挖掘机铲斗轴孔磨损后修复机的设计

第1章绪论1.1设计的背景及意义当某些矿山的挖掘机持续运作且负荷过高时，其孔及轴可能会遭受严重的磨损现象，并且可能存在异物混入的情况。随着时间的推移，这些部位间的空隙逐渐增大，导致挖掘机在运行过程中产生剧烈摇摆，从而降低了其作业效能。大部分情况下，一旦孔发生磨损，整个臂部设备将会被立即淘汰，这无疑是对于宝贵资源的大量消耗。因此，有必要设计一款修复轴孔的机器，在磨损孔的表面焊接异常。进行焊接补充时，需要确保补充的孔径小于圆孔隙并且焊接的均匀性。接着，将多余的焊接部分移除，以便达到与原始产品出厂时相同的尺寸。鉴于是在采矿环境下，该设备的设计不仅要做到简便高效，成本低廉，而且做到无资源浪费，更重要的是实现安全可靠，提升工作工作效率。因此从经济角度出发，该设备的市场潜力非常大。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状目前，几乎所有的挖掘机在扩大钻孔之后，会将铲臂收回进行铁矿石的炼制和铸造。然而，还有一种更先进的方法。日本正在研发一种新型挖掘机，它配有带有可动轴套的轴，以多个轴之间的螺旋状座椅夹住，以防止旋转轴的弹跳。轴套的内径略大于螺旋盘的旋转直径。首先，在放松轴套后，将钻轴以适当的速度进入基础，直至钻孔达到所需的第一深度。然后，通过喷嘴向钻孔注入固化液，同时轴套以与钻轴相同的速度向下移动。接下来，当钻轴停止移动时，只有轴套在第一螺旋上从第一深度移动到第二螺旋。重复以上步骤，以达到所需的孔深。国外工程机械行业迅速发展，并对挖掘机轴孔磨损修复技术进行了深入研究。卡特彼勒、小松等国际著名工程机械企业已经推出了多种成熟的轴孔磨损修复设备。这些设备主要利用高分子材料修复技术以及纳米涂层技术等，具备优秀的修复效果、迅速的速度和低廉的成本。此外，像德国、法国等欧洲国家也在积极开展相关研究，推动挖掘机轴孔磨损修复技术的进一步发展。1.2.2国内研究现状1992年，李顺龙在他的研究中指出，化纤设备中经常出现轴、轴套类的磨损破损现象，这会直接影响生产。重点设计了电刷电镀技术的轴孔修复的试验和应用，探讨电刷镀层与基体的结合强度、工艺规范、镀层硬度和金相组织等特性。文章于2016年的研究成果"关于挖掘机工作装置如动臂、杆及铲子的动态操作过程中的摩擦与交互压力导致了其频繁出现损坏现象的研究",特别关注的是机械部件尤其是挖土机的动力机构(例如：杠杆)上的常见问题——即钻头端部的过度消耗或破碎情况下的维修方法及其原理;同时还包括对这些故障部位所采用的技术手段进行了深入探讨分析的过程描述等内容。于2018年的研究报告——"ShojiYing's《HeavyLiftingCraneArmHangerAxleHoledWearRepairPlan》",描述了一个海上的石油钻井台上使用的升降机械中的主梁支点出现了严重损坏的情况，这不仅对机器的力量产生负面效果并且也威胁到其正常运作的风险问题。采用了一种制造并重新安装的方法来修补这个受损部位以达到预期的标准大小;这种方式解决了之前使用熔化金属连接时遇到的问题如难以操作、缺乏必要的物理参数等困难情况。最终成功地完成了这项任务并在短时间内进行了测试与认证活动从而保证了整个装置的高效且安全的性能。2018年，卢平山对挖掘机铲斗的耳孔进行了维修工艺的改进，以解决铲斗严重磨损和维修费时的问题，并取得了良好的效果。图1.1轴孔修复机图1.2便携式镋焊机1.3主要研究内容在本设计中，首先，确定修复机的关键组成部分，包括行进装置、定位装置和焊接装置等，为后续设计提供明确的框架。针对这些组成部分，提出一系列基本设计要求，如精度、灵活性、高效性和安全性，这些要求贯穿于整个设计过程，确保修复机的性能满足实际操作需求。接着，详细描述修复机的工作流程，从定位、对刀、粗车、精车到检测等各个阶段，每个步骤都经过精心设计，以确保修复工作的精确性和效率。为支持这些工作流程，设计相应的机械结构，这些结构不仅考虑操作的便捷性，还兼顾机器的稳定性和耐用性。在带传动系统的设计上，进行深入的分析和计算，包括传动类型的选择、受力分析、参数选择以及V带轮的设计。这些工作确保传动系统的高效运作，为修复机提供稳定的动力传输。切削部分作为修复机的核心，特别关注其设计。对镗杆、镗刀和固定装置进行细致的尺寸设计、装配和强度刚度计算，确保切削部分在实际工作中的精确度和耐用性。最后，总结整个设计过程的主要成果和意义。修复机的设计不仅体现创新性，还具有显著的实际应用价值，特别是在提升挖土机轴孔修复效率和质量方面。