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中國礦業(yè)大學(xué)2007屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第81頁
1 概述
1.1采煤機(jī)的發(fā)展概況
機(jī)械化采煤開始于二十世紀(jì)40年代，是隨著采煤機(jī)械的出現(xiàn)而開始的。40年代初期，英國、蘇聯(lián)相繼生產(chǎn)了采煤機(jī)，德國生產(chǎn)了刨煤機(jī)，使工作面落煤、裝煤實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。但當(dāng)時(shí)的采煤機(jī)都是鏈?zhǔn)焦ぷ鳈C(jī)構(gòu)，能耗大、效率低，加上工作面輸送機(jī)不能自移，所以限制了采煤機(jī)生產(chǎn)率的提高。
50年代初期，英國、德國相繼生產(chǎn)出滾筒式采煤機(jī)、可彎曲刮板輸送機(jī)和單體液壓支柱，大大推進(jìn)了采煤機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展。由于當(dāng)時(shí)采煤機(jī)上的滾筒是死滾筒，不能實(shí)現(xiàn)調(diào)高，因而限制了采煤機(jī)的適用范圍，我們稱這種固定滾筒采煤機(jī)為第一代采煤機(jī)。
60年代是世界綜采技術(shù)的發(fā)展時(shí)期，第二代采煤機(jī)——單搖臂滾筒采煤機(jī)的出現(xiàn)，解決了采高調(diào)整問題，擴(kuò)大了采煤機(jī)的適用范圍，特別是1964年第三代采煤機(jī)——雙搖臂滾筒采煤機(jī)的出現(xiàn)，進(jìn)一步解決了工作面自開缺口的問題，再加上液壓支架和可彎曲輸送機(jī)的不斷完善等等，把綜采技術(shù)推向了一個(gè)新水平，并且在生產(chǎn)中顯示了綜采機(jī)械化采煤的優(yōu)越性——高產(chǎn)、高效、安全和經(jīng)濟(jì)。
進(jìn)入70年代，綜采機(jī)械化得到了進(jìn)一步的發(fā)展和提高，綜采設(shè)備開始向大功率、高效率及完善性能和擴(kuò)大使用范圍等方向發(fā)展。1970年采煤機(jī)無鏈牽引系統(tǒng)的研制成功以及1976年出現(xiàn)的第四代采煤機(jī)——電牽引采煤機(jī)，大大改善了采煤機(jī)的性能，并擴(kuò)大了它的使用范圍。
80年代，德國、美國、英國都開發(fā)成功各種交、直流電牽引采煤機(jī)，同時(shí)把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)用在采煤機(jī)上。并且開始重視系列化采煤機(jī)的開發(fā)工作，一種功率的采煤機(jī)可以派生出多種機(jī)型，主要元部件在不同功率的采煤機(jī)上都能通用，這樣不僅擴(kuò)大了工作面的適應(yīng)范圍，而且便于用戶配件的管理。采煤機(jī)系列化是20世紀(jì)80年代采煤機(jī)發(fā)展中非常突出的特點(diǎn)。
至此，緩傾斜中厚煤層的綜采機(jī)械化問題已經(jīng)基本得到解決，專家開始對實(shí)現(xiàn)厚煤層、薄煤層、急傾斜及其它難采煤層開采的綜采機(jī)械的研發(fā)，以適用不同的開采條件。
1.2國內(nèi)電牽引采煤機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)及趨勢
1.2.1采煤機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)
⑴電牽引采煤機(jī)已成為國內(nèi)采煤機(jī)的研究重點(diǎn)
國內(nèi)從90年代初已逐步停止研究開發(fā)液壓牽引采煤機(jī)將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向電牽引采煤機(jī);通過交流、直流電牽引采煤機(jī)的對比研究，已基本確定以交流變頻調(diào)速電牽引采煤機(jī)為今后電牽引采煤機(jī)的發(fā)展方向。電牽引替代液壓牽引，交流調(diào)速代替直流調(diào)速已成為國內(nèi)采煤機(jī)的發(fā)展方向。
⑵裝機(jī)功率不斷增加
為了滿足高產(chǎn)高效綜采工作面快速割煤對采煤機(jī)的高強(qiáng)度、高性能需要，不論是厚、中厚煤層還是薄煤層采煤機(jī)，其裝機(jī)功率(包括截割功率和牽引功率)均在不斷加大，最大已達(dá)1020kW，其中截割電機(jī)功率達(dá)450k W，牽引電機(jī)功率達(dá)2×50kW。
⑶牽引速度和牽引力不斷增大
電牽引采煤機(jī)最大牽引速度已達(dá)14.5m/min，牽引力已普遍增大到450～600kN。
⑷電機(jī)橫向布置總體結(jié)構(gòu)發(fā)展迅速
近年來，我國基本停止了截割電左尼縱向布置采煤機(jī)的研制，新研制的采煤機(jī)中已廣泛采用了多電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向布置的總體結(jié)構(gòu)。
⑸控制系統(tǒng)日趨完善
采煤機(jī)電氣控制功能逐步齊全，可靠性不斷提高，在通用性互換性和集成化等方面已有較大進(jìn)步；開發(fā)了可靠的防爆全中文界面的PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、監(jiān)測功能，以及故障記憶和診斷功能;研制成功井下無線電離機(jī)控制并得到推廣使用。
⑹滾筒截深不斷增大
目前已由630mm增至800mm，預(yù)計(jì)今后可能增至1000mm。
⑺采煤機(jī)的可靠性將成為國產(chǎn)采煤機(jī)越來越重要的性能指標(biāo)
