矿山水仓清淤机工作装置的设计毕业设计.doc

浙江科技学院本科毕业设计（论文）矿山水仓清淤机工作装置的设计摘要：水仓是井下同一水平处水的流经通道，同时还肩负着沉淀水中的煤粉及杂质的作用，其出口处的清水由水泵排至地面。由于煤粉及杂质不断沉积，水仓被淤泥装满后必须及时的清理，否则会影响矿井的正常排水，甚至导致淹井等重大事故。这也是本课题中所要研究开发的清淤机的功用所在。矿山水仓清理的机械化是众多矿山企业多年来一直未能很好解决的难题。随着煤炭工业的机械化、自动化水平的不断提高，实现矿山水仓清淤的机械化已经是摆在矿山企业面前急需解决的问题。以前的各种清仓方式和设备存在着工期长、效率低，或是费用高、维护困难等不同缺点。所以研制一种全新的、高效可靠的、符合井下工作要求的水仓清理工作装置具有非常重要和长远的意义。该课题源于目前企业的实际情况提出，且需求量大。全国有近万家矿山开采企业，该课题的研究对提高清理水仓效率、降低工人劳动强度意义重大，也拥有广阔的市场和应用前景。本论文介绍了该新型矿山清淤机的工作装置的设计思路与过程。在该课题中所研制的矿山清淤机应当具有以下主要特点：（1）体积小，结构紧凑，机动灵活可实现原地转向，特别适用井下狭小空间里作业；（2）工作装置可以相对车身进行旋转，本身不动的情况下也同样可以铲泥工作；（3）该工作装置应该具有通用性，改型容易；（4）该工作装置应该实现连续式的装载要求，切实提高井下的工作效率和安全可靠性。根据上述的功能要求，本文作者在查阅了许多相关文献资料并分析比较了国内外现有对水仓清理技术的研究的优缺点基础上，确定了该工作装置的设计方案并进行了相应的结构设计。 本论文通过对国内外现状的分析、方案设计、工作装置的结构设计以及零部件的设计与计算等多方面阐述了该新型工作装置的创新。关键词：清淤机；工作装置；圆环链；连续装载abstract：underground sump is the channel where the water flows through under the mine well. and it should precipitate the coal and impurities in water at the same time, and the clean water is drained off through the pumps. because the continuous precipitation of the coal and impurities, the storage must be cleaned in time after being filled with the sludge, otherwise it may affect the normal mine drainage, and may even lead to the big incidents as drown the well. this is the issue in which the research of the clean mud machines functions lie.the mechanization of the clean machine used in the mine sumps is the problem which many mining enterprises have failed to properly resolve. with the level of mechanization and automation in mining industry improved, the sumps cleaning is mechanized has been placed before the mining enterprises which need to solve. the previous clearing methods and equipment exists many different disadvantages, such as long period, inefficient, or the high cost and difficulty of maintenance. therefore, it is very important and long-tem significant that to develop a new sump cleaning machine, which is highly efficient and reliable, and underground work in line with the requirements. this issue stems from the actual situation and it has high demand. there