通过本研究的工作，为轴孔修复机的实际生产和应用提供坚实的理论和技术基础。1.3.1主要内容：1.确定挖掘机铲斗轴孔修复机的组成部分，以及各部分的作用、实现的动作、结构形式。2.设计挖掘机铲斗轴孔修复机的结构，包括行进装置、定位装置、焊接装置等；确定材料类型，设计计算有关尺寸，并选择动力装置。3.设计各零件，包括镗刀，丝杠，定位板等。要做到美观，实用，便宜。1.3.2基本要求：1.结合挖掘机铲斗轴孔修复机的功能、结构，多方面搜集最新文献资料，择优选择设计方案。2.对主要零部件进行设计，满足功能和强度刚度要求，完成设计计算及校核，绘制相关零件的零件图和修复机的装配图。修复和保养挖掘机的铲斗轴孔，高工作效率和延长使用寿命。要保证精准性，灵活性，高效性和安全性。

第2章功能分析与方案设计2.1设计要求概述平整空间放置：修复机的放置基础要求是关键的第一步。机器必须放置在平整且稳定的地面上，以保证在水平方向上的顺利切削，避免因地面不平造成的切削偏差。支撑机构的坚固性：支撑机构的设计必须足够坚固，以抵御操作过程中可能产生的晃动。这一稳固性直接影响到加工过程中的精度，确保修复后的轴孔达到设计要求。镗杆的刚性和强度：镗杆作为切削部分的核心，必须具备足够的刚性和强度，以承受切削力并保持稳定的加工性能。这有助于提高加工效率和延长镗杆的使用寿命。镗刀的硬度：镗刀的硬度是保证切削过程流畅无阻的关键。高硬度的镗刀能够更好地抵抗磨损，减少更换频率，从而提高整体的加工效率。排屑系统的高效性：高效的排屑系统对于保持切削区域清洁至关重要。它不仅提高了加工精度，还有助于延长刀具的使用寿命，减少因铁屑堆积导致的加工问题。便于拆卸的设计：机器的设计应考虑到维护和更换部件的便捷性。连接部件的稳定性和可靠性也是确保机器长期稳定运行的重要因素。双列滚子轴承的刚度：双列滚子轴承需要有足够的刚度来承受较大的轴向力，这对于保持机器的稳定性和减少运行中的振动至关重要。螺母与镗杆的同步运动：在丝杠上运动的螺母必须与镗杆保持同步，以确保精确的切削位置和加工精度。焊接和固定装置的稳固性：焊接和固定装置的稳固性对于保证镗杆与孔的同轴性至关重要。这直接影响到修复后的轴孔质量和机器的加工精度。电力供应设施：充足的电力供应是修复机正常运行的前提。考虑到修复机可能需要两个电机，设计时应考虑安装发电机，以保证在没有外部电源的情况下也能稳定运行。2.2主要参数确定概述镗杆尺寸的设计：镗杆的尺寸选择需要综合考虑待修复孔径的大小、孔间距以及镗杆在工作过程中可能承受的力。镗杆必须足够强大，以适应不同的工作条件，同时保持适当的灵活性。调速电机的选择：调速电机的选择应基于镗杆在切削过程中所需的最佳转速。电机必须能够提供稳定且可调的速度范围，以适应不同的切削要求。带轮的选择：带轮的选择应与步进电机的规格相匹配，确保传动效率和精确性。带轮的设计和尺寸需要满足动力传输的需求，同时保持适当的张力。镗杆带轮的选择：镗杆带轮的选择应考虑镗杆的直径和长度，以确保带轮与镗杆之间的正确配合，实现高效的动力传递。皮带的选择：皮带的选择应基于电机轮和镗杆带轮的规格，以及皮带在运行过程中需要承受的负载。皮带必须足够坚固，以抵御高负载和长时间的运行。步进电机的选择：步进电机的选择应根据镗杆前进所需的速度和力矩。电机需要提供精确的控制，以确保镗杆的精确移动和定位。固定装置的选择：固定装置的选择应考虑镗杆直径，确保与镗杆有适当的间隙配合，以便实现相对移动而不产生过多的摩擦或干涉。丝杠的选择：丝杠的选择应基于步进电机所连接的带轮大小和受力状态。丝杠必须足够坚固，以承受切削过程中产生的力，同时保持精确的线性移动。镗刀的选择：镗刀的选择应依据镗杆和孔的直径，以及切削过程中的具体要求。镗刀长度的可调节性允许对刀的精确调整，以适应不同的工作条件。皮带轮的选择：皮带轮的选择需要考虑其类型和机器运行时的受力状况。皮带轮必须设计得足够坚固，以承受较大的压力和扭矩，保证在高负载下不会损坏。2.3工作原理修复机的工作流程包括五个关键阶段：定位、对刀、粗车、精车和检测。这些阶段由两个具有不同功能的电动机来驱动实现。确定步骤是保证机器设备能够准时抵达作业地点；设定步骤是为了调节工具与物料之间的相对位置，从而保障了切割的精准度;初次切割环节开始主要的切除操作，去除了过多的物质;最后的细致处理部分则是对物料进行了更深层次的加工，达到了预期的尺码和表面的品质;最终，检验过程中的产品经过了全面的质量审查，确信其符合设计的标准。