煤层。这些薄煤层的可采储量丰富，储存条件比较稳定，薄煤层的开采日益受到重视，提高薄煤层采煤的工作效率，减轻劳动者的繁重体力劳动，已是我们当前必须解决的重要问题。1.2国内外薄煤层综采的发展趋势1.2.1 我国薄煤层开采及发展现状20 世纪 70 年代初期，我国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。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。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。20 世纪 90 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 MG2X400W 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 1256m/min,微处理机的工矿监测、故障显示、无线电力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。1.22 国际薄煤层开采及发展现状国外长壁式薄煤层高效开采主要有俩种技术途径：采用刨煤机、刮板输送机和液压支架的刨煤机综采机组；采用滚筒采煤机、刮板机和液压支架配套的采煤机机组。上世纪 90 年代开始，德国 DBT 开始研究电液控制系统。目前，该公司已经研究开发的以液压支架 PM2 电液控制系统为基础的全自动化无人刨煤机综采工作面成套设备已经投入生产应用，实现了薄煤层综合机械化采煤全自动化无人工作面采煤的发展，是薄煤层开采达到了高产高效的目的。如：德国鲁尔公司佛德力西莱因兰特矿，煤厚 1.3m，面长 310m，采用刨煤机、电液控制系统平均日产煤 12653t，该公司的罗伯特矿，煤厚 1-1.16m，刨煤机综采工作面，面长 308m，平均日产原煤 13500t。英国 longaindox 公司、美国 JOY公司也研究开发了具有自动化功能的滚筒采煤机综采工作面计算机控制系统，取得了较好的成绩。如美国煤钢联 BW40#煤矿，煤厚 1.38m，工作面长度 330m，采用采煤机综采，创下日产原煤 22310t 的记录。澳大利亚正在研究远程控制全自动无人长壁工作面开采技术。为适应“一矿一面”的高度集中化生产模式和煤矿生产集团化管理模式，先进采煤国家研制开发了矿井自动化监测控制系统，主要生产环节已基本实现自动化监测控制系统，实现了对综采工作面和矿井运输、通风、排水等设备和矿井瓦斯、煤尘等安全参数的全自动化监测和控制。代表性产品有美国 MSA 公司生产的 DAN6400 系统，德国 BEBRO公司的 PROMOS 系统等。80 年代以来，德国 Eickhoff 公司研制了 SL-300LN、美国 Joy 公司研制了 4LS、英国Anderson 公司研制了 Electra550 等电牵引采煤机，均取得很好效果。1999 年全美 69 个综采工作面中，约有 27 个薄和较薄煤层工作面，日平均产量达 5-7kt。目前，世界各国主要采煤国家相继研制成功且技术先进的薄煤层滚筒式采煤机有：德国 Eickhoff 公司的 EDW-17-LN，EDW-300LN、英国 Anderson 公司的 AM420，AS270 薄煤层电牵引采煤机、前苏联 K103 和日本三井三池的 MCLE300-DR757M 等采煤机，基本满足了采高为 0.6-1.7m 煤层开采需要。其中 EDW-300LD，Electra 电牵引采煤机、MCLE300-DR7575M 型采煤机总装机功率都在 300kw 以上。