are approximately 10000 mining enterprises, the research of the task has great significance in improving the efficiency of cleaning the sump and reducing labor intensity. but it has a vast market and application prospects.this text introduced the new mine clearing machines working equipment and its design thinking and process. the new working equipment developed in this subject should have the following main characteristics:1) small size, compact structure and flexibility to change direction in the original place, particularly suitable for the underground work in the small well.2) the working equipment can relatively rotate compared to the machine body, and it also can spade soil when it doesnt move.3) the equipment should be common used, and easy to be modified.4) the equipment should meet requirements of continuous loading, and improving the efficiency of underground work, safety and reliability.according to the above function requirements, the author turns to many relevant references, compares and analyses the differences of the existing domestic and international researches about sump cleaning technology. based on the comparison, the researcher determines the design program of this new working equipment and does the relevant structural design.the thesis interprets this new equipments innovations by analyzing the present situation, doing the program design and the structural design and designing components and the relevant calculation.keywords: mud cleaning machine；working equipment；ring chain；continuous loading第一章 绪 论1.1 引言水仓是井下同一水平处水的流经通道，同时还肩负着沉淀水中的煤粉及杂质的作用，其出口处的清水由水泵排至地面。由于煤粉及杂质不断沉积，水仓被淤泥装满后必须及时的清理，否则会影响矿井的正常排水，甚至导致淹井等重大事故。这也是本课题中所要研究开发的清淤机的功用所在。矿山水仓清理的机械化是众多矿山企业多年来一直未能很好解决的难题。随着矿山机械化、自动化水平的不断提高，实现矿山水仓清淤的机械化已经是摆在矿山企业面前急需解决的问题。以前的各种清仓方式和设备存在着工期长、效率低，或是费用高、维护困难等不同缺点。所以研制一种全新的、高效可靠的、符合井下工作要求的水仓清理工作装置具有非常重要和长远的意义。该课题源于目前企业的实际情况提出，且需求量大。全国有近万家矿山开采企业，该课题的研究对提高清理水仓效率、降低工人劳动强度意义重大，也拥有广阔的市场和应用前景。这也是对本课题进行立项研究的背景和意义前景。1.2 水仓清理技术现状一般情况下，矿井的每个水平必须设置两个水仓，分为内环和外环，长度在 3001000m左右。每个水平的掘进和采煤等工作面涌出的污水 由潜水泵抽出，通过一系列的明渠、暗道，污水挟裹着煤泥等杂质污垢流入所在水平的水仓。