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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
學(xué) 院
機(jī)械工程學(xué)院
?！?業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 生 姓 名
王明欣
學(xué) 號(hào)
0601013126
設(shè)計(jì)（論文）題目
掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)
內(nèi)容及要求：
掘進(jìn)機(jī)屬于多功能的煤礦井下重大設(shè)備，廣泛應(yīng)用于煤礦巷道、城市地下隧道和多種采掘工作面的掘進(jìn)。截割頭是掘進(jìn)機(jī)直接參與截割的工作裝置，是整機(jī)工作性能的綜合體現(xiàn)，是直接決定整機(jī)工作的可靠性、經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)率。
完成主要內(nèi)容及要求：
1、研究掘進(jìn)機(jī)截割裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理；
2、根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，完成總體方案論證及設(shè)計(jì)；
3、完成測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)；
4、完成一篇相關(guān)內(nèi)容英文文獻(xiàn)的翻譯；
5、撰寫畢業(yè)論文。
進(jìn)度安排：
第1~2周：收集相關(guān)資料，調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，完成開題報(bào)告；
第3~4周：完成總體方案論證；
第5~12周：完成測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置的相應(yīng)圖紙繪制；
第13~14周：撰寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
指導(dǎo)教師（簽字）：
年 月 日
學(xué)院院長（簽字）：
年 月 日
沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
摘 要
本論文為掘進(jìn)機(jī)截齒作用力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)，其主要目的是研究一種實(shí)驗(yàn)裝置，用來測(cè)量三個(gè)方向的力。本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括動(dòng)力的傳遞和設(shè)計(jì)出可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的裝置，實(shí)質(zhì)上是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其工作原理是控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，再用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作頭旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)夾持的截齒實(shí)現(xiàn)截割運(yùn)動(dòng)，模擬出在實(shí)際掘進(jìn)機(jī)在工作過程中截齒的工作狀態(tài)。把實(shí)際掘進(jìn)機(jī)截齒復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)分解成三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，也就是說截齒實(shí)際受到來自于三個(gè)方向的力，然后用信號(hào)檢測(cè)設(shè)備收集、還原、分析和檢測(cè)，做進(jìn)一步研究。
本次設(shè)計(jì)主要在于如何設(shè)計(jì)出一種可以檢測(cè)三個(gè)方向受力的實(shí)驗(yàn)裝置，為日常生活中的隧道挖掘、煤礦開采等施工設(shè)備，積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和必要參數(shù)，以促進(jìn)這類行業(yè)的發(fā)展。
關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機(jī)；截齒；實(shí)驗(yàn)臺(tái)；設(shè)計(jì)
Abstract
This thesis for determing tooth three-axis testing machine, its main purpose is to study a experimental device used to measure the three directions. The design of power transmission and includes design can realize three direction of movement, is essentially experimental design. Its principle of work is to control the movement of the three experimental work motivation, electricity driven to rotate, realize the clamping cutting movement, the tooth in actual roadheader in simulating the working process of working condition. The actual tooth complicated movement determing the movement direction of decomposed into three, i.e. cut teeth from three directions in actual strength, then using the signal detection equipment, collection, analysis and detection, and to do further research.
This design is how to design a main force of three direction detection, the experimental apparatus for daily life tunneling coal mining, construction equipment, the accumulation of experimental data and the necessary parameters, in order to promote the development of the industry.
Keywords: Roadheader; Cut teeth; Experimental platform; Design
目 錄
摘 要 I
關(guān)鍵詞 I
Abstract II
Keywords II
1 綜述 1
2 方案設(shè)計(jì) 4
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 4
2.2 任務(wù)分析 4
2.2.1 總體設(shè)計(jì)要求分析 4
2.2.2 設(shè)計(jì)思路分析 5
2.3 方案設(shè)計(jì) 8
2.4 方案選擇比較 9
3 設(shè)計(jì)計(jì)算 11
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 11
3.1.1 工作頭電動(dòng)機(jī)選擇 11
3.1.2 三向運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選擇 12
3.2 鋼板的選擇 13
3.3 絲杠、導(dǎo)軌的選擇 13
3.3.1導(dǎo)軌滑塊 13
3.3.2滾動(dòng)絲杠和絲杠螺母 16
3.4主軸的選擇設(shè)計(jì) 18
3.5 減速器的選型與設(shè)計(jì) 19
3.5.1 減速器的選型 19
3.5.2 減速器的選型校核 19
4 軸的校核 21
4.1 Ⅰ軸的校核 21
4.2 Ⅱ軸的校核 22
5 軸承的壽命驗(yàn)算 28
5.1 Ⅰ軸軸承的壽命驗(yàn)算 28
5.2 Ⅱ軸軸承壽命驗(yàn)算 30
6 鍵的校核 32
6.1 Ⅰ軸上鍵的校核 32
6.2 Ⅱ軸上鍵的校核 32
7聯(lián)軸器的計(jì)算與選型 34
8 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析 37
9 結(jié)束語 39
10致謝 40
參考文獻(xiàn) 41
附錄 42
IV
1 綜述
掘進(jìn)機(jī)分為兩種：開膛式掘進(jìn)機(jī)和護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)。主要由行走機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)組成。隨著行走機(jī)構(gòu)向前推進(jìn)，工作機(jī)構(gòu)中的切割頭不斷破碎巖石，并將碎石運(yùn)走。截齒是一種加工的道具，主要用于煤礦開采和巷道、隧道、地面開溝等工程的掘進(jìn)。是掘進(jìn)機(jī)上易破損的主要部件，需要測(cè)量截齒在工作時(shí)所承受的力。
本課題是掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)用來測(cè)試截齒在工作過程中所承受的力，對(duì)于改進(jìn)截齒的形狀和材質(zhì)以及剛度、強(qiáng)度的要求以及收集整理數(shù)據(jù)都有一定的作用。