1.3薄煤层采煤机设计的目的及其意义在产品总体方案设计时，首先要明确产品必须实现那些功能，还要明确用户使用产品的各种条件和用户对产品的要求和愿望。然后根据国家的技术经济政策，基于设计能力和产品制造技术水平，从宏观方面考虑所要求的功能。并能实现用户要求的各种结构反感，最后经过技术经济评价，确定一种或俩种结构方案继续进行结构设计。因此，通过总体结构的方案设计，不至于使产品结构方案出现大的失误，也不至于从开始设计时就纠缠与具体的结构细节而忽略总体结构的合理性，甚至造成设计的返工而浪费时间。再次基础上再对薄煤层采煤机的截割部进行细致设计使其有更高的生产效率。对滚筒式采煤机的使用经验表明只有按照“量体裁衣”的原则来设计采煤机，这样的采煤机才能在煤炭开采中满足要求。到本世界末，我国原煤的产量必须超过十四亿吨，才能满足我过工农业生产发展的需要。为此必须加大煤炭生产机械化力度，大幅度提高煤炭生产率。这就要求我们不断开采出技术先进、高效率并且可靠的新型采煤机，不仅满足对国内生产之需，而且力争打入国际市场。虽然薄煤层采煤机的型号，规格有许多，但他它的各主要组成部分大同小异，其区别主要在截割部机构的传动和截割部上，因此合理选择薄煤层采煤机的截割部参数，可以改善其工作性能和减少采煤机比能耗。选择这个题目就是要进一步熟悉薄煤层采煤机各部分的工作原理，对其进行更好的改进，并对它的截割部减速器进行细致分析设计，使其耐用并且省时省力容易装修，使其在工作中能够有更好的经济效益1.4 薄煤层综采设备的基本选型基于我国薄煤层的现状及开采技术的现状，实现采煤机机械化以及新技术的开发越来越重要，所以采用综采配套设备进行薄煤层开采越来越受到各方的重视。1.4.1 薄煤层综采设备选型原则图 1-1 三机配套图以往以普采和高档普采为主的薄煤层开采技术工不但生产成本高，事故率也较高，特别是在遇到断层时开采设备损坏严重，工人劳动强度大，顶板管理难度大，安全没有保障。笔者通过对薄煤层工作面特性和开采设备的研究，对薄煤层综采设备的选型提出以下几项原则：（1）液压支架：考虑到薄煤层工作面空间狭窄环境差，选用的支架应具有较高的可靠性，工作阻力及支护强度等参数要满足薄煤层矿压要求，能够实现最低采高要求，同时要保证最小过机空间和三机配套的参数合理。（2）采煤机：机面高度要充分保证在开采较薄地段条件时有足够的过机空间，要求功率大、体积小、稳定性小，破顶、割底矸石的能力强，具有较好的装煤效果。（3）输送机：降低机头高度和卸载高度，选用高效减速器双速启动，机头尾互换。加大电机功率实现启动平稳、工作可靠：降低中部槽的高度，适应薄煤层开采的需要。1.4.2 液压支架在液压支架的结构设计上，要充分考虑薄煤层开采时技术特点及空间狭小的地质状况，重点以降低整体配套高度、保证良好工作性能为目标，满足三级配套技术要求。支架的结构力求简单、可靠，在保证支架高度可靠性的前提下，尽量满足尺寸小、重量轻等要求。同时确保综采设备必要的通风断面、梁端距，最大限度地加宽人行道宽度；选用先进的电液操作系统，保证快速跟机作业和支护自动化；提高液压系统的可靠性和使用寿命，选择较大的工作阻力提高支架的适应能力及可靠性。支架顶梁合力作用点到底座前端的有效水平距离直接影响底座前端比亚大小，支架设计中应尽量加大底座前端长度并采取措施合力作用点后移，在满足其他要求前提下立柱倾角应尽量小；采用大缸平衡千斤顶，增大平衡千斤顶拉伸能力是使支架合力作用点后移、减少支架前端比亚的一种有效方法。1.4.3 采煤机（1）根据薄煤层开采的特点，采煤机机身厚度要薄且尽可能短，以适应煤层起伏变化的特点，保证是现在最低采高时三机配套高度的需要。