这整个过程需要精密的控制和协调，以确保修复机高效且准确地完成任务。2.3.1定位在修理机开始运行前，镗杆必须正确定位，以确保切削过程的稳定性。如图所示，为了确定镗杆的高度，需要在镗杆的两端设置定位装置，通过调整螺钉来调节镗杆的高度。图2.1定位装置示意图为保证修复机的精确度和稳定性，采用了一种焊接圆柱滑动轴承设计策略来构建其固定设备。该方法的具体实施步骤是在镗杆上安装一个圆柱形滑动轴承，并使其与镗杆之间的空隙相互匹配，以实现轴承在镗杆上的无限制运动。这样一来，圆柱滑动轴承可以与镗刀形成相对滑动，进而保持镗杆的轴心与其要修补的孔洞的轴心一致。通过焊接技术将圆柱滑动轴承固定在需要修复的孔的外围，这样不仅能够牢固地固定镗杆，还能有效减少切削时产生的振动。在完成切削作业之后，使用锤头将固定在铲斗转轴体上的装置敲松并移除。这种方法操作简便，且固定装置可重复使用。如图2.2。安装固定设备时，选择了焊接圆柱滑动轴承的方式，并在镗棒上配置了这种轴承。利用轴承与镗棒之间的空隙，使得镗棒与孔的轴线重叠。图2.2固定装置三位示图2.3.2对刀变速电机启动时，利用带传动的方式驱动使中间杆旋转，之后，启动步进电机。借助螺旋机构驱动的方法让钢针产生回环动作;而后者则会带动圆柱形结构以恒定速度向前推进，并采用两排放置式球状滑动关节来固定钻头位置从而推动其前行并对准标尺的位置。同时调整左右两个定位器以便于当在内部手柄中看到钻头的精确且均衡加工结束的时候，确保了穿透物体的中心点与钻具的中枢保持一致性的状态。2.3.3加工在粗车阶段，完成对刀后，会启动一个可变速的电动机，将其设定为每分钟600转的速度（600r|min）。同时，激活启动步进电动机，使镗杆在旋转的同时，以缓慢且均匀的速度向前推进，以此进行初步的孔加工。粗车的主要目的是移除因修补焊接而在孔表面形成的额外材料层，为接下来的精车阶段做好准备。在精车阶段，粗车完成后，需要调整变速电动机的转速至每分钟820转。步进电动机的转速则保持与之前相同的设置，以实现对孔的精细加工。精车的目的在于提升加工的精确度。2.3.4检测孔的精密加工完成后，要对孔进行尺寸测量。如果测量结果与预定规格有明显差异，则需要重新操作进行对刀，然后再次车加工。如果尺寸差异较小，无需再对刀，另外进行精密加工工序，尺寸就符合要求。修复机需要在水平方向上进行精确切削，因此其支撑机构必须稳固，以保证加工精度。镗杆和镗刀需要具备足够的刚性和硬度，同时排屑系统要高效，以确保切削过程顺利并延长刀具寿命。此外，修复机的结构设计应便于拆装，连接部件要稳定可靠，双列滚子轴承需具备足够的刚度，丝杠和螺母的运动需平行，固定装置要牢固以保证同轴度。供电设备也必须充足，必要时应配备发电机，确保修复机在工作时的电力供应。

第3章传动部分的设计计算3.1带传动系统3.1.1概述皮带传动系统的基本组成部分是传动带和带轮设备。正确选择这些传动系统对于保障修复机在运行过程中的稳定性和高效性，以及最大化其整体功能至关重要。皮带传动系统主要由皮带、电机轮、钩楔键和带轮组成。在设计带传动系统时，首要任务是设计一个适宜的可变速电动机。这是因为镗削操作包括粗加工和精加工两个工作阶段，因此需要电动机能够在粗加工时提供较低的转速，而在精加工时提供较高的转速。参照标准车床电机的规格，选用的可变速电动机应具有4.5KW的功率，其最高转速可达每分钟1200r/min，最低转速为820r/min。这样的设计不仅能够满足机器在操作过程中的功率需求，还能确保机器运行的稳定性。3.1.2带传动的类型和选择依据其运作原理的区别，可把带传动体系分成两大类别：一种是以表面间的摩擦力量为基础进行能量转移的摩擦式带传动;另一种则依靠带齿和带轮齿槽的咬合以完成能量转换的啮合式带传动。此外，还可通过观察带状横截面的形态特性对带传动作更细致的分类，包括平行带传动、环形带传动、V字形带传动及多楔形带传动等类型。各类带传动的各自优点和限制都十分明显。平面带传动以其结构的简洁性和高效的传动效率而著称，其带轮的制造也相对简单，尤其适合于那些需要较大传动中心距离的应用场合。圆形带则以其结构的简易性和多样的材料选择（如革、棉、麻、锦纶、聚氨酯等）而受到青睐，通常被用于功率需求较小的传动系统中。多楔形带的设计融合了平面带的轻盈特质和V形带的高摩擦力属性，同时解决了因为多根V形带长度不一致而引起的受力分布问题。这种设计非常适用于需要传输大功率且对结构紧凑度有严格要求的应用场景。为了实现更高的摩擦力和稳定的传输效果，V型皮带的设计采用了等腰梯形的形状，并且其匹配的齿轮也被设计成相应形状的沟槽。