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編號：（ ）字 號
本科生畢業(yè)設計
膠帶煤流采樣機設計
葉 華 21040217
機械工程及自動化2004級1班
題目：
姓名： 學號：
班級：
二〇〇八年六月
中國礦業(yè)大學08屆本科生畢業(yè)設計論文 第87頁
1 緒論
1.1煤樣的采取與制備
煤種、煤的物理及化學性質是決定其用途、加工方法和工藝的重要依據(jù)。因為煤是大宗物質，在檢測它的性質時，不可能采取破壞性的試驗和測定，只能根據(jù)不同的目的和要求從大批(或一批)煤中取出有代表性的一小部分進行檢測，這種按有關規(guī)程采取一小部分煤的過程稱之為采取，簡稱采樣。例如，為檢測煤層貯存和礦井生產情況而采取的煤樣稱之為煤樣、生產煤樣等。在選煤廠要采生產檢查煤樣，及時了解生產狀況，指導生產；成品裝車銷售，要采商品煤樣，以確定該煤的產品質量和價格。用于不同檢測目的的煤樣其質量是不同的，少則幾公斤、幾十公斤，多則幾噸，甚至10噸，而化驗所用煤樣，只需要幾十克或幾千克，并且有一定的粒度要求，因此還需將采來的煤樣制成供分析用的煤樣。
1.1.1概述
一、有關術語：(1)煤樣——為確定煤種、性質以及某些特性而從煤流或煤堆中采取的有代表性的一部分煤。(2)采樣單元——從一批煤中采取一個總樣的煤量。一批煤可以有一個或多個采樣單元。(3)分樣——由若干個子樣構成，代表整個采樣單元的一部分的煤樣。(4)總樣——從一個采樣單元取出的全部子樣并成的煤樣。(5)子樣——采樣器具操作一次或截取一次煤流全斷面所采取的份煤樣。(6)批——需要進行整體性質測定的一個獨立煤量。(7)標稱最大粒度——與篩上物累計質量百分率最接近（但不大于）5%的篩子相應的篩孔尺寸。(8)系統(tǒng)采樣——按相同的時間、空間或質量間隔采取子樣，但第一個子樣在第一間隔內隨機采取，其余子樣按選定的間隔采取。(9)隨機采樣——對采樣的部位或時間均不施加任何人為意志，能使任何部位的物料都有機會采出。(10)時間基采樣——整個采樣單元按相同的時間間隔采取子樣。(11)質量基采樣——整個采樣單元按相同的質量間隔采取子樣。(12)多份采樣——從一個采樣單元取出若干份子樣依次輪流放入各容器中。每個容哭器中的煤樣構成一份質量接近的煤樣，每份煤樣能代表整個采樣單元的煤質。
1.1.2煤的不均勻性
由于成煤生物量、成煤條件和地殼變遷的民政部不同，不同煤田煤礦化學組成和物理特性不盡相同。即使是同一煤田同一礦井的不同煤層之間，其化學組成和物理特性有時差異也很大。這種在煤組成中的不均勻性是因為：
(1) .按粒度的分聚作用破壞了煤的均勻性。煤是由大小不同粒度級別組成的，運動時，自然形成一個不均勻體。例如從煤倉往火車上裝煤時，塊煤會多聚集到車體的四周，小粒度煤則多落在中心。
(2) .按密度不同的自然偏析現(xiàn)象破壞了煤的均勻性。密度低的煤集中在上部，密度高的煤集中在下部，形成煤密度組成的不均勻體。
(3) .按破碎時煤的堅固性的分聚作用破壞了煤的均勻性，使小塊煤和大塊煤具有不同的成分。煤的不均勻程度取決于存在偏析程度、粒度范圍和煤是否經過精選加工，其不均勻性隨煤是游離灰分的增加而變大。由于游離灰分很難測定，一般以煤的總灰分代替游離灰分，即煤的不均勻性與灰分含量是成正比，灰分含量愈高，愈不均勻。通常用單個子樣的方差來表示煤的不均勻程度。方差大，表示為灰分波動范圍大，不均勻；方差小，表示煤灰分波動范圍小，較均勻。單個子樣的方差是這樣確定的：從一批煤的不同部位采取幾十個子樣的方差S2，即 （1-1）
式中 ——每個子樣的干基灰分；
——n個子樣干基灰分的平均值；
n——子樣數(shù)目。
1.1.3采樣
采樣是指從特定量的煤中取出一部分有代表性的總樣，以供確定該特定量煤的質量的過程。所采總樣在數(shù)量上很小，但在物理和化學性質上卻能代表該特定量的煤。由于煤是不均勻物料，要取到在質量上同這批特定煤量絕對相同的煤樣是不可能的，只能做到性質不系統(tǒng)偏向一方，而且在一定范圍內，必須盡可能地接近特定量的全部煤的平均質量，才能以這一小部分煤的分析試驗結果來代表這一特定量煤的平均性質。
煤樣的代表性取決于組成平均煤樣的子樣數(shù)目、子樣質量和采樣位置及方法等。
1.2商品煤樣的采取
商品煤樣是代表商品煤平均性質的煤樣。商品煤樣可以從煤流中、火車、汽車、船上和煤堆上采取。商品煤樣的化驗結果作為供需雙方結算的依據(jù)。
1.2.1采樣工具型式
1.采樣鏟
用以從煤流中和靜止的煤中采樣。鏟的長和寬均應不小于被采煤樣最大粒度的2.5~3倍，對最大粒度>150mm的煤可用長寬300mm×250mm的鏟。
2.接斗
用以在落煤流處截取子樣。斗的開口尺寸至少應為被采煤樣最大粒度的2.5~3倍，其容量應能容納輸送機最大運量時煤流全斷面的全部煤量。
3.人工或機械采樣器
凡滿足以下條件的，人工或機械采樣器都可應用。
l 采樣器開口尺寸為被采樣最大粒度的2.5~3倍；
l 能在標準規(guī)定采樣點上采樣；
l 采取的子樣量能滿足標準要求，采樣時煤樣不損失；
l 性能可靠，不發(fā)生影響采樣和煤炭正常生產和運輸?shù)墓收希?
