采煤机行走部

目 录 1 绪论 1 1.1 前言 1 1.2 采煤机概述 1 1.2.1 采煤机发展史 1 1.2.2 机械化采煤的主要方法 2 1.2.3 国内外现状 3 1.2.4 国内电牵引采煤机的应用前景 4 1.3 采煤机简述 4 1.3.1 采煤机的分类和组成 4 1.3.2 滚筒采煤机的特点 6 1.3.3 滚筒采煤机的工作原理 6 2 选题 背景 7 2.1 采煤机行走部 的发展 7 2.2 现代采煤机行走机构简介 8 2.3 目前采煤机行走机构出现的一些问题 9 2.4 采煤机设计的目的意义 10 2.5 完成课题的条件和可行性分析 10 3 2*132/630-WD 型采 煤机 11 3.1 组成 11 3.2 工作原理 11 3.3 主要技术参数 11 3.3.1 适应的煤层 采高范围 12 3.3.2 总体要求 12 3.4 该型号采煤机主要特点 12 3.5 使用环境条件 13 4 采煤机行走箱设计 13 4.1 基本参数计算 13 4.1.1 电动机的选择 13 4.1.2 传动效率计算 13 4.1.3 传动比及配齿情况 13 4.1.4 牵引部各轴转速、功率及扭矩 14 4.2 行走箱 传动 齿轮啮合参数及校核计算 15 4.3 行走轮校核计算 27 4.3.1 摆线齿介绍 27 4.3.2 轮齿受力分析 27 4.3.3 行走轮和销齿接触应力分析计算 28 4.3.4 有限元分析计算行走轮和销齿接触应力 30 4.4 行走轮弯曲强度分析计算 36 4.4.1 齿根弯曲强度有限元分析计算 36 4.5 行走箱内轴的设计 41 4.5.1 花键轴的设计与校核 41 4.5.2 心轴的设计与校核 43 4.6 行走箱各轴承的设计校核计算 47 4.6.1 滚动轴承设计校核概述 47 4.6.2 花键轴上轴承校核 49 4.6.3 心轴轴承校核 50 4.7 提高采煤机轴承使用寿命的措施 52 4.8 螺栓的校核计算 55 4.9 导向滑靴的受力分析 56 4.10 大功率采煤机导向滑靴的加工 60 4.11 可调行走箱的概述 61 5 采煤机的维护 63 总 结 65 参考文献 66 翻译部分 68 英文原文 68 中文译文 77 致 谢 84 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 1 页 1 绪论 1.1 前言 在能源竞争日趋激烈的当今世界，被称为工业的粮食的煤炭在石油能源日渐枯竭的现在愈加重要。我国是一个煤炭生产和消费大国，煤炭作为一次性基础能源目前在我国仍然占有 60%以上的比例，是保证我国国民经济飞速增长的重要物质基础。 我国 煤炭企业由劳动密集型转向资本及技术高密集型。在矿井开采方面采用以日产万吨的超 大型综合机械化采，煤工作面为核心的生产工艺。在实现煤炭生产工艺综合机械化的基础上，向遥控和自动化发展，机器人与人工智能和专家系统相结合，为采煤自动化开辟了新的途径。 随着采煤机械化的发展，采煤机是现在最主要的采煤机械。 20世纪 70年代主要 靠进口采煤机来满足我国生产的需要，到今天几乎是我国采煤机占领我国的整个采煤机市场，依靠科技进步，推进技术创新，开发高效矿井综合配套技术是我国煤炭科技的发展的主攻方向。 1.2 采煤机概述 1.2.1 采煤机发展史 机械化采煤开始于上世纪 40 年代，是随着采煤机械（采煤机和刨煤机 ）的出现而开始的。 40年代初期，英国、苏联相继生产了采煤机，联邦德国生产了刨煤机，使工作面落煤，装煤实现了机械化。但是当时的采煤机都是链式工作机构，能耗大、效率低，加上工作面输送机不能自移，所以生产率受到一定的限制。 