通常情况下水仓每年清挖一次 ，但涌水较大的矿井或水平 ，则须清挖 23次 ，以保证生产的需要。汇总目前国内外清理水仓的方法主要有以下几种：人工清理。这是全国目前绝大多数矿井采用的清理方式。清理过程为：人工装罐（矿车）移罐绞车拉入主巷道副井提升至地面，一般需要2名工人用铁锹装罐，装满后再由23人移罐。由于作业环境恶劣，工人劳动强度大，作业效率低；采用排污泵及管道直接将泥浆从井下排至地面。该方案从理论上将是比较先进的，但该系统投资较大，可靠性较差，维护费用高。微型装载机清仓。这种方式提高了作业效率，降低了工人的劳动强度，但由于装罐过程不连续，操纵繁杂等问题未能很好解决，故企业并不很多。污泥泵脱水设备清仓。这种方式是将脱水设备和罐笼放置在水仓进口处，其清仓流程是：污泥泵抽排设备过滤缓冲器加压设备脱水设备装罐笼。在清仓过程中，需要不断向被清水仓内注水，同时随着清理距离延长，要不时地更换管道长度。另外该清理水仓方式还存在使用设备较多。振动筛清淤法，用振动筛将淤泥分级，将颗粒较大的杂物筛出后装入矿车，余下的煤泥水进入排水系统。其缺点是细小的淤泥返回水仓，无法将淤泥彻底清理7-11。在上述几种传统的清淤方法中，存在的突出问题：（1） 糊状淤泥清理不彻底；（2）淤泥中水含量大，不便运输；（3）颗粒较大的淤泥无法用柱塞泵排至地面；（4）环境污染问题。经过长期生产实践，通过对水仓淤泥特点的观察研究，涉及的一种新型先进的清淤系统能够比较好地解决上述难题。1.3 新型清仓技术的发展如前所述，现有各种水仓清理技术存在不同的难以克服的缺点，各矿山企业和研究机构均在这一方面投入了相关的关注，投以时间和资金研究开发新型的高效的机械或系统。努力提高这项工作的效率，提高机械化水平，发展自动化技术，以便降低人的工作强度，同时增加安全保障和经济效益，保护环境。经过不协地努力，各研究小组都取得了一定的技术成果，研制出了多种新型的清仓系统或设备。以下列举两种较为新型的、试运行效果较佳的技术为例。图1.1 新型水仓清理系统如图1.1所示，由于在水仓清淤过程中，遇到的糊状淤泥，清理比较困难，产生糊状淤泥的原因是淤泥中水的含量太大如果能将淤泥中的水分离出来，水分较少的淤泥和分离出的水分别运输和处理，是一种有效的办法，此系统借鉴了洗煤厂洗煤过程中压滤机处理煤泥水的工作原理。压滤机一般只能处理 0.5 mm以下的杂物，而水仓积淤中存在有大量超过0.5 mm的颗粒状煤和其他杂物，这里借鉴了振动筛清淤系统的原理，将0.5 mm以上的颗粒状杂物分级筛选出来进行处理。压滤机只处理 0.5 mm以下的杂物。根据调研，直线振动筛的工作效果较好。通过工艺流程图来说明新型清淤系统的工作原理，将淤泥稀释后用排污泵排出。通过直线振动筛分级，将0.5 mm以上的颗粒杂物筛选出来，装入矿车，0.5 mm以下的淤泥浆进入压滤机将水分离，泥饼装入矿车运走，清水排出。该系统在实际煤矿工作中投入工业性试运行，效果明显。而图1.2所示的是另一种新型的泵式的清仓结构。其主要由工作部分、搅拌部分、行走及制动装置、控制部分等组成。工作原理为:工作部分由吸浆管8、排浆管6、压缩空气管4、浆体罐2、真空泵1、煤浆阀7、压气阀5、真空阀3等组成。所有阀门均采用气动控制。工作时，先将压气阀、排浆阀关闭，置真空阀、吸浆阀于开启位置，置吸浆管进口于浆体中，然后启动真空泵，随着浆体罐内压力降低，真空度提高，煤泥浆经吸浆管吸入浆体罐内，当浆体液位上升到预定高度时，触发器接通，控制部分工作，使真空阀和吸浆阀及时关闭，同时停掉真空泵电机，经延时后自动开启排浆阀和压气阀.浆体罐内进入高压空气，煤浆被压入到清仓机后的矿车内，用调度绞车拉出、换空车后，开始下一个工作循环。图1.2 新型水仓清理机该结构的主要优点是：1）该设备从原理到结构都比较简单，制造、操作均较方便；2）该设备在井下使用过程中，清理范围大，适应性强，运动灵活；3）煤泥浆体不直接经过高速或低速运动的机械部分，所以磨损较小，维修工作量小；4）借助井下现有的压缩空气作为排浆动力，简化了设备的复杂程度。这些新型机械、系统的研制给矿山企业带来勃勃生机，也大大促进了矿山机械的大力发展。从产品的结构、功能、制造工艺等各方面做出了创新，大力拉近了我国在矿山机械领域与国际同行业的距离。1.4 课题的提出与本文的主要内容随着国家煤炭工业的迅速发展，以及煤炭工业中生产技术的明显提高，国家大力推进现代化矿井的建设。这要求在相关技术领域，例如采煤机械、输送机械等方面以外的其他设备上也要进行创新研究和开发。所以考察国内外针对水仓清理机械的现状分析，得出结论是现有的很多技术已经不能满足煤炭企业的生产要求，必须提高生产效率，缩短清理工期和人员要求。而工作装置的研究在整个清淤机器中占据重要地位，所以新型的工作装置的研究很具有现实意义。本文中所设计的工作装置是基于斗式提升机、刮板输送机、以及装载机的各自优点上所研究的。