载煤车厢平整系统研究与设计

中国矿业大学毕业设计任务书毕业设计题目：载煤车厢平整系统研究与设计毕业设计专题题目：载煤车厢平整装置设计毕业设计主要内容和要求：主要内容：工作装置的各个动臂尺寸和参数设计；液压缸尺寸参数设计；液压泵和电机选型计算。要求： 应用基本知识、基础理论和基本技能去分析问题和解决问题，并表现出工程设计和科学研究能力。能独立检索文献资料并恰当运用。能进行本专业范围内的分析研究、实验、测试、计算、绘图、设计、 计算机应用等综合训练。毕业设计的理论依据要充分，数据准确，公式推导正确。摘 要文章主要介绍平整装置的液压系统主动臂、副动臂、伸缩臂、铲斗的尺寸参数设计和有关计算。首先介绍平整装置设计目的和设计依据，适用性等。重点是工作概况及性能参数的设计计算和设计要求，并根据性能参数来选择主要的工作元件如液压缸，销轴等。接着介绍各个工作装置的工作原理，铲斗、动臂、斗杆、推杆、的工作情况。然后对工作装置的驱动进行设计，包括液压缸主要参数的设计及液压缸工作时主要参数的计算如液压泵，电机的选型设计和计算。最后，对多功能铲斗尺寸参数进行设计和计算，然后对工作装置设计的各个阶段进行了分析研究，并且用设计软件建模对平整装置的主动臂、副动臂、伸缩动臂的受力分析，运动仿真，参数优化，强度校核等。【关键词】 工作装置;液压系统;设计;建模;优化; 动臂;动力分析ABSTRACTThis article mainly presents the design and relevant calculation of the hydraulic system the master arm, vice-moves the arm, expands and contracts the arm size parameter in the formation devices. First of all, design goal and design basis Serviceability And so on The key point is the work survey and the performance parameter design calculation and designs the request and how to choose the major components according to the parameters If the hydraulic cylinder, sells the axis and so Secondly, the article presents the working principle of every part in the design how the bucket, the arm and the boom 斗 Throwout lever respectively works. A After that, it reveals the design of the drive of the working settings including the design of the major parameters of the hydraulic cylinder and it alculation at work，If hydraulic pump, electrical machinery shaping design and computation In the end, Carries on the design and the computation to the multi-purpose scoop size parameter Then every phases of Working device design is studied on ，and with design software modelling to the smooth installment master arm, vice-moves the arm, the expansion and contraction moves the arm the stress analysis, the movement simulation, the parameter optimizes, intensity examination and so on.