地下装载机电缆卷筒变速箱设计

南华大学机械工程学院毕业设计（论文）iii目 录1 绪论 .11.1 设计研究的目的和意义 .11.2 地下装载机应用与发展回顾 .11.3 未来技术发展展望 .42 地下装载机总体分析 .62.1 地下装载机的组成系统及功能 .62.2 地下装载机的工作方式 .72.3 地下装载机的技术水平 .82.4 电动地下装载机 .103 CYE 型电动地下装载机总体参数与原理 .143.1 CYE 电动地下装载机主要技术参数 .143.2 CYE 电动地下装载机液压系统工作原理 .164 半齿轮换向排绳（缆）装置设计计算 .194.1 电缆卷筒变速箱简图： .194.2 半齿轮机构的设计思想和方案 .194.3 半齿轮换向机构具体设计及计算 .234.4 不完全齿廓传动分析 .315 齿轮的设计 .375.1 选择齿轮类型、精度等级、材料及齿数 .375.2 按齿面接触强度设计 .37南华大学机械工程学院毕业设计（论文）iv5.3 按齿根弯曲强度设计 .405.4 几何尺寸的计算 .416 传动装置的运动和动力参数的计算 .436.1 各轴的转速 N（R/MIN） .436.2 各轴的功率 P(KW).446.3 各轴的转矩 T(NMM) .447 轴的设计、轴上零件的选用以及强度校核 .467.1 求中间轴上的功率 P3、转速 N3、和转矩 T3。 .467.2 求作用在齿轮上的力 .467.3 初步确定轴的最小直径 .467.4 轴的结构设计 .477.5 轴的强度校核 .488 花键连接强度计算 .61参考文献 .62谢 辞 .63附录 .641 英文原文 .642 中文翻译 .69南华大学机械工程学院毕业设计（论文）v大、中型地下装载机电缆卷筒结构复杂，国外公司用专利进行了全面保护。技术发展部设计人员在自主设计开发 2 地下电动地下装载机过程中，对电缆3m卷筒设计结构、工作原理进行了积极探索，勇于创新，避开国外专利约束，形成了两项中钢衡重独特的地下电动地下装载机技术。实用新型专利“转速自动匹配的电动地下装载机电缆卷筒”，可以根据被卷电缆的张力大小自动调节卷筒机构的转速，满足地下采矿作业的电动地下装载机使用要求。另一项实用新型专利“电动地下装载机电缆卷筒的换向机构”，具有结构简单，成本低，装配方便和工作稳定的特点。本次设计的主题就是 CYE 型电动地下装载机电缆卷筒变速器的设计，而获得国家专利和本次设计的特色就是半齿轮换向排绳（缆）装置。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）vi1 绪论1.1 设计研究的目的和意义电动地下装载机是在柴油地下装载机的基础上发展起来的,由于它具有无废气污染、噪声小、工作温度低、维修量小、生产费用低、作业效率高等优点，越来越多的被矿山所采用，并取得了明显的经济效益。卷缆系统是矿山上用于矿石开采的电动地下装载机上的重要部分，其自动放缆、自动收缆的可靠性直接影响着地下装载机的工作效率。对电动地下装载机而言，电缆卷绕装置是一个十分关键的部件，设计不好就会使电缆在地下拖曳而破损，不仅会使生产费用增加，而且影响作业安全，所以，如何更好地解决其供电电缆随机拖拉的问题，已显得尤为重要。电缆卷筒的收放缆速度应与车速协调一致，以免因地下装载机的行驶速度的变化而拉断或压坏电缆，故要求能随车速的变化而调速。因此，电缆卷筒总体装置的选择及设计有着重要的使用及经济意义。1.2 地下装载机应用与发展回顾图 1.1 地下装载机外形南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 2 页 共 80 页我国是一个地下资源丰富的国家，井下矿山在我国的矿山总数中占有的数量很多，在井下开采中的装载工作是最繁重的体力劳动。50 年代初期，我国一些大型并下矿山开始引进苏联制造的装载机。60 年代，我国研制成功第一台装载机，从此我国井下装载机制造业不断发展并形成了批量生产的能力。国产装载机广泛地应用于我国矿山后，极大地提高了井下矿山的生产效率，减轻了矿山的劳动强度，改善了劳动条件。早期的装运机是气动的，它带有铲斗或工作机构和料仓，其行走机构为充气轮胎式的，瑞典的 T2G 和 T4G 以及国产的 ZYQ12 和 ZYQ14 型都属于这种类型的装运机。1970 年代，我国地下矿山从美国引进柴油地下装载机，这是地下矿装备上的重大改革。目前我国井下矿山已经比较广泛地应用这种内燃驱动的无轨式装载设备。以柴油机驱动的无轨自行装载设备，摆脱了软道、风管或电缆的束缚，使机器提高了机动性，体现在井下可特大型的柴油地下装载机调运至采区的各个出矿处作业。简化了生产管理、减少了辅助设施的敷设和维修，从而大大提高了劳动生产率。但是柴油地下装载机一个突出的缺点是柴油发动机排放的废气对人体有危害，而目前对废气净化处理的效果还不够理想，还需要用强大的通风量来稀释排放的废气，尤其是在独头巷道内使用(如平巷掘进等等)会结通风带来很大的困难。基于这种原因，在柴油地下装载机之后，出现了电动地下装载机即用电动机代替柴油机，用缠绕在卷筒上可收故长度的电细向电动机供电。