该装置实现了连续式的装载要求，操作方便，大大降低了工人的劳动强度，提高了矿下的效率，从而增加了企业的经济效益。本文共分为五章，主要内容如下“第一章：绪论。介绍了目前国内外的清仓技术的现状和研究情况，提出了本课题的研究目的和内容。第二章：介绍了该清仓机的功能介绍和工作状况的分析，通过对几种方案设计的多方面的综合比较，详细介绍本方案的优势所在。第三章：详细介绍了该工作装置的重要结构的创新设计。第四章：通过相关的设计计算，使工作装置中的各部分结构中的重要零件得到最优的结果。第五章：毕业设计总结。总结本文的研究成果和创新之处，对今后的工作提出了展望。1.5 本章小节本章介绍了清仓技术的现状和研究情况，综述了对提出本课题的重要性和目的性。在此基础上提出了本文创新点，并给出了全文的总体框架。第一章 绪论第二章 功能分析与方案设计第三章 工作装置的结构设计第四章 零件的设计与计算第五章 总结与展望第二章 功能分析与方案设计前文分析了研制该新型工作装置的前提背景与长远意义，在本章中将主要介绍该新型装置的功能与工作情况的分析，以及相应的方案的设计与比较。2.1 功能分析该新型的工作装置的主要具有如下功能特点：（1）体积小，结构紧凑，机动灵活可实现原地转向，特别适用井下狭小空间里作业；（2）工作装置可以相对车身进行旋转，本身不动的情况下也同样可以铲泥工作；（3）该工作装置应该具有通用性，改型容易，大断面水仓可以改成大的铲斗，小断面水仓可采用小水仓，应有较强的适应性；（4）该工作装置应该实现连续式的装载要求，切实提高井下的工作效率和安全可靠性。该工作装置的工作过程情况如下：首先启动机器，由链轮拖动链条及安装在链条上的铲斗，在铲斗上设计有滚子，可在由矩形空心方管组成的轨道上运动。如图2.1中当铲斗在链轮1处铲装淤泥，通过上行导轨一直运行至链轮3处，进图2.1 清淤机的结构示意图行卸泥工作，在这里可以加入一个简单的下拉或者下推铲斗的动作机构，增加铲斗的运行的瞬间速度，使斗内物料卸的更干净。在运作过程中，可以通过前端的举升油缸抬高最下部的铲土的斗的位置，使其可以在较大的垂直距离内工作。另外在车台架上设计了一个油缸，可以推动工作装置绕一定的支点转动，而车身本身并不旋转，这样就简化了机构的设计的基础上，增加了水平工作空间。2.2 工作装置的总体方案设计目前，煤矿下尚无理想的，适合狭小空间工作的装载机械，例如水仓的各种清理技术或者设备就存在着许多毒缺点。其中工人数量多、工期长、效率低下、操作复杂，结构上也比较繁冗等是主要显现的不足。这和相应设备的工作装置的结构是分不开的，所以研制新型的工作装置是很重要的，更是开发新型清仓机械的核心技术。2.2.1 方案设计结合水仓的断面结构，以及现有清仓设备和矿山机械的特点，做出下述集中可行的方案。而他们各自的优缺点将在下一单元进行详细的对比。 微型装载车式该工作装置是采用反转六连杆机构，如图2.2由于卸料时工作装置相对于车辆的后半部分做左右各90的回转，因而工作装置的结构尺寸将直接影响车辆的工作空间，这就要求工作装置在满足要求的前提下，结构尺寸应尽量小，为此对工作装置进行了优化设计，优化设计是在追求工作装置连杆机构传力图2.2 装载式清仓装置1 行走系统；2平台；3电机；4坐椅；5操作台；6液压系统；7工作装置比最大的同时，使转斗缸的行程达到最短(这样可使工作装置的总体结构尺寸为最小)。优化设计的工作装置的结构尺寸比较小，纵向尺寸仅为1 206 mm。此装置工业试用的结果也比较满意，工作具有一定的可靠性7。 刮板输送式该方案的设计是由链传动机构与板式输送机的的相关结构组成的。行走箱2输出的动力通过安装在运输架上的12、13等一系列的链传动(见图2.3) , 在完成减速的同时使刮板输送机获得了动力。图2.3 刮板输送式工作装置1电机；2行走箱；3、11支撑装置；4刮板输送机；5轨轮；6螺旋滚筒给料机构；7、10链轮；8刮板；9刮板链；12、13进给装置图2.4 螺旋滚筒给料机构1叶片；2链轮；3轴；4筒毂该工作装置设计有螺旋滚筒给料机构结构如图2.4所示。螺旋滚筒给料机构是淤煤装载机清理淤泥的关键工作部。工作时通过链轮带动螺旋滚筒旋转, 由于螺旋滚筒的两边叶片分别为左、右旋向, 因此把泥煤往中间推进, 而后被刮板刮走。刮板输送机是淤煤装载机的中间输送装置,通过刮板和刮板链的运动,将淤煤从螺旋滚筒机构处刮走,装入矿车。由于刮板所需强度不大,但要耐腐蚀,耐磨损8。 链斗输送式图2.5所示的工作装置是由装有很多铲斗的斗链与相应的输送导轨所组成的。其驱动采用液压马达。斗链上的刮斗采用拖链拖动作连续循环运动，当其运行到位于整机前端的竖直前伸段时起铲掘、提升作用，因此斗的前沿设计有掘齿，必要的话可以由油缸施加推力或振动。刮斗深浅既要使它盛装学要量的物料、泥水，又能方便倾倒。刮斗处于最低位置时，底端可帖轨面进行作业，当刮斗运行到整机上部的输送端时，刮斗倾倒出物料，并起输送刮板作用。