（2）薄煤层开采存在着采煤机在切割定地板时带来的震动和冲击，因此，对整机的功率、重量、强度和稳定性都有很高的要求。（3）由于煤层较薄，架内空间小、工人行走不便，为了便于采煤机司机的操作和采煤机有较高的牵引速度实现高产高效，薄煤层采煤机必须能够离机控制。（4）由于薄煤层起伏变化大，采煤机不可避免地要切割岩石，为使截齿与岩石的摩擦不产生火花，采用无火花耐磨截齿。1.4.4 刮板输送机为了减少设备故障，在保证可靠性的前提下，尽量降低中部槽的高度，降低刮板机的卸载高度，减小输送机对轮连接罩的直径，机头尾可以互换，选用高校减速器减小机头部机尾的宽度，采用双速启动方式，以实现在最低采高煤层条件下的配套要求和安全生产。薄煤层开采，因工作面上下端头的高度较低，极易造成液压支架压住工作面刮板输送机机头机尾，造成机头机尾不能前移影响生产，为此需要改进现有刮板输送机的卸载高度和机头部的高度和对轮联结罩的直径。输送机底部可采取封底板的中部槽结构形式，降低刮板链和底板的摩擦阻力，减少拉回煤现象，提高运输效率。采用了双速电机的启动方式，以低速启动，高速运行，加大启动时的力矩和减少启动时对输送机的震动和冲击，可防止重载启动时“压车”现象的发生。根据以上的设计和要求，刮板输送机通常可以达到薄煤层综采配套的要求。1.5 薄煤层采煤机结构特征与工作原理 图 1-2 薄煤层采煤机(1) 机面高度低，用于极薄煤层开采。(2) 液压系统均为软管联接，安装方便。设有液压制动器，除可防止液压马达反链敲缸外，并可防止采煤机的下滑。(3) 减速箱设计更加紧凑、合理，承载能力增大，便于拆卸、组装和维护。(4) 调高油缸设在截割部端部的摇臂侧面处，拆装性好，便于维护。(5) 调高泵和各大部件的对接处均为干腔，避免了检修时油的外泄。(6) 缩短了机身的长度，增加了整机的运行平稳性。(7) 提高了采煤机的生产能力，最大生产能力可达 251th。1.5.1 牵引部牵引部主要包括由主泵和马达组成的闭式循环的液压传动系统、机械传动装置和操纵手把等。通过控制液压传动系统可以实现采煤机牵引的无限高速和换向。机械传动装置分为两部分，在液压传动系统前面的齿轮传动装置用于向液压传动系统传递动力，在液压传动系统后面齿轮传动装置和锚链链轮传动装置用于传递液压传动系统输出的动力，实现采煤机的牵引动作。操纵手把的的开关手把用于控制牵引部的“开” 、 “停”而换向调速手把用于控制牵引部的牵引速度和牵引方向。1.5.2 截割部截割部包括减速箱、摇臂和螺旋滚筒。减速箱内有齿轮传动装置和液压调高装置。减速箱内的齿轮传动装置通过摇臂内的齿轮传动装置将电动机的动力传给螺旋滚筒轴，由滚筒轴带动滚筒转动进行落煤和装煤。减速箱内的液压调高系统通过一对液压调高油缸的动作带动摇臂摆动来实现滚筒的升降，以适应不同的采高和顶底板起伏。1.5.3 电气设备采煤机电气设备包括水冷电动机、电动机附带的电控箱、电控箱内各组件用于实现电动机的开停、各部电气零件的控制和电机的过载保护。1.5.4 附属装置采煤机附属装置主要包括弧形挡煤板、底托架、拖电缆装置、供水及灭尘装置、牵引链及护板等。2截割部的设计及计算MG110/260WD 采煤机截割部设计主要参考参数：滚筒直径： 750mm 滚筒截深： 0.8截割部功率：110KW 适应煤质硬度：f 3。即油膜厚度远大于表面粗糙度,两运动表面完全被油膜隔开。因此,润滑剂的粘度起主导作用,添加剂不起什么作用。渗碳淬火齿面能产生残余压应力,这对提高齿轮的弯曲疲劳强度十分有利。残余压应力的产生是由于渗碳后轮齿表层的含碳量较高里层的碳含量较低。在淬火过程中,马氏体的开始转变温度随含碳量的不同而不同,这样轮齿由表及里的各层次间组织转变顺序的不同产生了残余压应力。