这种动力的改变，克服了燃油产生的废气污染，可是拖曳的电缆大大地影响了地下装载机的机动性，因此提高地下装载机的可靠性与生产率，改善司机的操作条件和作业环境是井下装载设备改进的方向。70 年代，我国开始研究应用无轨采矿工艺技术，为与工艺酣套，1975 年首次从波兰引进 LK型 2 立方米柴油地下装载机 105 台在梅山铁矿等冶金矿山试用。因其使用效果 良好，随后又进 口了芬兰的 TORO0 型 13 立方米柴油地下装载机、德国的 LF1 型 2 立方米柴油地下装载机 、法国的 CT00型 0 83 立方米 和 CT00 型 3.8 立方米柴油地下装载机 、美国 EHST 1 A 076 立方米和 922E、922D 型 17 立方米电动地下装载机和柴油地下装载机。这进口地下装载机在我同无轨采矿技术推广应用初期发挥了重要的支撑作用。 由于进口设备价格昂贵，备件供应管理困难，使许多中小型矿山望而兴叹。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 3 页 共 80 页为此 ，国内的有关研究院所于 l970 年代中期同步开展了国产地下装载机的研究开发工作。国内最先研发的地下装载机为长沙矿山研究院与厦门工程机械厂和柳州 T 程机械厂合作，以 ZIA0、ZIS0 型露天装 载 机 为基础 开发 的 DZIAO、 DZLS0 型柴油地下装载机。随后，马鞍山矿山研究 院与扬州冶金机械厂合作开发了 WJD15 型电动地下装载机；长沙矿山研究院与沈阳冶金机械厂、嘉兴冶金机械厂、南昌通用机械厂、衡阳冶金机械厂合作研制了 DCY 一 1 型 1立方米 、WJD 一 15 15 立方米电动地下装载机，CY 一 35 型 2 立方米、CY一 1 型 13 立方米、922D 17 立方米柴油地下装载机；南昌矿山机械研究所与南昌通用机械厂合作开发了 WJD 一 076 型 076 立方米。电动地下装载机北京矿冶研究总院与江西拖拉机厂合作研制了 WJ1 型 083 立方米柴油地下装载机等。到 1990 年代初期，国内开发生产了斗容 0425 立方米的系列电动和柴油地下装载机。除上述地下装载机生产厂商外，还有吉林冶金机械厂、太原重型机器厂、华山汽车修造厂和山尔金岭铁矿机修厂等。在总结“七五”、“八五”攻 关的经验后，研究开发人员对前期工作进行 了深刻反思。从“九五”攻关起 ，地下装载机攻关重点从强凋国产化率调整为注重整机性能和可靠性，零部件配套注重质量和可靠性，和国际知名公司一样，走全球化采购配套的道路。“九五”期间长沙矿山研究院与衡阳冶金机械厂以及广西高峰矿业公司联合攻关研制的 CY 一 35G(CY 一 4)型 4 立方米柴油地下装载机就是按这一新思路研究开发的第一型高性能地下装载机，其变速箱、变矩器、驱动桥、低污染柴油机以及关键液压控制阀都采用国际知名品牌产品，应用了变速箱电控操作和多盘湿式制动器液压松闸、弹簧制动等最新技术，整机性能达到同期国际先进水平。自此，国内井下无轨采矿设备开发几乎都按这一模式进行，国产采矿设备的性能水平跨上一个新台阶。 衡阳有色冶金机械总厂衡阳力达地下装载机有限责任公司是中国第一家井下地下装载机专业制造公司、中国大型地下装载机生产基地。通过 20 年引进、消化和吸收国外先进技术，已成功研发出具有自主知识产权的地下装载机系列产品，并荣获国家级新产品称号及国家科技进步三等奖。产品有 CY、CYE 系列井下地下装载机以及 CA-8 地下矿山自卸汽车，产品已经广泛应用于有色、冶金、化工及黄金矿山。尤其是 2002 年由衡阳有色冶金机械厂的力达地下装载机制造南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 4 页 共 80 页有限公司开发生产的 CA-8 地下矿山自卸汽车，经过一年的工业试验在山东某矿取得了很大的成功，得到了该矿的认可，并于 2003 年再次向力达地下装载机制造有限公司订购 4 台 CA-8 地下矿山自卸汽车。核工业第六研究所并入南华大学之后，南华大学在地下矿山运输设备方面的研究力量得到加强，原核工业第六研究所曾在 1998 年研究开发了我国第一台 KZC-5 地下矿山自卸汽车。所以，项目研究人员既具有研究开发地下矿山自卸汽车的经验，又有较高的理论计算基础。1.3 未来技术发展展望 (1)发动机近几年内仍将以简单可靠的低污染风冷发动机为主，然后逐步研究应用计算机控制 的电喷发动机。 (2)变速箱将以电磁阀控制型式和液压控制型式的变速箱为主。汽车上广泛使用的电脑控制的，自动换档变速箱很难在地下装载机上普遍应用，因为在铲斗插入装载时，要求变速箱承载的力矩最大，插入时速度和插入阻力在很短 的时问内发生急剧变化 ，将使变速箱在档位间快速跳换，使变速箱离合器工作在承载能力差的不稳定 的过渡状态 ，从而导致变速箱异常损害。 (3)制动系统将由现在普遍使用的压力制动、弹簧松闸的制动器向系统简单、安全可靠的压力松闸、弹簧制动的全封闭多盘湿式制动器方向发展 。储能器充压阀和反向调节脚制动阀将得到普遍应用。 (4)遥控技术手动和遥控地下装载机将实现一体化设计，即在设计手动地下装载机的同时考虑遥控动作如何实现，预留与遥控系统快速联接的液压接口、电器和装配位置。遥控液压执行机构和电器系统将按功能模块结构设计，只要将相应的遥控功能模块装上，普通手控地下装载机就成了标准的遥控地下装载机。无线电接收发射系统将由模拟系统发展为数字系统；为便于遥控操作，将发展 自动装载技术；集成有视频技术的视距外遥控系统将在特殊场合得到一定的发展与应南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 5 页 共 80 页用，但智能矿山设备因成本过高、必要性不足，在今后较长一段时问内还难以在我国发展应用。 (5)自诊断技术随着传感器技术的进步和设备故障诊断技术的完善，集设备状态信息采集、储存、分析、故障判断与报警的地下装载机故障诊断系统将得到发展与普遍应用。 (6)能源技术近年来，随着新材料的开发，我国高效电池技术取得了突破性进展，其能量密度已经达到普通铅酸电池的 5 倍以上，因此，研发电池驱动的小斗容地下装载机已成为可能。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 6 页 共 80 页2 地下装载机总体分析2.1 地下装载机的组成系统及功能地下装载机通常是由车架(前、后机架)、发动机(电动机)、传动系统、工作机构、转向机构、制动系统、操作机构及仪表、电器线路等几大部分组成。各种不同型式的地下装载机都有一个典型的结构示意图。现以较先进的轮胎行走、前、后机身铰接连接、铲斗前端装载的最常见地下装载机为例，它的基本结构如图 2.1 所示。图 2.1 轮胎式地下装载机组成系统图1-铲斗 2-工作机构（大臂、回转架、举升油缸、翻斗油缸） 3-电器系统（大灯）4-操作机构 5-转向机构 6-驾驶室 7-液压油箱 8-主传动轴 9-柴油机10-变矩器 11-变速箱 12-前后本身 13-刹车机构 14-前桥车架是地下装载机的骨架，把其它机构全部承载到车架上。前、后车架通过中间铰接销袖连成一体，并能做相对转动。发动机(电动机)是为铲动机提供动力源，使铲动机满足各种作业状况的需要。传动系统是将发动机(电动机)所提供的动力传给变矩器，再经主传动轴传南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 7 页 共 80 页递到变速箱，最后经由前、后桥传动轴传给前、后桥驱动车轮转动，完成行走和铲装作业。工作机构是由液压系统提供压力能，使举升油缸、翻斗油缸按要求运动，带动大冒、回转架、连杆、铲斗运作，完成装卸物料的需要。转向机构是由液压系统提供压力能为转向油缸按要求使前、后机身在中间铰接处相对转动，完成行驶中转向的需要。制动系统是采用不同形式(气制动、气一液制动、全液压制动)的制动方式和制动器，使行驶中的地下装载机停止运行，它是地下装载机设备及人身安全的保证。操作机构具有控制机器前进、后退、快、慢、转向、制动及装卸矿石等功能，它是地下装载机的神经中枢。仪表及电器线路。仪表是为监测整机运行状态而配置的。电器线路是将仪表指示灯、报警信号、照明灯、保护装置、各种开关及按钮按要求用不同导线连接起来，使地下装载机处于有序的运行状态。2.2 地下装载机的工作方式地下装载机是一种装卸运作业联合一体的自行式设备的工作过程由 5 种工况组成：(1)插入工况动臂下放，铲斗放置地面，斗尖触地斗底板与地面呈 30，角，开动地下地下装载机，铲斗借助机器的牵引插入料避。(2)铲装工况铲碍插入料堆后，转动铲斗铲取物料，待铲斗口翻至近似水平为止。(3)重载运输工况铲斗铲装满物料后举升动臂，将铲斗举升至运输位置(即铲斗斗底离地高度不小于机器的最小允许离地间隙)，然后驱动机器驶问卸载点。(4)卸载工况在卸裁点，举升动臂使铲斗至卸载位置翻转铲斗，向沼并料仓或运输车辆卸载，铲斗物料卸净后下放动臂，使铲 4 权复至运输位置。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 8 页 共 80 页(5)空载运输工况卸载结束后，地下地下装载机再由卸载点返回装载点。工况(1)与工况(2)由于作业时间很短，故通常将(1)、(2)两种工况视为一个工况，称为铲装工况。在铁矿井下生产过程中，从采矿作业面到溜并单程运距为 50 一 150m，行驶中耍转 23 个弯道，地下装载机司机在操作技术较熟练的倩况下，一个纯工作循环大约要用 L 54 分钟时间。2.3 地下装载机的技术水平我国的地下装载机技术主要为在研究学习国外先进的整机技术和零部件技术的基础上自主研究开发的整体技术 (衡阳力达的 922D、922E 型为美国引进技术和金川金格的 LF 一 93 型为德国 GHH 技术 )，目前的技术水平相当于上世纪末期的国际水平。(1)发动机技术 国产地下装载机的柴油发动机基本都采用德国 Deutz 公司的两级燃烧低污染风冷发动机，最新的计算机控制的水冷发动机由于外围系统复杂，控制程序调整和故障处理困难而很少采用。 (2)变速箱技术变速箱采用美国 Dana 公司的动力换档变速箱 ，控制方式以液压控制为主，也有采用机械控制和电磁阀控制的，尚未采用微 电脑控制的自动换档变速箱技术。 (3)制动技术制动系统 日前主要以压力制动、弹簧松闸的全封闭多盘湿式制动器(LCB)为主，钳盘式制动器正在被逐渐淘汰，能实现工作制动和停 牟制动合 而为一 的新 型弹簧制动、压力松闸(SAHR)全封闭多盘湿式制动器已经在部分机型上得到应用 。 (4)驱动桥2 m3以下的地下装载机驱动桥以国产桥为主，其差速锁只有牙嵌式自由轮式(No Spin)；3 -4 m 3地下装载机采用进口桥 ，差速锁以牙嵌式自由轮式为主，少数采用有限防滑差速锁技术。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 9 页 共 80 页(5)液压系统经过多年的研究摸索，各型地下装载机的工作液压系统基本一致。转向系统有转向器 和方向阀控制两种型式，但都没有采用国外常用的单路稳定分流阀(优先阀)；除引进美国 EIMCO 公司技术生产的 922D、922E、928D 型地下装载机外，转向系统均不采用储能元件和对杂质敏感的柱塞泵。分流、合流技术，先进的储能器充压阀以及反向调节的脚踏制动阀得到了广泛应用。 (6)遥控技术我国地下装载机的遥控技术完全为自主研发的，为视距 内遥控 ，井下有效控制距离大于 100 m。控制指令主要采用调频模拟信号单个传送，尚未采用无线数字信号传送技术；可控制的动作包括前进、后退 、右转、左转、翻斗、收斗、降臂、升臂、全油门、 半油门、制动、大灯开关、启动、熄火等 14l6 个动作。 (7)漏电保护技术电动地下装载机漏电保护系统为国内自主开发的技术 ，分离线 监测保护和在线监测保护两类。离线监测漏电保护系统在地下装载机供电系统合闸前或断电后，对其供用电系统进行绝缘检监测，在系统故障状态下，供电系统无法合闸。在线监测漏电保护则是在地下装载机通电状态下对漏电状态进行检测，一旦发现异常则立即跳闸保护 。在线监测保护系统又分为全域(同一变压器供电的全部网络)监测和局部 (地下装载机供电总闸到地下装载机之间)监测漏电保护系统，全域监测系统易受其它用电器的影响。目前主要采用在线监测保护系统。 (8)电缆自动收放系统电动地下装载机电缆卷筒有立式卷筒和卧式卷筒两种主要型式。 国外TAMROCK 公司生产的 TORO 系列电动地下装载机采用卧式卷筒外，其余基本上都采用立式卷筒 我国电动地下装载机到目前为止都是采用立式卷筒，宽立式卷筒配套排缆装置，窄型卷筒不带排缆装置。控制电缆卷筒自动收放电缆的液压系统为自主研发技术，在卸荷节能和减少系统发热等方面优于美国技术。 (9)尾气静化技术南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 10 页 共 80 页柴油地下装载机的尾气处理一方面是选用低污染柴油机，另一方面是对发动机尾气进行净化处理。我国尾气净化技术有铂金催化净化、三元催化净化和水洗净化等。铂金和三元催化净化对 CO 净化效果非常，净化率达到 90以上；水洗对 NOx 和颗粒物的净化效果明显。对于采用二级燃烧室的 Deutz 低污染发动机 ，由于本身能有效抑制 NOx 的产生，一般只配铂金或三元催化净化装置就能达到排放标准 2.4 电动地下装载机电动地下装载机与柴油地下装载机相比，除机动性外，其余指标(诸如装载能力、作业成本、综合采矿成本、可靠性、维修量、噪声等)均优于柴油地下装载机，已受到设计、制造与使用部门越来越广泛的重视。阿特拉斯一柯普柯公司认为:“从改善井下作业环境、降低通风成本以及柴油情况上看，柴油地下装载机正逐渐被电动铲运机所代替，设计者正着眼于发展大斗容(达 13.7 )和3m多规格品种电动地下装载机。”因此，随着电动地下装载机电缆缠绕装置的进一步完善和供电方式的改进，电动地下装载机在地下矿山的使用比例将会逐渐增加。国内外部份电动地下装载机本要技术参数如表 2.2 所示。表 2.2 国内外电动地下装载机的技术参数型号性能参数IS-100E IS-220E IS-500E EHST-1AEIMCO-911EEIMCO-911%G铲斗容积（ ）3m0.76 1.68 3.8 0.76 0.76 1.68有效载重量（Kg） 1361 2994 6804 1361 2770 2273机器高度（mm） 1346 1549 1752 1550 1740机器长度（mm） 5160 6910 8890 5510 4590 5500举升高度（mm） 2690 4010 4570 2970 2210 2625卸载高度（mm） 1092 1524 1727 1040 961 1580机器宽度（mm） 1210 1549 2438 1220 1220 1270内转弯半径（mm） 2610 2920 3280 1530 1005南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 11 页 共 80 页外转弯半径（mm） 4170 4980 5330 32540 3275坡度 %（Km/h） 25（3.8） 