输送刮板与底盘固定安装，由行走机构调定尾端与料车对正，保证头部随回转平台转动时尾部不会移出料车口。输送槽应有立边，以阻止物料的散落，又得有导向设计，以保证刮斗受力与运行均衡平稳。挡泥板是为了防止刮斗回程时残余泥水溅落机器上设置的零件。举升油缸设置是为了需要时抬高铲掘输送装置底端位置。图2.5 链斗输送式2.2.2 方案比较与选择通过实地地考究与结构上的分析，得出了上述几中方案各自的优点以及缺陷所在。具体如下所述：对微型装载车式（反转六连杆机构）的工作装置是现在市场上比较成熟和各种工程机械设计中较多采用的技术方案，具有较大的可靠性。而且采用履带式的行走系统，可以保证铲斗获得足够的铲掘力。另外六连杆机构的结构简单，运输状态铲斗的后倾角大，不易洒落物料，铲斗可以自动放平等优点。但其也存在一些缺陷，行走系统采用履带结构，结构较复杂，未充分利用巷道内已有的轨道资源；回转平台增加了整车的高度和复杂程度，限制了整车长度；更重要的是该装置只能间歇式工作，效率比较低。刮板输送机式的工作装置是采用连续的传动和输送结合起来的，所以解决了方案一中工作不连续的情况。该装置还有工作原理简单，维护方便，适用各种水仓巷道，通过改变螺旋滚筒的大小即可。另外可以实现与矿车共用道。但是该装置结构较为复杂，需较大的动力机构，而且螺旋滚筒的磨损大，巷道面上的淤泥难以清理。方案三中的工作机构集中前面两个方案的诸多优点。实现了连续式的装载和输送物料；同样采用履带式行走系统，使得斗的铲掘力较大，这样可以不用图2.5中所示的推力油缸，结构上又得到简化；而且操作简单；可以根据需要调整整个工作装置的角度位置，使得清理更彻底，大大提高了清仓效率。但是同方案一样采用履带式行走装置不能充分利用巷道已有的轨道资源。所以综合比较后，采用方案三进行详细的结构设计与计算。经过后续的设计计算所得出的结构已与该方案有所区别，但是工作原理并未改变。而经过设计所要达到的技术指标如下：装料方式： 连续 清挖量： 10m3/h行走速度/km/h: 01.4电机功率/kw: 13卸载高度/mm： 1200（满足矿车装载要求）最大爬坡能力/ ()： 30回转角度/ ()： 30整机重量/kg： 2000外形尺寸(长宽高) /mm： 300012001600经过多方面的论证，该方案具有较强的实施性。对此拟订了下述的技术路线：1） 总体方案设计；2） 技术设计：主要对工作装置的各部分进行结构设计及必要的校核计算；3） 产品试制；4） 设备试运行。2.3 本章小节本章主要阐述了课题中所涉及的工作装置的功能所在和工作的具体环境及工作状态。提出了三种切实可行的技术方案，并通过分析三者的特点，进行详细的对比，得出其中的最优方案，并拟定了该工作装置的技术指标与技术路线。第三章 工作装置的结构设计通过上文的工作情况的分析以及对现有的各种技术方案进行综合详细的比较后，最终确定选用。而在本章中对该方案中主要涉及的结构进行设计及优化。3.1 输送结构的设计在该课题中所要设计的新型工作装置需要实现连续式的进行淤泥装载，综合现有各种工程机械以及矿山机械的特点，采用类似与斗式提升机式的输送形式来满足工作要求。如图3.1所示。其牵引机构是绕过上部和底部的滚筒或者链轮，牵引构件上没隔一定距离装里刮斗，由上部滚筒或敛轮驱动，形成具有上升分支和横向分支传送闭合回路。物料则总上部路线输送至卸料处。图3.1 输送方式简图这种连续式的传送机构具有结构比较简单，横向尺寸可以相对较长，纵向尺寸较小，可以节约水仓中狭小的空间资源。而如同斗式提升机，采用这样的工作装置，所需要的主要部件或机构有牵引机构、承载机构、驱动装置、张紧装置，上下滚筒（或链轮）、机架（导轨）等。这些主要结构的设计将在下问中一一叙述。3.2 牵引机构的设计在机械行业中牵引构件很多，而在此课题设计中主要参考的是斗式提升机和链式输送机等机械的牵引方式。在斗式提升机中常用的牵引构件是橡胶带和链条。而常用的链条有圆环链、套筒滚自链等。由于链条的啮合驱动会产生动载荷，而橡胶带较链条轻便、工作平稳、噪声小、能采用较快的运动速度而带到较高的生产率，所以在斗式提升机中一般采用橡胶带。但是在矿山中，恶劣的工作环境使得工作装置需要选择链传动。而且链条的强度也较橡胶带的大的多，此外，若在橡胶带上打孔以便安装料斗，更会降低带的强度。结合上述文字，再联想到链式输送机，很明显采用链传动是比较合理的。链条是用金属环或者金属片等连接而成的挠性构件，多采用焊接链（见图3.2）和片式链（见图3.3）6。 图3.2 片式链 图3.3 圆环链片式链在输送机中应用较广，但在刮板输送机中则不常采用。所以采用圆环链。链条在运行中不仅要承受很大的静负荷和动负荷，还要受矿水的浸蚀，因此要求链条组件要有高的抗拉强度、抗冲击韧性、疲劳强度和防锈抗腐蚀性。链条均用圆环链，其型式、基本参数及尺寸、技术要求、试验方法及验收规则已有统一的国际和国家标准(gb12718一91。