l 經權威部門鑒定采樣無系統(tǒng)偏差，采樣精密度達到標準要求。
1.2.2采樣基本原則
1.采樣單元
精煤和特種工業(yè)用煤，按品種、分用戶以1000t（±100t，下同）為一采樣單元；其他煤按品種、不分用戶以1000t為一采樣單元；進出口煤按品種、分國別以交貨量或一天的實際運量為一采樣單元，運量超過1000t或不足1000t時，以實際量為一采樣單元。
2.采樣精密度
各種煤的采樣精密度規(guī)定見表1-1所示。
表1-1 采樣精度
品種
原煤、篩選煤
精煤
其他洗煤
（包括中煤）
干基灰分≤20%
干基灰分＞20%
采樣精密度
A（絕對值）
±1/10×灰分但不小于±1%
±2%
±1%
±1.5%
3.子樣數(shù)目
(1).1000t各種煤應采取的最少子樣數(shù)目規(guī)定見表1-2所示。
表1-2 1000t 最少子樣數(shù)目
干基灰分/% 采樣地點
品種
煤流
火車
汽車
船舶
煤堆
原煤、篩選煤
＞20%
≤20%
60
30
60
60
60
60
60
60
60
60
精煤
15
20
20
20
20
其他洗煤和粒度大于100mm塊煤
20
20
20
20
20
(2).煤量超過1000t的子樣數(shù)目N按式1-2計算，即
(1-2)
式中 N——實際應采子樣數(shù)目，個；
n——1000t煤按規(guī)定的子樣數(shù)目，個；
m——實際被采樣煤量，t。
(3).煤量少于1000t時，子樣數(shù)目應按上表規(guī)定數(shù)目按比例遞減，但最少不能少于表1-3規(guī)定的數(shù)目：
表1-3
干基灰分/% 采樣地點
品種
煤流
火車
汽車
船舶
煤堆
原煤、篩選煤
＞20%
≤20%
表1-2規(guī)定數(shù)目的1/3
18
18
表1-2規(guī)定數(shù)目的1/2
表1-2規(guī)定數(shù)目的1/2
精煤
6
6
其他洗煤和粒度大于100mm塊煤
6
6
(4).子樣質量
每個子樣的最小質量根據(jù)商品煤標稱最大粒度，按表1-4規(guī)定確定。
表1-4 子樣質量
最大粒度m/m
＜25
＜50
＜100
＞100
子樣最小質量/㎏
1
2
4
5
1.2.3煤流中采樣
(1) .在移動煤流中采樣時，按時間基采樣或質量基采樣。子樣時間間隔T和質量間隔m分別按式下面兩個公式計算。子樣數(shù)目和子樣質量分別按表1-2、表1-3、表1-4規(guī)定確定。
(1-3)
(1-4)
式中 T——子樣時間間隔，min；
m——子樣質量間隔，t；
G——煤流量，t/h；
n——子樣數(shù)目。
(2).在移動煤流落點采樣時，可根據(jù)煤的流量，以1次或分2~3次用接斗或鏟橫截取煤流的全斷面為1個子樣。分2~3次截取時，按左右或左中右的順序進行，采樣部位不得交錯重復。用鏟取樣時，鏟子只能在煤流中穿過1次，即在進入或撤出煤流時取樣，不能時出都來取樣。
(3).在移動煤流上用人工鏟取煤樣時，膠帶運輸機的移動速度一般不能超過1.5m/s，并且要設防護欄保證安全。
1.2.4商品煤樣自動采取
任何一個選煤過程總是和采樣同時進行的.只有了解相應的測試結果，才能確定原煤和選煤產品的質量.計算工藝指標。商品煤樣作為供需雙方結算的依據(jù)，它直接關系到企業(yè)的經濟效益，因此采取有代表性的煤樣非常重要。目前我國大部分商品煤樣還是人工采取。近年來從國引進了一些在煤流中自動采樣的采樣系統(tǒng)，如美國RAMSEY公司生產的裝車系統(tǒng)已在一些選煤廠使用。
1.3選煤廠生產檢查煤樣的采取
選煤廠為了控制各工序的產品質量和機械設備的工藝效果所采取有煤樣稱生產檢查煤樣，其分析試驗結果可作為指導生產操作及控制生產指標的依據(jù)。
1.3.1生產檢查主要項目和采樣一般原則
生產檢查煤樣包括入選原煤、中間產物、最終產品和為控制生產操作條件而采取的煤樣。不同煤樣的采樣目的、性質及要求均不相同。
1. 入選原煤煤樣——原料煤是選煤廠的加工對象，對其數(shù)量、質量的變化情況必須進行研究和分析，以制定出合理的分選指標。入選原煤煤樣通常在進入主廠房的璉式輸送上采取，若原煤性質不穩(wěn)定，粒度較大，采取的子樣數(shù)目應較多，子樣質量應較大。
2. 精煤煤樣——精煤是選煤廠主要產品，必須隨時了解和掌握精煤的數(shù)量、質量情況。精煤煤樣包最終精煤煤樣和生產中間環(huán)節(jié)的精煤煤樣，通常在脫水后采取，如在煤、精煤帶式輸送機、脫水（介）篩出口、離心脫水機產物出口處等部位采取。精煤質量比較均勻，但因為它是選煤廠主要產品，直接關系到選煤廠的經濟效益，因此要檢查得勤一些，采取的子樣數(shù)目要安排得當，子樣質量可以適當少一些。