25（5） 25（3.4） 50 45动力源 575V 575V 550V 50 周 电动交流 电动交流电动机功率 40 马力 100 马力 180 马力 40 马力传动方式 静液压高速 静液压高速 静液压高速 静液压高速 静液压传动行驶速速（Km/h） 08.2 05.6/09.12 06.5/09.3 09.7 最大 6.4 最大 8.48轮 胎 9.00-20 12 12.00-24 16 18.00-25 24 9.00-20 12 7.50-15机器重量(Kg) 6260 10160 21400 5779 5443电缆长度（m） 76 76 106/152 105 122 122为扩大电动地下装载机的使用范围、改善性能、解决其机动性、灵活性问题，目前电动地下装载机的发展有以下几方面:（1）水平电缆缠绕装置为解决因拖曳电缆而影响电动地下装载机的机动性和灵活性问题，有必要改进现有的电缆缠绕装置的结构形式。芬兰 Toro 公司设计了新的水平电缆缠绕装置(图 2.3)这种电缆缠绕装置的绕入点可以变动，使绕入侧处于最佳位置，从而增加了机器的灵活性。Toro 系列电动地下装载机的水平电缆缠绕装置就是用水平布置的电缆卷筒，依靠特制的可自由摆动的电缆导向臂，使扁电缆以螺旋线的形状缠绕在水平卷筒上。图 2.3 Toro 系列地下装载机电缆卷筒1.水平卷筒 2.后车架 3.导向臂 4.扁电缆南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 12 页 共 80 页（2）带移动插梢电缆架空线供电的电动地下装载机1980 年加拿大贾维斯一克拉克公司在 JS 一 50oE 电动地下装载机上配备了辅助的架空线供电装置，在 Fox 犷试验获得成功。图 2.4 为该系统的原理图，通过一个移动插销由架空线供电。架空线为三相四线制，移动插销(图 2.5)通过上、下和侧面滚轮，可以自由而平稳地在 T 型钢梁上运行。插销前后共 8 个集电棒，通过弹簧压紧架空导线而使电缆获得电流。当移动插销运行到架空线终端或者要离开主要运行线路时(无架空导线的巷道或地区)，则可通过有自动张紧控制器的电缆卷筒收、放电缆，由电缆供电而自由运行。贾维斯一克拉克公司设计的 JS 一 702E 型。图 2.4 移动插销供电南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 13 页 共 80 页图 2.5 移动插销原理（3）微型电动地下装载机为了扩大电动地下装载机的使用范围，在回采薄矿脉或含矿断层矿石时，为减少贫化损失，控制矿石品位，用以代替电耙出矿或轨道式装载机，法国研制了 CT-500EH 微型电动地下装载机，斗容 0.3 (为目前世界上斗容最小的电3m动地下装载机)。当运距为 50 米时，机器的小时装载能力为 17-20 吨，班产量达 110-130 吨，可以有效地用来代替电耙出犷。微型电动地下装载机由于机体只有 80 匣米宽，可在最窄的巷道内作业，性能优于电耙或风动装载机，是回采窄的板状倾斜矿体、窄的和弯曲的断层含矿矿脉的一种理想的装运机械。（4）发展大型电动地下装载机为适应地下采矿作业或地下工程采场与巷道变化的不周要求，扩大地下装载机的使用范围，应么产多种型号与规格的电动地下装载机。据瑞典对 3Q 多个地下工程和矿山的调查:对载重为 10 吨级别的电动地下装载机感兴趣，电缆长度最好为 200-250 米。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 14 页 共 80 页3 CYE 型电动地下装载机总体参数与原理图 3-1 CYE-1.5 电动地下装载机南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 15 页 共 80 页3.1 CYE 电动地下装载机主要技术参数CYE 一 1.5 电动地下装载机的技术参数见表 3.3，外形见图 2.1 由于 CYE-1.5电动地下装载机是在引进全套 922E 电动地下装载机的技术资料的基础上重新设计的，因此保留了 922E 电动地下装载机的大部分特点，例如:三点式铰接结构增加了其稳定性，采用全密封油冷多盘式制动器，工作机构采用先导控制.为地下装载机专门设计的前后驱动桥等等。但根据我国的国情和 922E 电动地下装载机使用情况作了许多改进。