近年來，隨著我國煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，與之唇齒相依的煤機(jī)行業(yè)也日益受到重視。在煤炭行業(yè)綱領(lǐng)性文件《關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見》中，在全國煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)大會(huì)上以及國家發(fā)改委出臺(tái)的煤炭行業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整政策中，都涉及到發(fā)展大型煤炭井下綜合采煤設(shè)備等內(nèi)容。
掘進(jìn)和回采是煤礦生產(chǎn)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，國家的方針是：采掘并重，掘進(jìn)先行。煤礦巷道的快速掘進(jìn)是煤礦保證礦井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)措施。采掘技術(shù)及其裝備水平直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力和安全。高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件，也是巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已出現(xiàn)了年產(chǎn)幾百萬噸級(jí)、甚至千萬噸級(jí)超級(jí)工作面，使年消耗回采巷道數(shù)量大幅度增加，從而使巷道掘進(jìn)成為了煤礦高效集約化生產(chǎn)的共性及關(guān)鍵性技術(shù)。
我國煤巷高效掘進(jìn)方式中最主要的方式是懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配套作業(yè)線，也稱為煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)，在我國國有重點(diǎn)煤礦得到了廣泛應(yīng)用，主要掘進(jìn)機(jī)械為懸臂式掘進(jìn)機(jī)。
我國煤巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制和應(yīng)用始于20 世紀(jì)60 年代，以30～50kW 的小功率掘進(jìn)機(jī)為主，研究開發(fā)和生產(chǎn)使用都處于試驗(yàn)階段。80 年代初期，我國淮南煤機(jī)廠（現(xiàn)重組為凱盛重工）引進(jìn)了奧地利奧鋼聯(lián)公司AM50 型掘進(jìn)機(jī)、佳木斯煤機(jī)廠（現(xiàn)隸屬于國際煤機(jī)）引進(jìn)了日本三井三池制作所S-100 型掘進(jìn)機(jī)，通過對(duì)國外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收，推動(dòng)了我國綜掘機(jī)械化的發(fā)展。但當(dāng)時(shí)引進(jìn)的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)屬于70 年代的水平，設(shè)備功率小、機(jī)重輕、破巖能力低及可靠性差，僅適合在條件較好的煤巷中使用，加之國產(chǎn)機(jī)制造缺陷，在使用中暴露了很多問題。國內(nèi)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)引進(jìn)機(jī)型的消化吸收工作，積極研制開發(fā)了適合我國地質(zhì)條件和生產(chǎn)工藝的綜合機(jī)械化掘進(jìn)裝備。經(jīng)過近30 年的消化吸收和自主研發(fā)，目前，我國已形成年產(chǎn)1000 余臺(tái)的掘進(jìn)機(jī)加工制造能力，研制生產(chǎn)了20 多種型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)，其截割功率從30kW 到200kW ，初步形成系列化產(chǎn)品，尤其是近年來，我國相繼開發(fā)了以EBJ-120TP 型掘進(jìn)機(jī)為代表的替代機(jī)型，在整體技術(shù)性能方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平?；灸軌驖M足國內(nèi)半煤巖掘進(jìn)機(jī)市場的需求，半煤巖掘進(jìn)機(jī)以中型和重型機(jī)為主，能截割巖石硬度為f＝6～8，截割功率在120kW 以上，機(jī)重在35t 以上。煤礦現(xiàn)用主流半煤巖巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)以煤科總院太原研究院院生產(chǎn)的EBJ-120TP 型、EBZ160TY 型及佳木斯煤機(jī)廠生產(chǎn)的S150J 型三種機(jī)型為主，占半煤巖掘進(jìn)機(jī)使用量的80％以上。
然而，國內(nèi)目前巖巷施工仍以鉆爆法為主，重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)用于大斷面巖巷的掘進(jìn)在我國處于試驗(yàn)階段，但國內(nèi)煤炭生產(chǎn)逐步朝向高產(chǎn)、高效、安全方向發(fā)展，煤礦技術(shù)設(shè)備正在向重型化、大型化、強(qiáng)力化、大功率和機(jī)電一體化發(fā)展，新集能源股份公司、新汶礦業(yè)集團(tuán)、淮南礦業(yè)集團(tuán)及平頂山煤業(yè)集團(tuán)公司等企業(yè)先后引進(jìn)了德國WAV300、奧地利AHM105、英國MK3 型重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)。全巖巷重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)代表了巖巷掘進(jìn)技術(shù)今后的發(fā)展方向。
雖然三一重裝去年推出了國內(nèi)第一臺(tái)EBZ200H 型硬巖掘進(jìn)機(jī)，但國產(chǎn)重型掘進(jìn)機(jī)與國外先進(jìn)設(shè)備的差距除總體性能參數(shù)偏低外，在基礎(chǔ)研究方面也比較薄弱，適合我國煤礦地質(zhì)條件的截割、裝運(yùn)及行走部載荷譜沒有建立，沒有完整的設(shè)計(jì)理論依據(jù)，計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真等方面還處于空白；在元部件可靠性、控制技術(shù)、在截割方式、除塵系統(tǒng)等核心技術(shù)方面有較大差距。
截割頭是掘進(jìn)機(jī)直接用來破碎煤沿的部件，其形狀、尺寸和其上截齒的排列方式對(duì)掘進(jìn)機(jī)的工作性能有重大影響。截割頭主要由截割頭體、螺旋葉片和截齒座等組成。在齒座里裝有截齒，葉片上焊有安裝內(nèi)噴霧用的噴嘴座。
截齒頭部的外形輪廓有球形、球柱形、球錐形和球柱錐形四種，其中以球錐形截割頭的截齒受力較為合理，因而得到了較多應(yīng)用。
截齒的布置方式對(duì)截齒、截割頭乃至整機(jī)受力有較大影響?？v軸式截割頭的截齒均按螺旋線方式分布在頭體上，螺旋線頭數(shù)一般為2-3條。截距對(duì)截割效果有較大影響。較大的截距可增加單齒的磨損也隨之增加，兩者應(yīng)該兼顧。在選擇截距時(shí)，應(yīng)考慮到截割頭上不同部位的截齒所受的負(fù)荷不同而有所區(qū)別，應(yīng)力求各截齒的負(fù)荷均勻，以減少?zèng)_擊載荷和使截齒的磨損速度接近。截齒的合理布置是一個(gè)復(fù)雜的問題，應(yīng)針對(duì)所截煤沿的機(jī)械性質(zhì)，通過理論分析、計(jì)算機(jī)模擬、實(shí)驗(yàn)及實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)加以合理地確定。
橫軸式截割頭這種截割頭的頭體多為厚鋼板的組焊結(jié)構(gòu)或螺釘連接結(jié)構(gòu)，由左右對(duì)稱的兩個(gè)半體組成。在頭體上焊有齒座和噴嘴座，在頭體內(nèi)開有內(nèi)噴霧水道，裝有配水裝置。截割頭體是通過脹套式聯(lián)軸器同減速器的輸出軸相連接，可起過載保護(hù)作用。
配置截齒是，應(yīng)使每個(gè)截齒的破巖量相近，負(fù)荷均勻，力爭達(dá)到最佳截割效果。經(jīng)過深入分析研究，多種數(shù)學(xué)方程推算、用計(jì)算機(jī)反復(fù)模擬和修正后，可得到較為理想的橫軸式截割頭的外形輪廓和布齒模型。
截齒及截齒座除掘進(jìn)機(jī)所采用的截齒也有扁形和錐形兩種，其結(jié)構(gòu)形狀同于采煤機(jī)截齒。過去，縱軸式截割頭均采用扁形截齒，橫軸式截割頭均采用錐形截齒。經(jīng)過長期的實(shí)驗(yàn)證明，在截割硬巖時(shí)，錐形截齒的壽命比扁形截齒長，且由于錐形齒在使用中有自轉(zhuǎn)磨銳性，耐沖擊，所以近十年來，縱軸式截割頭也較多地采用了錐形截齒。
截齒座用以安裝截齒。安裝錐形截齒的齒座應(yīng)由兩種材料用特種工藝制成，器內(nèi)層材料的耐磨性要高于外層，以減少因截齒在截割過程中自動(dòng)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的磨損量，增加齒座的實(shí)用壽命。也可以采用在齒座內(nèi)嵌套磨損后可以及時(shí)更換的耐磨合金套。
截割減速器的作用是將電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞到截割頭。由于截割頭工作時(shí)承受較大的沖擊載荷，因此要求減速器有高的可靠性和較強(qiáng)的過載能力，其箱體作為懸臂的一部分，應(yīng)有較大的剛性，連接螺栓應(yīng)有可靠的放松裝置，減速器最好能實(shí)現(xiàn)變速，以適應(yīng)煤巖硬度的變化，增強(qiáng)機(jī)器的適應(yīng)能力。
2 方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)
掘進(jìn)機(jī)屬于多功能的煤礦井下重大設(shè)備，廣泛用于煤礦巷道、城市地下隧道和多種采掘工作面的掘進(jìn)。截割頭是掘進(jìn)機(jī)直接參與截割的工作裝置，是整機(jī)工作性能的綜合體現(xiàn)，是直接決定整機(jī)工作的可靠性、經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)率。
