2×132-630-WD采煤机可调行走箱设计【11张PDF图纸+CAD制图+文档】
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摘 要 行走机构是采煤机的移动推行机构，其一旦出现问题将导致整个采煤机停止运行，严重影响采煤机的正常生产。本论文简单地阐述了2132/630-WD行走箱的设计。采煤机行走箱是牵引部的一部分，担负着移动采煤机的作用。采煤机既受井下工作面狭小空间的约束又要适应恶劣的工作条件，所以行走箱要求要尺寸尽量小，又要必须满足承载工况的强度要求。本设计主要内容包括传动比分配、齿轮设计校核、花键和轴的设计校核，最后从力学方面对行走轮和销齿啮合进行了弯曲强度和接触强度的有限元分析，并对行走机构核心部件之一的导向滑靴在各种工作状况下的受力情况进行了探索性的分析。通过以上分析计算，设计出采煤机行走箱的整体结构，了解了行走机构非正常损坏、失效的一些原因和规律，为以后的产品设计和优化奠定了一定的基础。关键词：采煤机 ；行走机构 ；弯曲强度 ；销轨 ABSTRACT Haulage mechanism of shearer is the executive device for the machines shift. And as soon as it fails to operate, shearer will stop working, which definitely affects regular production and operation of shearer. So this paper studies some preliminary causes for improper failure and damage of the haulage mechanism. The paper bridfly expounds in the design of the department of walking box of 2132/630-WD ShearerThe running box is apart of traction of shearer, which is used for moving the shearer. The Shearer not only is limited to narrow space by underground mining, but also has to adapt to bad working conditionsTherefore, the size of the walking box should be as small as possible, and it must meet the required strength bearing conditions. The main contents are distributing the drive ratio and the designing and checking of gears, spline and shaft. The last part of this paper is about force analysis of the engagement between sprocket and pin-rail, which mainly studies bending strength and contact strength by the method of FEA. Finally, guiding shoes of shearer, which are the key parts of its haulage mechanism, are simply analyzed for their force analysis under different working conditions. By the overall study, the box of shearers overall structure is worked out, some preliminary causes for the improper failure and damage of haulage mechanism are given, which will provide useful reference for further design and optimization. Keywords：Shearer ；haulage mechanism ；bending strength ；pin-rail 目 录1 绪论11.1前言11.2 采煤机概述11.2.1采煤机发展史11.2.2 机械化采煤的主要方法21.2.3 国内外现状31.2.4 国内电牵引采煤机的应用前景41.3 采煤机简述41.3.1采煤机的分类和组成41.3.2 滚筒采煤机的特点61.3.3 滚筒采煤机的工作原理62 选题背景72.1 采煤机行走部的发展72.2 现代采煤机行走机构简介82.3 目前采煤机行走机构出现的一些问题92.4 采煤机设计的目的意义102.5 完成课题的条件和可行性分析103 2*132/630-WD型采煤机113.1 组成113.2 工作原理113.3 主要技术参数113.3.1 适应的煤层 采高范围123.3.2 总体要求123.4 该型号采煤机主要特点123.5 使用环境条件134 采煤机行走箱设计134.1 基本参数计算134.1.1 电动机的选择134.1.2 传动效率计算134.1.3 传动比及配齿情况134.1.4 牵引部各轴转速、功率及扭矩144.2 行走箱传动齿轮啮合参数及校核计算154.3 行走轮校核计算274.3.1 摆线齿介绍274.3.2 轮齿受力分析274.3.3 行走轮和销齿接触应力分析计算284.3.4 有限元分析计算行走轮和销齿接触应力304.4 行走轮弯曲强度分析计算364.4.1 齿根弯曲强度有限元分析计算364.5 行走箱内轴的设计414.5.1 花键轴的设计与校核414.5.2 心轴的设计与校核434.6 行走箱各轴承的设计校核计算474.6.1 滚动轴承设计校核概述474.6.2 花键轴上轴承校核494.6.3 心轴轴承校核504.7 提高采煤机轴承使用寿命的措施524.8 螺栓的校核计算554.9 导向滑靴的受力分析564.10 大功率采煤机导向滑靴的加工594.11 可调行走箱的概述615 采煤机的维护62总 结64参考文献65翻译部分67英文原文67中文译文76致 谢83中国矿业大学2009届本科生毕业设计（论文）第86页1 绪论1.1前言在能源竞争日趋激烈的当今世界，被称为工业的粮食的煤炭在石油能源日渐枯竭的现在愈加重要。我国是一个煤炭生产和消费大国，煤炭作为一次性基础能源目前在我国仍然占有60%以上的比例，是保证我国国民经济飞速增长的重要物质基础。我国煤炭企业由劳动密集型转向资本及技术高密集型。在矿井开采方面采用以日产万吨的超大型综合机械化采，煤工作面为核心的生产工艺。在实现煤炭生产工艺综合机械化的基础上，向遥控和自动化发展，机器人与人工智能和专家系统相结合，为采煤自动化开辟了新的途径。随着采煤机械化的发展，采煤机是现在最主要的采煤机械。20世纪70年代主要靠进口采煤机来满足我国生产的需要，到今天几乎是我国采煤机占领我国的整个采煤机市场，依靠科技进步，推进技术创新，开发高效矿井综合配套技术是我国煤炭科技的发展的主攻方向。1.2 采煤机概述1.2.1采煤机发展史机械化采煤开始于上世纪40年代，是随着采煤机械（采煤机和刨煤机）的出现而开始的。40年代初期，英国、苏联相继生产了采煤机，联邦德国生产了刨煤机，使工作面落煤，装煤实现了机械化。但是当时的采煤机都是链式工作机构，能耗大、效率低，加上工作面输送机不能自移，所以生产率受到一定的限制。50年代初期，英国、联邦德国相继生产力滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机和单体液压支柱，大大推进了采煤机械化的发展。由于当时采煤机上的滚筒式死滚筒，不能实现跳高，因而限制了采煤机械的适用范围，我们称这种固定滚筒的采煤机为第一代采煤机。这样，50年代各国的采煤机械化的主流还只是处于普通机械化水平。虽然载1954年英国已经研制出了液压自移式支架，但是由于采煤机和可弯曲刮板输送机尚不完善，综采技术仅仅处于开始试验阶段。60年代是世界综采技术的发展时期。第二代采煤机单摇臂滚筒采煤机的出现，解决了采高调整的问题，扩大了采煤机的适用范围；特别式1964年第三代采煤机双摇臂采煤机的出现，进一步解决了工作面自开缺口问题；再加上液压支架和可弯曲刮板输送机的不断完善，滑行刨的研制成功等，把综采技术推向了一个新水平，并在生产中显示了综合机械化采煤的优越性高校、高产 、安全和经济，因此各国竞相采用综采。进入70年代。综采机械化得到了进一步发掌和提高，综采设备开始向大功率、高效率及完善性能和扩大使用范围等方向发掌，相继出现了功率为7501000KW，生产率大1500T/H的刮板输送机，以及工作阻力大1500KN的强力液压支架等。1970年采煤机无链牵引系统的研制成功以及1976年出现的第四代采煤机电牵引采煤机，大大改善了采煤机的性能，并扩大了它的使用范围。目前，各主要产煤国家已基本上实现力采煤机械化。衡量一个国家采煤机械化水平的指标是采煤机械化程度和综采机械化程度。采煤机械化的发展方向是：不断完善各类采煤设备，使之达到高效、高产、安全、经济；向遥控及自动控制发展，以逐步过渡到无人工作面采煤；提高单机的可靠性，并使之系列化、标准化和通用化；研制后、薄及急倾斜等难采煤层的机械设备。1.2.2 机械化采煤的主要方法（1）壁式体系采煤法一般以长工作面采煤为其主要特征，产量约占我国国有重点煤矿的95%以上。随着煤层厚度及倾角的不同，开采技术和采煤方法会有所区别。对于薄及中厚煤层，一般都是按煤层全厚一次采出，即正层开采。对于厚煤层，可把它分为若干中等厚度（23）m进行开采，即分层开采，也可采用放顶煤整层开采。无论整层开采或分层开采，依据不同倾角、按采煤工作面推进方向，又可分为走向长壁开采和倾斜长壁开采两种类型。上述每一类型的采煤方法在用于不同的矿山地质条件及技术条件时，又有很多变化。开采厚煤层及特厚煤层时，煤层厚度超过5m，采场空间支护技术和装备目前尚无法合理解决。因此，为了克服整层开采的困难，可把厚煤层分为若干中等厚度的分层来开采。根据煤层赋存条件及开采技术不同一般分为如下几种采煤法，分层采煤法又可分为倾斜分层、水平分层、斜切分层三种。（2）房柱式采煤法沿巷道每隔一定距离先采煤房直至边界，再后退采出煤房之间煤柱的采煤方法。优点 设备投资少，一套柱式机械化采煤设备的价格为长壁综采的四分之一，采掘可实现合一，建设期短，出煤快，设备运转灵活，搬迁快。巷道压力小，便于维护，支护简单，可用锚杆支护顶板。缺点 采区采出率低，一般为50%60%；通风条件差、漏风大。使用条件：开采深度较浅，一般不宜超过300500m；顶板较稳定的薄及中厚煤层；倾角在10以下，最好为近水平煤层，煤层赋存稳定，起伏变化小，地质构造简单；底版较平整，不太软，且顶板无漏水。1.2.3 国内外现状（1）国内采煤机研制现状2005年煤炭科学研究总院上海分院开发出总装机功率达1815 kW的大功率采煤机。随后,更大功率的电牵引采煤机MG900/2215-GWD也问世,该型采煤机的控制达到了国际先进水平,是目前国内功率最大的采煤机。目前,国内使用的交流电牵引采煤机的电牵引调速系统主要有3种:即交流变频调速系统、开关磁阻电机调速系统(简称SRD)、电磁转差离合器调速系统。调速原理不尽相同,但基本上都可分为控制部分和牵引电机部分。在这3种交流电牵引调速系统中,交流变频调速技术由于具有的诸多优点,在大功率采煤机的应用已趋向成熟,并已成为目前采煤机调速方式的主流,其主要特点是:启动性能好,可直接实现软启动;交流变频调速属转差功率不变型调速系统,故效率高。SRD技术在采煤机上的应用虽然起步不久,但具有发展潜力,它有交流变频调速电动机结构简单、无刷无整流子的优点,也有直流调速系统调速性能好,控制电路简单、价格低廉等优势,而且启动转矩大、启动电流小,这种调速方式一旦解决了噪声问题和位置传感器存在的不可靠性问题,将更适合在煤矿井下采掘机械中使用。（2）国外采煤机的发展现状近年来,国外采煤机的技术特点和发展趋势主要表现在以下几个方面:1)牵引方式采用电牵引。国外目前新开发的采煤机,特别是大功率采煤机基本上都是采用电牵引方式。2)装机总功率不断增大。国外采煤机的功率在不断提高,电机截割功率通常在400 kW以上,功率大的已达1000 kW;牵引电动机功率均在40 kW以上,大的甚至达到125 kW;总装机功率通常超过1000 kW,最高已达2000 kW以上;牵引速度、牵引力也大幅提高,目前大功率电牵引采煤机的牵引速度普遍达到1525m/min,牵引力达到757kN以上。3)交流变频成为主流调速方式。由于交流变频调速牵引系统具有技术先进、可靠性高,维护管理简单和价格低廉等特点,近几年发展很快,交流牵引正逐步替代直流牵引,成为今后电牵引采煤机的发展方向。 (4)普遍采用中高压供电。