图 3.2 电动地下装载机的主要技术参数表 3.3 CYE 一 1.5 电动地下装载机的技术参数标准铲斗容（ ）3m1.5平装斗容 1.34标准铲斗选择斗容SAE 标准（KN） 69铲取力最大值（KN）倾翻载荷（完全转向时）（KN） 98最大牵引力（KN） 75性 能铲斗运动时间 有运输位置举升到最高位置时间 5.0南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 16 页 共 80 页（s）卸料时间（s） 1.8操作重量（t） 10.6型号 Y250M-4电动机额定功率（1480r/min）(KW) 55型式 机械动力换挡变速箱传动比（13 挡） 3.94、2、0.71型式 单级、三元件变矩器变矩系数 2.73型式 行星式刚性桥前后桥总传动比 26.67型式 L4S 型或 L5S 型规格 12.00x24轮胎层数（层） 16型式 2CBF31.5/10 双联齿轮泵转向制动泵(n-2000r/min 是时)（L/min） 63/20型式 CBG2100/2050 双联齿轮泵工作机构卷缆油泵 排量（mL/r） 100.7/50.3型式 CGM3125 齿轮马达油泵卷缆马达排量（mL/r） 126.4转向油缸（缸径 x 行程 x 活塞杆直径）（mm ） 90x34445举升油缸 125x50660油缸转斗油缸 150x40690型式 全封闭液压混式多盘制动器工作制动规格 LCB 432型式 封闭混式多盘规格 弹簧施压，液压松闸停车制动位置 变通箱惰轮轴南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 17 页 共 80 页电源 动力电源 380（V） 照明电源 （24V）3.2 CYE 电动地下装载机液压系统工作原理3.2.1 工作机构液压系统工作原理如图 3-4 所示，为 CY922D 型装载机工作机构的液压系统原理图，它由分配阀（包括先导控制阀和主操作阀）、转斗油缸、两个举升油缸、油箱、主油泵（齿轮泵）等组成。其工作原理是主油泵从油箱及制动油路和先导控制油路的回油吸取液压油，并将液压油输送到主操纵阀。所有的主操纵阀的回油通过回油滤清器后又进入到转向制动油泵的吸油口，而多余的油则通过滤清器壳体底部的节流阀回到油箱。工作机构液压油路中的系统主安全阀被安置在主操纵阀的里边，每当系统的压力超过 13.8MPa 时，压力油则从旁路进入回油箱。另外，在主操纵阀的举升和转斗油路中还装有油缸过载安全阀，当主操纵阀处于中位时（先导控制阀手柄处于中间位置），它可以防止系统过载和冲击。在油路中还装有两个单向阀，它的作用是防止油缸形成真空。在铲斗的操纵阀阀芯和大臂操纵阀阀芯的进油道上也装有单向阀，这是当发动机熄火停转时，可以防止油缸的油液倒流。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 18 页 共 80 页图 3.3 CY922D 型装载机工作机构的液压系统原理图1-先导控制阀 2-主操纵阀 3-转斗油缸 4-举升油缸 5-回油滤清器 6-油箱加油口盖 7-油箱 8、13-单向阀（防气蚀） 9-压力阀 10-吸油滤清器（磁性滤网）11-转向和制动泵 12-主油泵 14-主安全阀 15-减压阀 16-过载安全阀3.2.2 转向和卷缆液压系统工作原理图 3-4 为 WJD-1.5 型电动装载机的转向和卷缆液压系统原理图。卷缆系统由双联齿轮泵、电磁换向阀、齿轮液压马达、溢流阀等组成。它采用电磁换向阀控制，自动收放电缆，使收放电缆与整机行驶同步进行，具有高度的机动性和灵活性。其系统工作原理：双联齿轮油泵安装在变矩器外壳上，当电动机运转时，带动变矩器里的驱动齿轮，该驱动齿轮则带动双联齿轮油泵运转，双联齿轮油泵中一个供转向液压系统使用，一个供卷缆液压系统使用。卷缆齿轮泵将液压油箱里的油经滤清器，通过油管，将油吸入泵的入口，液压油通过泵的出口再通过油管进入电磁阀的进油口。电磁阀如图示位置，液压油经电磁阀直接进入液压马达，驱动液压马达运转，液压马达通过套筒滚子链驱动电缆卷筒，进行收缆。电磁阀如接通而移到左边的位置，液压油则电磁阀 5、单向阀 6 而与液压马南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 19 页 共 80 页达 3 相通，此时装载机前进，使电缆有一定的张力，油马达则在一定的压力下通过溢流阀 11 溢流，从而进行收缆。由于电磁换向阀是否通电是由档位控制手柄通过行程开关直接控制的，所以电缆卷筒能自动收放缆，即收、放缆与整机同步进行，具有自动控制的特点。图 3-4 WJD-1.5 电动装载机转向和卷缆液压系统原理图1-转向油缸 2-全液压转向器 3-液压马达 4-直角单向阀 5-电磁换向阀6、10、11- 溢流阀 7-齿轮油泵 8-滤油器 9-换热器南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 20 页 共 80 页4 半齿轮换向排绳（缆）装置设计计算4.1 电缆卷筒变速箱简图：本次设计的是电缆卷筒变速箱中获得国家专利的半齿轮换向排绳（缆）装置，设计涉及一种用于卷筒的排绳（缆）装置，特别涉及一种半齿轮换向排绳（缆）装置。下图 4.1 为设计的电缆卷筒的变速箱简图。图 4.1 电缆卷筒的变速箱简图4.2 半齿轮机构的设计思想和方案4.2.1 设计思想电动地下装载机必须有连接电源的电缆和电缆卷筒，各种卷扬设备、绞车也都包含缠绕钢绳的卷筒。为了使电缆在卷筒上均匀排列，目前使用往复螺旋圆柱凸轮机构机械设计手册第二卷，8-55 页，徐灏主编，机械工业出版社，1991 年 9 月出版，简称双螺旋丝杆机构。