【Key Word 】 ：Working device ;hydraulic system ; design; Modeling; Optimization; lift-arm；namic analysis目 录任务书i中文摘要 iiABSTRAC iii1 绪论11.1 车厢煤面存在的问题1 1.1.1 弊端 11.1.2 人工平整的利弊41.1.3 车厢平整的标准和意义52 平整装置设计要求62.1 平整装置设计特点原则和要求 62.1.1 设计特点62.1.2 设计原则73 平整装置设计方案103.1 平整装置伸缩动臂机构柔性设计方案73.1.1 柔性伸缩动臂机构的原理以及结构特征73.1.2 柔性伸缩动臂机构的优点84平整装置液压系统的设计94.1 功能概述94.2 液压泵的主要性能参的理论设计104.2.1 液压泵的压力114.2.2 液压泵的排量、流量和容积效率114.2.3 液压泵的功率和效率124.2.4 液压泵的流量及主要参数的确定124.2.5 泵的工作压力的确定134.2.6 泵的驱动功率144.2.7 液压动力源电动机计算与选型154.3 执行液压缸的设计154.3.1 伸缩动臂缸 B 缸参数计算154.3.2 活塞杆稳定性校核 194.3.3 活塞杆的强度计算204.3.4 缸筒壁厚的计算及校核214.4 缸筒的设计与计算244.4.1 缸筒结构244.4.2 缸筒材254.4.3 对缸筒的要求264.4.4 缸筒计算264.4.5 缸筒与端盖螺纹联接部分 26：4.4.6 缸筒与端部焊接274.4.7 缸筒制造加工技术要求 284.5 活塞334.5.1 活塞结构型式334.5.2 活塞与活塞杆的连接 334.5.3 活塞的密封334.5.4 活塞材料334.2.5 活塞尺寸与加工的技术要求344.6 活塞杆344.6.1 结构344.6.2 活塞杆的材料与技术要求354.7 活塞杆的导向套部分结构364.8 中隔圈384.9 缓冲装置384.10 排气阀384.11 油口 394.12 密封圈、防尘圈的选用405 液压阀的计算与选型415.1 电磁换向阀415.2 单向阀415.3 电磁溢流阀426 液压辅件的计算与选择436.1 液压管道计算436.2 过滤器的选择与计算456.4 联轴器466.5 泵组底座476.6 管路附件477 各个动臂设计487.1 结构497.2 尺寸498.铰点位置确定和受力分析508.1 平整装置铰点优化设计518.2 工作装置的结构和受力特征519. 动臂强度校核6410 铲斗设计6710.1 平整装置对平整铲斗要求6710.1.1 铲斗组成6710.1.2 作业特点6810.1.3 铲斗优缺点7010.2 铲斗容积设计及计算7010.2.1 容积设计7010.2.2 铲斗横截面面积7110.2.3 铲斗回转半径7210.2.4 平装斗容 7210.2.5 堆尖部分体积7310.3 优化设计数学模型7410.3.1 设计变量7410.3.2 目标函数7510.3.3 约束条件7510.4 设计计算及可视化7510.5 总结7611 铲斗铰接点固定铰点分布区域的确定7711.1 重要性7711.2 铰点分布区域的确定7712.自动找平技术在平整装置上的应用8013 结束语8313.1 平整装置的结论8313 .2 设计总结8314 翻译部分14.1 英文原文8014.2 中文译文8615 致谢、1 绪论内蒙古霍林河露天煤矿是 1976 年开发建设的全国五大露天煤矿之一，最初设计开采能力 1000 万吨。1999 年，霍林河煤矿进行公司制改革，改制为霍煤集团。2004 年霍煤集团和中国电力投资集团重组，成立了中电投霍林河煤电集团公司。霍林河煤炭储量达 119 亿吨，现在，露天煤业拥有露天开采煤炭储量36 亿吨。位居上市露天煤炭企业首位。2008 年 2 月 18 日霍林河露天煤矿更名为：中电投蒙东能源集团公司。霍林河煤还您一片蓝天 是霍林河露天煤矿响亮的品牌！该矿煤炭运输主要依靠通霍线铁路外运，运输能力逐年提高 2007年达到 2500 万吨。地面生产外运装车系统创建立于 1992 年。同年地面生产系统外运装车站成立。装车站一直是矿区煤炭主要销售站，矿区开采出的大部分煤炭产量经过系统中的两个破碎站的两次破碎直接运到储存仓装车外运。装车站成立以来，年外运力逐年提高，到 2007 年首次突破 1700 万吨。1.1载煤车厢存在的弊端、人工平整利弊及平整标准、重要意义。1.1.1 弊端图 1-1 带有深角的载煤车厢 图 1-2 四边凹中间凸凹凌乱的车厢 图 1-3 四边凹中间平整的车厢如图：图 1-1 图 1-2 图 1-3 是装车后出现的比较典型的几种不规则的 载煤车厢形状，这些形状貌似符合一般的装车车厢的要求，实际上背离了“外树形象”的装车质量标准。图 1-1 带有深角的载煤车厢，边角最大容量高达一吨，而凸起的部分占据车厢表面大部分，有的凸起部分超出车厢表面 200mm300mm，这不仅是不美观，而且不利于现场煤质采样人员在车厢表面跨车厢行走。