3. 中煤、矸石煤樣——中煤是選煤廠的副和矸石的數(shù)量、質量指標可以了解選煤設備分選效果的好壞以及各產物的損失和污染情況。中煤、矸石煤樣包括中煤工業(yè)品樣和最終矸石煤樣和中間環(huán)節(jié)煤樣，通常在中煤和矸石斗式脫水機卸載處或帶式輸送機的煤流中采取。檢查的間隔時間可根據(jù)需要適當長一些，子樣數(shù)目也可適當少一些。由于中煤、矸石粒度較粗，密度較大，子樣質量應相應較大。
4. 浮選入料、浮選精煤、浮選尾煤煤樣——采取浮選煤樣是為了分析浮選系統(tǒng)工作情況制定浮選的藥劑制度，從而生產出合格精煤。浮選入料可在礦漿預處理裝置出料管中采?。痪嚎稍谶^濾機脫水后濾餅中采??；尾煤在尾煤槽中采取。由于浮選作業(yè)比較穩(wěn)定，粒度細，因此檢查的間隔時間可適當延長，子樣數(shù)目可少一些，子樣質量也可相應小。
1.3.2采樣間隔時間和子樣質量
選煤廠生產檢查煤樣在選煤機常負荷運轉5～10min后隨機采取，采樣按時間基采取。采樣最大時間間隔和子樣最小質量見表1-5。
表1-5 生產檢查煤樣采取
煤樣名稱
采樣最大時間間隔/min
子樣最小質量或體積
采樣地點
入選原料煤
20
4㎏
入選前煤流中
裝倉精煤
20
2㎏
入倉前煤流中
選煤機精煤
15
2㎏
選煤機溢流口
中煤、洗混煤、矸石
30
4㎏
中煤、洗混煤、矸石流中
選煤機中煤、矸石
30
4㎏
斗子卸料口或溜槽出口處
浮選精煤
30
1㎏
過濾機濾餅(脫水設備)
浮選入料
30
1L
礦漿準備器出料管
浮選尾礦
30
1L
浮選尾礦槽
洗水等煤泥水樣
120
1L
水流由高向低的流出口處
煤泥回收篩精煤
20
2㎏
回收篩精煤卸料處
粒級煤
30
2～5㎏
粒級煤煤流中
1.3.3采樣點及采樣方法
1.在煤流中采樣——在煤流中采樣商品煤樣的采?。ū驹O計工況）。
2.對斗子提升機采樣——對斗子提升機采樣應在斗子卸料的出口處或溜槽底開口處采樣，采樣口的寬度應能保證能采到煤流的全斷面。
3.選煤機溢流口采樣——采樣在煤流全斷面按左中右順序進行采樣時采樣器底部緊壓溢流堰，以截取溢流層的全高，采樣器裝滿后迅速提起，使已采取的煤樣不被水沖出，等水通過網(wǎng)底后，將試樣倒入煤樣桶中。若用機械手取樣，可沿溢流堰從一端開始一次取全斷面。
4.煤泥水樣采取——煤泥水樣在煤泥水流由高向的流出口處采取，采樣時應截取水流全寬或沿水全寬以均勻的間隔采取。
1.3.4采樣精密度
生產檢查煤樣采樣精密度同商品煤樣采樣精密度。
1.3.5自動采樣機
各選煤廠根據(jù)檢測目的和具體要求以及采樣點的不同情況研制了不類型的采樣機。這些采樣機主要用于在輸送機、溜槽等煤流中采樣。采樣機在使用前必須進行參比試驗（如停帶采樣），檢驗無系統(tǒng)偏差后方可使用。采樣機優(yōu)于人工采樣，它能以同樣方式動作，沒有人為主觀因素的干擾，節(jié)省人力物力。下面是幾種較為常見的常用的采樣機。
1.用于煤流卸載點的采樣機——這種采樣機有一個載煤斗，該載煤斗垂直于輸送機運動方向，輕均勻速度通過煤流。載煤斗開口寬度為煤的最大粒度的3倍。其主要類型有：（一）、活動閘板式采機；（二）、容器式采樣機。
2.用于提升機卸載點的采樣機——在斗式提升機卸載點煤流相垂直的方向上，有一個能盛整斗煤樣的箱車，箱車可入復運動，其寬度與厚度，由時間繼電器以相等于斗子間隔控制一個導向板，將斗子中的物料志入車箱，斗子提升機卸載點采樣機示意圖如圖1-1。
3.礦漿自動取樣機——礦漿自動取樣機不需要動力，直接由礦漿沖擊取樣盤運轉連續(xù)取樣。礦漿自動取樣機示意圖如圖1-4。
4.用于帶式輸送機煤流采樣的刮臂式采樣機——刮臂的動作是橫向掃過帶式輸送機的全寬刮出子樣，刮臂式采機示意圖如圖1-5。子樣的質量取決于膠帶上負荷和采鏟的寬度和形狀?？梢酝ㄟ^時間繼電器控制電動機以相等的時間間隔采樣。為了避免系統(tǒng)偏差，采樣鏟運動的軌跡應與帶式運輸機曲度一致，否則會產生損傷膠帶或“底煤”問題。采樣鏟的形狀、速度以被采到的煤樣大塊不被丟掉為準。由于子樣質量不可能太大，此采樣機僅適用于粒度小于50mm的選煤產物。
圖1-1 斗子提升機卸載點采樣機示意圖
圖1-2 活動閘板式采機示意圖
1—自動操縱閘；
2—控制操縱閘動作液壓系統(tǒng)
圖1-3 斗子提升機卸載點采樣機示意圖
圖1-4 礦漿自動取樣機示意圖
圖1-5 刮臂式采樣機示意圖
1—停止開關；2—減速器；3—電機；4—運輸帶；
5—接樣溜槽；6—取樣機聯(lián)桿刮臂；7—采樣鏟；8—皮帶托輥
采樣器械可分為人工采樣器具和機械采樣機2類。與人工采樣器具相比.機械采樣機不僅可以節(jié)省人力.更主要的是采樣間隔時間短.頻率高.樣品更具有代表性。日前所采用的機械采樣機都是按斷流截取法原則.從全部料流中采出試樣.按其截取方式可分為：(1)直線運動式采樣機直線運動式采樣機分為往復運動式與非往復運動式2種。其特l從是截取物料的速度快.能在被采樣料流的全寬和全厚方向上.取出均勻的、代表性強的樣品。選煤廠廣泛采用的有AJ I-1型絲桿式和鏈條傳動采樣機。(2)鐘擺運動式采樣機鐘擺運動式采樣機在垂直位置時運動速度較兩邊快.截取料層中間薄、兩邊厚.樣品代表性差.日前己極少采用。(3)回轉運動式采樣機山于受結構限制.運動速度不能太快.故回轉運動式采樣機截取的物料比直線運動式采樣機的要多.它適應于粗粒物料的采樣。本設計所設計的帶式輸送機煤流采樣的刮臂式采樣機即屬于回轉式采樣機。