这样可以确保两边的V型皮带能完全贴合到轮子的凹槽中，以提高传递效率。此外，V型皮带驱动系统具有较高的传动比例、精巧的构造并易于更换的标准化的产品广泛存在市场，这使它成为一种理想的选择。考虑上述各种带传动的特点，V形带传动因其优越的性能和广泛的标准化，成为了带动设备的理想选择。3.1.3带传动的连接在电机运行时，由于其高速旋转，会对其连接的带轮产生轴向力。为了确保带轮在电机运转期间保持稳定，不会发生轴向的移动或左右晃动，设计中采用了钩头楔键的方式来连接变速电机的转轴和带轮。这种连接方法能够有效地锁定带轮，使其在电机高速运转时保持固定位置，从而保证了传动系统的稳定性和可靠性。3.2带传动的受力分析在变速电机驱动带轮进行传动之前，传动带会以特定的初始拉力f0紧固在带轮上。如图3.2图3.2不工作时在传递装置里，因为有静态磨损力的作用于皮带与齿轮间，使得皮带一面受到收紧的影响(即紧张的一面)，另一面则呈现出相对宽松的状态(即松弛的一面)。对紧张一面的压力用符号F1表示，而对于松弛一面的压力以符号F2标示。当条件允许时，假定皮带的长度维持恒定，且其可视作线性的弹簧，那么皮带在运动时的应力状态可通过下述方程式予以表达：（3-1）紧边和松边之间的张力差（）等于初始张力F0与松边张力F2之间的差。这里的F0是传动带在开始工作前的预设初始张力。这个关系揭示了在传动过程中，紧边张力的增加与松边张力的减少相等，从而维持了带的总张力平衡。这种张力的平衡对于确保传动效率和防止带的过度磨损是非常重要的。受力分析如图3.3图3.3工作时假设将与轮子接触的传动带视为分离物，那么根据带传动过程中各种力对轮子中心力矩平衡的条件就能得出结论。公式中的Ff代表传动带工作面上总摩擦力的值。 图3.4不工作时将传动带上的总摩擦力Ff定义为传动带的有效张力Fe，可以得到下面的式子：（3-2）有效张力和带传动的功率P的关系是：（3-3）在这个公式中，功率的单位是瓦特，有效张力的单位是牛顿，牵引速度的v是m/s。初张力F0、紧边力F1、缓边力F2、有效圆周力Fe这四种力中，有两种是独立的。因此可以推断：（3-4）因此可以看出，当速度保持不变时，带式传动的动力P是影响其所需有效的牵引力Fe的关键因素，同时也确定了驱动器与转子之间必须具备的总体摩擦力Ff，同时也是为实现此种摩擦力的存在而需要最小初始张力(F0)min的要求。如果原始牵引力F0不足以满足带式驱动所需的最小输出力量(F0)min的要求，那么主导轮可能无法推动被动轮旋转，这可能会导致滑动问题，从而使修理设备无法正常运行。然而，需要记住的是，过度增加初始牵引力并不必要。传动带的紧边张力和松边张力取决于带的初始张力和带的实际工作状态。当带的实际工作状态确定后，过度张紧传动带只会使带的紧边张力和松边张力增加，导致传动带过度磨损而失去原有的张紧效果。总结来说，为了确保传动系统能够正常运作，首要任务是确定至少有一个摩擦力满足传输功率的需求，并且找出相应的最小初始拉力。3.3带传动的参数选择计算3.3.1中心距扩大中心距离可使带轮的接触角度加大，从而减缓了每周期内带子的旋转频率，有助于提升带子使用年限。然而，若中心距离过大，会导致带子的振动增强，影响其稳定性能，并可能导致整个带传动系统的体积变大。而如果中心距离较小，就会产生与之相对应的有益和不利的影响。通常情况下，选择合适的带传动中心距离是其中，0为初选的带传动中心距，单位mm.3.3.2传动比如果传动比过高，带轮的包角就会降低。一旦带轮的包角下降到某个临界点，带传动系统将会出现滑动，从而无法达到预设功率的输出。因此，通常情况下，带传动的传动比应该在≤7之间，推荐范围为3.3.3带轮的基准直径当确定了带传动所需输送的动力后，若减少带轮的大小，则能提高带传动的实际牵引能力，这反过来又会导致V带数量的增多。这种做法除了扩大了带轮的尺寸外，也加剧了负荷在V带上分布的不均衡程度，同时，降低带轮大小也会使带产生更大的弯曲压力。为了防止弯曲压力过度，必须确保小带轮的基础直径不会太低。通常来说，应该满足的要求。建议的小型带轮最小的基础直径已列入表3.1。表3.1槽型数据表槽型YZABCDE(dd)min1545701201813205003.3.4带速v对于固定的驱动负载而言，提升速度能使有效的牵引力减小，从而可能通过减少皮带或V型皮带的数量或是其横切面来实现，这有助于整体缩小设备的大小。