50 年代初期，英国、联邦德国相继生产力滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机和单体液压支柱，大大推进了采煤机械化的发展。由于当时采煤机上的滚筒式死滚筒，不能实现跳高，因而限制了采煤机械的适用范围，我们称这种固定滚筒的采煤机为第一代采煤机。这样， 50 年代各国的采煤机械化的主流还只是处于普通机械化水平。虽 然载 1954 年英国已经研制出了液压自移式支架，但是由于采煤机和可弯曲刮板输送机尚不完善，综采技术仅仅处于开始试验阶段。 60 年代是世界综采技术的发展时期。第二代采煤机 单摇臂滚筒采煤机的出现，解决了采高调整的问题，扩大了采煤机的适用范围；特别式 1964年第三代采煤机 双摇臂采煤机的出现，进一步解决了工作面自开缺口问题；再加上液压支架和可弯曲刮板输送机的不断完善，滑行刨的研制成功等，把综采技术推向了一个新水平，并在生产中显示了综合机械化采煤的优越性 高校、高产 、安全和经济，因此各国竞相采用综采。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 2 页 进入 70 年代。综采机械化得到了进一步发掌和提高，综采设备开始向大功率、高效率及完善性能和扩大使用范围等方向发掌，相继出现了功率为750 1000KW，生产率大 1500T/H 的刮板输送机，以及工作阻力大 1500KN 的强力液压支架等。 1970 年采煤机无链牵引系统的研制成功以及 1976 年出现的第四代采煤机 电牵引采煤机，大大改善了采煤机的性能，并扩大了它的使用范围。 目前，各主要产煤国家已基本上实现力采煤机械化。衡量一个国家采煤机械化水平的指标是采煤机械化程度和综采机械化程度。 采煤机械化的发展方向是：不断 完善各类采煤设备，使之达到高效、高产、安全、经济；向遥控及自动控制发展，以逐步过渡到无人工作面采煤；提高单机的可靠性，并使之系列化、标准化和通用化；研制后、薄及急倾斜等难采煤层的机械设备。 1.2.2 机械化采煤的主要方法 （ 1） 壁式体系采煤法 一般以长工作面采煤为其主要特征，产量约占我国国有重点煤矿的 95%以上。随着煤层厚度及倾角的不同，开采技术和采煤方法会有所区别。对于薄及中厚煤层，一般都是按煤层全厚一次采出，即正层开采。对于厚煤层，可把它分为若干中等厚度（ 23） m 进行开采，即分层开采，也可采用放顶煤整层开采。无论整层开采或分层开采，依据不同倾角、按采煤工作面推进方向，又可分为走向长壁开采和倾斜长壁开采两种类型。上述每一类型的采煤方法在用于不同的矿山地质条件及技术条件时，又有很多变化。 开采厚煤层及特厚煤层时，煤层厚度超过 5m，采场空间支护技术和装备目前尚无法合理解决。因此，为了克服整层开采的困难，可把厚煤层分为若干中等厚度的分层来开采。根据煤层赋存条件及开采技术不同一般分为如下几种采煤法，分层采煤法又可分为倾斜分层、水平分层、斜切分层三种。 （ 2） 房柱式采煤法 沿巷道每隔一定距离先采煤房直至边界，再后 退采出煤房之间煤柱的采煤方法。 优点 设备投资少，一套柱式机械化采煤设备的价格为长壁综采的四分之一，采掘可实现合一，建设期短，出煤快，设备运转灵活，搬迁快。巷道压力小，便于维护，支护简单，可用锚杆支护顶板。 缺点 采区采出率低，一般为 50%60%；通风条件差、漏风大。 使用条件： 开采深度较浅，一般不宜超过 300500m；顶板较稳定的薄及中厚煤层； 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 3 页 倾角在 10 以下，最好为近水平煤层，煤层赋存稳定，起伏变化小，地质构造简单；底版较平整，不太软，且顶板无漏水。 