2 采樣機設計方案的確定
2.1刮臂式（回轉運動式）采樣機結構原理
2.1.1刮臂式采樣機結構
1．采樣機結構
輸送帶煤流采樣機由電動機、傳動裝置、工作機構、機架和控制箱等組成。各主要部們安裝在機架上。機架橫跨在帶式輸送機的中間架上用螺柱聯(lián)接或焊接。如圖2-1所示。
圖2-1 輸送帶煤流采樣機示意圖
1—電動機；2—傳動裝置；3—機架；4—控制箱；5—工作裝置；6—帶式輸送機中間架
工作機構如圖2-2所示，是一個四連桿機構。實際工作過程中可分解成2種四連桿機構，采樣時為擺動導桿機構;回程時為曲柄搖塊機構。
圖2-2 采樣機工作機構示意圖
1—定位軸；2—鏟桿；3—主動軸；4—曲柄；5—滑塊
2.1.2刮臂式采樣機工作原理
當時間繼電器延時到設定的時間時，電動機啟動。電動機經減速器和皮帶傳動將轉知傳給大皮帶輪。滑裝在傳動軸(見圖2-2)上的大皮帶輪轉至一定位置時，其上的擋桿與偏心塊接觸，并帶動偏心塊一起轉動。偏心塊轉到最高位置時脫離大鏈輪上的擋桿靠自身重力作用快速向下擺動，帶動曲柄轉動，使曲柄驅動鏟桿沿采樣軌跡快速運動，完成1次采樣。當偏心塊在最高位置時，觸發(fā)行程開關，使時間繼電器復位，電機停止，重新開始延時。
2.1.3刮臂式采樣機方案說明
此采樣機用于DT75型通用固定帶式輸送機上，采用鏈輪傳動，減速器為二級行星輪減速器。 采樣時間間隔可通過繼電器調整，其調整范圍在1~99 min之間。
2.2采樣機整機方案示意圖
1、電機；2、減速器；3、小鏈輪；4、偏心塊；5、大鏈輪；6、偏心塊；
7、工作機構；8、主軸
3 采樣機的初步設計計算
設計參數(shù)：
輸送帶寬度： 1200/mm（DT75型通用固定帶式輸送機）
輸 送能力： 1000 t/h
帶 速： 2 m/s
物料松散密度： 1.3×103kg/m3
托輥直徑為： 108mm
物料最大粒度： 50mm
3.1鏟斗的設計
國標規(guī)定，用以從煤流中采樣的鏟的長度和寬度均應不小于被采樣煤最大粒度的2.5～3倍。因此，采樣機的取樣鏟的長度和寬度應不小于125～150
mm。實際上，采樣機的取樣鏟的長度和寬度分別為180 mm 和150 mm，不但滿足要求，同時，80 mm 的深度也滿足子樣質量要求。
3.2接斗的設計
國標規(guī)定，接斗的容量應能容納輸送機最大運量時煤流全斷面的全部煤量。本采煤機用的接斗尺寸定為250 mm × 300 mm，完全可以將鏟子拋出的煤接住而不丟失。
4偏心塊的設計
圖4-1 偏心塊的結構
偏心塊的結構如圖3-1所示。本采樣機的鏟煤行程是靠偏心塊的重力下移來實現(xiàn)的，也就相當于利用偏心塊的振動。 利用振動能有效地完成某些工藝過程，由于振動機械具有結構簡單、制造容易、重量輕、成本低、能耗少和安裝維修方便等一系列優(yōu)點，而在很多工業(yè)部門中得到廣泛應用，但有些振動機械存在著工作狀態(tài)不夠穩(wěn)定，調試比較困難，動載荷較大，零件使用壽命低和噪聲較大等特點，這些正是設計中應注意的問題。
大扇形的面積
(4-1)
大扇形的偏心半徑(形心位置)
(4-2)
2個三角形的面積
(4-3)
2 個三角形的偏心半徑
(4-4)
小扇形的面積
(4-5)
小扇形的偏心半徑
(4-6)
圓孔的面積
(4-7)
圓孔的偏心半徑
(4-8)
整體偏心塊的面積
(4-9)
整體偏心塊的偏心半徑
(4-10)
偏心塊的質量矩
(4-11)
式中 ——角度，通常取=60°；
——偏心塊材料密度；
——偏心塊厚度。
4.1選擇偏心塊的材料
查《機械設計實用手冊》第二版表2-1-6，選用Q235A，碳素鋼。
4.2計算每次采集煤樣重量
采樣頭的切割速度v1，由于目前國家標準中對這一點還沒有相關規(guī)定，故參照A·S·T·M·D的相關標準，取400mm/s。
1．采樣精密度
膠帶速度v2=2m/s，故實際采樣速度。
2．實際采樣長度l = v×t =1.47×1≈1.5 m。
為了減少犁煤現(xiàn)象的發(fā)生，采樣時間應盡量短一些，故t暫取1秒。
3．輸送機的斷面圖如圖4-2所示
圖4-2 輸送機斷面圖
λ——槽形角，45°；B——膠帶寬度；θ——動堆積角；b——有效帶寬
輸送機斷面面積包括兩部分：梯形面積A1和圓弧面積A2 。查《礦井運輸提升》第二版表3—17，選堆積角為θ=30°，得物料的最大面積為A=0.2m2。
4．采樣體積和每次采樣樣品重量
采樣體積=0.2×0.15=0.03m3，l——采樣鏟寬度。
樣品重量=0.03×1.3×103kg/m3=40kg，γ——煤的堆積密度。
4.3計算每次采集所需做的功