表面脱碳会影响到齿面的显微组织,因而会影响到残余应力。对于较重要的齿轮可采用真空炉渗碳淬火的热处理工艺。低档的渗碳钢齿轮,渗碳后直接淬火,不存在二次加热保温淬火的过程,脱碳现象明显减小。3）硬喷丸强化提高渗碳齿轮疲劳强度对于渗碳齿轮,钢中残余奥氏体含量越多,利用硬喷丸强在混合状态应选用粘度适当的含少量极压抗磨化使残余奥氏体转变成马氏体的量越多,马氏体的微观亚结构被细化,相变膨胀量愈大。同时,位错密度增加,亚晶界更细化,晶格畸变加剧,由此产生的残余压应力及硬度的提高幅度愈大,疲劳寿命相应提高。对喷丸后的齿轮进行时效处理,可使其强度进一步提高。对于20CrMnTi 材料的齿轮,喷丸前的组织为高碳马氏体+ 细粒状碳化物+ 较多的残余奥氏体,而喷丸后则生成了更多更细的片状马氏体,碳化物的数量也增多,残于奥氏体明显减少。再经低温时效处理,从马氏体及奥氏体中析出细小的合金碳化物。另外,经低温回火能有效的松驰喷丸后产生的高应力场,防止此应力造成疲劳裂纹的萌生,相应地提高了齿轮的疲劳寿命。(1) 对重要齿轮采用真空炉渗碳淬火提高硬齿面齿轮的疲劳强度：(2) 采用硬喷丸强化提高渗碳齿轮的疲劳强度。(3) 使用中选用合适的润滑油提高疲劳强度。5.8煤矿机械传动齿轮失效的改进途径近20 年来, 煤矿机械的功率增大很快, 采煤机的功率增加了46 倍, 掘进机的功率增加了23 倍, 大型、特大型矿井提升机功率已达数千kW, 功率的增大导致机械设备的输出扭矩增大,使设备部件特别是传动齿轮的受力增大。煤矿机械的齿轮大多为中、大模数(620 mm) 的低速 (6m/ s 以下) 重载传动, 单位齿宽的载荷值高达20kN/ cm2 。由于受煤矿使用条件和机器尺寸的限制,传动齿轮的外形尺寸没有多大变化, 易造成机械传动齿轮失效, 导致煤矿机械设备不能正常运行。煤矿机械齿轮的失效有轮齿折断、齿面胶合、齿面点蚀和齿面塑性变形等主要形式。由于轮齿啮合不合理, 造成超负荷或冲击负荷而产生轮齿较软齿部分金属的塑性变形, 严重时在齿顶的边棱或端部出现飞边、齿顶变圆, 主动齿轮的齿面上有凹陷, 被动齿轮的节线附近升起一脊形, 使齿面失去正确的齿形。齿轮失效直接影响着煤矿机械效能的发挥, 亟待解决,提出几种改进途径。5.8.1 设计煤矿机械齿轮, 特别是承受重载和冲击载荷的提升和采掘运输机械齿轮, 其弯曲极限应力强度增大到1 200 MPa , 接触耐久性极限强度亦增大到1 600 MPa , 如何在不加大外形尺寸的条件下提高其强度和寿命, 需进一步进行科研技术攻关, 优化设计参数。优化设计的内容包括载荷的准确计算、强度计算公式的修正、优化选材、优化齿形结构、先进的加工和处理工艺、提高表面光洁度、合理的硬度和啮合参数、有效的润滑参数和装配要求等,提高标准化、系列化程度。由于渐开线齿形共轭齿轮的相对曲率半径较小, 故接触强度受到一定限制。而圆弧齿轮在接触点处的齿面相对曲率半径大, 其表面强度和弯曲疲劳强度较高(约为渐开线齿形的25 倍) , 振动小、噪声低、尺寸和重量较小。除新设计齿轮应优先采用圆弧齿轮外, 原有渐开线齿轮减速器, 在传动功率不变、中心距不变的前提下, 重新搭配模数、螺旋角等参数, 可优化设计更新为圆弧齿轮,大大延长使用寿命。另外还可以采用以下几种比较先进的优化设计方法:1) 按照GB3480 1997渐开线圆柱齿轮承 4载能力的计算方法和有关行业标准, 采用CAD进行齿轮强度计算和齿轮结构方案的类比, 选出最优的设计方案。2) 利用保角映射和有限元法等方法分析齿根弯曲应力, 采用较大半径的齿根过渡圆角并采用凸头留磨滚刀加工外齿轮齿形, 以此降低齿根弯曲应力集中, 提高弯曲强度。