隨著高產(chǎn)高效礦井的建設(shè)和發(fā)展，要求采煤工作面逐步達(dá)到日產(chǎn)7000～10000t水平。采煤機(jī)及其系統(tǒng)的可靠性將成為影響礦井原煤產(chǎn)量關(guān)鍵因素越來越受到重視，成為中國采煤機(jī)越來越重要的綜合性能指標(biāo)。
1.2.2采煤機(jī)的發(fā)展趨勢
電牽引采煤機(jī)經(jīng)過25年的發(fā)展，技術(shù)已趨成熟。新一代大功率電牽引采煤機(jī)已集中采用了當(dāng)今世界最先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)成為具有人工智能的高自
動(dòng)化機(jī)電設(shè)備代替液壓牽引已成必然。技術(shù)發(fā)展趨勢可簡要?dú)w結(jié)如下:
⑴電牽引系統(tǒng)向交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)發(fā)展。
⑵結(jié)構(gòu)形式向多電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向布置發(fā)展。
⑶監(jiān)控技術(shù)向自動(dòng)化、智能化、工作面系統(tǒng)控制及遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)展。
⑷性能參數(shù)向大功率、高參數(shù)發(fā)展。
⑸綜合性能向高可靠性和高利用率發(fā)展。
國內(nèi)電牽引采煤機(jī)研制方向與國際發(fā)展基本一致經(jīng)過近15年的研究，已取得較大進(jìn)展但離國際先進(jìn)水平特別是在監(jiān)控技術(shù)及可靠性方面尚有較
大差距，必須進(jìn)行大量的技術(shù)和試驗(yàn)研究。
1.3采煤機(jī)類型及組成
1.3.1采煤機(jī)類型
滾筒采煤機(jī)的類型很多，可按滾筒數(shù)目、行走機(jī)構(gòu)形式、行走驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)速傳動(dòng)方式、行走部布置位置、機(jī)身與工作面輸送乳汁機(jī)配合導(dǎo)向方式、總體結(jié)構(gòu)布置方式等分類。
按滾筒數(shù)目分為單滾筒和雙滾筒采煤機(jī)，其中雙滾筒采煤機(jī)應(yīng)用最普遍。按行走機(jī)構(gòu)形式分鋼絲繩牽引、鏈牽引和無鏈牽引采煤機(jī)。按行走驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)速方式分機(jī)械調(diào)速、液壓調(diào)速和電氣調(diào)速滾筒采煤機(jī)（通常簡稱機(jī)械牽引、液壓牽引和電牽引采煤機(jī)）。按行走部布置位置分內(nèi)牽引和外牽引采煤機(jī)。按機(jī)身與工作面輸送機(jī)的配合導(dǎo)向方式分騎槽式和爬底板式采煤機(jī)。按總體結(jié)構(gòu)布置方式分截割（主）電動(dòng)機(jī)縱向布置在搖臂上的采煤機(jī)和截割（主）電動(dòng)機(jī)橫向布置在機(jī)身上的采煤機(jī)、截割電動(dòng)機(jī)橫向布置在搖臂上的采煤機(jī)。按適用的煤層厚度分厚煤層、中厚煤層和薄煤層采煤機(jī)。按適用的煤層傾角分緩斜、大傾角和急斜煤層采煤機(jī)。
1.3.2采煤機(jī)的組成
采煤機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、牽引部、截割部和附屬裝置等部分組成（如圖1.1）。
電動(dòng)機(jī)：是滾筒采煤機(jī)的動(dòng)力部分，它通過兩端輸出軸分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)截割部和牽引部。采煤機(jī)的電動(dòng)機(jī)都是防爆的，而且通常都采用定子水冷，以縮小電動(dòng)機(jī)的尺寸。
牽引部：通過其主動(dòng)鏈輪與固定在工作面輸送機(jī)兩端的牽引鏈3相嚙合，使采煤機(jī)沿工作面移動(dòng)，因此，牽引部是采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)。
左、右截割部減速箱：將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力經(jīng)齒輪減速后傳給搖臂5的齒輪，驅(qū)動(dòng)滾筒6旋轉(zhuǎn)。
滾筒：是采煤機(jī)落煤和裝煤的工作機(jī)構(gòu)，滾筒上焊有端盤及螺旋葉片，其上裝有截齒。螺旋葉片將截齒割下的煤裝到刮板輸送機(jī)中。為提高螺旋滾筒的裝煤效果，滾筒一側(cè)裝有弧形擋煤板7，它可以根據(jù)不同的采煤方向來回翻轉(zhuǎn)180°。
如圖1.1 雙滾筒采煤機(jī)
底托架：是固定和承托整臺(tái)采煤機(jī)的底架，通過其下部四個(gè)滑靴9將采煤機(jī)騎在刮板輸送機(jī)的槽幫上，其中采空區(qū)側(cè)兩個(gè)滑靴套在輸送機(jī)的導(dǎo)向管上，以保證采煤機(jī)的可靠導(dǎo)向。
調(diào)高油缸：可使搖臂連同滾筒升降，以調(diào)節(jié)采煤機(jī)的采高。
調(diào)斜油缸：用于調(diào)整采煤機(jī)的縱向傾斜度，以適應(yīng)煤層沿走向起伏不平時(shí)的截割要求。
電氣控制箱：內(nèi)部裝有各種電控元件，用于采煤機(jī)的各種電氣控制和保護(hù)。
此外，為降低電動(dòng)機(jī)和牽引部的溫度并提供內(nèi)外噴霧降塵用水，采煤機(jī)設(shè)有專門的供水系統(tǒng)。采煤機(jī)的電纜和水管夾持在拖纜裝置內(nèi)，并由采煤機(jī)拉動(dòng)在工作面輸送機(jī)的電纜槽中卷起或展開。
1.4采煤機(jī)總體方案的確定
采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)、橫向布置（電機(jī)）積木組合，各部件之間為干式對接，可采中厚偏薄煤層中的硬煤。是比較理想的更新?lián)Q代機(jī)型。