1.2.3 国内外现状 （ 1） 国内采煤机研制 现状 2005年煤炭科学研究总院上海分院开发出总装机功率达 1815 kW的大功率采煤机。随后 ,更大功率的电牵引采煤机 MG900/2215-GWD 也问世 ,该型采煤机的控制达到了国际先进水平 ,是目前国内功率最大的采煤机。目前 ,国内使用的交流电牵引采煤机的电牵引调速系统主要有 3 种 :即交流变频调速系统、开关磁阻电机调速系统 (简称 SRD)、电磁转差离合器调速系统。调速原理不尽相同 ,但基本上都可分为控制部分和牵引电机部分。在这 3 种交流电牵引调速系统中 ,交流变频调速技术由于具有的诸多优点 ,在大功率采煤机的应用已趋向成熟 ,并已成为目前采煤机调速方式的主流 ,其主要特点是 :启动性能好 ,可直接实现软启动 ；交流变频调速属转差功率不变型调速系统 ,故效率高。 SRD 技术在采煤机上的应用虽然起步不久 ,但具有发展潜力 ,它有交流变频调速电动机结构简单、无刷无整流子的优点 ,也有直流调速系统调速性能好 ,控制电路简单、价格低廉等优势 ,而且启动转矩大、启动电流小 ,这种调速方式一旦解决了噪声问题和位置传感器存在的不可靠性问题 ,将更适合在煤矿井下采掘机械中使用。 （ 2） 国外采煤机的发展现状 近年来 ,国外采煤机的技术特点和发展趋势主要表现在以下几个方面 : 1)牵引方式采用电牵引。国外目前新开发的采煤机 ,特别是大功率采煤机基本上都是采用电牵引方式。 2)装机总功率不断增大。国外采煤机的功率在不断提高 ,电机截割功率通常在 400 kW以上 ,功率大的已达 1000 kW；牵引电动机功率均在 40 kW以上 ,大的甚至达到 125 kW；总装机功率通常超过 1000 kW,最高已达 2000 kW 以上 ；牵引速度、牵引力也大幅提高 ,目前大功率电牵引采煤机的牵引速度普遍达到 1525m/min,牵引力达到 757kN 以上。 3)交流变频成为主流调速方式。由于交流变频调速牵引系统具有技术先进、可靠性高 ,维护管理简单和价格低廉等特点 ,近几年发展很快 ,交流牵引正逐步替代直流牵引 ,成为今后电牵引采煤机的发展方向。 (4)普遍采用中高压供电。由于装机功率大幅提高以及工作面的不断加长 ,整个工作面供电容量超过 5000 kW。 4)监控保护系统的智能化。随着先进的 PLC 控制系统的应用 ,新型的电牵引采煤机具有建立在微处理机基础上的智能监控、监测和保护系统 ,可实 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 4 页 现交互式人机对话、远近控制、无线电随机遥控、工况监测及状态显示、数据采集存储及传输、故障诊断及预警、自动控制等多种功能 ,以保证采煤机具有最低的维修量和 最高的利用率。 （ 3） 国内外采煤机工况检测、故障诊断技术差距 1)国外微机控制 ,国内微机控制或 PLC 控制 ,但信息量要少得多。 2)国外传感器多 ,信息量大 ；国内传感器少 ,信息量小。 3)国外有数字和文字、图形、曲线显示 ,国内只有数字和汉字。 4)国外具有强大服务功能、非常直观的人机交互功能 ；国内只有文字和简单图形显示界面。 1.2.4 国内电牵引采煤机的应用前景 目前 ,我国煤矿使用电牵引采煤机数量有增加的趋势 ,带动了煤机制造业的技术更新换代 ,亦带动了煤矿设备的技术进步。但是 ,大量的电牵引采煤机取代液压牵引采煤 机在煤矿普及使用 ,近几年内可能性不大 ,因为我国煤矿综采生产使用液压牵引采煤机已有 30年的历史 ,现场培养锻炼了一大批熟悉液压传动技术的职工 ,有效地维护着设备的正常运行。而电牵引采煤机则要求工程技术人员尤其是现场维护人员要有扎实良好的电子技术知识。只有当现场人员掌握了电牵引的技术原理 ,才可能真正用好、管好这种新设备 ,才能得到广泛的应用。