由于装机功率大幅提高以及工作面的不断加长,整个工作面供电容量超过5000 kW。4)监控保护系统的智能化。随着先进的PLC控制系统的应用,新型的电牵引采煤机具有建立在微处理机基础上的智能监控、监测和保护系统,可实现交互式人机对话、远近控制、无线电随机遥控、工况监测及状态显示、数据采集存储及传输、故障诊断及预警、自动控制等多种功能,以保证采煤机具有最低的维修量和最高的利用率。（3）国内外采煤机工况检测、故障诊断技术差距1)国外微机控制,国内微机控制或PLC控制,但信息量要少得多。2)国外传感器多,信息量大;国内传感器少,信息量小。3)国外有数字和文字、图形、曲线显示,国内只有数字和汉字。4)国外具有强大服务功能、非常直观的人机交互功能;国内只有文字和简单图形显示界面。1.2.4 国内电牵引采煤机的应用前景目前,我国煤矿使用电牵引采煤机数量有增加的趋势,带动了煤机制造业的技术更新换代,亦带动了煤矿设备的技术进步。但是,大量的电牵引采煤机取代液压牵引采煤机在煤矿普及使用,近几年内可能性不大,因为我国煤矿综采生产使用液压牵引采煤机已有30年的历史,现场培养锻炼了一大批熟悉液压传动技术的职工,有效地维护着设备的正常运行。而电牵引采煤机则要求工程技术人员尤其是现场维护人员要有扎实良好的电子技术知识。只有当现场人员掌握了电牵引的技术原理,才可能真正用好、管好这种新设备,才能得到广泛的应用。而且,国有煤矿目前经营状况十分困难,生产更新资金极度短缺,在此环境条件下也不可能拿出大量资金进行大规模设备更新换代,于是就滞后了这类新型设备在煤矿的大量使用。此外,电牵引采煤机的价格偏高,同样采高的电牵引采煤机是液压牵引采煤机价格的1.732.62倍,煤矿用户会用价值观念来衡量,去购买液压牵引采煤机,用以解决生产设备的不足。因此,采煤机生产厂家应努力降低成本,降低电牵引采煤机的售价使其能在煤矿得到推广应用,促进我国煤矿技术进步。就目前我国所生产的电牵引采煤机而言,除应继续提高机械传动部件、结构件等机械类产品的生产质量外,有条件的机型应采用机载变频电控装置的形式,以减少电缆的数量,减少事故点。电牵引采煤机的应用使工作面生产能力提高,工作面的其它配套运输设备、支护设备、供电设备,要形成一个合理的配套系统,保证采煤机发挥生产能力,使煤矿获得良好的经济效益。1.3 采煤机简述1.3.1采煤机的分类和组成采煤机有不同的分类方法，一般我们按照工作机构的形式进行分类，可分为：滚筒式、钻削式和链式采煤机；现在我们所说的采煤机主要是指滚筒采煤机，这种采煤机适用范围广，可靠性高，效率高，所以现在使用很广泛。滚筒采煤机的组成如图1-1 所示。一般都由下列部分组成：（1）截割部截割部包括摇臂齿轮箱（对整体调高采煤机来说，摇臂齿轮箱和机头齿轮箱为一整体）、机头齿轮箱、滚筒及附件。截割部的主要作用是落煤、碎煤和装煤。（2）牵引部牵引部由牵引传动装置和牵引机构组成。牵引机构是移动采煤机的执行机构，又可分为链牵引和无链牵引两类。牵引部的主要作用是控制，使其按要求沿工作面运行，并对采煤机进行过载保护。（3）电气系统 电气系统包括电动机及其箱体和装有各种电气元件的中间箱（连接箱）。该系统的主要作用是为采煤机提供动力，并对采煤机进行过载保护及控制其动作。（4）辅助装置辅助装置包括挡煤板、低托架、电缆拖拽装置、供水喷雾冷却装置以及调高、调斜等装置。该装置的主要作用是同各主要部件一起构成完整的采煤机功能体系，以满足高效、安全采煤的要求。此外，为了实现滚筒升降，机身调斜以及翻转挡煤板，采煤机上还装有辅助液压装置。现代采煤机基本上都使用模块化设计，采用多电机横向布置，结构取消了螺旋伞齿轮，各主要部件通过高强度液压螺栓联接，之间没有动力传递，结构简单，传动效率高，传动可靠，维修和检查方便；采煤机的牵引部分也采用了无链牵引，牵引啮合效率高，不会出现断链事故工作更安全。1.3.2 滚筒采煤机的特点（1）使用范围广滚筒采煤机对煤层地质条件的要求较低，对于地板起伏不平、层厚变化大、煤粘顶、有落差不大的断层以及不同性质的顶板等煤层条件，采煤机都能适应；（2）调高方便，免开缺口；（3）功率大、生产率高、工作可靠；（4）操作方便并有完善的保护、监测系统；（5）向标准化、系列化、通用化发展。但是采煤机也有其缺点：结构复杂，价格昂贵；割落的煤块度小，尘含量多，因而破碎单位体积煤的能量消耗大。1.3.3 滚筒采煤机的工作原理 第四代采煤机研发成功后，现在采煤机的设计基本上传承了他们的特点，随着机械电子的飞速发展，对采煤机产生了很大的影响，现在采煤机是集电子系统，液压系统，机械传动系统于一身的复杂的系统。在机械传动部分现代的采煤机去掉了以前采煤机的的托架，全部采用双滚筒设计。 双滚筒采煤机工作时，前滚筒割顶煤，后滚筒割底部煤，并清理浮煤。（双滚筒采煤机的工作原理如图1-2所示）因此双滚筒采煤机沿工作面牵引一次，可以进一次刀；返回时，又可以进一刀，即采煤机往返一次进两次刀，这种采法称双向采煤法。 必须指出的是，为了使滚筒落下的煤能装入刮板输送机，滚筒上的螺旋叶片螺旋方向必须与滚筒旋转方向相适应：对顺时针旋转（人站在采空侧看）的滚筒，螺旋叶片方向必须右旋；逆时针旋转的滚筒，其螺旋叶片方向必须左旋。或者形象的归结为“左转左旋；右转右旋”，即人站在采空区从上面看滚筒，截齿向左的用左旋滚筒，向右的用右旋滚筒。 图1-2 双滚筒采煤机的工作原理 双滚筒采煤机有自开缺口的能力，当采煤机割完一刀后，需要重新将滚筒切入一个截深，这一过程称为进刀。常用的进刀方式有两种：1端部斜切法 利用采煤机在工作面两端约2530m的范围内斜切进刀称端部斜切进刀法；2中部斜切法（半工作面法）利用采煤机在工作面中部斜切进刀称为中部斜切法。2 选题背景2.1 采煤机行走部的发展自从第一台采煤机诞生到现代大功率交流电牵引采煤机，采煤机随时代的发展逐步地走向完善、成熟、自动化。作为采煤机重要组成部分的行走部也发生了巨大的变化。我国于1954年在原苏联的大力援助下制造出中国第一台仿“顿巴斯”深截式采煤机，即顿巴斯-型采煤康拜因，其行走部的行走机构采用卷绳筒和钢丝绳牵引行走；上世纪60年代初，在引进波兰采煤机后，经过技术消化，开始研制生产MLQ系列的浅截式单滚筒采煤机，其行走部的行走机构改为摩擦绳轮和悬挂在工作面全长上的钢丝绳牵引行走（后又改进为链轮和牵引链的牵引行走）；上世纪60年代末70年代初我国开始研制双滚筒采煤机，其行走机构仍采用链轮和牵引链牵引行走，但链轮由平置改为立置。以上行走机构主要存在如下的问题：（1）钢丝绳或牵引链在牵引力的作用下都蓄积了极大的能量，一旦发生断裂，对工作人员和设备的安全都会带来严重的威胁；（2）钢丝绳或牵引链又长又笨，磨损严重、且会产生很大的噪音；（3）采用这种行走机构的采煤机运行很不平稳、载荷脉动大，从而加剧了截齿、滚筒和行走部元件的损坏。上世纪80年代采煤机的行走机构发生了革命性的变化:由有链牵引到无链牵引（轮轨式行走机构），即行走传动装置采用行走轮行走轨，其特点是行走平稳，基本消除了链牵引行走的缺点。由煤炭科学研究总院上海分院与波兰联合设计开发的国内第一台交流电气调速采煤机MG344PWD型薄煤层强力爬底板采煤机于1992年通过部级鉴定，标志着我国电气调速采煤机研发的开始，该机行走部行走机构为摆线轮销轨啮合式。采煤机行走部无链牵引机构主要分为以下三类:（1）驱动轮齿条系统利用行走部上的驱动轮或经齿轨轮与刮板输送机上齿条相啮合而移动采煤机,这种无链牵引机构强度高、传动力大、可获得大的牵引力,齿条或齿轨的挠曲性好,可以适应刮板输送机的弯曲和起伏,是目前采煤机用得最多的无链牵引机构,其典型结构有齿轮销排式、滚轮齿条式、齿轮链条式。（2）传动链齿链系统利用牵引部出轴驱动轮带动封闭的无极传动链与刮板输送机上的齿轨啮合而移动采煤机,但传动链强度低、移动速度不均匀,磨损大,效率低。（3）液压缸推进系统利用两个液压缸交替推移前进而使机器移动。工作时,一个液压缸的卡爪夹紧导轨,该缸进油使活塞杆伸出推动采煤机前移,另一卡爪松开,活塞杆收回,准备下次推移。这种系统可使行走部结构简化,但由于断续运动,卡爪和导轨磨损大。经过多年的实际使用考核，销轮齿轨式已被淘汰，齿轨销轨式被大量推广使用，且多次改进，销轨的销齿形状已经由圆销形改进为多段曲线形成的齿形。至今为止，采煤机行走机构基本定型为齿轨销轨式无链牵引。即使现代的大功率采煤机,仍然沿用这种牵引行走方式。2.2 现代采煤机行走机构简介采煤机行走部的作用是使采煤机沿工作面刮板输送机的中部槽导向行走，包括行走调速装置、行走传动装置和行走机构。行走机构是采煤机行走部的执行机构，其一旦出现问题将导致整个采煤机停止运行，严重影响采煤机的正常运行，所以研究行走机构可靠性对提高采煤机整机工作可靠性是十分必要的。现代采煤机的行走机构的工作原理如下：行走传动箱一侧出轴的主动齿轮与行走轮同轴的从动齿轮（或主动齿轮直接与行走轮啮合）相啮合，行走轮与铺设在工作面刮板输送机中部槽上的销轨相啮合，将行走轮的圆周运动变成直线运动来驱动采煤机行走。导向滑靴与行走轮被铰接在同一轴上，主要使行走轮与销齿保证正常啮合并导向。采煤机运行过程中行走轮主要承受牵引力，导向滑靴在销排上支撑采煤机的部分重力并起到导向作用，同时还承受部分采煤的载荷。采煤机行走机构的核心部件为行走轮和销排销轨。目前采煤机常用的行走轮主要有两种：渐开线轮和摆线轮。与其配套的销轨从节距方面讲有两种：小节距销排(节距为125mm或125.5mm或126mm)和大节距销排(节距为147mm)；销排销齿形状主要有三种：型销齿（如图2-1）、型销齿（如图2-2）和型销齿（如图2-3）。目前小节距销排绝大部分只使用型销齿和型销齿，大节距销排只使用型销齿。2.3 目前采煤机行走机构出现的一些问题滚筒式采煤机是目前煤矿采煤工作面的主力开采设备。随着煤矿高产高效生产技术的发展，滚筒式采煤机的性能参数在不断提高，其总装机功率已达到2000kW以上，单行走功率达到110kW，牵引力达到1000kN。采煤机采用多电机驱动，截割电机横向布置在摇臂上，摇臂与机身通过销轴饺接，没有动力传递，全部采用正齿轮传动，结构简化；采用分体式直摇臂结构，左右摇臂除过渡架不能通用外，其余部分可以互换；主机身分三段，取消底托架结构，采用圆柱定位销与高强度液压螺栓连接，简单可靠，连接方便；采用交流变频调速技术，实现牵引速度无极变速，电牵引传动效率高、牵引力大；采用大节距、承载能力大的无链牵引结构，安全可靠；控制齐全，既可手动操作、亦可离机无线电遥控，并设有主电机和牵引电机的功率、过热、过电流保护，油压保护和水压保护等多种保护功能；主电机、牵引电机、泵电机均可在采空侧拆装，维修方便；采用网络结构式采煤机工况检测和故障诊断的专用数字信号处理系统；设有内、外喷雾装置，冷却、降尘效果好。可以说到目前为止,作为采煤重点设备之一的采煤机已发展到了比较智能化、比较令人满意的程度。但是由于煤矿生产条件恶劣、多变导致采煤机在实际使用中还是出现了各种非正常破坏、失效等问题。其行走机构就曾出现：行走轮非正常断齿、导向滑靴非正常损坏频繁；行走轮和销排销齿的异常磨损；还有左、右牵引不平衡等等。所以这方面还有大量的工作要做，还需要提高。下面图2-4为行走轮断齿情况；图2-5为导向滑靴撕裂情况；图2-6为行走轮的磨损情况。 图2-4 行走轮断齿 图2-5 导向滑靴撕裂 图2-6 行走轮磨损2.4 采煤机设计的目的意义虽然我国采煤机在近几十年来有了很大进步，但国内电牵引采煤机代表机型与目前国外最先进的电牵引采煤机相比,在总体参数性能方面已接近国外20世纪90年代中后期水平。但在一些关键部件以及总体性能、功能、适应范围还有待进一步完善和提高。尤其是电牵引采煤机的工况在线监测、故障诊断及预报、信号传输与采煤机自动控制、传感器件等智能化技术与国外相比还有一定的差距。在我国一些薄、厚煤层并存的煤矿,由于薄煤层开采速度缓慢,使其下部的中厚煤层长期得不到及时开采,以至影响工作面的正常接替,而有的就只能被迫丢失一些薄煤层资源。随着大批煤矿中、厚煤层的资源开采,使得资源越来越少,所以薄煤层的开采已列入日程。因此,研制适合我国国情的薄煤层采煤机,以适应不同的煤层结构,提高薄煤层采煤的工作效率是当务之急。在能源竞争日趋激烈的今天，广泛节约能源和高效的开采能源已经十分必要，不断提高我国采煤机的性能超过国外的先进水平和达到更高效的采掘作业。今后国内电牵引采煤机的主要发展方向应包括以下几个方面:(1)进一步完善和提高交流变频调速牵引系统的可靠性,重点完善和提高系统装置的抗振、散热和防潮等性能,研究可靠的微机电气控制系统,重点提高采煤机电控系统的抗干扰、抗热效应的能力。(2)开发或增强电控系统的监控功能,重点研究故障诊断与专家系统、工况监测、显示与信息传输系统、工作面采煤机自动运行控制系统、自适应变频电路的漏电检测与保护技术、摇臂自动调高系统等。(3)以开发装机功率更大的采煤机为主,完善中、小功率的电牵引采煤机,以满足不同用户的需求。(4)向电器设备结构的小型化发展,由于功率的增大,电动机、变压器、变频器等设备的体积也相应增大,为满足整机结构布置紧凑的要求,进一步提高采煤机对煤层变化的适用性,必须研究电器设备小型化的技术途径。2.5 完成课题的条件和可行性分析 2132/630-WD采煤机可调行走箱设计是采煤机总体构成的一部分，和整机的设计比较起来难度相对降低。