圆环链规格是以链环棒料直径和链节距的毫米尺寸表示，标准规格有八种: 1040,1450, 1864 ,2286 , 2486, 2692, 30 108和34126。目前34以上的链环已大量使用，如42146,48 144/160(德国)，并出现了52146(美国jqy)的链环。圆环链按强度分为b,c,d三个等级，d级强度最高，b级强度最低，c级居中，表示方法如34126一b。圆环链由圆环链编焊机专用设备加工，制成一定长度的标准链段。按链段的长短又分为长链段和短链段，长链段主要用于单链、中双链，短链段主要用于边双链及轻型刮板输送机。同时还配有多种长度的调节链段，用来调节刮板链长度，以适应愉送机的长度变化和紧链需图3.4 紧凑链要。如sgz一880/800重型刮板输送机的标准链段为199环，长25.074 m。调节链的规格有95，39,31,23,15,7,5,3环。由于每一链段的两条链条是配对组装出厂的，其长度公差在规定的范围之内，更换时也应成对更换。若以任意两段链条配对安装，其长度误差会很大，运行中将会出现受力不均、刮板倾斜及与链轮不能正常啮合传动，容易发生链轮损坏和断链事故。另外，安装圆环链时，在上槽中立环焊口应该朝上，双链的平环焊口都应朝向溜槽中心。 近几年，又推出厂新型链条紧凑链。其特点是平链环仍用常规圆形断面的圆环链。而立链环制成高度较低的断面形状为扁圆形或方形的链环，如图3.4（紧凑链）所示。其节距、宽度(指平环)尺寸与同档圆环链相同。高度(指立环)尺寸则与低一档圆环链相当，而强度比同档圆环链高近一档。如国产sg2一1000/1050重型刮板输送机使用的是38137规格的紧凑链3。而对圆环链及其链轮组的设计将在后面章节叙述。3.3 机架设计由于工作采用的是圆环链的传动方式，必须有特殊的接链节用于连接料斗。在整个闭合回路中的刮斗数量较多，一般要达到15个以上，且为了一次循环能清理较大的量（要求清挖量每小时10立方米），这么多的料斗不能只靠一条圆环链支撑和拖动。所以对工作装置的回路机架必须起到支撑料斗的作用，同时应使所有的刮斗在每次循环中为同样的轨迹，因此机架设计成带轨道的钢架结构。如图3.5，其中的1、3均是采用方形的空心钢管，其中1和3的截面尺寸为6030，而2的截面尺寸为6060。三者按照一定的比例给焊接成形。而整个刚架的定位和固定是用间隔一定距离的定位板4给与支撑起来的。这来装配图中可以清晰的知道。图3.5 钢管导轨3.4 旋转支撑结构设计在工作装置通过前部的举升油缸提升时，必须有一支轴，这在图2.1中可以清楚地看到该动作是绕销轴摆动的。在工作装置的中部设计了一个旋转支撑的结构，如图2.1所示。将该结构通过三维造型后结构如图所示。1是旋转支轴，2是上面工作导轨的定位板，3是旋转支轴的底座，通过一定的螺纹连接在其下面的钢板上，4是焊接在钢板上槽钢，左右各一块，5也是槽钢，6是举升用的油缸。图3.6 旋转支撑该结构主要设计是采用了槽钢来组成两侧滑轨。这是因为槽钢是截面为凹槽形的长条钢材，具有很好的抗弯能力，这样设计了两槽钢的滑轨后使得油缸的活塞杆承受的弯曲应力很小，几乎可以认为不承受，从而可以减小活塞杆的直径，减少经济费用。上面未画出的整个工作装置当由油缸推动在水平上转动时可以绕着旋转支轴旋转。3.5 其余结构设计3.5.1 承载装置设计铲斗是工作装置的重要部件，使其直接的执行机构，工作条件恶劣，时常承受很大的冲击载荷及强烈的磨削，其结构及尺寸参数对插入阻力、崛起阻力和生产率有着很大的影响。所以铲斗的设计要求需满足：插入及崛起阻力小，作业效率高；具有足够的强度、刚度和耐磨性；适应铲装不同种类和重度的物料。图3.7 斗式提升机料斗形式在斗式提升机常用的斗形式有三种：深斗、浅斗和无底料斗，如图3.7。这是根据机械的运转速度和载运物料的性质所决定的。深斗的斗口与后壁的夹角大，每个料斗可装载的物料较多，但较难卸空，适用于运送干料和松散物料。而浅斗的斗口与后壁的夹角小，每个料斗的装载量虽然小，但是其较易卸空，所以适用于运送潮湿和粘性的物料。由此可见，在该清淤机的铲掘装置即刮都应该采用较浅的斗形。但其结构上有一定的要求。而参考装载机的铲斗结构形式，其主要有直线形斗刃、v形斗刃、直线形带齿和v形带齿的斗形。对于铲掘土方的机械，斗底圆弧半径应该大些。相比较下直线形斗刃较适宜水仓中的工作环境5。所以综合比较后，铲斗设计成较浅的直线形的斗形。结构形状如图所示。图3.8 铲斗正视图由于铲斗是安装在链条上，由链条的运动，拖着一系列的料斗往前运动。所以其上需铸造出可以和链节相联接的耳坠，如图3.9。另外，当刮斗运行至位于整机的最前端的竖直前伸段时，其铲掘提升的作用，因此刮斗的前沿设计有掘齿。且该工作装置采用的是靠单链输送，故在斗背上进行固接。铲斗在上行运输对物料的过程中，必须保持水平位置。斗的工作又要求即前述的易于盛装需要量的物料、泥水，又可以方便的倾卸。而且当料斗处于最低为时也可以进行作业。