本次設(shè)計(jì)主要完成研究掘進(jìn)機(jī)截割裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。完成測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
2.2 任務(wù)分析
2.2.1 總體設(shè)計(jì)要求分析
由設(shè)計(jì)任務(wù)可知，要求需要可調(diào)節(jié)，最終的目的是合理的設(shè)計(jì)出掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
截齒有刀型齒和鎬型齒之分。本設(shè)計(jì)選擇對(duì)鎬型齒進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。選擇的鎬型齒型號(hào)為S150(如圖2.1所示)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以參照龍門銑床改制，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式和龍門銑床的十分相似。
截割實(shí)驗(yàn)用的煤樣從露天礦采集后，用石蠟、石膏封閉，然后加工成外形尺寸為500×400×400的試塊（尺寸大小不固定，相差不太大即可）。
圖2.1 截齒S150
2.2.2 設(shè)計(jì)思路分析
本設(shè)計(jì)總體上可以分為四個(gè)部分：支撐部分（支架）；工作頭部分；煤樣夾持部分；三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)部分。
支撐部分（支架）：整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的骨架，相當(dāng)于人身體的骨骼，承擔(dān)著實(shí)驗(yàn)臺(tái)80%的重量，工作頭固定在支架上。龍門銑床的支架包括橫梁和立柱，橫梁固定在立柱上，把工作的道具安裝在橫梁上，以實(shí)現(xiàn)上下、左右運(yùn)動(dòng)，本省實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。參照龍門銑床，由于本設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)臺(tái)，考慮到經(jīng)濟(jì)成本和設(shè)計(jì)簡潔的理念，考慮用角鋼或者口型鋼安裝成框架的形式，用來固定工作頭。
支架如圖2.2所示：
圖2.2 支架
工作頭部分：整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的靈魂部位，這一部分由電動(dòng)機(jī)、減速器、主軸、夾持截齒的夾持器。其中主軸和截齒夾持器是安裝在一起的，保證同軸度的要求，這樣電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速通過減速器降到截齒在實(shí)際工作時(shí)的轉(zhuǎn)速，在主軸的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，從而達(dá)到截割的運(yùn)動(dòng)。
工作頭如圖2.3所示:
圖2.3 工作頭
煤樣夾持部分：此部分是為了固定煤樣的，保證在實(shí)驗(yàn)過程中，煤樣保持位置固定不動(dòng)，只隨著實(shí)驗(yàn)臺(tái)上設(shè)計(jì)的三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的裝置而運(yùn)動(dòng)，這樣測(cè)量出的結(jié)果比較理想、精確。使實(shí)驗(yàn)測(cè)量出的誤差盡可能的小，接近理想值。
煤樣夾持器如圖2.4所示：
圖2.4 煤樣夾持器
三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)部分：此部分是整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的核心部分，因?yàn)橐雽?shí)驗(yàn)臺(tái)能個(gè)測(cè)量出想要的結(jié)果，此部分是必須保證的，只有此部分的合理設(shè)計(jì)，才能保證設(shè)計(jì)的理想化。此部分是由三個(gè)小的部分組成，分別掌控著自己單獨(dú)方向的運(yùn)動(dòng)，使整體按上下、前后和左右的方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，從而測(cè)量出三個(gè)方向的力。每部分都是由滾動(dòng)絲杠和絲杠螺母的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使與其分別連接的上下板在導(dǎo)軌、滑塊上運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)絲杠在伺服電動(dòng)機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)的。
三向運(yùn)動(dòng)裝置示意圖：
圖2.5 三向運(yùn)動(dòng)裝置
2.3 方案設(shè)計(jì)
要想完成本設(shè)計(jì)其實(shí)質(zhì)是完成上面四個(gè)部分的設(shè)計(jì)，在把這四個(gè)部分合理的組合在一起。其中工作頭和三向運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案的選擇決定了總體設(shè)計(jì)方案的選擇，工作頭和三向運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)方案選的不同，或者工作頭和三向運(yùn)動(dòng)的組合不同，這都是總體設(shè)計(jì)方案的不同。
方案一 由龍門銑床改制成的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，有兩個(gè)垂直刀架，截齒的水平進(jìn)給、垂直進(jìn)給動(dòng)作以及工作臺(tái)的往返運(yùn)動(dòng)，分別由液壓缸驅(qū)動(dòng)，而且速度可調(diào)。
方案二如圖2.5所示：
圖2.5 方案二
此方案為安龍門銑床修改后的工作方案，分為三個(gè)部分傳動(dòng)，分別用三個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)三個(gè)方案的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)彼此之間互不干擾，各自為政。上部為工作頭的工作傳動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)-傳動(dòng)系統(tǒng)-減速器-傳動(dòng)系統(tǒng)-工作頭截齒。此為三向力之一的旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)。由四個(gè)支架固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)移動(dòng)板上，隨著移動(dòng)板一起移動(dòng)。中間為升降運(yùn)動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)-傳動(dòng)系統(tǒng)-滾動(dòng)絲杠-絲杠螺母-升降機(jī)構(gòu)。此為三向力之一的上下方向運(yùn)動(dòng)。把升降機(jī)構(gòu)安裝在移動(dòng)板上，隨移動(dòng)板一起運(yùn)動(dòng)。下部為移動(dòng)板帶動(dòng)整體的水平方向移動(dòng)，由電動(dòng)機(jī)-傳動(dòng)系統(tǒng)-滾動(dòng)絲杠-絲杠螺母-移動(dòng)板。此運(yùn)動(dòng)為三向力之一的水平運(yùn)動(dòng)。
2.4 方案選擇比較
比較著兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。
方案一采用液壓系統(tǒng)推動(dòng)運(yùn)動(dòng)，液壓傳動(dòng)出力大、重量輕、慣性小以及輸出剛度大。首先，功率-質(zhì)量比大，這意味著同樣功率的控制系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)體積小、重量輕。其次，轉(zhuǎn)矩-慣量比大，意味著液壓系統(tǒng)能夠產(chǎn)生大的加速度，也就是說時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)速度快，具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。最后就是其操作方便、省力、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)空間的自由度大，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，且可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。但是其傳動(dòng)介質(zhì)易泄漏和可壓縮性會(huì)使傳動(dòng)比不能嚴(yán)格保證；由于能量傳遞過程中壓力損失和泄漏的存在使傳動(dòng)效率低；發(fā)生故障不容易診斷。
方案二采用電力拖動(dòng)系統(tǒng)，盡管電力拖動(dòng)系統(tǒng)出力小、調(diào)速也沒有液壓系統(tǒng)方便快速，沒有液壓系統(tǒng)快速，但是做為實(shí)驗(yàn)臺(tái)，考慮到制造成本和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢(shì)，便于普及和實(shí)驗(yàn)操作，更適合于用到實(shí)驗(yàn)測(cè)量儀器上，電力拖動(dòng)系統(tǒng)操作節(jié)奏不大，便于記錄數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