然而，随着速度的增加，不仅会带来更高的速度，也会导致V型皮带承受更大的离心压力，进而使得每小时的旋转周期增多，这对增强皮带传动系统的耐用性和使用寿命是不利的。而如果选择降低速度，情况就会有所不同。因此，带速的高低不宜过大或过小，通常建议v值在5至之间，而最大带速vmax应小于。3.4带传动的设计计算3.4.1已知条件和设计内容V带传动设计时需要考虑的因素有：带传动的使用环境、位置和尺寸限制、传递功率P、小轮转速n1、大轮转速n2或传动比i。设计包括传动带的规格型号、确定基准长度、齿数、中心距离、带环材料、基准直径、结构尺寸、初始张力和预压力、张紧装置等内容。3.4.2设计步骤和方法确定计算功率Pca的计算功率是根据传输的P和带子的运行状态来确定的。（3-5）式中Pca：计算功率，KwKa：工作情况系数。P：所需传动的额定功率。从工作状况系数表来看，需要的ka值是1.1，假设的Pca值是1.1乘以4.5，即4.95kw。选择V带的带型在普通V带选型图上，通过计算功率Pca，选择B型带。确定轮胎的标准直径dd，并计算其速度。根据V带的类型，找到了V带轮的最小参考直径表，小带轮的参考直径为115mm，大带轮的参考直径为170mm。演算带速v应避免带速过低或过高，通常v值应在5~25m/s之间，最大不能超出30m/s。或ε代表轮胎线速度的相对变化程度，可以通过滑动率来衡量。其中在这个公式里，n1和n2代表主动轮与从动轮的转速，单位是r/min。由以上式子可得因而带传动的平均传动比为在常规的带式传动中，由于其活动性不高()，因此可以忽略不计，而选择传动比作为参考。经过以上公式，可以确定在可接受的范围内。（5）计算大带轮的基准直径由计算。表3.2V带轮的基准直径系列表带型基准直径ddY20，21.4，26，29，32，41，45，51，56，63，71，81，90，100，113，125Z51，56，65，71，75，81，90，100，113，118，125，132，140，151，160，181，200，224，251，281，315，355，400，510，650A75，81，85，90，95，100，106，113，118，125，132，140，151，160，181，200，224，251，281，315，355，400，451，510，565，650，710，820B125，132，140，151，160，170，181，200，224，251，281，315，400，451，510，565，600，650，710，751，820，900，1000，1130C200，212，224，236，281，300，315，355，400，451，510，565，600，650，710，751，820，900，1000，1130，1251，1400，1600，D355，375，400，420，425，451，475，510，565，600，650，710，751，820，900，1000，1060，1130，1251，1400，1510，1600，1820，2000E510，530，565，600，650，670，820，900，1000，1130，1251，1400，1510，1600，1820，2000，2240，25103.4.3确定三点之间的距离，并选择v带的基准长度ld。结合最初确定的中心距离，根据传动整体尺寸的限制或要求。计算相应的带长Ld。V带的基准长度ld由其系列和系数表3.3决定。表3.3带长度修正系数表基准长度Ld/mm带长修正系数KLYZABCDE4000.960.874501.000.875001.020.915650.946300.960.17100.990.838201.000.859001.030.870.8210001.060.890.8411301.080.910.8612501.110.930.8814001.140.960.9016001.160.990.920.8318201.181.010.950.8620001.030.980.881.061.000.911.091.030.931.111.050.951.131.070.970.861.171.090.990.820.911.151.040.930.901.181.070.960.92带入数值可得带长Ld。≈4900m006D3.4.4计算中心距及其变动范围传动带传动的稳定性取决于中心距离，中心距离大的话，震动的风险会提高，中心距离小的话，容易积累疲劳，所以中心距离的选择很重要。