图3.9 铲斗耳环1铲斗；2耳环；3接斗链节3.5.2 驱动装置选择由于该机械的使用环境，决定了其相关的动力和驱动装置。动力装置是采用防暴电机、输出端与液压多联泵相连。虽然可以考虑使用防暴内燃机，但防暴内燃机的结构尺寸较大，布置时会产生困难，并且工作过程中产生的废气很难排出。对工作装置的驱动装置可以采用液压马达，而且是低速大扭矩型的液压马达，这样是考虑是整机的结构紧凑，较大的驱动力等相关因素。3.6 本章小节本章主要介绍了在选定工作方案后整个工作装置中重要的零部件以及局部的结构设计，叙述了它们的功能特点，设计依据以及合理性等。通过多环的修改、论证各部分的结构是比较合理的，适用于水仓内的工作。这也是本工作装置设计的创新之处。该章节是本论文的重要内容之一。第四章 零件的设计计算零件的强度、刚度、稳定性等的校核计算是确保工作装置整体寿命的重要过程，是机械设计中最重要的步骤之一。4.1 圆环链传动设计目前我国在采煤机、刨煤机、刮板输送机、转载机、板式输送机、仓式列车等多种矿山机械中广泛采用圆环链牵引或传动。4.1.1 圆环链结构与规格链环的结构尺寸用棒料直径d、节距p和外宽a表示，如图4.1所示9。圆环链的规格标记为dp.每一链段由n个链环组成，链段长度为l0。矿用高强度圆环链的规格和尺寸见3.2节。其链段长度（mm）与公差（mm）按下式确定： （4-1） （4-2） 根据矿下水仓的断面结构初定工作装置的横向尺寸为3000mm，纵向尺寸为1600mm。且选用的链条规格为1040，链节的数目必须铲斗数的整数倍，这样可以使得在每次循环运动受载均匀。因此初步确定相邻两个铲斗间为9节圆环链。所以根据式4-1计算可得链条的总长为7200mm。图4.1 圆环链圆环链的接链环的结构形式主要有以下几种类型：凸缘式接链环：由两个半链环，一个卡块由两个半链环，一个卡块及一个弹性圆柱销组成。如图4.2，半链环右上方为一凸缘，左下方有一凸缘槽，安装时将两个半链环的凸缘和凸缘摺相嵌合，并从侧面嵌入卡块，再从顶部装入弹性圆柱销组成整体。其破断拉力大，连接可靠，但制造较困难。开口式接链环：由开口链环1,长块2及两个弹性圆柱销3组成。如图4.3，链环1和卡块2的两端分别做有互相嵌合的榫头和榫槽，卡块从顶部装进开口链环，再打入两个开口弹性销，组成整体。依靠弹性圆柱销在销孔内的弹性变形实现自动锁紧。其破断拉力大，但制造困难。铰接式接链环：由两端做有耳子的两个半链环1、销轴2、套简3及钢丝4组成。如图4.4所示钢丝4用来销紧，销轴2传递载荷。其结构简单、工作可靠.制造方便，寿命长。而接链环的常用材料有35crmnsia、2dmnvb,30crmnti、40crmo及45mn等，进行调质处理，硬度达320350hbs。为提高强度一与耐腐性，加工后应进行等温淬火，硬度达4250hrc。图4.2 凸缘式 图4.3 开口式 图4.4 铰接式在该装置的设计中，还有一部分链节是专门设计制造的，以用于安装铲斗，如图3.9中3所示。该链节由上下两个半链环1、2以及专用连接块3组成。三者通过铆钉连接起来。该链节是在其受两边拉力后仍能长期正常工作的条件下设计。4.1.2 圆环链损坏形式及选择高强度的圆环链在各种场合发生的主要损坏形式是断裂。在起动或遇到严重刮卡时，承受的载荷超过静力破断负荷时，圆环链将产生断裂，为此圆环链的最小破断负荷应不得低于规定值。当链环受正常变负荷反复作用时，虽应力小于链环的破断应力，但如变应力的循环次数超过一定数值时，链环仍可能产生断裂报坏。由于链环材料脆性高，韧性低和冲击负荷大造成一次冲击断裂，或者介于一次冲击断裂与疲劳断裂之间的经多次冲击断裂。在链环未经充分预拉时，很难发现热处理及焊接缺陷。若把这种链环接入链条用来牵引负荷，一旦起动或遇到卡链很可能发生断裂这种未经充分顶拉的链环的断裂称之不合格链环的断裂。链条受载后将产生一定的弹性和塑性伸长，在额定极限负荷一下，当链段的伸长量超过一定限度.讨，链条与链轮不能正确啮合而无法正常工作，圆环链的这种失效形式称为伸长失效。圆环链工作时承受拉伸与弯曲载荷，环内应力状态复杂，理论计算比较困难，通常圆环链按最大牵引力选择。当单链牵引时： （4-3）当双链牵引时： （4-4）式中圆环链的最小破断载荷（n）； 双链牵引时的不均匀系数，一般取0.85； 安全系数，采煤机可取2.53.5；刮板输送机可取3.54.5。该工作装置在运行过程中，当上行铲斗全部满载时估算牵引力为20kn，选择安全系数=4.0，则破断负荷为：则对照圆环链标准可以采用1040规格的。4.1.2 圆环链链轮设计当圆环链与链轮啮合时，在链轮的每一齿距上都有两个链环，链环1平卧于两齿间的链窝里，称为平环；链环2立卡在齿宽中部的窄糟内，称为立环。链轮上链窝的形状与平环外形基本一致。为满足链环节距伸长的需要，链窝长度a稍大于链环长度，即a=d+p+。为减小立环的啮合阻力，链轮齿宽中部的立槽宽度l也应比链环棒料直径稍大一些.