周围环境对完成课题也相当有利，有许多煤矿可以现场参观，可以到附近的机械厂进行加工，一些相关的基础课程已经学习过，还有老师的指导，特别是在山东的一些机械厂和煤矿的实习期间，参观学习的其他一些型号的采煤机，和他们的工作环境，对所设计课题有了基本了解，以上条件满足课题的完成。3 2*132/630-WD型采煤机3.1 组成MG2x132/630-WD型电牵引采煤机; 按用途，采煤机可分为牵引机构、截割机构、电气控制设备、液压调高系统，喷雾冷却系统等所组成。按结构，它由左、右牵引部，左、右截割部和滚筒，电控部所组成。本采煤机共用了7台电动机：4台截割电动机、2台牵引电动机、1台调高电动机。 3.2 工作原理采煤机整体由煤壁侧的两组支承组件和操作侧的两只导向滑靴分别支承在工作面输送机上。牵引箱中的行走轮与输送机齿轨相啮合，当行走轮转动时，采煤机便在工作面输送机上牵引行走，同时截割电机通过截割机械传动带动滚筒旋转，完成落煤及装煤作业。3.3 主要技术参数表3.1 MG2x132/630-WD型采煤机主要技术特征项 目内 容项 目内 容采高范围 m1.22 煤层倾角30装机功率 kW630截割功率 kW4x132牵引功率 kW2x40泵站功率 kW20机面高度 mm860过煤高度mm289下切深度 mm184;234;309滚筒直径m1.15滚筒转速 r/min60滚筒截深mm 800摇臂摆动中心mm5600摇臂型式整体弯摇臂摇臂长度 mm2111牵引力 kN450牵引速度 m/min09调速方式机载交流变频牵引型式齿轮 销排整机布置式积木式组合供电电压 V1140整机重量 t 28配套输送机SGZ764/400;SGZ730/4003.3.1 适应的煤层采高范围 ( m ) 1.22 适应倾角 ( ) 30煤质硬度 f 43.3.2 总体要求 装机功率（kW） 630机面高度(m) 0.86 摇臂回转中心距 (m) 5.6 摇臂回转中心距底板高度 (m) 0.764 滚筒水平中心距 (m) 9.826过煤高度 (m) 0.289 卧底量 (m) 0.176摇臂摆角 ( ) 上31.72；下10.19整机重量 ( t ) 28 3.4 该型号采煤机主要特点 （1）为使该采煤机与煤矿常用运输机相配套，同时最大限度降低机面高度，本采煤机与运输机配套采用了交错布置形式，既运输机销轨占用采煤机机身部分空间，调高油缸位置进入运输机外槽帮以下。（2）机身为无底托架积木式组合结构。各部件之间为干式对接，三大部件之间使用高强度 T形螺栓及定位销连接，使之成为一个整体。（3）本采煤机为压缩机身体积，采用了1140V直接供电的机载交流变频调速技术，通过改变牵引电机的供电频率，实现（一拖二）牵引无级调速，且有四象限运行功能。（4）采煤机左、右截割部可单独分别启动，便于故障处理，同时减小因启动采煤机对电网的冲击。（5）为解决机身薄与装机功率大的矛盾，截割部采用双电机驱动。机械传动链高速端设有扭矩轴过载保护装置；在低速端采用四行星双浮动结构，牵引部的机械传动采用双行星双浮动结构形式，用过轴连接牵引驱动轮，且牵引驱动轮直接与运输机销轨啮合传动，不但增大了过煤空间，还省去了行走部，使机构大为简化，同时缩小了牵引部体积。采煤机机身高度将随运输机销轨高度变化而变化，并且能够在一定范围内调正机高。（6）采煤机的操作采用手动和遥控两种方式，可同时并用，互不干扰。（7）采煤机操作面板上设有彩色显示屏，可随时监测采煤机工况，并有故障记忆功能，还设置了操作检修指南、故障分析参考、主要传动件查询等显示界面。3.5 使用环境条件（1）可在周围空气中的甲烷、煤尘、硫化氢、二氧化碳等不超过煤矿安全规程中所规定的安全含量的矿井中使用。（2）海拔高度小于2000m。（3）周围介质温度不超过、不低于。（4）环境温度为时，周围空气相对湿度不大于。（5）周围介质无足以腐蚀和破坏绝缘的气体和导电尘埃。4采煤机行走箱设计4.1 基本参数计算4.1.1 电动机的选择牵引部的行走速度为0-9m/min，牵引力为450kN。由公式： 可得牵引部输出最大功率为： 牵引功率为选取电机的型号为YBQYS3-40，其参数如下：额定功率：40 kW 额定电压：1140 V 额定电流：76 A额定转速：1478 r/min4.1.2 传动效率计算1.各传动件的效率为：1）滚动轴承效率 =0.98；2）圆柱齿轮传动效率 =0.98；2.总传动效率为：牵引部输出功率为 输出轴转速为 n=10 r/min4.1.3 传动比及配齿情况电动机的型号为KCB2-40，额定电压为380V，转速为1472 r/min。该系列隔爆型三相异步电动机适用于煤矿井下，供采煤机组作牵引动力。防爆性能符合GB3836爆炸性气体环境用电气设备的规定，防爆标志为Exd。根据该型号采煤机的大小和总体结构，使用摆线行走轮和I型销齿（如图4-1，）的啮合,摆线轮齿数根据采煤机的具体结构情况常取9-18齿，选取采煤机的行走轮轮齿数为选取销排节距 则模数 行走轮节圆直径： 行走轮齿顶圆直径： 图 4-1 销齿 取。齿根圆直径：行走轮的转速为：=8 r/min总传动比为：=1.254.1.4 牵引部各轴转速、功率及扭矩花键连接机械损失可忽略不计。对于I轴：对于II轴： 4.2 行走箱传动齿轮啮合参数及校核计算设计项目及说明结果（1） 选择齿轮材料，确定许用应力查相关手册，选 小齿轮18Cr2Ni4WA渗碳淬火 大齿轮18Cr2Ni4WA 渗碳淬火许用接触应力，查相关公式为接触疲劳极限为：齿轮寿命 接触强度寿命系数， 应力循环次数 由公式 查相关图表，得和 接触强度最小安全系数则 许用弯曲应力 由齿轮传动设计手册表2-56弯曲疲劳极限 查图 双向传动乘0.7应力修正系数弯曲强度寿命系数相对齿根圆角敏感系数相对齿根圆角表面状况系数弯曲强度尺寸系数弯曲强度最小安全系数 （2） 齿面接触疲劳强度设计计算确定齿轮传动精度等级，按公式估取圆周速度，参照相关图表，选取小轮分度圆直径，由公式N/mm2 N/mm2hN/mm2N/mm2N/mm2N/mm2N/mm2N/mm2N/mm2公差组8级齿宽系数 查表，按齿轮相对轴承为非对称布置小齿轮（变位齿轮）齿数大齿轮（变位齿轮）齿数 齿数比 传动比误差 最小变位系数， 则变为系数，小轮转矩载荷系数使用系数 动载系数推荐值1.051.4 齿间载荷分布系数推荐值1.01.2 齿向载荷分布系数 由推荐值1.01.2载荷系数 合适Nmm材料弹性系数 查表 节点区域系数 查图表 重合度系数 推荐值0.850.92故 齿轮模数 圆整小轮分度圆直径圆周速度标准中心距齿宽 mm大轮齿宽 小轮齿宽 （3）齿根弯曲疲劳强度校核 由公式 齿形系数 查表 小轮mmmmmmm/s与估取相近mmmmmm 大轮应力修正系数 查表 小轮 大轮 重合度 重合度系数 故 （4）齿轮安全系数（5）齿轮其它主要尺寸计算大轮分度圆直径根圆直径 顶圆直径 基圆直径 （6）齿轮胶合承载能力计算1)胶合承载能力计算的安全系数 最小安全系数群中等胶合危险 2）实验齿轮的本体温度和积分平均温升 式中：FZG胶合载荷级相应的实验齿轮的小齿轮转矩，润滑油在40度时的名义运动粘度，润滑剂系数所以N/mm2N/mm2齿根弯曲强度满足满足mmmmmmmmmm =238.464=100=1.0 3)啮入系数啮入系数是考虑滑动速度较大的从动齿轮齿顶啮入冲击载荷的影响的系数，可用啮入重合度与啮合重合度之比的函数来表示。驱动方式为小齿轮驱动大齿轮则，由齿轮传动设计手册表2-108取得4)齿顶修正系数是一个相对的齿顶修缘系数，它取决于相对于因弹性变形引起的有效齿顶修缘量的齿顶实际修缘量。 值可根据齿顶重合度和中的最大值和计算用齿顶修缘量查取。 对与低精度齿轮，规定等于1.5）重合度系数 重合度系数是将假定载荷全部作用于小齿轮齿顶时的局部瞬时温升折算成沿啮合线的积分平均温升的系数。由于 ，6）相对焊合系数 相对焊合系数是考虑热处理或表面处理对胶合积分温度影响的一个经验性系数。它是一个相对值，由不同材料及表面处理的实验齿轮与标准实验齿轮进行对比试验得出，其值可由下式计算，即式中 由齿轮传动设计手册表2-111取得7）压力角系数 压力角系数是用以考虑将分度圆上的载荷与切线速度转换到节圆上系数。 对于法向压力角为20度的齿轮，作为近似考虑，其压力角系数可近似取为 8）热闪系数 热闪系数是考虑材料特性和两轮在啮合点处沿齿廓切线方向速度的影响的系数，反映小轮和大轮的材料特性对闪温的影响。= 式中：、小轮、大轮材料的泊松比； 、小轮、大轮材料的弹性模量； 啮合线上的参数； 、小轮、大轮材料的热啮系数； 任意角。 当大、小齿轮的弹性模量、泊松比、热接触系数相同时，可用以下简化公式计算，即其中热啮系数 对于表面硬化钢，热导率,单位的比热容,弹性模量及泊松比，其热闪系数可取为 9）跑合系数式中，充分跑合；，新加工的。10）平均摩擦系数式中： 节点线速度的和； 端面啮合角； 油温下的动力黏度； 节点处曲率半径， 齿数比；压力角；基圆螺旋角；单位齿轮载荷， 使用系数；动载系数；胶合承载能力计算的齿向载荷系数，；胶合承载能力计算的齿间载荷系数，；分度圆上名义切向载荷；齿宽，取小轮或大轮的较小值；粗糙度系数， 算术平均粗糙度；、小轮与大轮在加工过的新齿面上测量的齿面粗糙度值； 润滑剂系数。由以上各式得 11）小轮齿顶的闪温 式中 平均摩擦因数； 热闪系数；小齿齿顶系数；压力角系数； 胶合承载能力计算的螺旋线系数；单位齿宽载荷；分度圆线速度；中心距；跑合系数； 啮入系数；齿顶修缘系数。12）小轮齿顶几何系数式中 小齿轮顶圆直径； 小齿轮基圆直径。13）本体温度式中 工作温度； 加权系数，取啮合系数；同时啮合的齿轮的数量；润滑方式系数，用来考虑润滑方式对传热的影响，有实验得出：喷油润滑油浴润滑对于将齿轮浸没油中。 积分平均温升，是指齿面各啮合点时温升沿啮合线的积分平均值， 重合度系数所以 14）积分温度15）胶合温度16)安全系数 取满足胶合承载能力要求4.3 行走轮校核计算4.3.1 摆线齿介绍摆线齿轮的齿形是由外摆线和内摆线组成的，齿顶部分为外摆线，齿根部分为内摆线。外摆线是一滚动圆沿固定圆的外圆周做纯滚动时，滚动圆上一点的运动轨迹，内摆线是一滚动圆沿固定圆的内圆周做纯滚动时，滚动圆上一点的运动轨迹(图4-2)。内摆线可以是曲线，也可以是直线。当滚动圆直径等于固定圆半径时，内摆线即成为一条径向直线。在形成摆线过程中的滚动圆称为生成圆，固定圆称为基圆。基圆既是摆线齿轮的分度圆，也是摆线齿轮的节圆。在摆线啮合中，为了保证传动比恒定，一个齿轮的齿顶外摆线生成圆直径必须等于另一个齿轮的齿根内摆线生成圆直径。但是，对单个齿轮来说，构成其齿形的内外摆线的生成圆直径可以是任意的。摆线齿轮传动具有如下特点:(1)能实现定传动比的传动。(2)啮合齿廓为内外摆线凸凹接触，故接触面积大，接触应力小。(3)齿面磨损小，磨损比较均匀。(4)啮合线为一弧线，故啮合线长，重合度大，传动平稳。(5)在节点处啮合时，无径向分压力，故对轴承作用力小。 图 4-2 摆线滚动圆运动轨迹(6)摆线齿轮的最少齿数小，可到6齿，可实现较大传动比。(7)摆线齿轮传动无可分性，即中心距不能改变，否则，将导致两个内摆线或两个外摆线啮合，结果会使传动比发生改变。(8)摆线齿轮的齿根强度较弱。(9)摆线齿轮的传动效率较高。4.3.2 轮齿受力分析图4-3为直齿圆柱齿轮受力情况，转矩T1由主动齿轮传给从动齿轮。若忽略齿面间的摩擦力，轮齿间法向力Fn的方向始终沿啮合线。 图 4-3 轮齿受力分析图 沿啮合线作用在齿面上的法向载荷Fn垂直于齿面，为了计算方便，将法向载荷Fn在节点P处分解为两个相互垂直的力，即一个行走轮的有效牵引力Ft和上抬力Fr，如上图所示。并由此可得： 式中：T行走电机最终传到行走轮上的转矩，Nm；d摆线行走轮的节圆直径，m；啮合角（压力角）。4.3.3 行走轮和销齿接触应力分析计算接触问题最先是由赫兹（Hertz）解决的，他得出了两个接触体之间由于法向力引起接触表面的应力和变形。常用的赫兹接触应力计算公式式中，、材料的弹性模量; 、材料的泊松比； L接触长度； 、曲率半径；由赫兹（Hertz）公式化简可得齿轮接触应力计算公式：式中沿齿宽单位长度上的载荷，N/mm两啮合齿在啮合点处的综合曲率半径，mm材料弹性影响系数由式可知，轮齿接触应力的大小与接触点处齿廓曲率半径的大小有关，且与综合曲率半径成反比。 摆线齿轮节圆以内为内摆线，节圆以外为外摆线，曲率半径分别为：式中、外、内摆线的曲率半径，mm 、外内摆线的发生圆半径，mm 摆线齿轮的分度圆半径，mm 、外、内摆线的发生参数，rad摆线齿啮合时一齿之齿根内摆线发生圆半径必与另一外摆线发生圆半径相等或反之。 由摆线齿轮齿廓曲线的生成可知，摆线发生参数在动力传动用齿轮中不会大于，在整个啮合区内，以节点啮合时的综合曲率半径为最小，按Hertz公式，其接触应力最大，按理论应由其决定摆线齿轮的接触强度，但由于节点处的齿廓曲率半径为零，已完全不符合Hertz公式的假设条件。综合曲率半径亦为零，Hertz公式不能给出确定的值。因此，摆线齿轮的接触强度难以用Hertz公式求解。4.3.4 有限元分析计算行走轮和销齿接触应力有限元法是解决非赫兹型接触问题的有效手段。比较而言，有限元法消除了模型中的一些条件限制，如对接触形状和尺寸等无原则性的限制等。