这种排缆装置经过近几年的使用发现很多不足：一是加工困难，特别是加工反向螺旋时容易碰刀，反向螺旋的加工质量很难保证；二是这种排缆装置靠滑块或钢球才能换向，而不能使用螺母，容易磨损，效率低，寿命短；三是在正反螺旋交叉处及两端头可能发生反向卡死现象，逼使电缆卷筒停转，从而拉断电缆，造成严重事故。为了使钢绳在卷筒上均匀排列，目前使用凸轮排绳机构和利用限位开关换向的排绳机构，其缺点是机构庞大复杂，工作不可靠。设计内容 本设计的目的就是要提供一种能精确均匀排列缆绳，工作顺畅，南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 21 页 共 80 页安全可靠、使用寿命长，制造加工容易的卷筒排绳（缆)装置。一种半齿轮换向排绳（缆）装置，包括一个半齿轮换向箱，所述半齿轮换向箱包括半齿轮和对称布置的正向齿轮和反向齿轮，所述半齿轮是只在齿轮的半个圆周上有轮齿的不完全齿廓齿轮。所述半齿轮换向排绳（缆）装置包括一个由半齿轮换向箱驱动的单螺旋丝杆。所述半齿轮换向排绳（缆）装置还包括一个由单螺旋丝杆驱动的排缆块，所述排缆块上制作有与单螺旋丝杆配合的内螺纹。所述半齿轮换向排绳（缆）装置还包括半齿轮前减速齿轮和半齿轮后增速齿轮。其减速比大于卷筒长度 L 与电缆（钢绳）直径 d 之比值的两倍，其增速比大于卷筒长度 L 与单螺旋丝杆螺距 t 之比值的两倍，其中的大于两倍是因为排缆必须要有一定的空隙。本设计由于采用半齿轮换向箱和单螺旋丝杆螺母传动，制造加工容易，传动平稳顺畅，安全可靠，使用寿命长。通过计算设计，可使卷筒排缆精确均匀。本发明可用于电动地下装载机、各种卷扬设备、绞车及纺织机械等。4.2.2 设计方案电动地下装载机在运行时，在液压马达的驱动下，电缆卷筒排一圈缆则向前运动，通过加速减速运行，则需要一个换向装置，本次设计则采用的是半齿轮换向装置，通过半齿轮与两个全齿轮相互啮合，与上面的齿轮啮合则与下面的齿轮脱开，与下面的齿轮啮合则与上面的齿轮脱开，实行换向，同时要考虑齿轮啮合问题，齿数问题，作用力的问题等。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 22 页 共 80 页图 4.2 卷筒排绳（缆)装置的结构图附图说明 图 4.2 为卷筒排绳（缆)装置的结构图，图中，1卷筒，2电缆（钢绳），3卷筒驱动装置，4半齿轮换向箱，5、6、7、17减速齿轮，8反向齿轮，9、11、12反向增速齿轮，14、15正向增速齿轮，10半齿轮，16正向齿轮，18排缆块，19单螺旋丝杆，20导杆，L卷筒长度，d电缆（钢绳）直径，t单螺旋丝杆螺距。图 4.3、图 4.4 为半齿轮换向传动原理图，也是图 4.2 的 A 向视图。其中，图 4.3 表示当半齿轮（10）与正向齿轮（16）啮合，反向齿轮（8）处于半齿轮（10）的空档无齿位置的情况；图 4.4 表示半齿轮（10）与反向齿轮（8）啮合，正向齿轮（16）处于半齿轮（10）的空档无齿位置的情况。南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 23 页 共 80 页图 4.3 半齿轮 10 与正向齿轮 16 啮合 图 4.4 半齿轮 10 与反向齿轮 8 啮合具体实施方式 如图 4.2 所示的半齿轮换向排绳（缆）装置，卷筒（1）在驱动装置（3）的驱动下转动，通过减速齿轮（5）、（6）、（7）、（17）带动半齿轮（10）转动，如图 4.3 所示，当半齿轮（10）与正向齿轮（16）啮合时，反向齿轮（8）处于半齿轮（10）的空档无齿位置。此时半齿轮（10）通过正向齿轮（16）和正向增速齿轮（14）、（15）带动单螺旋丝杆（19）正向旋转，从而使制作有内螺纹的排缆块（18）轴向移动，实现正向排缆。传动路线：卷筒（1）齿轮（5）齿轮（6）齿轮（7）齿轮（17）半齿轮（10）正向齿轮（16）齿轮（15）齿轮（14）单螺旋丝杆（19）。如图 4.4所示，半齿轮（10）继续转动，与正向齿轮（16）脱开，即正向齿轮（16）进入半齿轮（10）的空档无齿位置，反向齿轮（8）与半齿轮（10）啮合，通过反向增速齿轮（9）、（11）、（12）带动单螺旋丝杆（19）反向旋转，实现反向排缆。传动路线：卷筒（1）齿轮（5）齿轮（6）齿轮（7）齿轮（17）半齿轮（10）反向齿轮（8）齿轮（9）齿轮（11）齿轮（12）单螺旋丝杆（19）。设置半齿轮（10）前减速齿轮（5）、（6）、（7）、（17）是为了使卷筒（1）排一层电缆（钢绳）时，半齿轮（10）转半圈。转完半圈后反向，卷筒排第二层。其减速比大于卷筒长度 L 与电缆（钢绳）直径 d 之比值的两倍。设南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 24 页 共 80 页置半齿轮（10）后增速齿轮（14）、（15）以及（9）、（11）、（12）是为了半齿轮（10）转半圈时，导绳块（18）排一层电缆（钢绳），故其增速比大于卷筒长度 L 与单螺旋丝杆（19）螺距 t 之比值的两倍。