图 1-2 四边凹中间凸凹凌乱的车厢。 该类型的车厢表面更缺少美感，而且容易被风吹煤散落地下。图 1-3 四边凹中间平整的车厢。该类型的车厢表面虽具有一定的美感但依然存在上述车厢的不足和缺陷。1.1.2 人工平整的利弊商品的外在美一向是商家竞争的手段和工具，在这个重视感官的时代其经济效益尤其明显。煤炭作为商品也不例外。因此，通过外运装车打造品牌，外树形象无疑是装车质量的要求之一。近几年集团公司为达到这一形象一直采取人工的办法。图 1-4 人工平整图 1-5 人工平整图 1-4 和 图 1-5 是人工平整的图片。自从 1992 年地面生产系统外运装车站成立以来载煤车厢一直是人工平整。人工平整需要投入大量的人力和物力而且平车效率低，并且存在许多不安全的因素：如雨天、雨中平车和雪天、雪中平车伤害身体，人容易滑落、摔倒跌伤等；再如装冒热（烟）气的煤时人要忍受烟熏气烤等，同时人工装车也增加了装出每列车的时间，人工平整在 2002 年以前因为生产规模和煤炭销售的局限基本上适应了生产需要。2002 以后随着国内煤炭销售形势好转以及外运装车需求量的增加，这种平车方式越加体现出它的局限性。因此，必须设计高速、高效、高质的车厢平整系统以便适应大生产、大运力的现代装车要求。1.1.3 车厢平整的标准和意义 车厢平整的标准：1.煤面基本上无凹凸；这是品牌和形象方面的要求。2.煤面在车厢外沿以下 100mm 到 200mm，或者更低。这是防止高出车厢的煤，在运输途中被风吹去，失重。3.煤面要求平且实； 一般需要同时满足上述的 3 个条。本设计是在集团公司对该项目设计进行时时提供的部分参考设计。主要是对整个平整系统设计中全自动车厢平整装置的设计。下面是具体设计过程：2 平整装置设计要求2.1 平整装置设计特点、原则和要求2.1.1 设计特点图 2-1 人工平整架构如图 2-1 人工平整架构 ，它是为方便工作人员到达车厢表面平整煤面设置的。从图可以看出人工脚踏板和车厢表面是齐平的，脚踏板和架构的顶距离 2600mm 火车头可以顺利的通过。从图 1-3（装车仓仓口顶距离车厢平面高度 2400mm）也可以看出平整装置安装高度至少在 2500mm（不包括车厢平面距地面的高度约 2100mm） ；也就是说平整装置安装高度距离地面至少 4600mm；：安装底平面 1400mm3000mm（垂直道轨方向平行道轨方向）装置固定在上面，并且装置的中心轴线在地面上的正投影和两道轨中心线重合。装置长臂平行道轨布置。2.1.2 设计原则：1. 长寿命、低能耗及轻重量的设计原则：平整装置距离地面很高（约 5000mm） ，因此在设计过程中对材料的选择以及工作臂的口径，缸径，铲斗斗容等都在自重方面充分注意2. 废弃零部件处理的污染最小化及综合成本最优化；报废件处理简单、费用低和污染小，零部件解体方便，是该设计重点考虑的问题。3. 外观美学设计为避免外形粗放、笨重的形象，装置外观车身的采用流线型设计，达到机器的环境的谐和，给人以视觉上的美感。4. 人性化设计平整装置的控制采用微机控制技术，实现了各种工况下自动判断、自动诊断机器状态，使机器始终能保持良好状态，因此控制和操纵的人性化能大大提高作业的安全性和舒适性。 5. 系统可靠性设计尽量运用高可靠性的成熟技术和借用经市场考验后的成熟系列零部件可延长各关键系统或零件的使用寿命，减少更换次数。例如降低制动元件的更换频率就相当于减轻了对周围环境的破坏与污染。2.1.3 设计要求 ；1. 平整装置速度要求：装置在车厢运动过程工作，车厢行走的速度0.280.42ms 车厢通过平整装置的时间 30s40s。因此，工作装置的部件动作速度（如液压缸）要求很高。2. 平整装置灵敏度要求：为防止工作装置和车厢发生干涉必须保证装置控制部件有高的反映灵敏度。3. 平整装置工作范围，即平整面积 3037平整速度 0.7s1.2 s（注：车厢平面面积为 132.89112.8）3 平整装置设计方案3.1 平整装置伸缩动臂机构柔性设计方案伸缩动臂机构柔性设计方案是通过对工作现场和工作要求的调查分析，发现问题、明确目标，有针对性的进行结构创新。并遵循了机械运动方案的基本原则。3.1.1柔性伸缩动臂机构的原理以及结构特征图 3-1 伸缩动臂机构示意图1.工作循环：如图 3-1 所示，作业时首先判断平整部位是就近点还是远位点（沿车行走方向先到铲斗的为就近点后到的为远位点），之后确定铲斗运动的正负方向（与车厢运动方向相同为负方向反之为正方向）当是就近点且为负方向时候斗缸（图 3-1 中 E 缸）收缩，反之斗缸伸长。再后使铲斗位于初始位置（距车厢需要平整煤面处）。副动臂油缸（C 缸）伸（或缩）或伸缩臂油缸（B缸）伸（或缩），同时主动臂油缸(A 缸)伸（或缩），使铲斗沿水平方向运动。