煤樣與膠帶的摩擦力F=mgf (4-12)
式中 f ——煤與膠帶的摩擦系數(shù)，查得f =0.45；
m ——一次取樣煤的重量；
故F=40×9.8×0.45=180 N；一次取煤樣所需的功：
Wch=F · s=180×1.5=270 N·m (4-13)
4.4計算偏心塊的尺寸
如圖4-1，將θ=60°， =100mm，=7.8×103kg/m3，R1=240mm，R2=90mm，d =50mm 依次代入式(4-1)~(4-11)，計算結果見表4-1。
表4-1 偏心塊設計計算結果
計算項目
計算公式
結果
大扇形的面積S1
60288mm2
大記扇形的偏心半徑r1
132.38mm
2個三角形的面積S2
20023.74 mm2
2個三角形的偏心半徑r2
10.57mm
38°
小扇形面積S3
7347.6 mm2
小扇形偏心半徑r3
52.12mm
圓孔的面積S0
5024 mm2
圓孔的偏心半徑r0
0
整體偏心塊的面積S
82635.34 mm2
整體偏心塊偏心半徑r
101.47mm
偏心塊質量矩
9.81kg
4.5驗算
得知道偏心塊的質量矩，可求得偏心塊的質量m=75kg，已知偏心半徑r=101.47mm，故：
Wp=4mgr (4-13)
=4× 75×9.8×101.47×103
=304.41 N·m> Wch=270 N·m
滿足設計要求。
注：為了方便重塊的調整，為此將偏心塊做成可調式的，最大重量至75kg，只要增減鐵片個數(shù)，就可調整重量，調整塊通過螺柱螺母固定在偏心塊上。每塊鐵片的重量為5kg，重塊最輕重量為60kg，鑄造時重塊不得小于70kg。
5減速器的設計計算
根據(jù)工作機構的要求，傳動裝置將原動機的動力和運動傳遞給工作機。實際表明，傳動裝置設計得合理與否，對整部裝置的性能，成本以及整體尺寸都有很大影響。因此，合理地設計傳動裝置是整部機器設計工作中的重要環(huán)節(jié)，即合理地擬定傳動方案又是保證傳動裝置設計質量的基礎。
由于行星傳動結構緊湊，體積小，質量小，傳動效率高，傳動比較大，可以實現(xiàn)運動的合成和分解，運動平穩(wěn)、抗沖擊和振動的能力較強。固采用行星傳動裝置。本減速器設計為雙級NGW(2K-H負號機構)行星傳動設計。
5.1方案的確定
本次設計選雙級2K-H行星傳動裝置。減速器結構簡圖如圖5-1。
圖5-1 行星輪結構簡圖
(用角標1表示高速級參數(shù)，2表示低速級參數(shù))
此減速器的優(yōu)點：適用于在傳遞動力時它可以進行功率分流；同時，其輸入軸與輸出軸具有同軸性，即輸出軸與輸入軸均設在同一主軸線上。所以行星齒輪傳動現(xiàn)已被人們用來代替普通齒輪傳動，而作為各種機械傳動系統(tǒng)中的減速器、增速器和變速裝置。
5.2 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)
5.2.1電動機選型
查《機械設計實用手冊》表10-4-6，選Y2—90L—8型電動機，其基本參數(shù)為：
額定功率： 0.55kw；
額定轉速： 700r/min；
長×寬×高： 340×195×250mm。
5.2.2動力參數(shù)計算
1．傳動比及傳動比分配計算
由于還需考慮到鏈傳動的設計，故先取大鏈輪轉速10r/min，本設計采用鏈傳動，包角α（即小鏈輪包）是影響傳動承載能力的一個重要參數(shù)。設計時應當保證α ≥90°~120° 。為了使α盡可能大，帶傳動比i不能過大，應使i≤7，這里先取帶傳動比i=3.5。
按電機功率P=0.55kw， 采樣機整機總傳動比為：
(5-1)
故減速器總傳比ij=70/35=20。
2．傳動比分配
分配原則是各級傳動等強度和獲得最小外形尺寸，在兩級行星齒輪傳動中，用角標Ⅰ表示高速級參數(shù)，Ⅱ表示低速級參數(shù)。設高速級和低速級外嚙合齒輪材料，齒面硬度相同，則；取行星輪數(shù)目；齒面工作硬化系數(shù)；低速級內齒輪分度圓直徑與高速級內齒輪分度圓直徑之比值以B表示，并取B=1.2；取載荷不均勻系數(shù)；取齒寬系數(shù)。
因為動載系數(shù)，接觸強度計算的齒向載荷分布系數(shù)及接觸強度計算的壽命系數(shù)的三項比值的乘積（）等于1.8~2.0，故取（）=1.9。所以
A==1.6×1.9=3.04 (5-2) 由公式，查機械設計手冊第十三篇圖13-5-7，即可查出NGW型兩級行星齒輪傳動的傳動比分配，圖中及分別為高速級及總的傳動比。此例中，由圖查
(5-3)
5.2.3高速級齒輪參數(shù)計算
1.配齒計算
通常取行星輪數(shù)目，過多會使其載荷均衡困難，過少又發(fā)揮不了行星齒輪傳動的優(yōu)點，由于，距可能達到的傳動比極限值較遠，所以可不檢驗鄰接條件。查《行星齒輪傳動》表3-2，選擇行星齒輪傳動的配齒選擇。
各輪齒數(shù)按公式 (5-4)