3) 根据弹性力学知识分析轮齿的啮合形变,采用齿顶修缘, 修缘线是采用较大压力角的渐开线; 采用齿面喷丸处理等工艺来提高轮齿的接触和弯曲疲劳强度。4) 根据弹流润滑理论研究齿轮润滑状态后,采用极压添加剂的高粘度齿轮润滑油来改善齿轮的润滑状态。5.8.2选材齿轮材料的选择, 要根据强度、韧性和工艺性能要求, 综合考虑。参考工业发达国家煤矿机械齿轮选用钢材的经验, 结合我国实际, 宜选用低碳合金渗碳钢。对于承受重载和冲击载荷的齿轮, 采用以Ni - Cr 和Ni - Cr - Mo 合金渗碳钢为主的钢材(含Ni 量2 %4 %) ; 对于负载比较稳定或功率较小、模数较小的齿轮, 亦可选用无Ni 的Ni - Mn钢。这些渗碳合金钢的含碳量较低, 平均为012 %以下, 其中的Mo 、Mn 均能增加钢的淬透性(含Mn 量以014 %016 %为宜) , Cr 能增加钢的淬透性和耐磨性 , Ni 对提高钢的韧性特别有效。应研制、采用新型淬透性好的渗碳齿轮钢(国外称为“H”钢系列) , 它具有较窄范围的淬透性带, 可保证齿轮变形范围小并达到要求的芯部硬度。应尽量选用冶金质量好的真空脱气精炼钢(R H 脱气钢) 和电渣重熔合金钢, 这种钢材的纯度高, 具有较好的致密度, 含氧、氮和非金属杂质极少, 塑性和韧性好, 减少了机械性能和各向异性。用这种钢材制造的齿轮与普通电炉钢制造的齿轮相比, 其接触和弯曲疲劳寿命可提高35 倍, 齿轮极限载荷可提高15 %20 %。制造齿轮应尽量少用铸钢, 多用锻钢, 非用铸钢不可的大齿轮, 可采用铸钢轮芯镶锻钢齿圈组合件。锻钢要保证锻造比(一般选大于3 为好) 。无论铸、锻件, 制造过程中要进行超声波探伤、材料的机械性能试验和检查, 以确保材料的质量合格。5.8.3 加工工艺机加工滚齿时, 粗、精滚工序要分开, 先用滚刀进行粗切, 再用专用滚刀进行精滚齿, 保持滚刀精度, 用百分表控制切齿深度, 切齿深度误差应控制在零位附近, 精滚齿滚刀的齿形误差应不大于0.103 mm。齿形加工一般要达到9 级精度。齿面粗糙度必须达到设计要求, 可在磨齿后, 进行电抛光或振动抛光, 提高表面粗糙度, 粗糙度好的齿轮的寿命比粗糙度差的可提高15%20 %。采用齿面修形、齿形修缘和挖根大圆弧(大圆弧齿根) 新技术 (包括倒角、磨光、修圆) , 能消除或减轻啮合干涉和偏载, 提高齿轮的承载能力,使齿根应力集中降低, 齿轮的弹性柔度增大。对齿形进行修饰(磨齿、剃齿、研齿) , 齿轮的接触极限应力可提高15 %25 %。对齿作纵向修形(修齿腹) , 齿轮的寿命可提高2 倍 , 弯曲应力可减少17 %23 % , 并可降低噪声。当切齿刀具的硬度大于工件硬度的25 倍以上, 并有较好的韧性和耐磨性时,切削效果较好。硬齿面齿轮常采用磨削法和刮削法加工, 齿胚经多次热处理和切削加工。齿轮加工后组装的减速器, 出厂前应进行加载跑合 , 采用电火花跑合新工艺, 可提高齿轮接触精度, 保证使用效果。5.8.4 热处理煤矿机械齿轮的承载能力不仅取决于表面硬度, 还取决于表层向芯部过渡区的剪应力与剪切强度的比值, 它不能大于0155 。深层渗碳淬火是这种齿轮硬化处理最理想的方法, 它可以得到高的芯部硬度, 较小的过渡区残余拉应力和充足的硬化层深度。齿面含碳量一般控制在018 %1 %为宜,由齿表面到芯部的硬度梯度要缓和。渗碳齿轮经过淬火和回火, 表面硬度应达到HRC5862 , 要消除齿轮特别是表层的残余内应力。推广碳、氮共渗新工艺, 氮的渗入深度一般控制在012 mm 以内, 它不但能硬化表层, 还能产生压应力, 可比单纯渗碳齿轮的强度极限应力提高13 %以上, 寿命可提高1倍。