1.4.1．適用范圍
該機(jī)主要定位適用于傾角的中厚偏薄煤層的開采，煤層中不應(yīng)有堅(jiān)硬的或較厚的該類夾雜物，以及落差較大的斷層。
1.4.2．主要技術(shù)參數(shù)
主要技術(shù)參數(shù)及配套設(shè)備：
采高（m）：1.5～3.2；
適應(yīng)傾角（°）：≤15；
煤質(zhì)硬度 : f≤4；
機(jī)面高度（m）：1.1；
過煤高度（m）： 0.366 ；
機(jī)重（T）：36
牽引速度(m/min)： 0～7.5；
牽引力（KN）：524；
截深（m）：0.63
滾筒直徑 （m）： ￠1.6
電壓（V）：1140；
臥底量（m）：0.403（￠1.6m滾筒）；
滾筒水平中心距（m）：10.517；
搖臂回轉(zhuǎn)中心距（m）：6.4；
牽引形式 ：機(jī)載交流變頻調(diào)速銷軌式；
調(diào)高泵型號：A2F12R4P1 ；
泵電機(jī)型號：YBRB-11 ；
截割電機(jī)型號：YBCS3-250C ；
牽引電機(jī)型號：YBQYS3-40
供水泵型號：PB-320/6.3
裝機(jī)功率（KW）：591
（其中兩個(gè)截割電機(jī)2×250KW 兩個(gè)牽引電機(jī)2×40KW，一個(gè)泵電機(jī)11KW，共計(jì)2×250＋2×40＋11=591KW）
1.4.3整機(jī)主要特點(diǎn)
1）機(jī)身矮，裝機(jī)功率大。截割電機(jī)容量調(diào)整范圍寬。通過調(diào)整截割電機(jī)的容量，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)多型。
2）整機(jī)為無底托架積木式組合結(jié)構(gòu)。各部件之間為干式對接，對接面之間無任何機(jī)械或液壓傳動(dòng)關(guān)系。機(jī)身三大部件之間使用高強(qiáng)度 T形螺栓和四個(gè)楔形啞鈴銷以及兩個(gè)Φ150定位銷連接和緊固，提高了大部件之間聯(lián)接的可靠性。
3）截割電機(jī)、牽引電機(jī)的啟動(dòng)、停止等操作采用旋轉(zhuǎn)開關(guān)控制外，其余控制如牽引速度調(diào)整、方向設(shè)定、左右搖臂的升降，急停等操作均由設(shè)在機(jī)身兩端操作站的按鈕進(jìn)行控制，操作簡單、方便。
4）所有電機(jī)橫向布置。機(jī)械傳動(dòng)都是直齒傳動(dòng)。電機(jī)、行走箱驅(qū)動(dòng)輪組件等均可從老塘側(cè)抽出。故傳動(dòng)效率高，容易安裝和維護(hù)。
5）液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，采用集成閥塊結(jié)構(gòu)，管路少，連接可靠；經(jīng)常調(diào)整的閥設(shè)在液壓箱體外，便于檢修和更換；
6）截割機(jī)械傳動(dòng)鏈設(shè)有扭矩軸過載保護(hù)裝置，并可設(shè)有強(qiáng)制潤滑冷卻系統(tǒng)，提高了傳動(dòng)件，支承件的使用壽命。
7）截割部采用四行星單浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，承載能力大，減小了結(jié)構(gòu)尺寸。采用大角度彎搖臂設(shè)計(jì)，加大過煤空間，提高裝煤效果，臥底量大
8）調(diào)高油缸與調(diào)高液壓鎖采用分離布置，液壓鎖置于殼體空腔內(nèi)，打開蓋板即可取出液壓鎖，方便井下查找故障和更換調(diào)高油缸、液壓鎖等維修工作。
9）行走箱與牽引部為干式對接，拆行走箱后，牽引部不漏油。行走箱內(nèi)為干油潤滑，行走輪軸承壽命高。
1.4.4主要結(jié)構(gòu)及組成確定
該采煤機(jī)主要由以下幾部分組成。左、右搖臂，裝在搖臂上的兩臺(tái)250KW電機(jī)，左、右螺旋滾筒等組成左右對稱的兩大可搖動(dòng)調(diào)高的截割機(jī)構(gòu)；左、右行走部；左、右牽引部；液壓傳動(dòng)部和電控部以及底托架等組成主體部分。下面分別裝有導(dǎo)向及平滑靴，調(diào)高油缸等。此外還有內(nèi)外噴霧冷卻系統(tǒng)。
1）搖臂截割機(jī)構(gòu)
采煤機(jī)截割部都采用齒輪傳動(dòng)，常見的傳動(dòng)方式有以下幾種：
⑴電動(dòng)機(jī)—固定減速箱—搖臂—滾筒(如圖1.2(a))。這種傳動(dòng)方式的特點(diǎn)是傳動(dòng)簡單，搖臂從固定減速箱端部伸出，支承可靠，強(qiáng)度和剛度好。但搖臂下降的最低位置受輸送機(jī)限制，故臥底量較小。DY-150、BM-100型采煤機(jī)均采用這種傳動(dòng)方式。
⑵電動(dòng)機(jī)—固定減速箱—搖臂—行星齒輪傳動(dòng)—滾筒(圖1.2(b))。這種方式在滾筒內(nèi)裝了行星傳動(dòng)，故前幾級傳動(dòng)比減小，簡化了傳動(dòng)系統(tǒng)，但筒殼尺寸卻增大了，故這種傳動(dòng)方式適用于中厚煤層采煤機(jī)，如在MLS3 -170、MXA-300、AM-500和MG系列等型采煤機(jī)中采用。
⑶電動(dòng)機(jī)—減速箱—滾筒(圖1.2(c))。這種傳動(dòng)方式取消了搖臂，靠由電動(dòng)機(jī)、減速箱和滾筒組成的截割部來調(diào)高(稱為機(jī)身調(diào)高)，使齒輪數(shù)大大減少，機(jī)殼的強(qiáng)度、剛度增大，且調(diào)高范圍大，采煤機(jī)機(jī)身也可縮短，有利于采煤機(jī)開缺口工作。MXP-240和DTS-300型采煤機(jī)采用這種傳動(dòng)方式。
⑷電動(dòng)機(jī)—搖臂—行星齒輪傳動(dòng)—滾筒(圖1.2(d))。這種傳動(dòng)方式的電動(dòng)機(jī)軸與滾筒軸平行，取消了容易損壞的錐齒輪，使傳動(dòng)更加簡單，而且調(diào)高范圍大，機(jī)身長度小。新的電牽引采煤機(jī)都采取這種傳動(dòng)方式。