進行配齒計算，計算中根據(jù)并適當調整，使C等于整數(shù)，再求出，應盡可能取質數(shù)，并使/c。適當調整=4.4211，使c為整數(shù)。則：
(5-5)
所以
由機械設計手冊圖17.2-3可查出適用的預計嚙合角在， 。
2.按接觸強度初算中心距a和模數(shù)m
中心輪a和行星輪c均采用20CrMnTi調質、滲碳淬火，齒面硬度58—62HRC，據(jù)圖查得，取=1400N/mm2和，中心輪和行星輪的加工精度為6級；內齒輪b采用40Cr，調質、表面淬火。齒面硬度48—55HRC，查圖，取=1100N/mm2和，內齒輪b的加工精度7級。
按彎曲強度的初算公式，計算齒輪的模數(shù)m為
(5-6)
現(xiàn)已知za=19，。小齒輪名義轉矩：
(5-7)
取算式系數(shù)；按表取使用系數(shù)；按表取綜合系數(shù)；取接觸強度計算的由行星輪間載荷分布不均勻系數(shù)。由公式可得：
(5-8)
由圖查得齒形系數(shù)；由表查得齒寬系數(shù)。則得齒輪模數(shù)為
(5-9)
齒輪模數(shù)mI=1mm。
3.嚙合參數(shù)計算
在兩個嚙合齒輪副A－C、B－C中，其標準中心距
由此可見，兩個齒輪副的標準中心距都相等。因此，該行星齒輪傳動能滿足非變位的同心條件。
4.幾何尺寸計算
①分度圓直徑：
②齒頂高：
式中
③齒根高：
④齒高：
⑤齒頂圓直徑：
⑥齒根圓直徑：
5.裝配條件的驗算
對于所設計的上述行星齒輪傳動應滿足如下的裝配條件。
①．鄰接條件 按公式5-10驗算其鄰接條件，即
(5-10)
將已知的、和值代入上式，則得
即滿足鄰接條件。
②．同心條件 按公式5-11驗算該公式2K－H型行星傳動的同心條件，即
(5-11)各齒輪副的嚙合為和，且，和。代入式5-11，即得
故滿足同心條件。
③．安裝條件驗算 按公式5-12驗算其安裝條件，即得
(5-12)
所以，滿足其安裝條件。
6.驗算A-C傳動的接觸強度和彎曲強度
強度計算所用公式同定軸線齒輪傳動，先確定和所用的圓周速度用相對于行星架的圓周速度
(5-13)
則
動載系數(shù)
速度系數(shù)，查《行星齒輪傳動》表6-11查得=0.97
①．確定計算公式中的其他系數(shù)
使用系數(shù)按輕微沖擊得；齒間載荷分布系數(shù)，：
彎曲強度計算時， (5-14)
接觸強度計算是， (5-15)
式中 及——齒輪相對于行星架的圓周速度及大齒輪齒面硬度對，的影響系數(shù)，按表選取
——齒寬和行星輪數(shù)目對，的影響系數(shù)。
對于圓柱直齒傳動，如果行星架剛性好，行星輪對稱布置或者行星輪采用調位軸承，則使太陽輪和行星輪的軸線偏斜可以忽略不計，值可查《行星齒輪傳動》圖6-10查取。
由圖查得=1.35，分別代入式5-14，5-15，則得
求齒間載荷分配系數(shù)，。
先求端面重合度 (5-16)
式中
則：
因為是直齒齒輪，總重合度=，所以=
節(jié)點區(qū)域系數(shù)：
(5-17)
式中
所以
彈性系數(shù)：
(5-18)
接觸強度計算的重合度系數(shù)：
接觸強度計算的螺旋角系數(shù)：
接觸強度計算的壽命系數(shù)：
因為當量循環(huán)次數(shù)，則 ，最小安全系數(shù)：取=1；潤滑劑系數(shù)，考慮用N46機械油作為潤滑冷卻劑，按《行星齒輪傳動》表6-10，取=0.93；粗糙度系數(shù)，按表6-12，取=1.0。齒面工作硬化系數(shù)：取=1。接觸強度計算的尺寸系數(shù)=1。
②．A-C傳動接觸強度驗算
計算接觸應力，由式（6-6）
(5-19)
按式5-20計算許用接觸應力
(5-20)
強度條件：
則：
(5-21)
計算結果得出，A-C接觸強度通過。用20CrMnTi調質后滲碳淬火，安全可靠。
③．A-C傳動彎曲強度驗算
按式5-22計算齒根應力為：
(5-22)
式中 -齒形系數(shù)，由圖6-5查?。?，；
-應力修正系數(shù)，由《行星齒輪傳動》圖6-6查?。?，；
-彎曲強度計算的重合度系：
-彎曲強度計算的螺旋角系數(shù)，因為是直齒，取=1
考慮到行星輪輪齒受力可能出現(xiàn)不均勻性，齒根最大應力：
(5-23)
由強度條件
即：
則：
查得，20CrMnTi調質、滲碳淬火，。A-C傳動改用材質后，彎曲強度驗算也通過。
7.驗算C-B傳動大接觸強度和彎曲強度
①．根據(jù)A-C傳動的來確定C-B傳動的接觸應力，因為C-B傳動為內嚙合，，所以
(5-24)
②．核算內齒輪材料的接觸疲勞驗算
由，按式5-25有
(5-25)
40Cr調質，則內齒輪用40Cr調質材料，接觸強度符合要求。
③．彎曲強度的驗算
只對內齒輪進行驗算，按式5-26計算齒根應力，其大小和A-C傳動的外嚙合一樣，即
，
由強度條件
得 (5-26)
40Cr調質材料，所以C-B傳動中的內齒輪彎曲強度符合要求。
5.2.4低速級齒輪參數(shù)計算