經(jīng)過上述比較，決定采用方案二。
方案二的具體敘述：
支架部分把口型鋼用螺紋連接安裝成框架用來固定工作頭和承擔(dān)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的大部分重量，并且起到支撐固定的作用，使實(shí)驗(yàn)臺(tái)在工作過程中不至于倒塌或者變形。把支架的四個(gè)支柱固定到水平X方向移動(dòng)的底板上，但不要和上面的移動(dòng)板接觸，把煤樣和煤樣夾持器固定到移動(dòng)板上，并且和四個(gè)支柱不發(fā)生干涉，這樣使煤樣隨著移動(dòng)板儀器移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。
把工作頭的一面和水平Y(jié)方向的移動(dòng)板相連接，使工作頭隨移動(dòng)板移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，水平Y(jié)方向的固定板和豎直Z方向的移動(dòng)板相連，這樣實(shí)際上是工作頭和豎直Z方向的移動(dòng)相連，從而隨著移動(dòng)板的移動(dòng)而移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。豎著Z方向的固定板固定在支架上，而支架是不動(dòng)的，這樣就保證3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)互補(bǔ)影響而有能相互照應(yīng)實(shí)現(xiàn)想要達(dá)到的目的。
工作頭的設(shè)計(jì)，把主軸和截齒夾持器相連，保證其同軸度，然后把主軸安裝在圓筒內(nèi)，然后把圓筒焊接在另一個(gè)由口型鋼焊接的框架上，在圓筒上面有個(gè)安裝板 螺紋連接在框架上，用來放置電動(dòng)機(jī)和減速器。上面提到的把工作頭和水平Y(jié)方向的移動(dòng)板相連，實(shí)際上是把這個(gè)框架螺紋連接在移動(dòng)板上，以實(shí)現(xiàn)其相連。
最終方案如圖2.6所示：
圖2.6 最終方案
3 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
3.1.1 工作頭電動(dòng)機(jī)選擇
傳動(dòng)示意圖：
圖3.1 傳動(dòng)示意圖
一.選擇電動(dòng)機(jī)系列
按工作要求以及工作條件選用三相異步電動(dòng)機(jī)，封閉式結(jié)構(gòu)，電壓380V，Y系列。
二.選擇電動(dòng)機(jī)功率
截齒旋轉(zhuǎn)時(shí)所需有效功率：
（3.1）
式中，P表示功率；
j表示轉(zhuǎn)矩；
w表示轉(zhuǎn)速。
傳動(dòng)裝置總效率：
（3.2）
聯(lián)軸器效率：
直齒輪效率：
錐齒輪效率：
滾動(dòng)軸承效率：
所需電動(dòng)機(jī)功率：
查表可知，可以選Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)Y112M-4，額定功率，或選Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)Y132M1-6型，額定功率。
三.確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
根據(jù)截齒旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過各級(jí)速度，尤其是減速器，知道電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于截齒的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過兩個(gè)電動(dòng)機(jī)比較選擇，考慮到成本，傳動(dòng)比，選擇Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)Y112M-4型。
3.1.2 三向運(yùn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選擇
三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)是由滾動(dòng)絲杠和絲杠螺母在導(dǎo)軌滑塊的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，其主要?jiǎng)恿υ磥碜杂谑菨L動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)還是絲杠螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，如果一個(gè)件保持轉(zhuǎn)動(dòng)，那么另一個(gè)件就必然保持靜止，負(fù)責(zé)直線運(yùn)動(dòng)。由于三向運(yùn)動(dòng)不需要較大的功率和轉(zhuǎn)速，所以決定采用伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)?？紤]經(jīng)濟(jì)性，適用性，選擇用SGMAH04AAA41，功率400W，轉(zhuǎn)速3000rad/min。
3.2 鋼板的選擇
選擇鋼板用來做固定板、移動(dòng)板和上面放置電動(dòng)機(jī)、減速器的平板，平板選擇在25-50mm之間的鋼板，在市場上很容易找到。
3.3 絲杠、導(dǎo)軌的選擇
為實(shí)現(xiàn)水平運(yùn)動(dòng)和上下的升降運(yùn)動(dòng)，選擇滾動(dòng)絲杠和絲杠螺母，加上滑塊在固定導(dǎo)軌上來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。
3.3.1導(dǎo)軌滑塊
1、導(dǎo)軌本身剛度大于接觸剛度：
導(dǎo)軌所受的最大、最小和平均壓強(qiáng)分別為
（3.3）
（3.4）
（3.5）
式中，F(xiàn)—導(dǎo)軌所受集中力（N）；
M—導(dǎo)軌的受顛覆力矩（N·mm）；
Pf—由集中力引起的壓強(qiáng)（MPa）；
Pm—由顛覆力矩引起的壓強(qiáng)（MPa）；
a —導(dǎo)軌寬度（mm）；
L—?jiǎng)訉?dǎo)軌長度（mm）。
由上式得出：
設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)盡可能使，，。因此合力作用點(diǎn)距導(dǎo)軌中心的距離。
當(dāng)，，。壓強(qiáng)呈三角形分布，導(dǎo)軌全長上都接觸。當(dāng)時(shí)，就可以采用無壓力開式導(dǎo)軌。
當(dāng)時(shí)，導(dǎo)軌面將出現(xiàn)一段長度不接觸，必將采用壓板，與壓板接觸的導(dǎo)軌面稱輔助導(dǎo)軌面。
2、導(dǎo)軌剛度較低：
如果導(dǎo)軌剛度較低時(shí)，在確定導(dǎo)軌壓強(qiáng)時(shí)就應(yīng)同時(shí)考慮導(dǎo)軌本身的彈性變形和導(dǎo)軌面的接觸變形。壓強(qiáng)不是線性分布，最大壓強(qiáng)和平均壓強(qiáng)之比可達(dá)2-3倍或者更多。屬于這種類型導(dǎo)軌有：立車刀架，牛頭刨床和插床的滑枕，龍門刨床的刀架，外圓磨床工作臺(tái)、長工作臺(tái)的導(dǎo)軌等。
通常在龍門銑床和龍門刨床等機(jī)床上導(dǎo)軌的最大壓強(qiáng)一般為（0.6-0.7）MPa。
考慮到運(yùn)動(dòng)的行程和適用性、經(jīng)濟(jì)性，采用導(dǎo)軌滑塊的型號(hào)為GGB16AA。
3、導(dǎo)軌的受力分析：
導(dǎo)軌上所受的外力包括切削力、工件及夾具重量、動(dòng)導(dǎo)軌部件的重量和牽引力。這些外力使各支承導(dǎo)軌面產(chǎn)生支反力和支反力距。牽引力、支反力、支反力矩都是未知的，一般可以用靜力平衡方程式求出。當(dāng)未知數(shù)多而靜不定時(shí)，可根據(jù)接觸變形的條件建立附加方程式求各力。
導(dǎo)軌滑塊示意圖：
圖3.2（一）導(dǎo)軌滑塊實(shí)物圖
圖3.2（二） 導(dǎo)軌滑塊cad圖
3.3.2 滾動(dòng)絲杠和絲杠螺母
示意圖如圖3.3所示：
圖3.3 滾動(dòng)絲杠和絲杠螺母
1、 滾動(dòng)絲杠
滾珠絲杠軸承是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠軸承由螺桿、螺母和滾珠組成，滾珠絲杠軸承功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)?！ ?
滾珠絲杠軸承特點(diǎn): 滾珠絲杠具有高精度、可逆性和高效率等特點(diǎn)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將進(jìn)口軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠軸承被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。
滾珠絲杠軸承的用途：滾珠絲杠軸承為適應(yīng)各種用途，提供了標(biāo)準(zhǔn)化種類繁多的產(chǎn)品。滾珠的循環(huán)方式有循環(huán)導(dǎo)管式、循環(huán)器式、端蓋式。預(yù)壓方式有定位預(yù)壓（雙螺母方式、位預(yù)壓方式）、定壓預(yù)壓?？筛鶕?jù)用途選擇適當(dāng)類型。絲桿有高精度研磨加工的精密滾珠絲杠（精度分為從CO-C7的6個(gè)等級(jí)）和經(jīng)高精度冷軋加工成型的冷軋滾珠絲杠軸承（精度分為從C7-C10的3個(gè)等級(jí)）。另外，為應(yīng)付用戶急需交貨的情況，還有已對(duì)軸端部進(jìn)行了加工的成品，可自由對(duì)軸端部進(jìn)行追加工的半成品及冷軋滾珠絲杠軸承。作為此軸承的周邊零部件，在使用所必要的絲杠支撐單元、螺母支座、鎖緊螺母等也已被標(biāo)準(zhǔn)化了，可供用戶選擇使用?！ ?
滾珠絲杠軸承以多年來所累積制品技術(shù)為基礎(chǔ)，從材料、熱外理、制造、檢查至出貨，都是以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)钠繁Ｖ贫葋砑右怨芾?，因此具有高信賴性?