圖1.2 截割部傳動(dòng)方式
1－電動(dòng)機(jī)；12－固定減速箱；3－搖臂；4－滾筒；
5－行星齒輪傳動(dòng)； 6－泵箱；7－機(jī)身及牽引部
對比以上傳動(dòng)方式，本采煤機(jī)截割部傳動(dòng)方式為:電動(dòng)機(jī)—搖臂—行星齒輪傳動(dòng)—滾筒。（如圖1.3）該截割部采用銷軸與牽引部聯(lián)結(jié)，截割電機(jī)橫向布置在搖臂上，搖臂和機(jī)身連接沒有動(dòng)力傳遞，取消了縱向布置結(jié)構(gòu)中的螺旋傘齒輪和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的通軸。
圖1.3 截割部傳動(dòng)系統(tǒng)
2)牽引機(jī)構(gòu)
該部分主要由左右牽引箱、牽引電動(dòng)機(jī)組成，牽引箱中裝有變量主油泵、輔助油泵、調(diào)高油泵、閥組和調(diào)速機(jī)構(gòu)、過濾器等；牽引箱中有與主油泵基本相同的定量馬達(dá)和減速機(jī)構(gòu)。
3）牽引機(jī)構(gòu)及調(diào)高系統(tǒng)
無鏈牽引選用廣泛使用的銷排式傳動(dòng)，方便配套；調(diào)高油缸選用用量最廣的標(biāo)準(zhǔn)油缸。方便維修及更換備件。
2截割部的設(shè)計(jì)及計(jì)算
2.1電動(dòng)機(jī)的選擇
設(shè)計(jì)要求截割部功率為250KW，根據(jù)礦井電機(jī)的具體工作環(huán)境情況，電機(jī)必須具有防爆和電火花的安全性，以保證在有爆炸危險(xiǎn)的含煤塵和瓦斯的空氣中絕對安全，而且電機(jī)工作要可靠，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，效率高。所以選擇由撫順廠生產(chǎn)的三相鼠籠異步防爆電動(dòng)機(jī)，型號為YBCS3-250C ；其主要參數(shù)如下：
額定功率：250KW；
額定電壓：1140V；
滿載電流：157A；
額定轉(zhuǎn)速：1476r/min；
滿載效率：0.920；
絕緣等級： H；
滿載功率因數(shù)：0.85；
接線方式：Y；
質(zhì)量： 1380KG；
冷卻方式：外殼水冷
該電動(dòng)機(jī)輸出軸上帶有漸開線花鍵，通過該花鍵電機(jī)將輸出的動(dòng)力傳遞給搖臂的齒輪減速機(jī)構(gòu)。
2.2總傳動(dòng)比及傳動(dòng)比的分配
2.2.1總傳動(dòng)比的確定
滾筒上截齒的切線速度，稱為截割速度，它可由滾筒的轉(zhuǎn)速和直徑計(jì)算而得，為了減少滾筒截割產(chǎn)生的細(xì)煤和粉塵，增大塊煤率，滾筒的轉(zhuǎn)速出現(xiàn)低速化的趨勢。滾筒轉(zhuǎn)速對滾筒截割和裝載過程影響都很大；但對粉塵生成和截齒使用壽命影響較大的是截割速度而不是滾筒轉(zhuǎn)速。
總傳動(dòng)比
——電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速 r/min
——滾筒轉(zhuǎn)速 r/min
2.2.2傳動(dòng)比的分配
在進(jìn)行多級傳動(dòng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，傳動(dòng)比分配是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，能否合理分配傳動(dòng)比，將直接影響到傳動(dòng)系統(tǒng)的外闊尺寸、重量、結(jié)構(gòu)、潤滑條件、成本及工作能力。多級傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的確定有如下原則：
1.各級傳動(dòng)的傳動(dòng)比一般應(yīng)在常用值范圍內(nèi)，不應(yīng)超過所允許的最大值，以符合其傳動(dòng)形式的工作特點(diǎn)，使減速器獲得最小外形。
2.各級傳動(dòng)間應(yīng)做到尺寸協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)勻稱；各傳動(dòng)件彼此間不應(yīng)發(fā)生干涉碰撞；所有傳動(dòng)零件應(yīng)便于安裝。
3.使各級傳動(dòng)的承載能力接近相等，即要達(dá)到等強(qiáng)度。
4.使各級傳動(dòng)中的大齒輪進(jìn)入油中的深度大致相等，從而使?jié)櫥容^方便。
由于采煤機(jī)在工作過程中常有過載和沖擊載荷，維修比較困難，空間限制又比較嚴(yán)格，故對行星齒輪減速裝置提出了很高要求。因此，這里先確定行星減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比。
設(shè)計(jì)采用NGW型行星減速裝置，其工作原理如下圖所示（圖2.1）：
a太陽輪 b內(nèi)齒圈
c行星輪 x行星架
圖2.1 NGW型行星機(jī)構(gòu)
該行星齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由太陽輪a、內(nèi)齒圈b、行星輪c、行星架x等組成。傳動(dòng)時(shí)，內(nèi)齒圈b固定不動(dòng)，太陽輪a為主動(dòng)輪，行星架x上的行星輪c繞自身的軸線ox—ox轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)行星架X回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)減速。運(yùn)轉(zhuǎn)中，軸線ox—ox是轉(zhuǎn)動(dòng)的。