1.配齒計算
由高速級計算得i=4.25，取行星輪數(shù)目=3，按公式5-27進行分配計算：
(5-27)
并適當調整，使C等于常數(shù)，再求出，應盡可能取質數(shù)，并使/c。適當調整=4.4211，使C為整數(shù)。則：
求得：=19
符合取質數(shù)，/整數(shù)，/整數(shù)，及無公約數(shù)的NGW弄配齒要求。
2.初步計算齒輪的主要參數(shù)
中心輪a和行星輪c和高速級一樣，均采用20CrMnTi調質、滲碳淬火，齒面硬度58—62HRC，據(jù)圖查得，取=1400N/mm2和，中心輪和行星輪c的加工精度為6級；內齒輪b采用40Cr，調質、表面淬火。齒面硬度48—55HRC，據(jù)圖，取=1100N/mm2和，內齒輪b的加工精度7級。
按彎曲強度的初算公式，計算齒輪的模數(shù)m
低速級輸入扭矩：
(5-28)
在一對A—C輪傳動中，太陽輪傳遞的轉矩：
(5-29)
現(xiàn)已知z1=19，。取算式系數(shù)；按表取使用系數(shù)；按表取綜合系數(shù)；取接觸強度計算的由行星輪間栽荷分布不均勻系數(shù)。
由公式可得： ；由圖查得齒形系數(shù)；由表查得齒寬系數(shù)。則得齒輪模數(shù)m為：
取齒輪模數(shù)mⅡ=1.5mm。
3.嚙合參數(shù)計算
在兩個嚙合齒輪副A－C、B－C中，其標準中心距a為：
由此可見，兩個齒輪副的標準中心距都相等。因此，該行星齒輪傳動能滿足非變位的同心條件。
4.幾何尺寸計算
按高變位齒輪傳動計算A、C、B三輪的幾何尺寸。
①分度圓直徑：
②齒頂高：
式中
③齒根高：
④齒高：
⑤齒頂圓直徑： +2=
+2=
2=
⑥齒根圓直徑：
5.裝配條件的驗算
對于所設計的上述行星齒輪傳動應滿足如下的裝配條件。
①鄰接條件 按公式5-30驗算其鄰接條件，即
(5-30)
將已知的、和值代入上式，則得
即滿足鄰接條件。
②同心條件 按公式5-31驗算該公式2K－H型行星傳動的同心條件：
(5-31)
各齒輪副的嚙合為和，且，和。代入式5-31，即得
則滿足同心條件。
③安裝條件驗算 按公式5-32驗算其安裝條件，即得
(5-32)
所以，滿足其安裝條件。
6.齒輪強度驗算
強度計算所用公式同定軸線齒輪傳動，但確定和所用的圓周速度用相對于行星架的圓周速度
按式（5-33）計算行星架圓速度：
(5-33)
由表查得速度系數(shù)，動載系數(shù)：
①確定計算公式中的其他系數(shù)
使用系數(shù)：使用系數(shù)按輕微沖擊得；齒間載荷分布系數(shù)，：
彎曲強度計算時 (5-34)
接觸強度計算是 (5-35)
式中 及——齒輪相對于行星架的圓周速度及大齒輪齒面硬度對，的影響系數(shù)，按表選取：；。
——齒寬和行星輪數(shù)目對，的影響系數(shù)。
對于圓柱直齒傳動，如果行星架剛性好，行星輪對稱布置或者行星輪采用調位軸承，則使太陽輪和行星輪的軸線偏斜可以忽略不計，值由圖查取。由圖查得，代入式5-34，5-35得：
求齒間載荷分配系數(shù)，。
先求端面重合度 (5-36)
式中
則：
因為是直齒齒輪，總重合度=，所以 =
節(jié)點區(qū)域系數(shù)：
式中 ， 故
彈性系數(shù)
接觸強度計算的重合度系數(shù)：
(5-37)
接觸強度計算的螺旋角系數(shù)：
接觸強度計算的壽命系數(shù)：
因為當量循環(huán)次數(shù)，則 。最小安全系數(shù)：取=1。潤滑劑系數(shù)，考慮用N46機械油作為潤滑冷卻劑，取=0.93。
粗糙度系數(shù)，取=1.2。
齒面工作硬化系數(shù)：取=1。
接觸強度計算的尺寸系數(shù)：=1
②A-C傳動接觸強度驗算
計算接觸應力，由式5-38得
(5-38)
按式5-39計算許用接觸應力
(5-39)
強度條件：
則
計算結果，A-C接觸強度通過。用20CrMnTi調質后滲碳淬火，安全可靠。
③A-C傳動彎曲強度驗算
按式5-40齒根應力為
(5-40)
式中 — 齒形系數(shù)，由圖查取 ：，；
— 應力修正系數(shù)，由圖查?。?，；
—彎曲強度計算的重合度系數(shù)；
—彎曲強度計算的螺旋角系數(shù)，因為是直齒，取=1。
考慮到行星輪輪齒受力可能出現(xiàn)不均勻性，齒根最大應力
由強度條件
即
則
采用20CrMnTi調質、滲碳淬火，。A-C傳動改用材質后，彎曲強度驗算也通過。
7.驗算C-B傳動大接觸強度和彎曲強度
①根據(jù)A-C傳動的來確定C-B傳動的接觸應力，因為C-B傳動為內嚙合，，所以：
②核算內齒輪材料的接觸疲勞驗算
由，按式5-40有
(5-40)
40Cr調質，則內齒輪用40Cr調質材料，接觸強度符合要求。
③彎曲強度的驗算
只對內齒輪進行驗算，按式5-41計算齒根應力，其大小和A-C傳動的外嚙合一樣，即
，
由強度條件