传动的实际中心距近似为（3-6）对刀带轮的生产错误、长度偏差、带材的弹性以及由于带材松弛引起的补充张紧问题进行考虑。要的变动范围常给出中心距73.4.5演算小带轮上的包角а1由于小带轮的包角比大带轮小，导致小带轮上的总摩擦力高于大带轮上的总摩擦力，因此，只有小带轮才会出现打滑现象。为了提高传达效率，需要调整。3.4.6确定带的根数z（3-7）为了确保每个V带均匀受力，带的数量不宜过多，通常不应少于10条。如果超过了，就选择横截面积大的表带，减少表带的数量。因此，Z≈2，使用两条带。3.4.7计算带传动的压轴力FP为了计算轴上的压力FP，在设计轴承时必须考虑轴承装置。（3-8）式中的а1为小带轮的包角。以下将列出用于测量初拉力所需的垂直力g。表3.3小带轮直径表带型小带轮直径Dd1/mm带速v/(m/s)0～1010～2020～30Z50～100＞1005～77～104.2～66～8.53.5～5.55.5～7A75～140＞1409.5～1414～218～1212～186.5～1010～15B125～200＞20018.5～2828～4215～2222～3312.5～1818～27C200～400＞40036～5454～8530～45457025～3838～56D355～600＞60074～108108～16262～9494140507～575～108E500～820＞820145～217217～325124～186186～281100～150150～225下面是压轴力的计算示意图图2.5计算示意图3.5V带轮的设计3.5.1V带轮的材料采用的材料为HT150。3.5.2V带轮的结构形式使用v带轮实心设计，既能确保承受一定负荷，又可以降低额外的功率输出。3.5.3V带轮的技术要求V型轮胎不能有沙眼、裂痕、缩小孔洞和气泡。在不增加内部压力的情况下，V型铸造带轮能够修复轮边、凸起部分和腹板的表面缺陷。当转速超过极限时，需要进行静态平衡处理，反之则需要进行动态平衡。3.6V带传动的张紧、安装和防护3.6.1V带传动的张紧V带的传动使用一段时间后，会出现皮带的可塑性变形，磨损而松动的现象。为了保证电动机的正常运行，在使用修理工时，要定期检查台子的松弛状态，并采取相应措施进行修理。3.6.2V带传动的安装对于修复机器而言，其驱动电机的位置是不变的，通常将其与坚实的金属框架相连并置于地面上以保证在操作过程中的震动尽可能减小。当修复设备运行时，钻头将会自行伸出，这个动作所需的时间相对较短，即需要修补的洞的大致尺寸。经过研究和测算，发现在采矿作业中常用的挖土机械铲斗转轴上打出的孔径大约为100mm，且两轮间的间距约为2000mm。根据绘制的设计图纸分析，可以看出在维修设备运作期间，齿轮之间的角度变化仅有不足3°，因此可对齿轮的位移视而不见。图2.6偏移角度示意图3.6.3V带传动的防护通常来说，传动装置应该被安装在铁丝网或者防护罩内，以避免暴露在外，以免受到风雨侵袭，延长使用寿命。然而，考虑到维修操作的方便，设计的修复机可以在大部分情况下使用，因此并不需要额外的防护罩。

第4章切削部分的设计与计算修复机的主要组成部分是切割部分，当其在工作中，通过镗杆在轴向上的旋转及径向的位移，镗刀得以对焊接层进行切削，从而达到预定的修复目的。在修复机的设计过程中，核心部件——切割部，是一个系统性的步骤，涵盖了许多关键阶段，每阶段都对产品的最终性能和效能起到关键作用。首先，我们要分析所需的因素与条件。此阶段的追求目标是明确地设定修复机的操作环境、预期材料的各种特点（例如硬度、韧性、厚度等），并确定希望达到的切削速率和准确性。除此之外，也需要关心操作人员的安全和设备维护的便捷性。根据需求分析所得数据，我们提出了初始的设计方针。进入此环节，我们将确立镗杆、镗刀以及固定设备的基础布局和它们的工作机制。确保镗杆实现轴向和径向自由旋转，并调整镗刀的切角和形态，使其满足各种工作需求。在进行切削操作时，也需要仔细考虑固定装置的配置，以确保工件能在整个过程中维持稳定性。基于概念设计，我们进一步转向具体的设计流程。为了保证镗杆拥有良好的刚度与力量，应当谨慎选择适当的材料，选择高强度的合金钢。为镗杆配置了轴向的旋转设计以及径向的移动装置，同时也充分考虑到切削过程中可能遭遇的种种阻力和震动，以确保镗杆的稳固性和持久耐用。为提升切削的效率和稳定性，需根据目标材料的不同特点，精心挑选如硬质合金和陶瓷这类适合镗刀的材料。为了得到最理想的切削表现，我们要规划镗刀的各种几何构造，包括刀具的刀尖角度和切削刀的形态等。