2、 滾動(dòng)絲杠設(shè)計(jì)選擇
額定動(dòng)載荷是指一批相同參數(shù)的滾動(dòng)絲杠螺母副，在的相同工作條件下運(yùn)轉(zhuǎn)10的6次方轉(zhuǎn)后，90%的螺旋副部發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕損傷所能承受的最大軸向載荷，定義為額定動(dòng)載荷Ca。
額定靜載荷是指把滾動(dòng)絲杠副在靜態(tài)或低轉(zhuǎn)速條件下，受接觸應(yīng)力最大的滾珠和滾道接觸面間產(chǎn)生的塑性變形量之和達(dá)到滾珠直徑0.0001倍時(shí)的最大軸向載荷，定義為額定靜載荷Ca0。
3、 滾動(dòng)絲杠副疲勞強(qiáng)度計(jì)算
滾動(dòng)絲杠應(yīng)根據(jù)其額定動(dòng)載荷選用。滾動(dòng)絲杠當(dāng)量動(dòng)載荷：
（3.6）
式中Fm—軸向工作載荷，當(dāng)載荷按單調(diào)式規(guī)律變化，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會(huì)相同時(shí)。
（3.7）
式中，，—絲杠最大、最小軸向載荷；
L—工作壽命，以10的6次方為一單位，；
n —絲杠轉(zhuǎn)速；
T—使用壽命，對(duì)數(shù)控機(jī)床可取T=15000h。
4、 滾動(dòng)絲杠的靜載荷強(qiáng)度計(jì)算
低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的滾動(dòng)絲杠副，應(yīng)按最大軸向工作載荷，即按計(jì)算靜載荷Cj為選擇依據(jù)。其計(jì)算公式為：
（3.8）
式中，—最大軸向載荷；
—載荷性質(zhì)系數(shù)，數(shù)值同上；
—硬度影響系數(shù)，取。
5、 滾動(dòng)絲杠螺母的選擇
計(jì)算作用在滾珠絲杠上的當(dāng)量動(dòng)載荷Cm的數(shù)值：
從滾動(dòng)絲杠產(chǎn)品樣本中找出與當(dāng)量動(dòng)載荷Cm相近的額定動(dòng)載荷Ca，并使，初步選取幾個(gè)絲杠的型號(hào)和有關(guān)的結(jié)果參數(shù)。
根據(jù)具體工作要求，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸，循環(huán)方式，調(diào)隙方法及傳動(dòng)效率等方面進(jìn)行初選，并從初選的幾個(gè)型號(hào)中選出比較合適的名義直徑，螺距，滾珠工作圈數(shù)，滾珠列數(shù)等，再確定型號(hào)。
根據(jù)被選出的型號(hào)，列出各參數(shù)的數(shù)值，并驗(yàn)算其剛度及穩(wěn)定性安全系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求，需另選其他型號(hào)，再作上述驗(yàn)算，直至滿足要求為止。
當(dāng)?shù)退龠\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠絲杠需要進(jìn)行靜強(qiáng)度運(yùn)算。
3.4v主軸的選擇設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的主軸如圖所示：
圖3.4 主軸
在軸上直徑為8mm處開鍵槽剖面尺寸為b×h=3×8。軸的精度為8級(jí)。軸的材料為45號(hào)鋼，調(diào)制處理 。
3.5 減速器的選型與設(shè)計(jì)
3.5.1 減速器的選型
由于電動(dòng)機(jī)和截齒的轉(zhuǎn)速不同，需要加上減速器進(jìn)行速度的改變，在設(shè)計(jì)的工作頭中，主軸的旋轉(zhuǎn)軸線是垂直于水平面的，而在主軸的上面安裝了安裝板，要把減速器和電動(dòng)加安裝在安裝板上，以便于隨時(shí)維護(hù)和更換，電動(dòng)機(jī)和減速器輸入軸的軸線是平行于水平面的，也就是說這兩個(gè)軸的軸線是相互垂直的，這就要求所選擇的減速器輸入端和輸出端的軸線是相互垂直的，所以選擇的減速器為圓錐—圓柱齒輪減速器。
3.5.2 減速器的選型校核
減速器的承載能力受機(jī)械強(qiáng)度和熱平衡許用功率兩方面限制。因此，選用減速器時(shí)必須對(duì)這兩個(gè)功率進(jìn)行校核。
首先，按減速器機(jī)械強(qiáng)度許用公稱功率P選用，如果減速器的實(shí)用輸入轉(zhuǎn)矩和承載能力表中三檔轉(zhuǎn)速中的轉(zhuǎn)速相對(duì)誤差超過4%,則應(yīng)按實(shí)用轉(zhuǎn)速驗(yàn)算減速器的公稱功率選用，然后校核減速器熱平衡的許用功率。
減速器許用公稱功率校核
載荷為重型載荷，查《減速器設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》表4-20，得工作機(jī)械工況系數(shù)，則：
查《減速器設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》表4-5，選用DCY315-31.5，其許用輸入功率為，在轉(zhuǎn)速為1500熱 r/min時(shí)為195kw，
，滿足要求。
起動(dòng)轉(zhuǎn)矩校核
查《減速器設(shè)計(jì)選用手冊(cè)》得：
（3.9）
式中， Tk —起動(dòng)轉(zhuǎn)矩或最大輸入轉(zhuǎn)矩
n —轉(zhuǎn)速
Pn —許用輸入功率。
則：
故：轉(zhuǎn)矩滿足要求。
熱效應(yīng)驗(yàn)算
應(yīng)滿足下列關(guān)系：
（3.10）
式中，Pg —減速器熱功率，取155KW；
fw —環(huán)境溫度系數(shù)，查表4-21取0.89；
fa —功率利用系數(shù)，查表1-49取0.79。
則：
，
故：
滿足要求。
4 軸的校核
4.1 Ⅰ軸的校核
做Ⅰ軸的受力簡化圖：
圖 4.1 Ⅰ軸簡化圖
帶輪軸的功率 P3 ：
（4.1）
式中，P表示總功率；
、表示功率損失。
小齒輪分度圓直徑 49mm
檢驗(yàn)軸的最小直徑
（4.2）
式中，表示直徑；
表示面積；
表示功率；
表示轉(zhuǎn)速。
設(shè)計(jì)中取主要軸徑處為40mm；
所以該軸校核必然合格。
4.2 Ⅱ軸的校核
做Ⅱ軸的受力簡化圖:
圖 4.2 Ⅱ軸簡化圖
曲軸大齒輪直徑 348 mm 受力分析
所以 45 < 44mm 尺寸合格
彎矩圖與扭距圖如圖4.3所示：
圖 4.3 彎矩圖和扭矩圖
三支撐可設(shè)中間支撐B為多余約束。
求其約束反力（用變形法）：
解得
由圖可知：
強(qiáng)度校核：
由彎矩圖知 截面A-A 為危險(xiǎn)截面。
安全系數(shù)校核計(jì)算
彎曲應(yīng)力幅：
（4.3）
式中，表示應(yīng)力；
表示合力；
表示面積。
對(duì)稱循環(huán)彎曲應(yīng)力
平均應(yīng)力
由
剪應(yīng)力幅
軸 A-A 截面的安全系數(shù)
故 s< [s] 該州A-A截面是安全的
5 軸承的壽命驗(yàn)算
5.1 Ⅰ軸軸承的壽命驗(yàn)算
Ⅰ軸的軸承有 成對(duì)角接觸球軸承 7006 AC；深溝球軸承 6007；調(diào)心滾子軸承 22207；
對(duì)軸進(jìn)行受力分析
受力簡化圖如 圖5.1
已知：
計(jì)算軸承支反力：
水平方向反力：受力簡化如圖 5.2
垂直方向支反力：受力簡化如圖 5.3
合成支反力：
查軸承手冊(cè)
22207的軸承各參數(shù)
7006 C 軸承的各參數(shù)：
所以：
軸承的軸向載荷
計(jì)算軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷P
由
查表9-6
由
所以：
查表 9-7
由受力情況
所以 軸承22207適用
所以 軸承7006 C適用
5.2 Ⅱ軸軸承壽命驗(yàn)算
Ⅱ軸上采用滑動(dòng)軸承， 選取原則有兩條
其一：軸承的載荷方向應(yīng)該在軸中心線左、右35度的范圍內(nèi)。
其二：軸承允許通過軸肩承受不大的軸向載荷，當(dāng)軸肩直徑不小于軸瓦肩不外經(jīng)時(shí)，允許軸承的軸向載荷不大于最大徑向載荷的30%。
有上述原則選取型號(hào)為 QJ 120/50的滑動(dòng)軸承。
滑動(dòng)軸承的驗(yàn)算：
壓強(qiáng)的驗(yàn)算：
由前面進(jìn)行的Ⅱ軸的校核可知
壓強(qiáng)P：
查表 滑動(dòng)軸承的材料性能
查得：
所以 壓強(qiáng)驗(yàn)算合格
值驗(yàn)算
查表 滑動(dòng)軸承的材料性能
查得：
所以 驗(yàn)算合格
圓周速度驗(yàn)算：
查表 滑動(dòng)軸承的材料性能
查得：
所以 驗(yàn)算合格
所以滑動(dòng)軸承選取合格。
6 鍵的校核
6.1 Ⅰ軸上鍵的校核