另外，有限元法已发展成为一种成熟的解决工程问题的数值方法。Pro/E中的Mechanica分析模块是Pro/E最主要的分析模块之一，是集静态、动态结构分析与一体的有限元模块，能够模拟真实环境为模型施加约束及载荷，测算模型的应力、应变、位移等参数，实现静态、翘曲、疲劳、频率、振动等多种分析。使用界面及操作风格与其他常用模块十分相近，对于Pro/E使用者来说容易上手，另外Mechanica的集成工作模式能够直接调用建模参数进行优化分析，这是其他分析软件无法做到的。摆线齿轮由于转动啮合的各个位置接触应力不同，且内摆线和外摆线相连处奇点的接触应力从理论上讲是最大的，所以取行走轮正好转到其奇点与销排销齿啮合时建立模型。（如图4-4） 图4-4 接触模型Pro/E有限元分析的大体步骤如下：（1）建立模型；（2）划分网格;（3）定义模型材料;（4）定义接触面；（5）给定必须的边界条件；（6）设定载荷；（7）建立分析/研究；（8）获取结果下面分别比较详细的说明这些步骤。建好模型后，打开应用程序菜单中的Mechanica分析模块，然后为模型划分网格。网格划分时，除了两个接触面外，其它地方的网格在满足网格划分要求的前提下尽量划分的少一点，Pro/E可以自动划分网格，划分后的网格图如图4-5所示。划分好网格后，创建接触对：必须认识到，模型在变形期间哪些地方可能发生接触，识别出潜在的接触面，通过目标单元和接触单元来定义它们。Pro/E可以通过连接功能自动检测接触面。 图 4-5 网格模型划分 网格划分 - AutoGEM Summary Entities Created: Beam: 0 Edge: 345 Tri: 0 Face: 423 Quad: 0 Face-Face Link: 0 Tetra: 168 Edge-Face Link: 0 Wedge: 0 Brick: 0 -给定模型材质后给模型施加约束和载荷，为了模拟实际工况，约束销排销齿各个方向的自由度，即固定销排销齿，行走轮在柱坐标系下约束其径向自由度和轴向自由度，不约束其周向自由度，即行走轮只能绕其中心轴转动。载荷加在行走轮和销齿接触面相对的另一面的几行节点的柱坐标系的周向上。知道扭矩T和节圆半径可以求得加在行走轮上的载荷为226682.5N，加好载荷及约束的模型如图4-6所示。 图4-6 加上约束和载荷的有限元模型 图4-7 诊断对话框一切设置好以后打开Mechanica分析研究对话框，建立静态分析模型Analysis1，然后运行分析模块，运行界面如图Pro/E4.0增加了错误诊断分析对话框，可以对分析过程中出现的错误明确指出错误原因，以便针对出现的错误进行修改，假如出错将得不到运行结果。诊断对话框如图4-7所示，由图4-8可以知道没有出现错误，运行过程一切正常，得到运行结果。 图4-8 运行对话框观察分析结果如下组图所示 图4-9 轮齿应力云图 图4-10 轮齿应变云图 图4-11 销齿应力云图 图4-12 销齿应变云图分析计算结果整理如表4-1所示：表4-1行走轮 销齿接触最大应力/MPa1224775.1最大变形/mm0.30360.0367有限元法计算出的应力为Von Mises应力，其定义为：式中：、分别为第一、二、三主应力。其对应的强度校核理论是第四强度理论，即：式中：材料许用应力； 材料的极限应力； 安全系数。对18Cr2Ni4WA这种材料，1270MPa，取安全系数为1.25时，由上式可得其许用应力为1016MPa。接触部位齿轮轮齿的应力分布如图4-13所示（图中单位均为千克力和毫米，均为MISES应力）。由应力图可见，最大应力位于靠近接触位置的边缘，达到1218MPa，实际中不可能存在这么大的应力，它远远大于一般碳钢的屈服极限，表明其已经进入塑性变形阶段。除了接触部位以外，大部分结构的应力都比较小，即使在被认为弯矩较大的轮齿根部，远远小于材料的屈服极限，处于弹性变形阶段。因此可以判断，接触力对齿根的弯矩不是齿轮齿根断裂的原因。而位于接触位置的轮齿边缘，由于高应力而产生塑性变形，在反复接触载荷作用下，必然会产生裂纹，并不断扩展，最终导致轮齿断裂。而要找到轮齿齿根发生断裂其根本原因，则需要对齿轨接触作进一步的分析。图 4-13 应变图综合以上分析计算结果可得如下结论：（1）赫兹公式算法求出的接触应力不是很适合行走轮和销齿这种接触类型的计算。（2）最大应力位于靠近接触位置的边缘，其数值远远超过材料的屈服极限，已经进入塑性变形阶段。可以预见，在轮齿的边缘将产生裂纹，并且不断的扩展，导致最终发生轮齿断裂。（3）除了接触区域外，大部分结构的应力都比较小，轮齿根部的应力也比较小，这表明接触力对齿根的弯矩不是导致轮齿断裂的直接原因。但在齿根产生裂纹后，可能会加速裂纹的扩展。（4）采煤机行走轮所受的最大接触应力均已超过材料的许用应力（1016MPa），这是在销齿末修成鼓型且工况理想的情况下得出的数据，但实际中的销齿是修成鼓型的且理想工况较少，所以行走轮和销齿所受的接触应力势必要比上面求出的数据要大。而过大的接触应力肯定会引起材料的塑性变形及加剧行走轮和销齿啮合的磨损。（5）齿轨间接触力中，纵向、横向摩擦力相对较小，法向力在接触力中起主导作用。由于齿轨间比较大的法向力作用，必然导致接触表面的疲劳磨损。（6）行走轮由于接触而引起的应变都不是很大。 因此，为了最终解决齿轨疲劳及断裂问题，一方面应该进一步对齿轨模型进行弹塑性接触计算，以得到更准确的应力分布，同时进一步分析外载荷条件与接触应力变化关系。另一方面，根据计算结果对齿轮和销轨的几何尺寸进行优化设计，以减小齿轨间的接触应力。4.4 行走轮弯曲强度分析计算4.4.1 齿根弯曲强度有限元分析计算齿轮在受力时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。对于普通共轭传动的标准齿轮，当齿轮在齿顶处啮合时，处于双对齿啮合区，此时弯矩的力臂虽然最大，但力并不是最大，因此弯矩并不是最大。根据分析和实践经验，齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单对齿啮合区最高点时。但对于行走轮而言，它和销齿处于单齿啮合状态，再加上其制造精度相对较低及使用环境非常恶劣，实际上在齿顶处啮合时是最不利的工况。鉴于此，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根的弯曲强度。同时，采用这种算法，轮齿的弯曲强度比较富裕，这也符合煤矿机械的设计校核要求。 采煤机行走轮采用摆线，尺寸参数已在上面章节中算出。齿轮的材料采用18Cr2Ni4WA,其材料属性为：弹性模量E2.02e11Pa，泊松比0.273。 载荷分两种情况加：第一种情况，将额定载荷加在行走轮齿顶圆的切线方向（如图4-14），属于纯弯曲；第二种情况，将额定载荷加在行走轮相应齿形齿廓的最高点压力角方向上（如图4-15），属于既受弯矩又受压力。 图 4-14 切线方向 图 4-15 压力角方向建模时忽略了圆角等几何要素，将行走轮处理成固支连续体：即将两侧和底面圆弧边界上的所有节点施加固定约束。这样的处理从整体看与主动轮上装一摩擦离合器，从动轮上载荷超过某一极限值，离合器打滑时的情形相似，可以认为是合理的。齿轮计算模型边界范围的划分对有限元的计算结果毫无疑问是有影响的。理想而又可靠的边界范围是包括一对齿轮在内的全部齿轮体。考虑到各方面因素这样做是不现实的，因此要进行合理简化。国外一些科研机构已对此作了大量研究，在这些著述中，虽然他们大多数研究的出发点都是圣维南定理，结论却有较大差异。对连续体推荐取式中m为齿轮模数，如图4-16所示。实践证明，这样的处理结果对一般参数的齿轮传动是合适的，对重载大模数齿轮传动却不尽合理，因其齿数少，一般为813。考虑行走轮的实际结构形式参照文献【2.3】，模型的边界范围取为：式中如4-17图。 图 4-16 边界模型 图 4-17 实际模型二维图Mechanica有限元法计算出的应力为Von Mises应力，其定义为： 式中：、分别为第一、二、三主应力。其对应的强度校核理论是第四强度理论，即：式中：材料许用应力； 材料的极限应力； 安全系数。对18Cr2Ni4WA这种材料，1270MPa，取安全系数为1.25时，由上式可得其许用应力为1016MPa。下图为应力、应变、矢量位移图。 图 4-18 切线方向应力云图 图 4- 19 切线方向应变云图图 4-20 压力角方向应力云图 图 4-21 压力角方向应变云图图 4-22 切线方向矢量位移图 图 4- 23 压力角方向矢量位移图齿根圆弧边缘受力图表如下表4-2，4-3所示：图表 4-2 切线方向图表 4-3 压力角方向经过以上分析计算，结果总结如下表4-4所示：表4-4载荷方向齿根最大压应力 （MPa）齿根最大拉应力 （MPa）齿顶最大位移 （mm）切线方向663.4663.4 0.5088压力角方向651.9651.90.5125 行走轮弯曲应力计算结果分析（1）由分析云图可以看出，按两种方向加额定载荷，齿根危险截面位置几乎不变，受压区域的大应力范围大于受拉区域。（2）由分析计算结果可知，额定载荷下的应力值都小于所用材料的许用应力1016MPa，满足静强度要求。由于行走轮通常情况下转速较低，所以没有考虑其弯曲疲劳强度。（3）通过应力分析图表可以知道齿根圆弧受力最大的位置，根据此分析结果可以制定相应的齿根渗炭、渗氮及喷丸处理的工艺参数，可达到强化齿根的目的。4.5 行走箱内轴的设计4.5.1 花键轴的设计与校核（1）轴设计参数（2）初步估算轴的直径，查表取A=98取155mm（3）花键设计计算花键材料轴材料选调质处理，花键模数取；齿数取；渐开线齿形，平根，压力角为30度。分度圆直径基圆直径内花键大径基本尺寸：内花键小径基本尺寸： ；外花键大径基本值：；外花键小径基本值：；花键强度验算：静连接式中，齿间载荷分配不均匀系数，一般取0.70.8; 花键齿数； 花键齿侧面的工作高度，mm。对矩形花键，其中D和d分别为花键轴的外径和内径，c为齿顶的倒圆半径，对渐开线花键h=m，其中m为模数； 花键的平均直径，mm。对矩形花键，对渐开线花键，其中d为分度圆直径； 齿的工作长度，mm；许用挤压应力为120220MPa不均匀系数强度合格。4.5.2 心轴的设计与校核（1）轴上所受力的计算行走轮有效牵引力和上抬力如图4-24图4-24 轮齿受力图式中：T行走电机最终传到行走轮上的转矩，Nm；d摆线行走轮的节圆直径，m；啮合角（压力角）。(2) 根据轴的机构图作出轴的计算简图，根据轴的计算简图作出轴的弯矩图和当量弯矩图，如图4-25所示,由于轴上套有轴承轴上的扭矩忽略不计。图 4-25 弯矩图由计算得（3）按弯扭合成强度校核轴的强度空心轴式中：轴的直径，mm 轴在计算截面所受载荷， 空心轴内径与外径之比， 许用应力，固定心轴：载荷平稳=；载荷变化=，转动心轴：= 、轴的许用弯曲应力，按机械设计手册查表6-1-1。轴的材料为，淬火渗碳。查相关资料得，则取，=180，0.27所以 =107.6取=110当量弯矩该轴满足强度要求（4）疲劳强度安全系数校核式中：材料的弯曲疲劳极限， 轴在计算截面上的弯矩， 轴在计算截面的抗弯模数，。 疲劳强度的许用安全系数，见机械设计手册表6-1-23，取 从标准试件的疲劳极限到零件的疲劳极限的换算系数，轴上配合零件边缘的值见机械设计手册表6-1-27 弯曲时平均应力折合为应力幅的等效系数，其值如下： 低碳钢 =0.15 中碳钢 =0.2 合金钢 =0.25所以（5）心轴的静强度校核危险截面的安全系数校核公式为：式中：、轴计算截面上所受的最大弯矩和扭矩， 、轴计算截面的抗弯和抗扭截面模数， 材料的屈服极限，静强度的许用安全系数，其值如下，如果轴的损坏会引起严重事故，值应适当加大，从表4-5取=2.0。表 4-5 0.450.551.21.50.550.71.41.80.70.91.72.2铸造轴 1.62.5 如最大载荷只能近似求得及应力无法准确计算时，上述之值应增大2050%。如果校核计算结果表明安全系数太低，可通过增大轴径尺寸及改用较好的材料等措施，以提高轴的静强度安全系数。满足要求4.6 行走箱各轴承的设计校核计算4.6.1 滚动轴承设计校核概述滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，常用的滚动轴承大多已经标注化，并由专业工厂大量制造。设计中主要解决轴承的正确选用问题。按轴承所能承受的外载荷不同，滚动轴承可以分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类。按滚动体的形状，滚动轴承可分为球轴承和滚子轴承。按自动调心性能，轴承可分为调心轴承和非调心轴承。设计滚动轴承部件时，首先是选择滚动轴承的类型，应考虑轴承的工作条件。各类轴承的特点、价格等因素。一般选择滚动轴承类型时应考虑的问题主要有：1） 轴承所受的载荷（1）载荷的大小 载荷较轻或中等载荷时，可选用球轴承；载荷较大时选用滚子轴承。（2）载荷的方向 当径向载荷与轴向载荷联合作用时，也可选用向心轴承和推力轴承联合使用，以分别承受径向载荷和轴向载荷。（3）载荷的性质 承受径向载荷冲击时，宜选用螺旋滚子轴承或圆锥滚子轴承。