为了更好地适应日常的维护和操作需求，设计了一个刀片固定和替换的流程。构建一个用于稳定待修复物品的设备，在设计时充分考虑了工件的形态、尺寸以及质量，以确保在切削操作中保持稳定和安全。在设计固定设备时，需确保其用户界面简单，并能迅速准确地确定所需的工件位置。如图4.1图4.1切削部分示意图切削部主要由镗杆、镗刀和固定装置组成。镗杆的主要功能是传输动力，镗刀是进行切削操作，固定装置的作用是保持物体的稳定。通过这三个零件的协作，进行切削运动。4.1修复机镗杆的设计计算4.1.1镗杆的选择修理设备在运行期间，既承担着驱动部件的功能，也负责能量的转移，同时需要应对弯曲力和扭力这两种压力。因此，它在整台机械装置中的重要性不容忽视。设定的修理设备在运作时，一方面受到皮带驱动的推动而旋转，另一方面则由推进力的影响向前行进。选择镗杆的设计必须考虑到多种要素与需求，主要包括镗杆的选择材料、构造、耐用性和刚性。针对高频轴还需要关注其震荡稳定的性能。在规划阶段，充分考虑了镗杆所承受的力量、坚固程度、弹性及抗磨损能力的需求，并为了满足这些需求选择热处理方法，同时也兼顾到生产过程中的技术难题来做出最佳的选择，旨在寻求最优性价比。镗杆的制作材质繁多，其中选择了广泛应用于轴类产品的45号高品质碳素结构钢作为首选。以下是关于45号钢主要机械特性数据表格：材料牌号热处理毛坯直径硬度抗拉强度屈服点弯曲疲劳极限扭转疲劳极限许用静应力许用疲劳应力MPa不小于MPaMPa45正火25≤241610360260150244173～200正火回火≤100＞100～300＞300～500＞500～750170～217162～217156～217600181565540300290281270240235225215140135130125240238224216160～184156～181150～173143～165调质≤200217～255650360270155260181181～2074.1.2镗杆的尺寸设计修复设备主要用于修复挖掘机铲斗轴心上的孔洞，但它的设计也能适应各种生活环境。考虑到挖掘机上孔的尺寸和两孔间距存在差异，设计者根据孔径大小和孔间距的不同，开发了三种规格的镗杆，以适应不同的修复需求。这种灵活的设计方式保证了修复机能够适应各种不同的工作环境，从而提升了其实际使用和效率。修复机的设计考虑到不同规格型号的挖掘机铲斗转轴孔的特点，提供了三种不同规格的镗杆，以满足不同的修复需求：1.一般类型：这种型号适用于修复标准尺寸挖掘机铲斗转轴。镗杆尺寸为2600mm×Ф50mm，适用于常见的孔径和孔距。2.轻型：设计用于修复较小孔径但孔较长的情况。镗杆的规格为2000×Ф40mm，适合于需要精细操作的场合。3.重型：适用于较粗的孔且孔间距较短的修复任务。镗杆的规格为2820mm×Ф60mm，能够处理更为坚固和宽阔的孔洞。通过调整镗杆的长度和直径，修复机能够适应各种不同的工作环境和要求，从而扩大了其应用范围，提高了其多功能性和实用性。由于在整台机器中有多个零件与镗杆相连，所以镗杆的尺寸设计必须首先考虑。镗杆的尺寸决定了与之相连的零件的尺寸。为了设计镗杆的尺寸，测量挖掘机铲子的旋转轴孔，考虑到修理机的整体组装，镗杆的尺寸如图4.2。图4.2镗杆尺寸示意图鉴于实际的矿业生产中存在众多的挖掘机类型，因此在规划镗杆尺寸时也依据各种挖掘机类型设计了若干种不同的镗杆，以确保修复设备能够处理各种孔径。4.1.3镗杆的装配镗杆是整个工作流程的核心，因此必须与许多部件配合使用。只有通过适当的协调，才能确保镗杆的正常运行并避免出现各种不必要的问题。（1）与带轮的装配如图4.3：图4.3带轮与镗杆的装配示意图为了确保能承载一定程度的圆周力和线圈扭矩并方便取下，选择使用带有锁环和平垫片的标准联接方式来固定钻头到齿盘之间。此外，在齿盘侧面设置了一个阻塞器以增加其稳定性和强度;并在该位置预先开好两个对穿式丝扣口以便后续加装自攻螺栓用于进一步加强整体结构牢度。（2）与圆锥双列滚动轴承的配合如下是圆锥双列滚动轴承与镗杆的配合图：这个配合在设计过程中起着至关重要的作用，它通过过盈配合将进给运动传递给镗杆。同时，这并不会妨碍镗杆进行轴向旋转。观察整个组件图后可知，双列圆锥滚子轴承在机械运行中需要承担巨大的径向压力，因此在安装阶段需特别注意其稳定性。为了确保其定位，首先通过焊接的方式将两个垫片和轴承的顶部及底部相连，并在镗杆部分预留一段轴肩以避免轴承发生轴向位移。接着使用挡板将这两个垫片相互联结并加以螺栓锁定。