由軸的精度為8級(jí)，由較高的對(duì)中性，故要求選用平鍵連接。又因?yàn)槭庆o連接，選用平頭鍵。由 d=20mm 查手冊(cè)的鍵的剖面尺寸為b×h=6×6，參考輪轂長度選鍵長為16mm。鍵的材料選用45號(hào)鋼，A型 GB1096-79。
鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算
連接的主要失效形式是鍵，軸和輪轂三個(gè)零件中材料較弱的一個(gè)的工作表面被壓潰。由于，輪轂材料是鑄鐵，實(shí)效發(fā)生在輪轂上，故按輪轂進(jìn)行擠壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。
查表的鑄鐵的許用擠壓應(yīng)力
鍵的有效工作長度
由式
故所用的鍵連接強(qiáng)度足夠
6.2 Ⅱ軸上鍵的校核
由軸的精度為8級(jí)，由較高的對(duì)中性，故要求選用平鍵連接。又因?yàn)槭庆o連接，選用平頭鍵。由 d=45mm 查手冊(cè)的鍵的剖面尺寸為b×h=14×9，參考輪轂長度選鍵長為36mm。鍵的材料選用45號(hào)鋼，A型 GB1096-79。
鍵連接的強(qiáng)度計(jì)算
連接的主要失效形式是鍵，軸和輪轂三個(gè)零件中材料較弱的一個(gè)的工作表面被壓潰。由于三個(gè)零件都是45號(hào)鋼，故按45號(hào)鋼進(jìn)行擠壓強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。
查表的45號(hào)鋼的許用擠壓應(yīng)力
鍵的有效工作長度
由式
故所用的鍵連接強(qiáng)度足夠
7 聯(lián)軸器的計(jì)算與選型
本設(shè)計(jì)工作頭的聯(lián)軸器采取液力聯(lián)軸器，它可以聯(lián)接兩個(gè)傳動(dòng)軸，能夠保護(hù)動(dòng)力系統(tǒng)免于過載損壞，還可以用于空載啟動(dòng)原動(dòng)機(jī)，還能做離合器、無級(jí)調(diào)速器等使用。
液力聯(lián)軸器由泵輪、渦輪、外殼和輸入軸及輸出軸等組成。泵輪與外殼通過螺栓固定連接，其作用是防止工作液體外溢。輸入軸（與泵輪固定的連接）與輸出軸（與渦輪固定連接）分別與動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)相連接。泵輪與渦輪均具有徑向直葉片的葉輪。由泵輪和渦輪具有葉片的凹腔部分所形成的圓環(huán)狀空腔稱為工作腔，供工作液體在其中循環(huán)流動(dòng)，傳遞動(dòng)力進(jìn)行工作。工作腔的最大直徑稱為有效直徑，是液力偶合器的特征尺寸—規(guī)格大小的標(biāo)志尺寸。
液力偶合器安裝在動(dòng)力機(jī)與工作機(jī)之間，當(dāng)泵輪被動(dòng)力機(jī)帶動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，工作腔中的液體隨泵輪做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又在離心慣性力作用下沿葉片間通道向外流動(dòng)，即對(duì)泵做相對(duì)運(yùn)動(dòng)。液體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于葉輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)由葉輪和葉片形狀決定。由于葉片為徑向直葉片，假如葉片數(shù)目無窮多，厚度無限薄，則液體質(zhì)點(diǎn)從泵輪半徑較小的流道進(jìn)口處被加速，并被拋向半徑較大的流道出口處。從而液體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量距增大，即泵輪從動(dòng)力機(jī)吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為液體能。在泵輪出口處液流以較高的速度和壓強(qiáng)沖向渦輪葉片，并沿著葉片表面與工作腔外環(huán)所構(gòu)成的流道做向心流動(dòng)。液流對(duì)渦輪葉片的沖擊減少了自身的速度和壓強(qiáng)，是液體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量矩降低，釋放的液體能推動(dòng)渦輪（即工作頭）旋轉(zhuǎn)做功（渦輪將液體能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能）。液流的液體能釋放減少后，在其后的液流的推動(dòng)下，由渦輪外緣（渦輪流道入口）流向內(nèi)緣（渦輪流道出口），并流入泵輪，開始下一個(gè)能量轉(zhuǎn)化的循環(huán)流動(dòng)。如果沒有環(huán)流運(yùn)動(dòng)。就沒有能量的傳遞。
液力偶合器與電動(dòng)機(jī)的匹配原則：
1、保證額定工況點(diǎn)的高效率
在額定傳動(dòng)比，液力偶合器的輸入特性曲線應(yīng)交于電動(dòng)機(jī)械特性的額定工況點(diǎn)上。但與值的選擇應(yīng)相互兼顧，如只考慮高效率而取過大的，則因過小而常會(huì)使偶合器的有效直徑增大。這時(shí)安裝空間有限和盡量減少總機(jī)尺寸不利。
2、確?，F(xiàn)矩性能
偶合器與電動(dòng)機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)之一就是過載保護(hù)，而過載保護(hù)是通過限制泵輪力矩不超過電動(dòng)機(jī)的最大力矩來實(shí)現(xiàn)的。因此，對(duì)于要求過載保護(hù)的最大過載系數(shù)，這既可充分利用電動(dòng)機(jī)的最大力矩啟動(dòng)，又可以保護(hù)電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)載荷性質(zhì)不同進(jìn)行匹配 對(duì)于帶荷啟動(dòng)的液力偶合器，最好取，以便于利用電動(dòng)機(jī)的最大力矩啟動(dòng)。對(duì)于阻力小，慣性大的載荷（如轉(zhuǎn)自型破碎機(jī)），可使銷大于。此處的是指時(shí)的值。
液力聯(lián)軸器如圖所示：
圖7.1 液力聯(lián)軸器
液力偶合器由很多優(yōu)點(diǎn)：隔離紐振，防護(hù)動(dòng)力過載，均勻多臺(tái)原動(dòng)力機(jī)間的負(fù)荷分配，空載啟動(dòng)，離合方便，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，無磨損，易于散熱以及可撓性聯(lián)接。但它也存在著許多缺點(diǎn)：其效率低，有功率損失，對(duì)于功率大于1000kw的偶合器，除本體外，還有一套冷卻供油系統(tǒng)和若干輔助設(shè)備，消耗部分輔助功率，當(dāng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，偶合器的尺寸重量較大等。
本設(shè)計(jì)的三向運(yùn)動(dòng)中的滾動(dòng)絲杠和電動(dòng)機(jī)之間的連接采用鍵聯(lián)軸器。
鍵聯(lián)軸器如圖所示：
圖7.2（一）鍵聯(lián)軸器實(shí)物圖
圖7.2 （二)鍵聯(lián)軸器CAD圖
8 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析
1、經(jīng)濟(jì)性分析：
本設(shè)計(jì)為掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，主要研究測(cè)量三個(gè)方向的力，是以截齒為研究對(duì)象，本設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵部位是工作頭的旋轉(zhuǎn)和三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，而三個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)思路和理念是一致的，所以可以單獨(dú)研究一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)形式，其他兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)和所研究的是大同小異的。
工作頭的框架和整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的外框架都是采用口型鋼或焊或用螺紋連接而成的，口型鋼所選擇的型號(hào)和尺寸，在市場上都是可以直接買到的，不用特別的加工，只需要加工出安裝用的螺紋孔，這樣就降低了制造成本。工作頭里面的主軸和外箱體，也都是簡單的材料，盡管市場上沒有現(xiàn)成的材料，但是加工軸系和筒系，在我國都是比較成熟的加工生產(chǎn)技術(shù)，一般的小工廠就可以實(shí)現(xiàn)。所有加工的軸和外箱體也都是十分的簡單，沒有過復(fù)雜的外形和技術(shù)要求。