4.3 半齿轮换向机构具体设计及计算由于是齿轮传动，而且还是半齿轮，根据上面的设计思想和方案，我们需要对此机构做三项分析，分别是：（1） 传动比分析（2） 齿数设计分析（3） 不完全齿廓传动分析同时在设计的 A0 图上和地下装载机的参数中得到如下主要参数：电缆卷筒长度 L=988mm,电缆直径 d=45mm单螺旋丝杆螺距 t=16mm.4.3.1 传动比分析因为在此机构中设置半齿轮（10）前减速齿轮（5）、（6）、（7）、（17）是为了使卷筒（1）排一层电缆（钢绳）时，半齿轮（10）转半圈。转完半圈后反向，卷筒排第二层。其减速比大于卷筒长度 L 与电缆（钢绳）直径 d之比值的两倍。设置半齿轮（10）后增速齿轮（14）、（15）以及（9）、（11）、（12）是为了半齿轮（10）转半圈时，导绳块（18）排一层电缆（钢绳），故其增速比大于卷筒长度 L 与单螺旋丝杆（19）螺距 t 之比值的两倍。所以此机构有一个前减速比和一个后增速比我们设为 ， 。根据上前 减I后 增图 4.3 所示，减速齿轮（5）、（6）、（7）、（17）带动半齿轮（10）转动，当半齿轮（10）与正向齿轮（16）啮合时，反向齿轮（8）处于半齿轮（10）的空档无齿位置。则我们可得出 应为电缆卷筒的长度与电缆直径之比的 2 倍（因为是半前 减I齿轮）给定电缆卷筒的长度为 1038mm,卷缆直径为 45mm。即南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 25 页 共 80 页=前 减I.943258dL其中 = =M 前 减 5761Z同理设置半齿轮（10）后增速齿轮（14）、（15）以及（9）、（11）、（12）是为了半齿轮（10）转半圈时，导绳块（18）排一层电缆（钢绳），故其增速比大于卷筒长度 L 与单螺旋丝杆（19）螺距 t 之比值的两倍。= =后 增I2t5.123698其中 = =N.后 增 12890Zt4.3.2 齿数设计分析因为最小齿数不能低于 17，则假设各个齿数让它满足条件，两者要相等，从图中和 可看出 为齿数小的齿轮。通过各个验算，则假设为前 减I57,Z=25。根据图上的各种精度等级通过查表可得出，齿轮 7,齿轮 5 的572Z，各个参数，如表 4.5,4.6 所示。表 4-5 齿轮 7 的参数模数 m 2齿数 z 25压力角 20齿顶高系数 *ah1全齿高 h 4.5精度等级 988GJ中心距及其极限偏差 2750.041图号 CYE2 25-53配对齿轮齿数 250齿圈径向跳动公差 Fr 0.071南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 26 页 共 80 页公法线长度变动公差 Fw 0.056齿形公差 f 0.014齿距极限偏差 pt 0.02齿向偏差 F0.018KnW15.461公法线K 3表 4-6 齿轮 5 的参数模数 m 2齿数 z 25压力角 20齿顶高系数 *ah1全齿高 h 4.5精度等级 988GJ中心距及其极限偏差 1350.032图号 CYE2 25-24配对齿轮齿数 110齿圈径向跳动公差 Fr 0.071公法线长度变动公差 Fw 0.056齿形公差 f 0.014齿距极限偏差 pt 0.02齿向偏差 F0.018KnW15.461公法线K 3南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 27 页 共 80 页同样可验算出齿轮 17，齿轮 6 的的齿数，经验算得出， ，则10,25617Z可得出减速比为= =M= 。前 减I5761Z45210则可得出减速传动比 ，满足要求，则符合设计要求。前 减IdL同样按照精度要求，模数要求可得出齿轮 17，齿轮 6 的基本参数，如表4.7,4.8 所示。表 4-7 齿轮 17 的参数模数 m 2齿数 z 250压力角 20齿顶高系数 *ah1全齿高 h 4.5精度等级 988HK中心距及其极限偏差 2750.041图号 CYE2 25-19配对齿轮齿数 25齿圈径向跳动公差 Fr 0.1公法线长度变动公差 Fw 0.09齿形公差 f 0.025齿距极限偏差 pt 0.025齿向偏差 F0.018公法线 KnW169.37南华大学机械工程学院毕业设计（论文）第 28 页 共 80 页K 28表 4-8 齿轮 6 的参数模数 m 2齿数 z 110压力角 20齿顶高系数 *ah1全齿高 h 4.5精度等级 988GK中心距及其极限偏差 1350.041图号 CYE2 25-15配对齿轮齿数 25齿圈径向跳动公差 Fr 0.08公法线长度变动公差 Fw 0.071齿形公差 f 0.018齿距极限偏差 pt 0.022齿向偏差 F0.018KnW76.8846公法线K 13同理因为 = =N. 齿轮后 增I12890ZtL， 被 约 掉 ，同 时 存 在 于 分 子 分 母 中111 在此增速传动中为惰性齿轮，则我们可不用过多的考虑齿数方面的关系，我们就针对齿轮 10，齿轮 9，齿轮 8，齿轮 12 四个齿轮，进行计算和分析。与上面减速的方法相同，假定齿轮 8 齿数为 25，即 ， 。通过查258