而且 ,国有煤矿目前经营状况十分困难 ,生产更新资金极度短缺 ,在此环境条件下也不可能拿出大量资金进行大规模设备更新换代 ,于是就滞后了这类新型设备在煤矿的大量使用。此外 ,电牵引采煤机的 价格偏高 ,同样采高的电牵引采煤机是液压牵引采煤机价格的 1.732.62倍 ,煤矿用户会用价值观念来衡量 ,去购买液压牵引采煤机 ,用以解决生产设备的不足。因此 ,采煤机生产厂家应努力降低成本 ,降低电牵引采煤机的售价使其能在煤矿得到推广应用 ,促进我国煤矿技术进步。 就目前我国所生产的电牵引采煤机而言 ,除应继续提高机械传动部件、结构件等机械类产品的生产质量外 ,有条件的机型应采用机载变频电控装置的形式 ,以减少电缆的数量 ,减少事故点。电牵引采煤机的应用使工作面生产能力提高 ,工作面的其它配套运输设备、支护设备、供电设备 ,要 形成一个合理的配套系统 ,保证采煤机发挥生产能力 ,使煤矿获得良好的经济效益。 1.3 采煤机简述 1.3.1 采煤机的分类和组成 采煤机有不同的分类方法，一般我们按照工作机构的形式进行分类，可分为：滚筒式、钻削式和链式采煤机；现在我们所说的采煤机主要是指滚筒采煤机，这种采煤机适用范围广，可靠性高，效率高，所以现在使用很广泛。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 5 页 滚筒采煤机的组成如图 1-1 所示。一般都由下列部分组成： （ 1）截割部 截割部包括摇臂齿轮箱（对整体调高采煤机来说，摇臂齿轮箱和机头齿轮箱为一整体）、机头齿轮箱、滚筒及附件。截割部的主要作 用是落煤、碎煤和装煤。 （ 2）牵引部 牵引部由牵引传动装置和牵引机构组成。牵引机构是移动采煤机的执行机构，又可分为链牵引和无链牵引两类。牵引部的主要作用是控制，使其按要求沿工作面运行，并对采煤机进行过载保护。 （ 3）电气系统 电气系统包括电动机及其箱体和装有各种电气元件的中间箱（连接箱）。该系统的主要作用是为采煤机提供动力，并对采煤机进行过载保护及控制其动作。 （ 4）辅助装置 辅助装置包括挡煤板、低托架、电缆拖拽装置、供水喷雾冷却装置以及调高、调斜等装置。该装置的主要作用是同各主要部件一起构成完整的采煤机 功能体系，以满足高效、安全采煤的要求。 此外，为了实现滚筒升降，机身调斜以及翻转挡煤板，采煤机上还装有辅助液压装置。 现代采煤机基本上都使用模块化设计，采用多电机横向布置，结构取消了螺旋伞齿轮，各主要部件通过高强度液压螺栓联接，之间没有动力传递，结构简单，传动效率高，传动可靠，维修和检查方便；采煤机的牵引部分也采用了无链牵引，牵引啮合效率高，不会出现断链事故工作更安全。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 6 页 1.3.2 滚筒采煤机的特点 （ 1）使用范围广 滚筒采煤机对煤层地质条件的要求较低，对于地板起伏不平、层厚变化大、煤粘顶、有落差不 大的断层以及不同性质的顶板等煤层条件，采煤机都能适应； （ 2）调高方便，免开缺口； （ 3）功率大、生产率高、工作可靠； （ 4）操作方便并有完善的保护、监测系统； （ 5）向标准化、系列化、通用化发展。 但是采煤机也有其缺点：结构复杂，价格昂贵；割落的煤块度小，尘含量多，因而破碎单位体积煤的能量消耗大。 1.3.3 滚筒采煤机的工作原理 第四代采煤机研发成功后，现在采煤机的设计基本上传承了他们的特点，随着机械电子的飞速发展，对采煤机产生了很大的影响，现在采煤机是集电子系统，液压系统，机械传动系统于一身的复杂 的系统。在机械传动部分现代的采煤机去掉了以前采煤机的的托架，全部采用双滚筒设计。 