2）载荷的转速通常，转速较高，载荷较小或要求旋转精度较大时，宜选用球轴承；转速较低，载荷较大或有冲击载荷时宜选用滚子轴承。推力轴承的极限转速很低。工作转速较高时，若轴向负荷不十分大，可采用角接触球轴承承受轴向负荷。3）调心性能的要求当轴承的内外圈轴线有较大的相对转角时，应采用调心球轴承或调心滚子轴承。4）安装和拆卸当轴承座没有剖分面而必须沿轴向安装和拆卸轴承部件是，应优先选用内外圈可分离的轴承（如圆柱滚子）、滚针轴承、圆锥滚子轴承）。当轴承在长轴上安装时，为了便于装拆，可以选用其内圈孔为1：12的圆锥孔的轴承。5）经济性的要求一般来说，深沟球轴承价格最低，滚子轴承比球轴承价格高。轴承精度越高，则价格越高。选择轴承时，必须详细了解各类轴承的价格，在满足使用要求的前提下，尽可能地降低成本。滚动轴承的常见失效形式主要有以下几种：1）疲劳点蚀 在正常使用条件下，滚动体与套圈在相互接触的表层内产生脉动循环接触应力，经过一定的次数循环后，此应力就导致零件前表层形成围观裂缝，围观裂纹被渗入其中的润滑油挤裂而引起点蚀，这是滚动轴承常见的失效形式。2）塑性变形 在过大的静负荷或冲击负荷作用下，滚动体或套圈滚道上出现不均匀的塑性变形凹坑，这种情况多发生在转速极低或摆动的轴承。3）磨损 滚动轴承在密封件不可靠以及多尘的运转条件下工作时，易发生磨粒磨损。转速越高磨损越严重。4）裂纹和断裂 由于材料缺陷和热处理不当，配合过盈量大或轴承组合设计不当而引起应力集中，及不正常的安装、拆卸操作等，会使座圈或保持架出现裂纹甚至断裂。对于中速运转的轴承，其主要的失效形式是疲劳点蚀，应按疲劳寿命进行校核计算。对于高速轴承，由于发热大，常产生过度磨损和烧伤，为避免轴承产生失效，除保证轴承疲劳寿命之外，还应限制其转速不超过极限值。对于不转动或转速极低的轴承，其主要的失效形式是产生过大的塑性变形，应进行静强度的校核计算。采煤机属于24小时连续工作的矿山机械，所以选用圆柱滚子轴承寿命一般为5000h左右。4.6.2 花键轴上轴承校核1）计算花键轴上轴承所承受的力 轴向载荷 径向载荷 （1）水平支反力 N，N（2）垂直支反力 N，N（3）合成支反力合力为 N N2）计算当量动载荷 轴承1型号为圆柱滚子轴承42136，其额定动载荷为 N，额定静载荷N 轴承工作时有中等冲击，载荷系数取 故当量动载荷N 轴承2型号为圆柱滚子轴承42136，其额定载荷为， 轴承工作时有中等冲击，载荷系数取 故当量动载荷N 3）计算轴承寿命 轴承寿命为 工作时，轴承的温度不高，温度系数 寿命系数，滚子轴承故 所以轴承合格4.6.3 心轴轴承校核轴向载荷 径向载荷 （1）水平支反力 N，N（2）垂直支反力 N，N（3）合成支反力合力为 N N由于每处放相同的两个轴承则NN2）计算当量动载荷 轴承3型号为无内圈圆柱滚子轴承292318E，其额定动载荷为 N，额定静载荷N 轴承工作时有中等冲击，载荷系数取 故当量动载荷N 轴承4型号为无内圈圆柱滚子轴承292318E，其额定动载荷为 N，额定静载荷N 轴承工作时有中等冲击，载荷系数取 故当量动载荷N 3）计算轴承寿命 轴承寿命为 工作时，轴承的温度不高，温度系数 寿命系数，滚子轴承故 所以轴承合格4.7 提高采煤机轴承使用寿命的措施轴承是采煤机重要的基础元部件，其作用是支承传动轴和轴上零件，使轴保持在确定的工作位置，保证轴的旋转精度并减小轴与轴承之间的摩擦及磨损。轴承的可靠性和使用寿命对采煤机正常工作影响很大。近年来，采煤机使用中，由于轴承失效引起的机械传动系统故障增多，甚至由于轴承的早期损坏造成减速箱内齿轮打牙，轴卡死，迫使采煤机解体上井检修，给生产带来严重损失。因此，如何提高轴承的使用寿命已成为采煤机工作可靠性和实现综采工作面高产、高效急需解决的一个问题。提高采煤机轴承使用寿命的若干措施如下：（1）改进轴提高计寿命采煤机轴承的一般设计寿命都低于5000h(齿轮设计寿命)，有的只有10002000h，而国外则高达1000020000h，可见差距之大。在采煤机设计时，对重要轴承可用进口产品，一般应优先采用改进后的加强型的轴承。如，圆柱滚子轴承，用E型比原先增大滚子直径、长度和数量以及采用对数母线变曲率凸度滚子，实现沿滚子轴向接触应力合理分布。这些措施使轴承额定动负荷比旧轴承平均提高40%50%，轴承计算寿命相应提高2.12.9倍(如4261oE比42610额定动负荷约提高37%，计算寿命提高1.8倍)。又如，调心滚子轴承用对称型取代非对称型，改内圈中挡边为活动，从而改善滚子引导和应力分布及滚子与内外滚道的吻合率，使额定动负荷能力平均提高25%-40%，计算寿命提高1.12.1倍(如55610比361。额定动负荷约提高30%，计算寿命提高1.4倍)。（2）摇臂支承采用专用的滑动轴承采煤机调高时，摇臂回转速度很慢，但要承受很大径向和轴向冲击载荷。一般采煤机多用调心滚子轴承和短圆柱滚子轴承，使用中发现轴承早期损坏，造成机壳变形，滚子散落进入机壳，将齿轮挤坏。目前解决办法是采用向心关节球轴承和三层复合材料制成的滑动轴承。（3）研制矿用重载轴承轴承用高碳铬锰轴承钢材料，经整体淬火处理，表面硬度高，要求HRC6064。但对缺口敏感，在应力集中处受冲击载荷易发生疲劳裂纹。如用低碳合金钢(如，17CrNIMo6，20CrZNi4A，等)渗碳、悴火，表面硬度也可达HRC5862，心部硬度约达HRC46左右。这种轴承既能耐磨损，有足够的表面强度;又有高的心部强度、韧性。因而，能抗冲击，适用于制造大型滚子轴承。对于采煤机滚筒轴和摇臂轴轴承采用这种新材料、新工艺可大大提高其抗冲击性能，从而延长了使用寿命。为了进一步提高现有轴承的承截能力，可用真空脱气钢和电渣重熔钢取代常用的电炉轴承钢，使钢材中偏析、夹渣、硫化物及氢、氧含量减小，组织和硬度均匀，改善了塑性、韧性，从而提高了疲劳强度(见表4-6)。 表 4-6材质 动负荷能力提高率（%）调心滚子轴承 圆柱滚子轴承 圆锥滚子轴承真空脱气钢15 10 10电渣重熔钢20-50 60 20-50（4）改进轴承的润滑和密封轴承工作时，滚动体与滚道，保持架和内外圈及滚动体都有摩擦，润滑剂可减小磨损，特别在滚动体和滚道之间形成油膜，可减小接触应力，降低温度，从而延长轴承寿命。采煤机轴承润滑用油，一般为N220，N32。极压工业齿轮油，多采用油池飞溅或飞溅加循环联合润滑方式。主要存在问题是密封不可靠，造成油大量泄漏，外部煤粉、灰尘不断浸入，轴承磨损加剧，轴承润滑不良，甚至缺油使表面过热烧伤。目前解决采煤机主要部位密封的措施有:1)高速轴油封通过改进密封材料、结构，以提高其使用寿命；2)摇臂回转轴承用油脂(2*锉基脂)润滑并用油封把它与固定箱油池隔开；3)对低速轴(如，滚筒轴、行走轮轴，等)采用端面浮动油封。通过0形圈弹性变形产生端面比压，使二浮动环靠紧并传递扭矩，补偿磨损。该油封对振动、冲击及轴向径向偏斜不敏感，特别适用于低速(2m/s以下)、有煤粉泥浆条件下的轴承密封。（5）严格订货验收、确保轴承制造质量轴承本身的质量是影响其安装性能和使用寿命的重要因素。如，有的轴承内外径尺寸超差不能与轴和壳孔正确的配合，有的轴承游隙过大，安装后径向、轴向窜动量大。也还发现轴承材料有偏析、夹渣，硬度低，组织不合格，有微裂纹等缺陷，造成轴承过早损坏。当前国内轴承厂家繁多，质量相差大而且不稳定。因此，在订货时要选好厂家，通过严格验收并进行质量跟踪和检测，以保证轴承的质量要求。（6）提高轴承组件的制造和安装质量既使轴承本身精度高，质量优，但由于其组件的制造和安装误差及间隙调整不当，仍会使轴运转不平稳，产生附加载荷，影响轴承的正常使用。1)安装轴承的轴和壳孔直径超差，改变了轴承正确的配合要求。过盈量大，使径向间隙变小，内圈产生拉一应力。负过盈(间隙)，使径向游隙变大，组件刚性降低并引起套圈滑动。2)壳体孔椭圆形或锥形误差，使套圈滚道变形。当滚动体通过时，滚道小直径区内经受压力显著增大。因而引起这一区域内滚道表面过早磨损和疲劳破坏。3)轴和壳孔挡肩对配合表面不垂直及二侧配合处不同轴误差使轴承内外圈轴线歪斜，也使局部表面应力增大。对调心滚子轴承，不同轴度误差可以通过调心性能得以补偿(调整角0.5度2度)。对圈柱滚子轴承，滚子轴承容许偏角小(24)，对轴和壳孔同轴度要求高。4)轴承安装中，必须调整轴向间隙达到设计要求。特别对圆柱滚子轴承，如轴向间隙小，内圈移动受阻，当受到冲击载荷时易发生挡边撞裂。在润滑不充分时，也会导致轴承烧伤。采煤机各传动箱装后都要进行空车跑合和加载试运转，检查温升、运转噪音及空载功率，以考核齿轮和轴承安装质量。(7)加强轴承使用中的维护和保养良好的维护和保养，可使轴承处于最佳工作状况，有利轴承寿命的提高。采煤机用轴承在安装前的储运中要保持完好的包装，不受碰撞并防止浸水而生锈。在使用中，要特别注意润滑油量和油质。具体要求做到:1）要经常检查油位，加足油；2)要避免不同型号油混用；3)扫盖和加油时，要防止煤尘，水等杂质进入，以防油质破坏，加剧摩擦面的磨粒磨损和锈蚀。如发现油脏，应及时放油并进行清洗再加新油。在机器运转一定时间，出现异常噪音、振动，这往往是由于螺栓（母）松动或轴承本身磨损引起轴承间隙加大，而使轴和齿轮发生轴向窜动或撞击，要及时扭紧螺栓（母）和重新调整间隙。使用轴承故障检查仪，可测出撞击大小程度、磨损和润滑状况，加强对轴承工作的监视，有助于及时并准确判断和处理故障。4.8 螺栓的校核计算行走轮上螺栓的校核计算受旋转力矩 T作用的螺栓组联接：其中，得螺栓等级 查机械设计表2.6选8.8级螺栓受剪切应力和挤压应力作用，联接的主要失效形式为螺栓杆和孔壁间压溃或螺栓杆被剪断。其强度条件为：式中，螺栓所受的工作剪力，N； 螺栓抗剪面直径，mm； 螺栓抗剪面数目； 螺栓杆与孔壁接触受压的最小轴向长度，mm； 螺栓材料的许用剪切应力，； 螺栓材料和被联接件中弱者的许用挤压应力，。式中，、螺栓许用安全系数。取，满足要求4.9 导向滑靴的受力分析导向滑靴的材料为ZG25CrMnSiMo,在相应的热处理工艺下其b1175MPa，根据经验和设计要求取安全系数为2，所以587.5MPa。假设采煤机匀速前进，采煤倾斜角度为零度，受力平均分配在在四个滑靴上，行走齿轮上受的力和滑靴上的看作一个整体。导向滑靴的简图如下图4-26所示，A、B、C、D四个面为滑靴在运动时的受力面，其中A面为内侧下表面、B面为内侧左表面、C面为内侧上表面、D面为内侧右表面。 图 4-26 导向滑靴简体导向滑靴四个面中在使用状态下只能是两个面在受力：（1）当左导向滑靴的Y值为负、Z为正时，表明下表面A面受向下的压力和向后的摩擦力，同时右表面D面受向右的压力和向后的摩擦力，即A面和D面同时受力；对应的右导向滑靴的Y值为正、Z值为负，表明上表面C面受向上的支持力和向后的摩擦力，同时左表面B面受向左的压力和向后的摩擦力，即C面和B面同时受力。对整个采煤机来讲，从采空侧来看，此种状态下采煤机前端被抬起、后端被压下去，前端被推向煤壁侧、后端被推向采空侧；（2）而当左导向滑靴的Y值为正、Z为正时，表明上表面C面受向上的支持力和向后的摩擦力，同时右表面D面受向右的压力和向后的摩擦力，即C面和D面同时受力；对应的右导向滑靴的Y值为负、Z值为负，表明下表面A面受向下的压力和向后的摩擦力，同时左表面B面受向左的压力和向后的摩擦力，即C面和B面同时受力。对整个采煤机来讲，从采空侧来看，此种状态下采煤机前端被压下去、后端被抬起，前端被推向煤壁侧、后端被推向采空侧；（3）当左导向滑靴的Y值为正、Z为负时，表明上表面C面受向上的支持力和向后的摩擦力，同时左表面B面受向左的压力和向后的摩擦力，即C面和B面同时受力；对应的右导向滑靴的Y值为负、Z值为正，表明下表面A面受向下的压力和向后的摩擦力，同时右表面D面受向右的压力和向后的摩擦力，即A面和D面同时受力。对整个采煤机来讲，从采空侧来看，此种状态下采煤机前端被压下去、后端被抬起，前端被推向采空侧、后端被推向煤壁侧。已知采煤机整机总重和牵引力大小，可以利用pro/e中的有限元分析建立受力分析模型，模型分析步骤为：（1）建立模型；（2）划分网格;（3）定义模型材料;（4）定义接触面；（5）给定必须的边界条件；（6）设定载荷；（7）建立分析/研究；（8）获取结果划分好网格以后，将导向滑靴上面销轴孔的圆柱面完全固定（约束），再将计算所得载荷假设均布的加在导向滑靴的相应内侧面上（假设摩擦力均布于受力的两个面上）。进行静力分析计算，得应力应变图如图4-27，4-28： 图4-27 导向滑靴应力图 图 4-28 导向滑靴应变图选择导向滑靴销轴孔的内圆柱面进行Graph分析，分析所得的应力、应变结果如图表4-7，4-8： 图表4-7 轴孔应力分析图表 图表 4-8 轴孔应变分析图表综上分析可知，导向滑靴的最大应力为152.2Mpa，最大应变位移为0.1493mm。导向滑靴的材料为ZG25CrMnSiMo,在相应的热处理工艺下其b1175MPa，根据经验和设计要求取安全系数为2，587.5MPa。所以满足设计要求。4.10 大功率采煤机导向滑靴的加工随着大功率现代化采煤机的研制开发，行走部起导向及支撑作用的导向滑靴的尺寸逐渐加大，给导向滑靴的加工增加了困难。导向滑靴是采煤机的易损件，它的加工质量的好坏直接影响了导向滑靴的使用寿命，影响井下生产的顺利进行。