圆环链链轮的齿形结构和尺寸见图4.5。圆环链链轮的齿廓曲线，国外推荐兰种:直线、圆弧线和直线圆弧线。从加工制造和啮合性能上分析，直线齿廓易加工，但齿高不宜过高，否则会发生干涉；直线圆弧线齿廓加工复杂，用得较少；圆弧线齿廓虽然加工困难，但轮齿的强度很高，齿高可以适当加大，所以采用圆弧线齿廓9。该工作装置中总共有三个圆环链链轮，均采用同样的设计。这样可以减少设计计算和简化制造加工。根据工作环境、整车质量、装载情况等综合条件，分析估算得其最大的牵引力为：图4.5 链轮的齿形结构与尺寸链轮齿数参考现有刮板输送机及采煤机械后选择。对链轮其他的基本尺寸的计算如下：节圆直径：齿距角：齿顶圆直径：链轮中心至链窝底面的垂直距离链窝长度加长量；齿廓圆弧中心坐标：链窝长度：齿廓圆弧半径：其中；。齿根圆弧半径：链窝端部圆弧半径：，取。链窝两侧圆弧半径：立槽宽度：，取l=14mm。链轮中心至立槽底面的垂直距离：立槽根圆直径：，取。立槽底部圆弧半径：实际齿廓半径：其中。齿肩宽度：，取。轮缘宽度：，取。链轮的齿顶圆直径比较大，质量较大，所以中间去空，以减轻整个工作装置的质量，减小载荷。不论选用什么材料制造链轮，其心部必须调质处理，使其硬度为240320hbs，而链窝及齿面的硬度则要4555hrc，需进行淬火处理，且淬硬层不小于3mm。另外，圆环链链轮的工艺技术要求链轮可采用锻造毛坯再机加工或电加工，也可采用铸造成形，不过铸造表面容易脱碳。为了提高链轮轮齿和链窝的表面硬度，需进行渗碳悴火处理。此外为提高链传动的承载能力，对链轮加工还需满足下列技术要求：相邻两链窝中心线的角度偏差不大于士30；链窝底面的不平度不大于l mm；链窝宽度中心线对理论链窝位置的不对称度不大于1 mm；如采用两个半齿宽链轮并接，焊接为一整体，不得有影响轮齿呛合的相对错位。4.2 链轮轴设计轴是组成机器的主要零件之一。作为该工作装置的轴，主要是将圆环链轮等回转零件进行运动和动力的传递。而该主、从动链轮轴属于转轴，且三个链轮轴折合成一样的设计，所以计算以主动链轮轴为主。而该轴的设计主要是结构设计与工作能力的计算两方面的内容。4.2.1 链轮轴结构设计轴的结构设计包括定出轴的合理外形和全部结构尺寸。功能相同的轴却可以有不同的结构形状。这是因为影响轴的结构形状的因素很多，例如载荷的大小、方向、性质及其分布的状态，轴上零件的数量及安装位置、定位方法，轴的制造工艺和生产规模等。所以在轴的结构设计中下列几个重要问题必须充分考虑14。 拟定轴上零件的装配方案拟订轴上零件的装配方案是进行轴的设计的前提，它决定着轴的基本形式。所谓轴上零件的装配方案就是预定出轴上主要零件的装配方向、顺序和相互关系。如图4.5在本工作装置设计中主动链轮轴的结构装配方案是：链轮、轴承套、右端轴承、轴承端盖、止动垫圈、圆螺母、半联轴器依次从轴的右端向左安装，左端只装圆螺母、轴承端盖及轴承。图4.6 链轮轴的结构 轴上零件的定位为了防止轴上零件在受力时发生沿轴向或周向的相对运动，这些零件除了有游动或空转的要求外，都必须进行周向和轴向的定位，以保证其准确的工作位置。零件在轴上的定位方法主要取决于其所受的轴向力的大小。此外，还应考虑周的制造及轴上零件装拆的难易程度、所占的地位大小。对轴的强度影响及工作可靠性等因素。当轴上零件对所受的轴向力的值较大时，常用轴肩、轴环、过盈配合等定位方式；受中等轴向力时，可采用轴套、圆螺母、轴端挡板、圆锥面、圆锥销等方式定位；受较小轴向力时则可用弹性档圈、挡环、紧定螺钉等方式。在该工作装置中主要所采用的轴向定位方式有挡环、轴肩、圆螺母轴承端盖等。轴上零件的周向定位（轴毂联接）在齿轮、链轮等传递转矩的零件，除周向定位以外，需要进行的设计。定位方式根据其传递转矩的大小和性质、零件对中精度的要求高低、加工难易等因素来选择决定。常用的定位方法有过盈配合、键联接、花键联接、型面联接、弹性环联接等。对此装置中主、从动链轮的周向均采用普通平键的联接。4.2.2 链轮轴尺寸计算零件在轴上的定位和安装方案基本确定后，轴的形状便大体确定。还应进行各轴段的直径计算。初步确定轴的直径是通常在不知道轴的支反力的作用点，不能决定弯矩的大小与分布情况，因而还不能按轴所受的具体载荷及其引起的应力来确定轴的直径。但在进行轴的结构设计前，常常已经能求得轴所受的扭矩。因此可以据此初步确定轴的最小直径，然后再按轴上零件的装配方案取定其他轴段的直径。最小轴径的确定在该工作装置中，当所有上行铲斗都满载时的总质量初步估计为387 kg。则轴所需要传递的扭矩为：式中作用在链轮上的圆周力； 链轮的节圆直径。由此来估算轴的最小直径。其中轴的材料选择45钢，调质处理。查阅相关手册取许用应力。则估算该链轮轴的最小直径为：然而主动链轮轴的输入端显然是安装联轴器的，该处轴的直径，如图4.6。为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需要同时选取联轴