双滚筒采煤机工作时，前滚筒割顶煤，后滚筒割底部煤，并清理浮煤。（双滚筒采煤机的工作原理如图 1-2所示）因此双滚筒采煤机沿工作面牵引一次，可以进一次刀；返回时，又可以进一刀，即采煤机往返一次进两次刀，这种采法称双向采煤法。 必须指出的是，为了使滚筒落下的煤能装入刮板输送机，滚筒上的螺旋叶片螺旋方向必须与滚筒旋转方向相适应：对顺时针旋转（人站在采空侧看）的滚筒，螺旋叶片方向必须右旋；逆时针旋转的滚筒，其螺旋叶片方向必须左旋 。或者形象的归结为“左转左旋；右转右旋”，即人站在采空区从上面看滚筒，截齿向左的用左旋滚筒，向右的用右旋滚筒。 图 1-2 双滚筒采煤机的工作原理 双滚筒采煤机有自开缺口的能力，当采煤机割完一刀后，需要重新将滚 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 7 页 筒切入一个截深，这一过程称为进刀。常用的进刀方式有两种： 1端部斜切法 利用采煤机在工作面两端约 25 30m 的范围内斜切进刀称端部斜切进刀法； 2中部斜切法（半工作面法） 利用采煤机在工作面中部斜切进刀称为中部斜切法。 2 选题背景 2.1 采煤机行 走部的发展 自从第一台采煤机诞生到现代大功率交流电牵引采煤机，采煤机随时代的发展逐步地走向完善、成熟、自动化。作为采煤机重要组成部分的行走部也发生了巨大的变化。 我国于 1954 年在原苏联的大力援助下制造出中国第一台仿“顿巴斯”深截式采煤机，即顿巴斯 -型采煤康拜因，其行走部的行走机构采用卷绳筒和钢丝绳牵引行走；上世纪 60 年代初，在引进波兰采煤机后，经过技术消化，开始研制生产 MLQ 系列的浅截式单滚筒采煤机，其行走部的行走机构改为摩擦绳轮和悬挂在工作面全长上的钢丝绳牵引行走（后又改进为链轮和牵引链的牵引行走）； 上世纪 60 年代末 70 年代初我国开始研制双滚筒采煤机，其行走机构仍采用链轮和牵引链牵引行走，但链轮由平置改为立置。以上行走机构主要存在如下的问题： （ 1）钢丝绳或牵引链在牵引力的作用下都蓄积了极大的能量，一旦发生断裂，对工作人员和设备的安全都会带来严重的威胁；（ 2）钢丝绳或牵引链又长又笨，磨损严重、且会产生很大的噪音；（ 3）采用这种行走机构的采煤机运行很不平稳、载荷脉动大，从而加剧了截齿、滚筒和行走部元件的损坏。 上世纪 80年代采煤机的行走机构发生了革命性的变化 :由有链牵引到无链牵引（轮轨式行走机构），即行走 传动装置采用行走轮 行走轨，其特点是行走平稳，基本消除了链牵引行走的缺点。由煤炭科学研究总院上海分院与波兰联合设计开发的国内第一台交流电气调速采煤机 MG344 PWD 型薄煤层强力爬底板采煤机于 1992 年通过部级鉴定，标志着我国电气调速采煤机研发的开始，该机 行走部行走机构为摆线轮 销轨啮合式。 采煤机行走部无链牵引机构主要分为以下三类 : （ 1） 驱动轮 齿条系统 利用行走部上的驱动轮或经齿轨轮与刮板输送机上齿条相啮合而移动采煤机 ,这种无链牵引机构强度高、传动力大、可获得大的牵引力 ,齿条或齿轨的挠曲性好 ,可以适 应刮板输送机的弯曲和起伏 ,是目前采煤机用得最多的无链牵引机构 ,其典型结构有齿轮 销排式、滚轮 齿条式、齿轮 链条 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 8 页 式。 （ 2） 传动链 齿链系统 利用牵引部出轴驱动轮带动封闭的无极传动链与刮板输送机上的齿轨啮合而移动采煤机 ,但传动链强度低、移动速度不均匀 ,磨损大 ,效率低。 （ 3） 液压缸推进系统 利用两个液压缸交替推移前进而使机器移动。工作时 ,一个液压缸的卡爪夹紧导轨 ,该缸进油使活塞杆伸出推动采煤机前移 ,另一卡爪松开 ,活塞杆收回 ,准备下次推移。