（1）导向滑靴的加工方法采煤机行走部的导向滑靴主要有整体式及分体式两种，下面以本设计的电牵引采煤机的导向滑靴加工为例，介绍了大功率采煤机导向滑靴应用反变形法的加工方法，零件图见下图4-29: 图4-29 导向滑靴零件图（2）导向滑靴的结构特点及工艺性分析导向滑靴的材料是ZG35CrMnsi，热处理要求为整体淬火，安装行走轮组件的孔径尺寸较大，两行孔中间空档距离大，尺寸为200。针对该零件的结构特点进行工艺性分析:该零件的行孔及空档在一次装夹中加工完，其它加工面加工完后采用整体淬火，该导向滑靴的材料是铸造合金钢，这种材料的整体淬透性好，淬火即使采用变形小的油浴冷却的情况下，淬火后的变形仍然很大，变形后的孔径超差，两行孔中间空档距离不是变大就是变小，不能保证零件的加工精度。在现有的加工设备能力范围内，经过热处理车间对该件进行试验跟踪，测定热处理变形大小，根据热处理变形量来确定孔径加工的尺寸公差、空档尺寸的公差，同时整体淬火之前焊两根足够强度的工艺筋，保证热处理后的空档尺寸，热处理后再铣掉工艺筋。经过对多批次零件的跟踪、检测、反复摸索热处理变形规律，最终确定了加工方案，这种加工工艺方法是:轴孔采用幢削加工方法，将尺寸公差由图纸要求的00.4mm控制在的0.020.07mm范围内。两行孔中间空档尺寸200的公差值由0-0.46mm控制在00.1mm。（3）导向滑靴的加工工艺过程l)该零件材料是ZG35CrMnsi，采用铸造方法，铸后退火，消除铸造应力。2)照顾各加工面余量均匀，划右侧大平面线。3)按线找正，刨好右侧大干面作为基准。4)照顾各加工面余量均匀，划左侧面线及导向滑靴导向槽尺寸线。5)座右侧太平面，按线找正，刨好左侧面及导向槽。6)划行孔线。7)按线找正，轴孔按公差0.020.07mm镗好，空档尺寸200mm按公差00.1mm镗好。8)领工艺筋，焊两根工艺筋。9)热处理淬火HRC25。10)铣掉两根工艺筋。11)涂防锈漆。4.11 可调行走箱的概述 图 4-30 行走箱如图4-30所示，行走箱包括壳体、轴承座、导向滑靴、花键轴、驱动轮、齿轨轮组等，左右行走箱通用。此行走箱可调，虚线部分为行走箱旋转调整后的位置，可以达到调整机高度的作用。图4-31和图4-32分别为行走箱的三维装配图和透视图。由于采用齿轮销轨式无链牵引，故牵引力、制动力较大，导向较可靠。图4-31 行走箱装配图 图4-32 行走箱透视图齿轮轨与导向滑靴同轴，且可以周向窜动，因此，采煤机对工作面底板起伏和输送机弯曲的适应性较好（输送机可以垂直弯曲，水平弯曲），齿轮销轨式无链牵引是目前国内外使用较多的无链牵引形式之一。壳体是整体结构，刚性比较大。揭开端盖，可以装拆连接驱动轮和行星架的花键轴，这种结构使牵引的机械传动键具有离合功能，给安装机器和处理事故带来方便。拆掉轴承座，可以更换驱动轮。抽掉轴，可以更换导向滑靴或齿轨轮组件。5 采煤机的维护采煤机的正确维护与检修，对提高机器工作可靠性和延长使用寿命是非常重要的，检修一般分日检、周检、季检和大修。建立行之有效的规章制度制定日常维修计划。填写检查修理记录单。落实岗位责任制、质量验收制、交接班制、以及制定检修规程和操作规程等。采煤机在井下进行维护和检修时，维修人员必须严格遵守井下安全操作规程。1、在维修现场必须做好有效支护，保证维修人员安全。2、必须断电并挂警示牌，并设有专人看管。3、锁住运输机闭锁旋钮。4、禁止带电开启所有防爆电气设备盖板。采煤机在井下进行维护和检修时，维修人员必须严格遵守井下安全操作规程。1、在维修现场必须做好有效支护，保证维修人员安全。2、必须断电并挂警示牌，并设有专人看管。3、锁住运输机闭锁旋钮。4、禁止带电开启所有防爆电气设备盖板。日检检查所有联接紧固件是否完整、紧固齐全，发现松动要及时紧固。电缆、水管、油管有无挤压和破损。各操作手把、按钮动作是否灵活可靠和准确。各部油位是否符合要求，各润滑点应按时注油。喷嘴有无堵塞或损坏，水过滤器是否堵塞，水量和压力是否符合要求。截齿、齿座有无损坏和丢失，若有应及时更换和补齐。导向滑靴磨损情况，如行走轮与销轨的啮合不正常，应更换导向滑靴。各仪表是否完好并工作正常。各部运转有无异常音响、温升和振动。周检检查并清洗液压传动粗过滤器。取样化验各工作油液油质是否符合要求。检查和处理日检不能处理的问题，对整机的大致运行情况做好记录。检查司机对采煤机的日常维护情况。季检月检除周检内容外，对周检处理不了的问题进行维护和检修，并对采煤机司机的日检、周检的工作进行检查。大修采煤机在采完一个工作面后应升井大修，大修要求对采煤机进行解体清洗检查，更换损坏或磨损严重的零件，测量齿轮啮合间隙，对液压元件应按要求进行维护和拆卸清洗并试验。电气件的检修更换时必要时做电气试验。机器大修后，主要零部件要做性能试验，检测有关数据，符合要求后方可下井。 总 结经过开学来几个月的忙碌，我的毕业设计已接近尾声。在这几个月中为了做好毕业设计，经历了查阅资料、拟定方案、外出实习、开始设计等不同的阶段，总的来说也是忙忙碌碌，有所为的几个月。在设计过程中，经常遇到不同的问题，由于我所设计的部件总体上说不算难，图量也不大，但没有前人做过，所以可以借鉴的资料并不是很多，也经常遇到问题，但在自己努力的同时老师和同学都给予了很多帮助。我的设计内容为可调行走箱的设计，和一般使用中的采煤机相比创新点就是可调了，虽然采煤机的调高是由摇臂完成的，但行走箱调整的采煤机的整体高度，由此可以适应不同的煤层。为了达到要求，拟定了几种不同的设计方案，通过指导老师指点和查阅资料对不同方案进行比较选取了一种相对合理的方案。毕业设计的过程是对大学四年以来所学知识的一个综合应用的过程，它不但为我们提供了一个应用以前所学知识的机会，而且还给了我们动手实践的机会。在这个过程中让我们发现自身的不足，使自己能不断去完善和提高自己的能力，学会了如何查阅资料去获取自己所需要的信息，提高独立学习的能力。我相信这些对我们以后的工作学习都会有很大帮助。由于自己所学知识和能力有限，我的毕业设计中肯定会有许多不足之处。因此，恳请各位老师能给我批评指证！参考文献1 王振乾.滚筒采煤机行走机构运动学分析及强度研究硕士学位论文.煤炭科学总院，2007年72 李昌熙等 .采煤机.煤炭工业出版社.1988年3 耿卫东等.国内外采煤机无链牵引的特点与发展趋势.煤矿机电.2000（5）4 刘春生等.采煤机牵引导向滑靴配合间隙设计.煤矿机械. 2005（10）5 孙忠义.电牵引采煤机的研制、使用及发展前景.煤矿机电.2000（5）6 周有强.提高摆线针齿行星传动承载能力的探讨-单摆线齿轮传动分析.中国矿业学院学报.1980(2):55-72.7 杨生华.有限元法在计算齿根应力和轮齿变形中的应用.煤矿机电.1998（6）8 张东升，杜长龙，李辉.采煤机滚动行走装置的研究.煤矿机械.2005（3） 9 李占权,赵宏梅，闫晓林等.采煤机行走部的设计.煤炭技术.2006年，第25卷（7）:9-10.10 董根深，杜长龙，张东升.滚筒采煤机行走机构探讨.中州煤炭.2005（1）11 刘春生.滚筒式采煤机理论设计基础【M】.徐州：中国矿业大学出版社， 200312 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Pro/ENGINEER 中文野火版应用教程. 清华大学出版社.200430 朱孝录.齿轮传动设计手册.北京：化学工业出版社.200531 Niemann G, Witter H，余梦生等译.机械零件（第二卷）.北京：机械工业出版社，1989翻译部分英文原文Coal Face Wireless Sensor Network Physical Layer Design Based On UWB TechnologyAbstract In order to guarantee the safety of coal face production, it is necessary to monitor and surveillance face Shearer, scraper transport planes, hydraulic support, transport machines, broken machines etc . At present, it is difficult for the cable transmission mode to adapt to changes in the work site of the coal face. Transmission lines are often damaged and snapped for various factors, we use wireless sensor network (WSN), which is flexible to be placed and extensible, to resolve this problem. This paper discuss the design of the WSN transceiver for coal face with UWB technology. This kind of transceiver has some useful advantage such as low cost, low power consumption, simple structure, easy to implement the design of the hardware, no need to estimate the coal face Channel characteristics. However, detection efficiency is slightly lower, but the error rate can meet the requirement. 1. Introduction Coal face must face the complicated geological conditions and poor working conditions. In order to ensure the safety of production in the coal face, it is necessary to monitor real-time the face Shearer, scraper transport machine, hydraulic support, reprint machine, broken machines and other large equipments. In addition, we must monitor the ground pressure, gas, carbon monoxide, dust and other environmental parameters. At the same time, mobile voice and image communications is required. At present, the signal monitored and derived from the coal face is transmitted by cable. As the face is moving constantly and the going of the coal mining process, all kinds of large-scale iron and steel equipments in the coal face need to be boosted circularly and continually. The shape of the space is constantly changing with the change of the relative position of the equipments. Correspondingly, communication in cable is difficult to be applicable with the working scene changing, so transmission lines is damaged or snapped frequently ,and the coal face mobile voice and image communication is impossible .All these issues cause many latent trouble to the Safety of the production. We think wireless sensor network (WSN) is feasible to implement monitoring and surveillance to the coal face, for it has some useful characters of placing flexibly, expanding simply, moving easily and self-organization. 