這種型號的行星減速裝置，效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、傳動(dòng)功率范圍大，可用于各種工作條件。因此，它用在采煤機(jī)截割部最后一級減速是合適的，該型號行星傳動(dòng)減速機(jī)構(gòu)的使用效率為0.97～0.99,傳動(dòng)比一般為2.1～13.7。如圖2.3，當(dāng)內(nèi)齒圈b固定，以太陽輪a為主動(dòng)件，行星架c為從動(dòng)件時(shí)，傳動(dòng)比的推薦值為2.7～9。從《采掘機(jī)械與支護(hù)設(shè)備》上可知,采煤機(jī)截割部行星減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比一般為5～6。所以這里先定行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比：
則其他三級減速機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比：
根據(jù)前述多級減速齒輪的傳動(dòng)比分配原則及齒輪不發(fā)生根切的最小齒數(shù)為17為依據(jù)，另參考MG250/591型采煤機(jī)截割部各齒輪齒數(shù)分配原則，初定齒數(shù)及各級傳動(dòng)比為：
2.3截割部傳動(dòng)計(jì)算
2.3.1各級傳動(dòng)轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩
各軸轉(zhuǎn)速計(jì)算：
從電動(dòng)機(jī)出來，各軸依次命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、、Ⅷ軸。
Ⅰ軸 r/min
Ⅲ軸
Ⅳ軸
Ⅶ軸
各軸功率計(jì)算：
Ⅰ軸
kW
Ⅱ軸
kW
Ⅲ軸
kW
Ⅳ軸
kW
Ⅴ軸
kW
Ⅵ軸
kW
Ⅶ軸
kW
式中 ——滾動(dòng)軸承效率 =0.99
——閉式圓柱齒輪效率 =0.97
——花鍵效率 =0.99
各軸扭矩計(jì)算:
Ⅰ軸
Ⅲ軸
Ⅳ軸
Ⅶ軸
將上述計(jì)算結(jié)果列入下表（表2.1）：
軸號
輸出功率
P（kW）
轉(zhuǎn)速n(r/min)
輸出轉(zhuǎn)矩T/(N·m)
傳動(dòng)比
Ⅰ軸
245
1476
1585
1.79
Ⅱ軸
237.67
Ⅲ軸
225.96
824.58
2617
Ⅳ軸
214.81
528.58
3881
1.56
Ⅴ軸
206.29
2.29
Ⅵ軸
198
Ⅶ軸
188.33
230.8
7792.68
2.3.2 截割部齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算
齒輪1和惰輪2的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核，具體計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果如下：
計(jì)算過程及說明
計(jì)算結(jié)果
1)選擇齒輪材料
查文獻(xiàn)1表8-17 兩個(gè)齒輪都選用20GrMnTi滲碳淬火
2)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
確定齒輪傳動(dòng)精度等級，按估取圓周速度，參考文獻(xiàn)1表8－14，表8－15選取
小輪分度圓直徑，由式文獻(xiàn)1（8－64）得
齒寬系數(shù)：查文獻(xiàn)1表8－23按齒輪相對軸承為非對稱布置，取
＝0．6
小輪齒數(shù)：
=19
惰輪齒數(shù)：
＝
齒數(shù)比 ：
＝
傳動(dòng)比誤差 誤差在范圍內(nèi)
小輪轉(zhuǎn)矩：
載荷系數(shù)：
由文獻(xiàn)1式（8－54）得
使用系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－20
＝1．75
動(dòng)載荷系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－57
＝1．11
齒向載荷分布系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－60
＝1.08
齒間載荷分配系數(shù)：
由文獻(xiàn)1式(8－55)及得
查文獻(xiàn)1表8－21并插值
則載荷系數(shù)的初值
彈性系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－2
節(jié)點(diǎn)影響系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8-64
重合度系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－65
許用接觸應(yīng)力：
由文獻(xiàn)1式 得
＝
接觸疲勞極限應(yīng)力：
查文獻(xiàn)1圖8－69
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
由文獻(xiàn)1式得
則 查文獻(xiàn)1圖8－70得接觸強(qiáng)度得壽命系數(shù)
,(不許有點(diǎn)蝕)
硬化系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－71及說明
＝1
接觸強(qiáng)度安全系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－27，按較高可靠度查，
取
故的設(shè)計(jì)初值為
齒輪模數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－3
小齒分度圓直徑的參數(shù)圓整值：
圓周速度：
與估取很相近，對取值影響不大，不必修正
＝1.11，
小輪分度圓直徑：
惰輪分度圓直徑：
中心距 ：
圓整
齒寬：
惰輪齒寬：
小輪齒寬：
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度效荷計(jì)算
由文獻(xiàn)1式