至于三個(gè)方向的移動(dòng)，采用滾動(dòng)絲杠和導(dǎo)軌滑塊的連接運(yùn)動(dòng)方式，這在生產(chǎn)制造機(jī)械移動(dòng)部件的領(lǐng)域也是十分普遍的技術(shù)，所要用到得滾動(dòng)絲杠和導(dǎo)軌滑塊的型號(hào)都是在市場上可以選擇到的，不需要限定做，移動(dòng)用的板材也都是機(jī)械領(lǐng)域經(jīng)常用到的板材，選擇后，不需要經(jīng)過復(fù)雜的精加工，只需要按照安裝尺寸加工出我們安裝時(shí)所需要的孔即可。
電動(dòng)機(jī)的選擇、減速器的選擇和其他一些輔助材料的選擇，也都是可以在市場上直接買到的，按照裝配圖安裝即可。
本設(shè)計(jì)所選擇的零部件，大部分都是選擇的在市場上可以買到看到的，直接就可以用。對(duì)于在市場上無法找到的工件，需要在工廠加工生產(chǎn)，但所需要加工的工件也都是很容易加工，這樣設(shè)計(jì)就降低了生產(chǎn)加工的成本，大大降低了本設(shè)計(jì)產(chǎn)品的制造成本，滿足生產(chǎn)產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)型要求。
2、技術(shù)性分析：
本設(shè)計(jì)是為了模擬掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)截齒的受力情況，所以設(shè)計(jì)的基本思路也是要根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)截齒的受力情況進(jìn)行分析，考慮到截齒工作時(shí)有本身的旋轉(zhuǎn)和工作的截割煤沿的情況，考慮到用電動(dòng)機(jī)加減速器模擬截齒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)研知道了掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)截齒的旋轉(zhuǎn)時(shí)不同的，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的型號(hào)和截齒型號(hào)的不同而不同所以這里，本設(shè)計(jì)選擇S150型號(hào)截齒，掘進(jìn)機(jī)選擇最普通的小型掘進(jìn)機(jī)S150A為研究對(duì)象，通過計(jì)算選擇出了合適的電動(dòng)機(jī)和減速器，包括其他部件的選擇都是合理的，這樣就保證了能模擬出實(shí)際工作情況下的掘進(jìn)機(jī)截齒旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
而截齒的截割運(yùn)動(dòng)是通過運(yùn)動(dòng)的分解，把復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)分解成三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。而三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)的選擇上就有很大程度上的分歧，可以產(chǎn)用液壓系統(tǒng)，也可以采用機(jī)械系統(tǒng)，考慮的液壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性問題，而且如果采用液壓系統(tǒng)作為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，那么所帶來的技術(shù)要求就高了，需要對(duì)液壓閥、加壓閥、順序閥、承壓發(fā)等一系列液壓元件，有足夠的了解和掌握，假如采用液壓系統(tǒng)生產(chǎn)出來了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在以后的實(shí)際操作過程中，液壓系統(tǒng)可以會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部液壓液體泄漏，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)臺(tái)失效，維修液壓系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)也是不方便的。從而又帶來了經(jīng)濟(jì)性的要求。同時(shí)，對(duì)于正常的維護(hù)也不是有利的。所以選擇用機(jī)械系統(tǒng)。采用滾動(dòng)絲杠加上導(dǎo)軌滑塊的組合，這在制造移動(dòng)部件的領(lǐng)域是比較成熟的技術(shù)，而且用這個(gè)組合不僅可以實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所要求的運(yùn)動(dòng)形式，而且在操作上也十分方便，采用伺服電動(dòng)機(jī)就可以提供動(dòng)力，設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也簡單化了，從而還降低了生產(chǎn)成本，便于產(chǎn)品生產(chǎn)出來后的普及和工人操作。
9 結(jié)束語
本次設(shè)計(jì)為掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過把實(shí)際復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)形式簡單的分解成三個(gè)方向的受力，從而把復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)化為簡單的運(yùn)動(dòng)，通過實(shí)驗(yàn)儀器分析運(yùn)動(dòng)受力形式，以此解決實(shí)際生產(chǎn)生活中遇到的問題。
本次設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，用基本的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求，所選擇的設(shè)計(jì)材料經(jīng)濟(jì)適用，安裝、批量生產(chǎn)也十分容易。
10 致謝
本次設(shè)計(jì)是在紀(jì)玉杰老師的悉心指導(dǎo)和幫助下完成的，紀(jì)老師淵博的專業(yè)知識(shí)和嚴(yán)禁的治學(xué)態(tài)度使我如沐春風(fēng)，受益匪淺。
通過本次設(shè)計(jì)我學(xué)到了許多東西，對(duì)這大學(xué)四年學(xué)到的東西做了系統(tǒng)的復(fù)習(xí)與實(shí)踐。對(duì)以前學(xué)到而遺忘的知識(shí)有了充分的回顧。
在這次設(shè)計(jì)中感觸很多，設(shè)計(jì)和研發(fā)一件產(chǎn)品是多么的不容易，需要多少知識(shí)的積累和沉淀。在我國，自主研發(fā)產(chǎn)品和美國、日本、歐洲國家相比都很弱。這就給我們帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，同時(shí)也給我們帶來了相對(duì)的發(fā)展空間的提升的高度。
通過本次設(shè)計(jì)，明顯感覺到自己有多么的不足，學(xué)的知識(shí)不足和不能夠靈活的運(yùn)用。以后還要在實(shí)踐中鍛煉自己。
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附錄
10
漢語翻譯
一種對(duì)應(yīng)隧道掘進(jìn)機(jī)的測(cè)量黏土附著量的方法
日期：07.12.21 接受日期：08.8.23 出版時(shí)間：08.10.31
摘要
利用隧道掘進(jìn)機(jī)，在通過凝聚力挖掘時(shí)會(huì)承受較大的土壤堵塞。造成時(shí)間上的延誤和費(fèi)用上的增加。本文介紹一種在發(fā)生黏土粘連時(shí)測(cè)量附著量的方法。用一種模擬的黏土切割輪機(jī)器，用在高嶺土上施加壓縮力變化的辦法來測(cè)量記錄。我們正在進(jìn)行下一步的研究是為了澄清一個(gè)影響因素。這個(gè)影響因素包括黏土里的礦物質(zhì)對(duì)砂輪齒面的摩擦產(chǎn)生的影響因素。這個(gè)測(cè)試可以在實(shí)地考察或現(xiàn)場測(cè)試附著力，這樣得到的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)值是我們所希望的。