2. WSN architecture in the coal face The sensor network system structure of the mining Coal face is shown in Figure 1. In this Figure, the sensor nodes send the information of acquistion through one or more jumps to the cluster node, the base station (sink node) is responsible for the collection of data, and transmit them to task management node through up-slot network, task management Node is responsible for the integrated process the data and also issued instruction to sensor networks. The tunnel of coal face is a limited space. Bracket, shearer, transport and other large metal equipments are layout and coal, rocks and other media is a non-uniform restricted space, which all make the transmission channel more complex, fading and multi-path phenomena more serious in the transmission of wireless sensor nodes signal. These are different from sensor networks on the ground. Therefore, the design of transceiver node of it is particularly important. At present, there are three main technologies of the physical layer in wireless sensor networks: narrow-band modulation technology, spread spectrum technology and ultra-wideband (UWB) technology. While UWB technology possesses some attractive advantages such as low power spectrum density, low-complexity system, Low sensitivity to the channel fading, better security and so on. Considering the advantages and the characteristics of coal face naturally, we have adopted Impulse radio ultra-wide band (IR-UWB) technology, and the reasons are followed: 1) UWB technology consumes lower power and has lower power spectrum. Low power consumption, low-cost and small size are the most important feature of wireless sensor network nodes. Narrow-band modulation technology, spread spectrum modulation technology generally use sine carrier , IF and RF circuits exist in the systems, so consuming more power than the UWB technology with no carrier. Transmission medium in the coal face is non-uniform, which leading to more transmission loss than wireless communications systems on the ground. Therefore low power consumption becomes particularly important. In the coal face, as WSN node presents zonal distribution, nodes just need to communicate with neighbor-nodes. The WSN system based on UWB, consuming lower transmission power, can meet the requirements and avoid the interference with each other in the narrow-band communications node. Inaddition, thelow power consumption and high penetrating power help to design safe equipment and transmit disaster relief signal. 2) Strong anti-interference ability. In the coal face, electrical and mechanical equipment has narrow distribution. When equipment starts or stop, electrical sparkle may cause a lot of electromagnetic interference. So good anti-interference capability is strongly required in the wireless communication. 3) Good Anti-interference to multi-path ability. Coal face has some inherent characters, such as narrow space, more types of media, a multi-path intensive channel, while IR-UWB can be applied to this complicated environment with its advantages: narrow Pulse width, small pulse duration ratio, high multi-path resolution, strong anti-multi-path and fading Capacity. 4) Simple structure. The characters of IR-UWB, such as no modulation and up/down conversing frequency, simple transmitter structure, lower power consumption, make it more acceptable. According to the complexity of the node and power consumption into considerations, IR-UWB technology is very applicable to the design of the wireless sensor network physical layer. Therefore, compared to narrow-band modulation technology, spread spectrum technology, the wireless communication system based on the UWB technology present a good performance on the energy consumption, robustness, anti-multi-path and anti-noise, and so on. The modulation of IR-UWB are mainly PAM (OOK), PPM and BPM (Bi-Phase Modulation), but the presence of lines spectrum in PAM and PPM not only make ultra-wideband pulse signal difficult to meet a certain spectrum Requirements, but also reduce the power utilization, thereby it increases energy consumption. Several IR-UWB signals in the frequency spectrum are shown in Figure 2 and Figure 3 . As WSN system requires low power consumption, PAM modulation often use OOK method, which has simple structure. But OOK has poor performance on the BER(Bit Error Rate), anti-noise performance of BPM modulation such as anti-Jitter noise is better. ISI would be intensified if we adopted PPM under the conditions of intensive multi-path environment in the coal face. Therefore, we use BPM forms in the transceiver system of the coal face. A. The design of transmitting system The transmitter which adopts BPM forms is shown in Figure 4. The signal distortion, interference and noise brought by the special environment in coal face need encoded protection through channel coding interweave module. Data rate of the original information is lower, which make it difficult to meet the requirements of FCC in the absence of modulation. We need to use spread spectrum code transform the original information which has a larger duration ratio into a smaller duration ratio (nanosecond). Then we can generate BPM pulse signal through the pulse formation circuit, which can meet the requirement of FCC. Finally use filters to optimize BPM signal further to enlarge the spectrum and send it out from the antenna. The system uses Gaussian pulse to be the form of UWB signal. If a wave transmitted is the first order derivative Rayleigh pulse, the signal after sending out through the antenna is transformed to be the second order derivative of the Gaussian pulse in ideal circumstances. In addition, the