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摘 要
本論文為掘進(jìn)機(jī)截齒三向力測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其主要目的是研究如何測(cè)試三個(gè)方向的力的機(jī)械測(cè)試方法。本次設(shè)計(jì)主要包括動(dòng)力傳動(dòng)設(shè)計(jì)和如何檢測(cè)三個(gè)方向的力。其工作原理主要是結(jié)構(gòu)控制工作臺(tái)的不同運(yùn)動(dòng)方向和工作頭的旋轉(zhuǎn)截割，把實(shí)際復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)受力分解成三個(gè)方向的力，然后再進(jìn)行信號(hào)收錄、還原、分析，做進(jìn)一步檢測(cè)。
本次設(shè)計(jì)的主要目的在于如何設(shè)計(jì)出三個(gè)方向分析的機(jī)械檢測(cè)設(shè)備，為大型大量的實(shí)際施工設(shè)備、操作，收集和積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和必要的參數(shù)。
關(guān)鍵詞 掘進(jìn)機(jī)；截齒；三向力
Abstract
This thesis for determing tooth three-axis testing machine, its main purpose is to study how to test the strength of the three directions mechanical testing method. This design includes power transmission design and how to detect the three directions. Its principle of work is mainly structure control of workbench movement direction and different job rotation of the head, the actual cutting force of sports complex in three directions of decomposing signal, and then collected, reduction, analysis, further testing.
The main purpose of this design is how to design a three direction of mechanical testing equipment for large, large amounts of actual construction equipment and operation, collect and accumulating experimental data and the necessary parameters.
Key Words roadheader；Cut teeth； three forces
1. 緒言
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(guó)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(guó)煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)大會(huì)上以及國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)外先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)、消化、吸收，推動(dòng)了我國(guó)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(guó)產(chǎn)機(jī)制造缺陷，在使用中暴露了很多問題。國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)際先進(jìn)水平。基本能夠滿足國(guó)內(nèi)半煤巖掘進(jìn)機(jī)市場(chǎng)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(guó)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(guó)處于試驗(yàn)階段，但國(guó)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(guó)WAV300、奧地利AHM105、英國(guó)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(guó)內(nèi)第一臺(tái)EBZ200H 型硬巖掘進(jìn)機(jī)，但國(guó)產(chǎn)重型掘進(jìn)機(jī)與國(guó)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(guó)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。
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
由任務(wù)書的設(shè)計(jì)任務(wù)可知，本設(shè)計(jì)為自主設(shè)計(jì)，只有大概的方向，沒有具體的細(xì)節(jié)束縛。
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，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以參照龍門刨床改制，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)和龍門刨床的結(jié)構(gòu)十分類似。
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）。
2.3 方案設(shè)計(jì)
方案如圖2-1所示：
圖2-1
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)。
3.部件選擇
3.1電動(dòng)機(jī)選擇
在實(shí)際的掘進(jìn)機(jī)工作過程中，截齒是通過截齒座安裝在掘進(jìn)機(jī)工作頭上的，所以截齒工作時(shí)的截割工作力是通過掘進(jìn)機(jī)工作頭的旋轉(zhuǎn)而形成的，所以本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)夾持截齒的中線和旋轉(zhuǎn)中心存在著偏心。用來模擬實(shí)際的工作運(yùn)動(dòng)過程。根據(jù)實(shí)際的工作，所選的截齒S150實(shí)際的工作轉(zhuǎn)速大致在1000r/min，所以工作頭的動(dòng)力選擇Y160M-2電動(dòng)機(jī)即可，次電動(dòng)機(jī)的功率為15KW，足可以帶動(dòng)工作的運(yùn)動(dòng)，選擇DBY型減速器，這樣可以模擬掘進(jìn)機(jī)工作過程中的實(shí)際運(yùn)動(dòng)受力情況。
升降部分和水平移動(dòng)部分的電動(dòng)機(jī)選擇YH801-6型，功率為0.75KW，足可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的升降和移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
3.2固定架選擇
考慮到經(jīng)濟(jì)性的問題，本設(shè)計(jì)選擇的固定架為平常生活中經(jīng)常可以遇到的部件。支撐工作頭的支架，選擇用角鋼，把角鋼安設(shè)計(jì)的尺寸，用螺紋組裝成角鋼框，在上面安裝上固定板。用螺紋把工作頭安裝到支架上，安情形需要，可以在直接外圍用鐵皮裝裱上，顯得美觀。下面用螺紋安裝到移動(dòng)板上。
升降臺(tái)也用角鋼用螺紋組裝成框架式，中間用角鋼加固，同是把法蘭盤安在這段固定角鋼上，這樣可以把和絲杠螺母連接出的升降延伸部分安裝到一起，以實(shí)現(xiàn)升降的運(yùn)動(dòng)。
3.3剛板的選擇
選擇鋼板用來做底座、移動(dòng)板和上面放置夾持煤樣座的平板，平板選擇在25-50mm之間的鋼板，在市場(chǎng)上很容易找到。
3.4絲杠選擇
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)。
3.5軸的選擇設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的軸如圖3-1所示：
圖3-1
4 軸的校核
4.1 Ⅰ軸的校核
由圖3.2 作Ⅰ軸的受力簡(jiǎn)化圖
圖 4.1 Ⅰ軸簡(jiǎn)化圖
帶輪軸的功率 P3 ：
小齒輪分度圓直徑 49mm
檢驗(yàn)軸的最小直徑
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
由圖3.3 作Ⅱ軸的受力簡(jiǎn)化圖
圖 4.2 Ⅱ軸簡(jiǎn)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
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 我i危險(xiǎn)截面
安全系數(shù)校核計(jì)算
彎曲應(yīng)力幅
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(jiǎn)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(jiǎn)化如圖 5.2
垂直方向支反力：受力簡(jiǎn)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軸軸承的壽命驗(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
Pv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(zhǎng)度選鍵長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度選鍵長(zhǎng)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(zhǎng)度
由式
故所用的鍵連接強(qiáng)度足夠
7.結(jié)論
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(jiǎn)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(jiǎn)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。
8. 設(shè)計(jì)體會(huì)
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(guó)，自主研發(fā)產(chǎn)品和美國(guó)、日本、歐洲國(guó)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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[11] 徐灝主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).（卷3）（卷5）.機(jī)械工業(yè)出版社，1991.9