齒形系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－67
小輪
大輪
應(yīng)力修正系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－68
小輪
大輪
重合度系數(shù)：
由文獻(xiàn)1式8－67
許用彎曲應(yīng)力：
由文獻(xiàn)1式8－71
彎曲疲勞極限：
查文獻(xiàn)1圖8－72
彎曲壽命系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－73
尺寸系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－74
安全系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－27
則
4. 齒輪幾何尺寸計(jì)算
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
基圓直徑：
齒距：
齒厚：
齒槽寬e：
基圓齒距：
法向齒距：
頂隙：
HRC 56～62
公差組7級
＝0．6
=19
＝33
＝1.73
合適
＝1．75
＝1．11
＝1.08
＝1.0
＝2.5
＝0.8970
＝1
齒根彎曲強(qiáng)度
足夠
齒輪4和齒輪5的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核，具體計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果如下
1)選擇齒輪材料
查文獻(xiàn)1表8-17 兩個(gè)齒輪都選用20GrMnTi滲碳淬火
2)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
確定齒輪傳動(dòng)精度等級，按估取圓周速度，參考文獻(xiàn)1表8－14，表8－15選取
小輪分度圓直徑，由式文獻(xiàn)1（8－64）得
齒寬系數(shù)：查文獻(xiàn)1表8－23按齒輪相對軸承為非對稱布置，取
＝0．6
小齒輪齒數(shù)：
=23
大齒輪齒數(shù)：
＝
齒數(shù)比 ：
＝
傳動(dòng)比誤差 誤差在范圍內(nèi)
小輪轉(zhuǎn)矩：
載荷系數(shù)：
由文獻(xiàn)1式（8－54）得
使用系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－20
＝1．75
動(dòng)載荷系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－57
＝1．15
齒向載荷分布系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－60
＝1.08
齒間載荷分配系數(shù)：
由文獻(xiàn)1式(8－55)及得
查文獻(xiàn)1表8－21并插值
＝1.0
則載荷系數(shù)的初值
彈性系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－2
節(jié)點(diǎn)影響系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8-64
重合度系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－65
許用接觸應(yīng)力：
由文獻(xiàn)1式 得
＝
接觸疲勞極限應(yīng)力：
查文獻(xiàn)1圖8－69
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
由文獻(xiàn)1式得
則 查文獻(xiàn)1圖8－70得接觸強(qiáng)度得壽命系數(shù)
,(不許有點(diǎn)蝕)
硬化系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－71及說明
＝1
接觸強(qiáng)度安全系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－27，按較高可靠度查，
取
故的設(shè)計(jì)初值為
齒輪模數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－3
小齒分度圓直徑的參數(shù)圓整值：
圓周速度：
與估取很相近，對取值影響不大，不必修正
小輪分度圓直徑：
大輪分度圓直徑：
中心距 ：
圓整
齒寬：
大齒輪輪齒寬：
小輪齒寬：
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度效荷計(jì)算
由文獻(xiàn)1式
齒形系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－67
小輪
大輪
應(yīng)力修正系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－68
小輪
大輪
重合度系數(shù)：
由文獻(xiàn)1式8－67
許用彎曲應(yīng)力：
由文獻(xiàn)1式8－71
彎曲疲勞極限：
查文獻(xiàn)1圖8－72
彎曲壽命系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－73
尺寸系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－74
安全系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－27
則
4. 齒輪幾何尺寸計(jì)算
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
基圓直徑：
齒距：
齒厚：
齒槽寬e：
基圓齒距：
法向齒距：
頂隙：
HRC 56～62
公差組7級
＝0．6
=23
＝36
＝1.56
合適
＝1．75
＝1.08
＝1.0
7
＝2.5