铲斗完全插入料堆后，铲斗油缸（D 缸）或斗缸 E 缸前伸，通过摆轴、连杆的作用，带动铲斗，完成铲推。2.完成铲推后，主动臂油缸升举，副动臂油缸收缩，使铲斗向需要平整位置靠近。接近平整位置后，主、伸缩臂、副动臂同时动作，铲斗油缸 D 伸长，或铲斗升降缸 E 通过伸长带动铲斗向下翻转或打开铲斗，完成添卸。3.完成添卸后，油缸伸或缩，带动铲斗动作，主、副动臂同时伸或缩，使铲斗回到初始位置，完成一个工作循环。4. 该设计方案动臂由主、副、伸缩臂 3 个部分构成，并增设了一个伸缩动臂油缸 B 和副动臂缸 C，副动臂油缸 C 不与伸缩臂相连，而是与主动臂相连接。铲平作业过程中不完全单纯依赖副动臂提供动力。而是由伸缩臂和副动臂提供动力，然后依靠各油缸工作，使动铲斗完成铲平作业。3.1.2 柔性伸缩动臂机构的优点：柔性伸缩动臂机构进一步优化了平整装置的性能，工作特性类似于挖掘机和装载机，能使铲斗按一定的轨迹实现各种复合运动。作业效率和铲、装过程中克服阻力的能力有了很大的提高。结构件的受力更加合理，各铰接点受到的冲击力也得到了很大的缓解。不仅有利于提高平整装置的稳定性和可靠性，而且使平整装置的工作特性发生了很大的变化。柔性伸缩伸缩动臂机构对平整装置整体结构以及性能带来的影响，主要表现在以下几个方面。1. 工作特性的变化改善了平整装置在作业过程中的冲击受力强度和受力频率，可大大提高整机结构的可靠性。2. 传动系统以及传动系统中传动件的受力状况也得到了很大的缓解，对传动件的工作寿命有很大的保护作用。3. 采用柔性伸缩动臂机构能使铲斗在空中水平或垂直运动，也可使铲斗按一定的角度运动，能实现远距离添卸和平整，使工作装置能胜任各种复杂的车厢载煤平面。4. 可以充分利用副动臂与伸缩臂、主动臂之间的相对传动，特别是铲斗的扒、挖、铲等作业动作，实现装置更加灵活、快速，工作效率也更高。 柔性伸缩动臂机构5. 减少了装置的设计总长度，降低了工作负荷，减少了能耗，符合当今的环保要求。6. 在结构上应注意的一些问题（） 主、副动臂完全伸展后，力臂加长。应注意调整装置的底盘结构以及配重。（） 动臂的结构设计尽可能采用复式结构，以利于提高结构强度。（） 动臂的结构较以往更复杂。在作业中对操作员视线有一定的影响，在整机结构设计中应引起足够的重视。4平整装置液压系统的设计4.1 功能概述考虑到人性化设计需要，装置采用全液压动力。通过复杂的的液压机构实现平整铲斗铲取、平添、压实等功能。极大的减轻了平整人员的劳动强度。其总体结构的特点如下：1. 采用电机液压机械传动的传动方式；2. 由液压缸驱动给进摆动机构；3. 具有自动找平系统（推荐） ；4. 具有防止干涉自动提升系统（推荐） ；显然，平整装置各种功能的实现均须通过液压功能组件和液压流体介质组成的液压系统来完成。图 4-1 为平整装置液压系统功能框图，液压系统包括电机、液压泵等动力元件，液压缸等执行元件，压力阀、方向阀等控制元件。因此在进行装置液压系统设计时，需要根据液压传动原理，设计出优化的平整装置液压系统。电动机液压泵组控制阀组液压缸 A液压缸 B液压缸 C液压缸 D液压缸 E 升降伸缩回转回转升降P - 5图 4-1 液压系统功能框图4.2 液压泵的主要性能参的理论设计在选择液压泵时，应根据主机工况、功率大小及系统对其性能的要求来合理选择。液压泵是平整装置液压系统的重要组成部分，它由电动机带动，向系统提供工作所需的一定压力和流量的油液，驱动系统中的个液压执行装置完成各个规定的动作。选择液压泵时，在考虑容积效率、液压泵功率和效率的基础上，先确定平整装置系统要求的最大工作压力和最大流量（包括系统泄漏损失） ，然后进一步确定其具体规格和所需原动机的功率。具体如下：4.2.1 液压泵的压力1. 吸入压力 泵进口处的压力，自吸泵的吸入压力低于大气压力。2. 工作压力 液压泵工作时的出口压力，其大小取决于负载。p3. 额定压力 在正常工作条件下，按试验标准连续运转的最高压力。s4.2.2 液压泵的排量、流量和容积效率1. 排量 V液压泵每转一转理论上应排出的油液体积，称之为泵的排量，又称理论排量或几何排量，记为 ，常用单位为 。排量的大小仅与泵的几何尺寸有关。3cm/r2. 流量液压泵的流量又分为平均理论流量、实际流量、瞬时理论流量。(1) 平均理论流量 液压泵在单位时间内理论上排出的油液体积，它正tq比与泵的排量 和转速 ，即 。常用的单位为 和 。VnVqt3m/sLin(2) 实际流量 液压泵在单位时间内实际排出的油液体积。在泵的出口压力不等于零时，因存在泄漏流量 ，因此实际流量 小于理论流量q，即 。tqqt在此，需要指出：当泵的出口压力等于零或进出口压力等于零时，泵的泄漏 ，即 。工业生产中将此时的流量等同于理