關(guān)鍵詞：附著力 黏土 表面效應(yīng) 邊界層效應(yīng) 隧道工程 土壤力學(xué)
介紹
在地下工程中，黏土附著在鋼鐵機(jī)械表面可顯著降低機(jī)器的工作效率或者直接造成失去工作能力。最近，這個(gè)問題發(fā)生在一些由液壓驅(qū)動(dòng)的盾式隧道掘進(jìn)機(jī)上。圖一顯示了一個(gè)被黏土堵塞的隧道掘進(jìn)機(jī)的砂輪。當(dāng)這種堵塞發(fā)生時(shí)，隧道掘進(jìn)過程必須停止并且需要把砂輪取出清理干凈，這樣一來會(huì)帶來時(shí)間上的延誤和影響預(yù)期的進(jìn)度。因此有一個(gè)關(guān)于土壤中黏土性能的調(diào)查報(bào)告同時(shí)提供定性和定量的信息是十分必要的。
從1838年開始人們開始調(diào)查研究這些現(xiàn)象。例如，在早期，農(nóng)民在耕作時(shí)會(huì)產(chǎn)生對(duì)黏土性能的問題，也就是說什么樣的土適合莊家的生長。第一個(gè)關(guān)于這些現(xiàn)象的報(bào)告是在1960年研究建筑工業(yè)土層結(jié)構(gòu)的報(bào)告上提出來的。在這個(gè)時(shí)期，對(duì)黏土附著力的系統(tǒng)性研究與1960年以后得隧道中遇到的土壤情況聯(lián)系到了一起，但是對(duì)于土壤和鋼鐵的接觸表面的相互作用還是不了解。因此，一種對(duì)土壤附著力的測(cè)試方法和測(cè)試條件的研究被大家提上日程，但是迄今為止，還沒有一種被大家普遍接受的測(cè)試方法以確定土壤的粘合性能。
未來的隧道工程可能會(huì)在粘合性更嚴(yán)重的土壤中進(jìn)行，因此有一個(gè)公認(rèn)的行為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法是十分必要的。這種方法應(yīng)該可以提供對(duì)土壤的粘接性能有定量和定性的信息，在現(xiàn)場調(diào)查中可以被使用，這樣在開發(fā)一片土地時(shí)，對(duì)預(yù)算、招標(biāo)和承建都有好處。
土壤附著力
僅在粘性土壤中含有10%-20%黏土礦物發(fā)生粘連。根據(jù)土壤成分分析，粘性土壤的固體表面的粘附性依賴于從土壤中吸收的水量，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)粘附力還受到邊界層的影響。其中，水的影響包括水層吸附力、水壓力、水量、水的膨脹能力、水的膨脹強(qiáng)度、毛細(xì)作用，還受到土壤的物理性能的影響和表面吸附力。隧道掘進(jìn)機(jī)的操作方式和泥漿的質(zhì)量都是不好把握的，休斯提出了一個(gè)土壤和鋼鐵表面粘附性測(cè)試的物理模型，用來測(cè)試相關(guān)的影響。作者在本文建議做個(gè)測(cè)驗(yàn)，這可能有助于更好了解粘附的物理過程。
土壤特征附著力測(cè)試方法
土壤附著的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法可以用在建筑工業(yè)行為標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)包括：
a) 明確界定的參數(shù)
b) 高分辨率測(cè)量
c) 重復(fù)性高標(biāo)準(zhǔn)巖土實(shí)驗(yàn)室
d) 方便迅速地執(zhí)行一般土壤測(cè)試實(shí)驗(yàn)室
e) 簡單的測(cè)試設(shè)備，適合現(xiàn)場使用
f) 簡單的測(cè)試程序
g) 如果可能的話，其他規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法的使用
h) 參照標(biāo)準(zhǔn)化得土壤參數(shù)
這種測(cè)試方法被主要的檢測(cè)機(jī)構(gòu)認(rèn)可并作為以后測(cè)試未來關(guān)于附著問題項(xiàng)目的測(cè)試方法。所以，實(shí)驗(yàn)設(shè)備和步驟將變的越來越簡單，關(guān)于實(shí)驗(yàn)方法的確定標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)土壤力學(xué)參數(shù)將被更好更充分的證明。
土壤附著試驗(yàn)原則
兩種材料之間經(jīng)常使用的三維向心力測(cè)試的主要原則：剝離、剪切和直接拉伸的關(guān)系。剝離測(cè)試對(duì)土壤松動(dòng)、被挖掘等感興趣；剪切試驗(yàn)可以測(cè)量出一個(gè)結(jié)果，但這個(gè)結(jié)果可被測(cè)量出的土壤力學(xué)系數(shù)的結(jié)果所干擾。這樣一來，就不容易分辨出附著力的剪切強(qiáng)度了。此外，剪切試驗(yàn)得應(yīng)力條件使得剪切機(jī)的位置不能被確定，很可能，土壤測(cè)試的數(shù)學(xué)解果與剪切原則上測(cè)試的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生出誤差。
與直接拉伸試驗(yàn)類似，壓縮試驗(yàn)的對(duì)材料的作用力也是施加在表面上的力。對(duì)于在土壤中分離鋼時(shí)產(chǎn)生的最大單向附著張力和附著強(qiáng)度是非常容易明確的并能做出簡單的解釋說明。
為了貫徹這個(gè)原則，在土壤力學(xué)領(lǐng)域，必須在土壤表面施壓力，這個(gè)測(cè)試原則已經(jīng)用在土壤附著力測(cè)試上了。特維斯建議作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。
關(guān)于這個(gè)測(cè)試原則的一個(gè)主要問題是區(qū)分在材料界面的附著強(qiáng)度和在土壤中的抗張強(qiáng)度的區(qū)別。如果鋼鐵和土壤內(nèi)的接口沒有破裂，則本身的強(qiáng)度高于拉伸土壤的強(qiáng)度，即大于抗張強(qiáng)度。因此無法測(cè)量，只要在固體表面上沒有留下土壤就可以進(jìn)行測(cè)量。
附著試驗(yàn)
附著測(cè)試設(shè)備
附著試驗(yàn)裝置由一個(gè)剛樣品（直徑9.0厘米，高4.9厘米）包括一個(gè)底盤和一個(gè)頭盤組成。圖三 圖四。土壤樣本被放置到下環(huán)規(guī)定的位置。規(guī)定的條件：含水量、壓實(shí)。單位等規(guī)則6.2厘米直徑的附著測(cè)試缸是作表面土壤所需要的。圓柱的截面表面積是30.2平方厘米。這個(gè)測(cè)試安排可用于各種材料的測(cè)試。例如:金屬、陶瓷、塑料等。
附著測(cè)試程序
以下這些經(jīng)過初步調(diào)查所確定的最佳的實(shí)驗(yàn)程序，測(cè)量土壤樣品的凝聚力用到土壤樣品環(huán)。人們發(fā)現(xiàn)土壤樣品最好放三層，壓實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)普羅科特試驗(yàn)用2.5公斤。經(jīng)過壓實(shí)，土壤表面經(jīng)過精心鏟平或用平滑的樣品放在壓縮和拉伸試驗(yàn)機(jī)（圖五）或者附著試驗(yàn)缸中。
測(cè)試過程如下：土壤表面與得失離子的水。重要的是使用離子水蒸發(fā)，一避免和控制鋼筒和土壤之間產(chǎn)生粘附膜。水失去離子，以避免不確定的離子混在土壤樣品中，但用這一個(gè)理論在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，也可以用其他的液體進(jìn)行，例如隧道掘進(jìn)液。
附著試驗(yàn)時(shí)把壓缸垂直上升保持一個(gè)固定的高度一段時(shí)間，測(cè)量土壤濕度。然后拉下附著試驗(yàn)缸，同時(shí)測(cè)量力量和速度。
測(cè)試結(jié)果分析
測(cè)試結(jié)果分析:把測(cè)量記錄繪制成力量-時(shí)間圖（圖六）。拉力和橫坐標(biāo)（如果附著試驗(yàn)缸的自重被列入測(cè)試程序）的最大差值表示提供附著力（或土壤樣品的拉力）。比較和其他作者報(bào)告的結(jié)果，力量轉(zhuǎn)化為壓力除以部分粘附試驗(yàn)的圓柱表面積。
為了驗(yàn)證測(cè)試方法，粘附測(cè)試進(jìn)行了一系列試驗(yàn)。材料分別為工業(yè)用土和均質(zhì)黏土。在每個(gè)情況下，只有一個(gè)測(cè)試參數(shù)（粘稠度）的變化與其他參數(shù)保持不變。
系統(tǒng)測(cè)試
第一次測(cè)試，對(duì)附著力測(cè)試設(shè)備進(jìn)行了一系列檢查。一個(gè)粗糙度為0.1um的附著試驗(yàn)缸放在另一個(gè)有相同粗糙度的試驗(yàn)缸上。同時(shí)在附著試驗(yàn)缸的表面用純凈水濕潤。圖七顯示了測(cè)試狀態(tài)前的兩個(gè)氣