得 (5-41)
40Cr調質材料，所以C-B傳動中的內齒輪彎曲強度符合要求。
5.3軸的設計計算
5.3.1高速軸（齒輪軸）
1.計算作用在齒輪上的力：
轉矩：T=9.55×106×P/n =9.55×106×0.55/700=7503.57 N·mm
軸上小齒輪分度圓直徑：dm=19mm
圓周向力：Ft=2T/d (5-42)
=2×7503.57/19
=789.85 N
徑向力：Fr=Ft×tanα (5-43)
=19151×tan20
=287.48 N
軸向力：Fa= Ft×cosβ=789.85×1=789.85 N
2.初步估算軸最小的直徑
選取40Cr作為軸的材料，調質處理，由《機械設計實用手冊》第5篇表5-1-1查得材料力學性能數(shù)據(jù)為：
； ；
；
由式 計算軸的最小直徑并加大3%以考慮鍵槽的影響，由《機械設計》表8-6查得A=115，則得：
3.軸的結構設計
(1) 確定軸的結構方案
兩軸承均由軸的右端裝入，靠軸肩和套筒及軸承端蓋定位。采用深溝球軸承和凸緣聯(lián)軸器。
(2) 確定各軸段直徑和長度
?段 根據(jù)dmin圓整(按GB5014-85)，并由T和n選擇凸緣聯(lián)軸器型號為YL1(GB/T5843-1986)，查表軸孔直徑d1=12mm，l1=32+3=35mm。
?段 為使凸緣聯(lián)軸器定位，軸肩高度h=c+(2~3)mm，d2=14mm且符合標準密封內徑(JB/ZQ4606-86)。取端蓋寬度7mm，端蓋外端面與凸緣聯(lián)軸器右端面3mm，則l2=10mm。
?段 為便于裝拆軸承內圈，d3>d2且符合標準軸承內徑。查GB/T276-94，選深溝球軸承型號為60000，d3=15，其寬度為T=5mm。軸承潤滑方式選擇：d3×n=15×700=10500mm·r/min>10000mm·r/min，選擇油潤滑。取l3=6mm。
?段 為了能夠安裝第二個軸承d4= d3-(1~3)=14mm，為使套筒面可靠地壓緊軸承內圈，l4取10mm。
?段 長度和直徑同?段，選深溝球軸承型號為60000。
?段 軸肩，為了固定第二個軸承的徑向滑動，取d6=17mm，l6=2mm。
?段 右面和高速級太陽輪為一體，考慮太陽輪的分度圓直徑和行星架的橫向深度，取d7=15mm，l7=14mm。
4.繪制軸的彎矩圖和扭矩圖
(1) 求軸承反力
H水平面：
RH1= 1974.63 N，RH2= -1184.78 N
V垂直面：
RV1= -612.7N，RV2=900.2 N
(2) 求齒寬中心處彎矩：
H水平面：
MH1= RH1×45 =1974.63×24 =47391.12N·mm
MH2= RH2×29 = -1184.78×40 = - 47391N·mm
V垂直面：
MV1= RV1×45= -612.7×24= -14705.12N·mm
MV2= RV2×29=900.2×40=36008N·mm
(3)合成彎矩：M1=
=
=49620N·mm
M2=
=
=59518N·mm
扭矩T：T=7503.57N·mm
彎矩圖、扭矩圖見圖5-2。
5.按彎扭矩合成強度校核軸的強度
當量彎矩Mca=，取折合系數(shù)α=0.6，
Mca=
=59688N.mm
當量彎矩圖見圖5-2。軸的材料為40Cr，調質處理。已查得σb=640Mpa， 許用應力[σ-1]=65N/mm2，由式(5-43)得軸的計算應力為：
=37.32 N/mm2 (5-43)
故該軸滿足強度要求。
圖5-2齒輪軸彎扭矩圖
5.3.2低速軸
1.初步估算軸最小的直徑
選取40Cr作為軸的材料，調質處理，由《機械設計實用手冊》第5篇表5-1-1查得材料力學性能數(shù)據(jù)為：
； ；
；
由式 計算軸的最小直徑并加大3%以考慮鍵槽的影響，由《機械設計》表8-6查得A=115，則得：
2.軸的結構設計
確定各軸段直徑和長度
?段 根據(jù)dmin圓整（按GB5014-85），由行星架確定軸直徑d1=30mm，l1=40mm。
?段 為使行星架和小鏈輪定位，軸肩高度h=c+(2~4)mm，d2=34mm且符合標準密封內徑（JB/ZQ4606-86）。取端蓋寬度8.5mm，則l2=20mm。
?段 直徑由小鏈輪內徑確定，長度由小鏈輪輪轂長度確定，且大于小鏈輪輪轂長度5mm。
3.校核
經校核，該軸滿足強度要求。
5.4滾動軸承的選擇
1.高速軸
選用深溝球軸承60000(GB/T276-94)，兩個，軸承代號61802。經校核，其強度和壽命均滿足要求。
2.高速級行星輪軸
選用深溝球軸承60000(GB/T276-94)，軸承代號618/6，兩個。經校核，其強度和壽命均滿足要求。
3.低速級行星輪架左右軸承
選用深溝球軸承60000(GB/T276-94)，軸承代號61809，兩個。經校核，其強度和壽命均滿足要求。
4.低速級行星輪軸
選用深溝球軸承60000(GB/T276-94