＝0.88
＝1
齒根彎曲強(qiáng)度
足夠
齒輪6和惰輪7的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核，具體計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果如下：
1)選擇齒輪材料
查文獻(xiàn)1表8-17 兩個(gè)齒輪都選用20GrMnTi滲碳淬火
2)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
確定齒輪傳動(dòng)精度等級，按
估取圓周速度，參考文獻(xiàn)1表8－14，表8－15選取
小輪分度圓直徑，由式文獻(xiàn)1（8－64）得
齒寬系數(shù)：查文獻(xiàn)1表8－23按齒輪相對軸承為非對稱布置，取
＝0.6
齒輪齒數(shù)：
=17
惰輪齒數(shù)：
＝
齒數(shù)比 ：
＝
傳動(dòng)比誤差 誤差在范圍內(nèi)
齒輪轉(zhuǎn)矩：
載荷系數(shù)：
由文獻(xiàn)1式（8－54）得
使用系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－20
＝1．75
動(dòng)載荷系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－57
齒向載荷分布系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－60
＝1.08
齒間載荷分配系數(shù)：
由文獻(xiàn)1式(8－55)及得
查文獻(xiàn)1表8－21并插值
＝1.02
則載荷系數(shù)的初值
彈性系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－2
節(jié)點(diǎn)影響系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8-64（）
重合度系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－65
許用接觸應(yīng)力：
由文獻(xiàn)1式 得
＝
接觸疲勞極限應(yīng)力：
查文獻(xiàn)1圖8－69
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
由文獻(xiàn)1式得
則 查文獻(xiàn)1圖8－70得接觸強(qiáng)度得壽命系數(shù)
,(不許有點(diǎn)蝕)
硬化系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－71及說明
＝1
接觸強(qiáng)度安全系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－27，按較高可靠度查，
取
故的設(shè)計(jì)初值為
齒輪模數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－3
齒輪分度圓直徑的參數(shù)圓整值：
圓周速度：
與估取很相近，對取值影響不大，不必修正
齒輪分度圓直徑：
惰輪分度圓直徑：
中心距 ：
圓整
齒寬：
齒輪齒寬：
惰輪齒寬：
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度效荷計(jì)算
由文獻(xiàn)1式
齒形系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－67
齒輪
惰輪
應(yīng)力修正系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－68
齒輪
惰輪
重合度系數(shù)：
由文獻(xiàn)1式8－67
許用彎曲應(yīng)力：
由文獻(xiàn)1式8－71
彎曲疲勞極限：
查文獻(xiàn)1圖8－72
彎曲壽命系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－73
尺寸系數(shù)：
查文獻(xiàn)1圖8－74
安全系數(shù)：
查文獻(xiàn)1表8－27
則
4. 齒輪幾何尺寸計(jì)算
分度圓直徑：
齒頂高：
齒根高：
齒頂圓直徑：
齒根圓直徑：
基圓直徑：
齒距：
齒厚：
齒槽寬e：
基圓齒距：
法向齒距：
頂隙：
HRC 56～62
公差組8級
＝0.6
=17
＝28
＝1.611
合適
＝1．75
＝1.08
＝1.02
＝1
齒根彎曲強(qiáng)度
足夠
由于齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度效核方法都是相似的，因而對其它齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度效核過程安排在設(shè)計(jì)說明書以外的篇幅中進(jìn)行，并全部強(qiáng)度驗(yàn)算合格。
2.3.3截割部行星機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知：輸入功率KW,
轉(zhuǎn)速=230.8r/min，
輸出轉(zhuǎn)速=40r/min
1.齒輪材料熱處理工藝及制造工藝的選定
太陽輪和行星輪的材料為20CrNi2MoA，表面滲碳淬火處理，表面硬度為57～61HRC。因?yàn)閷τ诔惺軟_擊重載荷的工件，常采用韌性高淬透性大的18Cr2Ni4WA和20CrNi2MoA等高級滲碳鋼，經(jīng)熱處理后，表面有高的硬度及耐磨性，心部又具有高的強(qiáng)度及良好的韌性和很低的缺口敏感性。
試驗(yàn)齒輪齒面接觸疲勞極限MPa
試驗(yàn)齒輪齒根彎曲疲勞極限：
太陽輪：
MPa
行星輪：
MPa
齒形為漸開線直齒，最終加工為磨齒，精度為6級。
內(nèi)齒圈的材料為42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度為262～302HBS.