lower the order of the Gaussian pulse is, the farther the signal can be sent under the same data rate. Here we select the Gaussian doublet, whose hardware circuit is relatively easy to implement and consume lower energy. Although interference of narrow-band communication system is exist in the ground wireless communications, the higher order of the Gaussian is , the better Gaussian narrow pulse shape. But we do not need to consider interference to the other narrow-band communications in the coal face, for so far, wireless communications systems is basically non-existent in the mines coal face. A second Gaussian pulse shape can be expressed as: Here, is used to express the pulse width, Suppose that the input signal is , each bit is expressed by and its cycle is.After the channel encoder, every bit of the sequence kare repeated by N times. The code duration time is , so each bit is composed by N pulse width. If we suppose the pseudo-random sequence of sensors node k is , the length of the sequence is N, the duration of the code slice is The sequence of can be replaced by and the .The time coordinate of i-th bit in the frame date stream sent by sensor node k is . when when .We can think in practical application.When N=1, the UWB waves and waveform sent are shown in the Figure 5. Waveform in the Figure from the top to the end is the UWB waveform (the waveform of code “0” and the waveform “1”); the waveform generated when several code are send out; UWB waveform when get through band-pass filter. B. The design of receiver system The recerver structure is shown in figure 6. The signal received through the receiving antenna will go through the low noise amplifier and filter. Then the amplitude of the signal will be detected using tunnel diodes peak detector. Then we can get a pulse waveform which own longer code duration time when the signal detected after passing through high-pass filter and pulse stretch circuit. The last step is sample and judge.In this design, we make use of the characters of the negative resistance region of tunnel diode. In this region, the current decreases as the voltage is increased. This negative resistance results in a very fast switching time. After detected by the tunnel and passed through high-pass filter and comparator, the signal can be stretched and delayed by RS latch. We can directly sampling and judge the signal, for the width of the signal we get is wider than we first received .The kind of the receiver is different from the method we previously used. Such as, literature 555 tell the technology about relevant receiver. As we know, the general complexity of the relevant receiver, which own integrator circuit and need precision clock, is much higher. Sometimes, general relevant receiver need matching filter according to channel model parameters, which can be required by channel estimation. Because channel characteristics under the mine well are extremely complex, the possibility to use channel estimation is small. In addition, the receiver does not need ADC conversion devices, for the comparator has fixed the position of the code “0”and”1”.Furthermore, the code stretched has a relative longer duration time, which do not need higher judgment pulse precision. Therefore, in the whole, the receiver does not need complicated channel estimation and ADC conversion devices, which make the energy-consumption and complexity much lower. But we can not ignore the disadvantage of this kind of receiver; it has bigger signal fading, lower detection efficiency. C. Anti-noise performance of BPM The propagation environment of the coal face belongs to dense multi-path. And the theoretical channel model we referred to is proposed by combining Saleh-Valenzu channel model, which is the foundation, and the characteristic of the coal face under the mine. Suppose the discrete pulse response is, r(t) is the signal received by one node. Then , . The distance between receiver and transmitter is about 5-8 meters, which can satisfy the requirement of the distribution of the nodes in the coal face. The code duration time is 25ns, the duration time of GASSION waves is80ps. Under this conditions , we can get the curve, just as shown in the Figure 8.In fact, when we carried out the experiment of BER test, the performance shown in Figure 8 is not easy to be seen because of the complexity of the channel character. According to the research result, the performance of anti-noise became abnormal, such as the fading of the signal is not in proportion to the distance and the amount of the path increase and decrease in a large scale. Because the relevant coefficient of transmitted waves of the BPM is passive relevance when we adopted relevant receiver, the performance of anti-noise of BPM in relevant receiver is superior to PPM and OOK. Take the structure simplification of the receiver and the special character of the coal face into consideration, BPM is preferable in the whole，ever if the receiver we discussed in this paper is not superior to the relevant receiver on the anti-noise performance. 3. Conclusion Because of the limited space of a non-uniform medium and the complicated channel character in the coal face, the choice of the model we send and receive the signal is extremely important. Taking into account that BPM do not have discrete spectrum when “0” and ”1” emerged in a same probability, if not, the amount of discrete spectrum is small, which is attractive to WSN system, for the low energy consumption is strongly required. Therefore, the communication mode can
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