热处理后, 尚需进行油浴人工时效处理。矿井提升绞车减速器齿轮的齿面硬度宜由现在多数软齿面( 即调质正火方法, 齿面硬度HB300) 向中硬齿面(淬火调质方法, 齿面硬度HB300400) 过渡, 以提高齿轮使用寿命。5.8.5 表面强化处理对齿面和齿根进行喷丸强化处理, 通常是齿轮加工的最后一道工序, 可在渗碳淬火或磨齿后进行。它能使齿轮的接触疲劳强度提高30 %50 % ,使齿根弯曲疲劳强度得到改善; 能有效阻止裂纹扩展, 使实际载荷比外加载荷小得多; 能有效抵抗破坏性冲击, 减少点蚀, 增大耐久极限; 有利于齿轮润滑的改善; 可消除各种切齿加工在齿面留下的连续刀痕以及磨削产生的缺陷(产生残余应力和淬火压应力的释放) 。根据国外经验, 齿轮喷丸比不喷丸寿命可提高6 倍。5.8.6 正确安装运行实践表明, 减速器齿轮副的安装精度, 对齿轮的承载能力、磨损和使用寿命有很大影响。无论是新安装、更换或检修安装, 都应做到严格、精细,按照安装技术规范和标准进行, 特别是齿轮轴心线的水平度、平行度、中心距、轴承间隙、齿轮侧隙、顶隙、接触区域或轴向窜动量等, 必须达到质量标准和技术要求。新齿轮在投运前, 应进行充分的跑合。制订运行操作规程, 认真执行, 严禁违章作业, 超负荷运转。按照制造厂的减速器使用说明书和维护检修规程、标准, 进行科学维护管理。定期监测齿轮磨损状况, 化验润滑油, 开展故障诊断, 发现问题及时处理。定期清洗减速箱和齿轮, 更换油脂, 保持油量, 防止煤粉、水份、异物混入减速器内。改进减速器密封, 防止漏油。结 论本次设计的重点是对 MG110/260-WD 采煤机截割部的设计，其截割部的传动由四级直齿传动和三级惰轮传动，说明书对主要的齿轮和轴进行了设计和计算，对重要的轴和花键进行了强度校核，对主要轴承进行了寿命校核，并且对行星机构齿轮进行了设计和计算。最后经过校核，本采煤机满足设计要求。通过这次毕业设计，才发现理论联系实际的重要性，才发现只学会书本上的理论知识是远远不够的，通过设计，搞懂了原来学习当中遇到的问题，使自己的专业知识有了很大的提高，锻炼了自己发现问题、分析问题、解决问题的能力，为以后的实际工作打下了良好的基础。本次毕业设计主要是对。通过收集一些原始数据资料，对各种采煤机的工作原理和优缺点有了基本的了解，并对 MG110/260-WD 型电牵引采煤机有了初步的设计思路。设计中，我学习和巩固了学多机械传动等方面的知识点，开阔了思路。在这过程中，我遇到了许多未接触的问题，通过指导老师的指导、查阅资料这些问题都得到了解决，并使我学习到了很多东西。参考资料：1 吴忠泽，机械设计师手册（上、下册） ，机械工业出版社，北京，20062 韩正铜等，机械精度设计与检测，中国矿业大学出版社，徐州，20073 程志红，机械设计，东南大学出版社，南京 20074 实用机械设计手册编写组，实用机械设计手册，机械工业出版社，北京，19855 余梦生，吴宗泽，机械零部件手册.选型.设计.指南，机械工业出版社，19956 王洪欣，戴宁，机械原理，东南大学出版社，南京，20057 程志红，唐大放，机械设计课程上机与设计，东南大学出版社，20068 王启广，叶平，现代设计理论，中国矿业大学出版社，徐州，20059 程志红，机械设计，东南大学出版社，200610 吴宗泽，机械设计实用手册，化学工业出版社，北京，199911 王启广，李炳文，黄嘉兴，采掘机械与支护设备，中国矿业大学出版社，徐州，200612 苏保晋等.采煤机破煤理论.王庆康等译. 北京 煤炭工业出版社 199213 谢锡纯等，矿山机械与设备，中国矿业大学出版社，200714 李建平、杜长