試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限：
Mpa
試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限：
Mpa
齒形的加工為插齒，精度為7級。
2.確定各主要參數(shù)
⑴行星機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比：
i=5.74，采用NGW型行星機(jī)構(gòu)。
⑵行星輪數(shù)目：
要根據(jù)文獻(xiàn)3表2.9-3及傳動(dòng)比i，取。
⑶載荷不均衡系數(shù)：
采用太陽輪浮動(dòng)和行星架浮動(dòng)的均載機(jī)構(gòu)，取 =1.15
⑷配齒計(jì)算：
太陽輪齒數(shù)
式中：取c=22（整數(shù)）
內(nèi)齒圈齒數(shù)
行星輪齒數(shù)
取
⑸齒輪模數(shù)：
按文獻(xiàn)3表2.4-7中的公式計(jì)算中心距：
1) 綜合系數(shù)：
2）太陽輪單個(gè)齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩：
3）齒數(shù)比：
4）取齒寬系數(shù)：
5）初定中心距：
將以上各值代入強(qiáng)度計(jì)算公式，得
6）計(jì)算模數(shù)：
取標(biāo)準(zhǔn)值m=8
7）未變位時(shí)中心距a：
根據(jù)實(shí)際情況取
（6）計(jì)算變位系數(shù)
1）a-c傳動(dòng)
a)嚙合角：
所以
b)總變位系數(shù)：
c)中心距變動(dòng)系數(shù)：
d)齒頂降低系數(shù)：
e)分配變位系數(shù)：
取 （見文獻(xiàn)3第101頁）
則
2）c-b傳動(dòng)
a)嚙合角：
式中，
代入
所以
b)變位系數(shù)和：
c)中心距變動(dòng)系數(shù)：
d)齒頂降低系數(shù)：
e)分配變位系數(shù)：
3.幾何尺寸計(jì)算
分度圓
齒頂圓
齒根圓
基圓直徑
齒頂高系數(shù)
太陽輪，行星輪—
內(nèi)齒輪—
頂隙系數(shù)
太陽輪，行星輪—
內(nèi)齒輪—
代入上組公式計(jì)算如下：
太陽輪
行星輪
內(nèi)齒輪
太陽輪，齒寬b
由表2.5-12,
取
則
取
～
4.嚙合要素驗(yàn)算
⑴a-c傳動(dòng)端面重合度
1） 頂圓齒形曲徑：
太陽輪
行星輪
2）端面嚙合長度：
式中 “”號正號為外嚙合，負(fù)號為內(nèi)嚙合角
— 端面節(jié)圓嚙合
直齒輪
則
（mm）
3）端面重合度：
⑵ c-b端面重合度
1） 頂圓齒形曲徑 ：
由上式計(jì)算得
行星輪
內(nèi)齒輪
2）端面嚙合長度：
3）端面重合度：
5.齒輪強(qiáng)度驗(yàn)算
（1）a-c傳動(dòng) （以下為相嚙合的小齒輪（太陽輪）的強(qiáng)度計(jì)算過程，太陽輪（行星輪）的計(jì)算方法相同。）
1）確定計(jì)算負(fù)荷：
名義轉(zhuǎn)矩
名義圓周力
2） 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
式中 —太陽輪相對于行星架的轉(zhuǎn)速, (r/min)
—壽命期內(nèi)要求傳動(dòng)的總運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，(h)
(h)
3）確定強(qiáng)度計(jì)算中的各種系數(shù)：
a)使用系數(shù)
根據(jù)對截割部使用負(fù)荷的實(shí)測與分析，?。ㄝ^大沖擊）
b)動(dòng)負(fù)荷系數(shù)
因?yàn)楹?
可根據(jù)圓周速度：
和
由文獻(xiàn)3圖2.4-4，
查得6級精度時(shí)：
c)齒向載荷分布系數(shù)
由文獻(xiàn)3表2.4-8查得滲碳淬火齒輪
文獻(xiàn)3表2.4-9，
由文獻(xiàn)3表2.4-8查得，
根據(jù)和,由文獻(xiàn)3圖2.4-5,
查得
式中：
d)齒間載荷分布系數(shù)
因
由文獻(xiàn)3圖2.4-6查得
e)節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
式中， 直齒輪；
—端面節(jié)圓嚙合角；
直齒輪
—端面壓力角， 直齒輪
f)彈性系數(shù)
由文獻(xiàn)3表2.4-11查得
（鋼—鋼）
g)齒形系數(shù)
根據(jù)和，由文獻(xiàn)3圖2.4-14查
h)應(yīng)力修正系數(shù)
由文獻(xiàn)3圖2.4-18,查得
i)重合度系數(shù)
j)螺旋角系數(shù)和
因
得
得
4) 齒數(shù)比：
5） 接觸應(yīng)力的基本值
6） 接觸應(yīng)力：
7） 彎曲應(yīng)力的基本值：
8） 齒根彎曲應(yīng)力：
9） 確定計(jì)算許用接觸應(yīng)力時(shí)的各種系數(shù)
a)壽命系數(shù)
因，由文獻(xiàn)3圖2.4-7,得
b)潤滑系數(shù)
因和
由文獻(xiàn)3圖2.4-9，查得
c)速度系數(shù)
因 ，由文獻(xiàn)3圖2.4-10，查得
d)粗糙硬化系數(shù)
因 和
由圖2.4-11， 查得
e)工作硬化系數(shù)
由于大小齒輪均為硬齒面，所以
f)尺寸系數(shù) 由文獻(xiàn)3表2.4-15 ，查得
10) 許用接觸應(yīng)力
11) 接觸強(qiáng)度安全系數(shù)
12) 確定計(jì)算許用彎曲應(yīng)力時(shí)的各種系數(shù)
a)試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)
b)壽命系數(shù) 因,查文獻(xiàn)3圖2.4-8得
c)相對齒根圓角敏感系數(shù)
因,由文獻(xiàn)3圖2.4-20查得
d)齒根表面狀況系數(shù)
e)尺寸系數(shù)
由文獻(xiàn)3表2.4-16,得
13) 許用彎曲應(yīng)力
14)彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)
(2) c-b傳動(dòng)
本節(jié)僅列出相嚙合的大齒輪（內(nèi)齒輪）的強(qiáng)度計(jì)算過程，小齒輪（行星輪）的強(qiáng)度較高，故計(jì)算從略。
1) 名義切向力
2) 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
式中 —內(nèi)齒輪相對于行星架的轉(zhuǎn)速 r/mim；
3) 確定強(qiáng)度計(jì)算中的各種系數(shù)
a)使用系數(shù)
b)動(dòng)負(fù)荷系數(shù)
和
由文獻(xiàn)3圖2.4-4查得， （7級精度）
c)齒向載荷分布系數(shù)
由文獻(xiàn)3表2.4-8，查得調(diào)質(zhì)鋼
，
由文獻(xiàn)3表2.4-9，得
由文獻(xiàn)3表2.4-10，查得
（因?yàn)? 齒寬100
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