此外，在镗杆最边缘处添加了弹簧环，这有助于阻止轴承向相反方向滑动。图4.4轴承与镗杆装配示意图与镗刀的配合图4.5镗杆与刀具的装配示意图根据图4.5可见：在不同的位置上，需挖两个凹坑以方便安装镗刀，同时在另一面打孔以安装螺纹，通过螺纹的调节，确保镗刀稳固地固定在镗杆上。配合圆柱滚子轴承（也就是与固定设备的配合）图4.6展示了镗杆与固定设备的装配过程如图4.6，钻头和圆球滚珠轴承之间的匹配是通过空隙来实现的。为确保钻杆不会发生垂直或水平摇摆，采用了在钻杆内嵌入圆球滚珠轴承的方式。此外，在轴承的各个部位安装了连结器。在设备启动之前，将连结器固定到需要修理的孔壁处;而在停止使用后，会将其取出。这样既实现了钻杆的轴向旋转功能，又满足了其横向运动需求。4.2镗刀的设计和计算4.2.1镗刀的选定在机器修理工作中，用于削减的工具叫做镗刀，因为在削减过程中所受的力很大，所以这种镗刀必须具有适当的硬度、强度和耐磨性等特点。通常选择市场上常见的Cr2钢材料制成微调刀具，如图4.8所示。图4.8镗刀尺寸示意图刀具可承受高强度、拉力、轴向力，具有良好的耐磨性。最重要的是，对刀，可以根据尺寸进行调整。4.2.2镗刀的工作原理镗削是一种车削工艺，通过刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径，适用范围从半粗加工到精加工，常用的刀具是单刃镗刀（镗杆）。本单刃微调精镗刀用于孔加工，它由刀体与刀杆组成，其特征在于：在刀体内部设有可滑动刀夹，在刀夹内部设有微调螺母，微调螺杆穿过限位螺母，限位衬套与刀体连接在一起。微调螺母与微调螺杆组成螺纹传动机构，刀夹末端设有刀杆并通过锁紧螺钉紧固，刀杆末端设有刀片。微调螺杆的一端设有刻度盘和安装在刻度盘和限位螺母间的蝶形弹簧。相较于目前市场上的微调精镗刀，这种创新的结构设计更为紧凑，并且通过螺纹传动机构进行调整更为便捷。它特别适用于直径在2mm至150mm之间的镗孔，每旋转一个刻度盘，其精度可以达到0.01mm,调整范围广泛且精度上乘。

4.2.3镗刀的位置据孔的布置来确定镗刀位置，如图4.9为某型挖掘机铲斗转轴上实测的孔:图4.9镗刀位置示意图从图像中可以看出，在修补的过程中，镗刀需要经过两个相似的洞穴。因此，必须精确地确定这两种镗刀的位置。根据图像显示，这两个洞穴间的间距是200毫米，所以在设计阶段就使两把镗刀保持了这个距离。此外，镗刀和孔之间有40毫米的空间间隔，且其角度与水平面呈53度的倾斜状态。4.3固定装置在机械加工过程中，镗杆在镗削过程中将承受巨大的轴向力和径向力。因此，夹具设计的主要目的是减少振动，保证加工的顺利进行。同时，支架的连接方式可以防止工具碰撞，更重要的是便于目视检查和测量。在刀具准备就绪后，需要把两个圆柱滚子轴承分别装在镗杆上，并且需要特别留意以下几点：1）在制造连接架的过程中，必须确保每一个连接架的尺寸都是一致的。2）在焊接过程中，应确保每个连接框架与圆柱滚子轴承的轴线形成的角度一致。3)所选择的连接框架材料应确保足够高的刚度和硬度，避免敲击过程中发生弯曲变形。4.4轴的强度和刚度计算4.4.1轴的刚度计算1）按转矩估算有三类方式用于对轴的强度进行评估，这里采用的是基于扭矩的方法。该策略依据的是轴承受的扭矩大小来推断。当轴也受到轻微的弯曲力时，可以通过减少允许的应力值来进一步考量。此种手段的主要目的是为了初始阶段设定轴的大小，然后以此为基础开展轴的设计工作。一般情况下，也可以把这个数值视为最终的结果。关于实心的轴的直径计算公式的表达式如下：式中d为计算剖面处轴的直径（mm）T为轴传递的额定转矩（N•mm）T=9550000P/nP为轴传递的额定功率（kw）n为轴的转速（r/mm）[t]为轴的许用转应力2）安全系数校核计算轴在计算安全系数时，需考虑两个因素，一是疲劳强度，二是静强度安全系数。在选取危险截面时，要考虑到计算弯矩和截面积最大以及应力集中程度最高，也就是实际应力最高的截面。判断标准为s≥[s]。如果该公式不能满足，应对镗杆轴的构造进行优化以减少应力集中。轴的疲劳强度是根据长期在轴上施加的最大变形负荷来进行核查和计算。计算方法如下：在公式里，St是只考虑弯矩影响的安全系数。S6为只考虑扭矩作用时的安全系数；[s]根据疲劳强度计算的可用安全系数见表4.1。表4.1[S]选择条件1.3～1.51.5～1.81.8～2.5载荷确定精确，材料性质较均匀载荷确定不够精确，材料性质不够均匀载荷确定不精确，材料性质均匀度较差3）轴静