这种系统可使行走部结构简化 ,但由于断续运动 ,卡爪和导轨磨损大。 经过多 年的实际使用考核，销轮 齿轨式已被淘汰，齿轨 销轨式被大量推广使用，且多次改进，销轨的销齿形状已经由圆销形改进为多段曲线形成的齿形。至今为止，采煤机行走机构基本定型为齿轨 销轨式无链牵引。即使现代的大功率采煤机 ,仍然沿用这种牵引行走方式 。 2.2 现代采煤机行走机构简介 采煤机行走部的作用是使采煤机沿工作面刮板输送机的中部槽导向行走，包括行走调速装置、行走传动装置和行走机构。行走机构是采煤机行走部的执行机构，其一旦出现问题将导致整个采煤机停止运行，严重影响采煤机的正常运行，所以研究行走机构可靠性对提高 采煤机整机工作可靠性是十分必要的。 现代采煤机的行走机构的工作原理如下：行走传动箱一侧出轴的主动齿轮与行走轮同轴的从动齿轮（或主动齿轮直接与行走轮啮合）相啮合，行走轮与铺设在工作面刮板输送机中部槽上的销轨相啮合，将行走轮的圆周运动变成直线运动来驱动采煤机行走。导向滑靴与行走轮被铰接在同一轴上，主要使行走轮与销齿保证正常啮合并导向。采煤机运行过程中行走轮主要承受牵引力，导向滑靴在销排上支撑采煤机的部分重力并起到导向作用，同时还承受部分采煤的载荷。 采煤机行走机构的核心部件为行走轮和销排销轨。目前采煤机常用的行走轮主要有两种：渐开线轮和摆线轮。与其配套的销轨从节距方面讲有两种：小节距销排 (节距为 125mm 或 125.5mm 或 126mm)和大节距销排 (节距为147mm)；销排销齿形状主要有三种：型销齿（如图 2-1）、型销齿（如图2-2）和型销齿（如图 2-3）。目前小节距销排绝大部分只使用型销齿和型销齿，大节距销排只使用型销齿。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 9 页 2.3 目前采煤机行走机构出现的一些问题 滚筒式采煤机是目前煤矿采煤工作面的主力开采设备。随着煤矿高产高效生产技术的发展，滚筒式采煤机的性能参数在不断提高，其总装机功率已达到 2000kW 以上，单行走功率达到 110kW，牵引力达到 1000kN。采煤机采用多电 机 驱动，截割电机横向布置在摇臂上，摇臂与机身通过销轴饺接，没有动力传递，全部采用正齿轮传动，结构简化；采用分体式直摇臂结构，左右摇臂除过渡架不能通用外，其余部分可以互换；主机身分三段，取消底托架结构，采用圆柱定位销与高强度液压螺栓连接，简单可靠，连接方便；采用交流变频调速技术，实现牵引速度无极变速，电牵引传动效率高、牵引力大；采用大节距、承载能力大的无链牵引结构，安全可靠；控制齐全，既可手动操作、亦可离机无线电遥控，并设有主电机 和牵引电机的功率、过热、过电流保护，油压保护和水压保护等多种保护功能；主电机、牵引电机、泵电机均可在采空侧拆装，维修方便；采用网络结构式采煤机工况检测和故障诊断的专用数字信号处理系统；设有内、外喷雾装置，冷却、降尘效果好。 可以说到目前为止 ,作为采煤重点设备之一的采煤机已发展到了比较智能化、比较令人满意的程度。但是由于煤矿生产条件恶劣、多变导致采煤机在实际使用中还是出现了各种非正常破坏、失效等问题。其行走机构就曾出现：行走轮非正常断齿、导向滑靴非正常损坏频繁；行走轮和销排销齿的异常磨损；还有左、右牵引不平衡 等等。所以这方面还有大量的工作要做，还需要提高。下面图 2-4 为行走轮断齿情况；图 2-5为导向滑靴撕裂情况；图2-6为行走轮的磨损情况。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 10 页 图 2-4 行走轮断齿 图 2-5 导向滑靴撕裂 图 2-6 行走轮磨损 2.4 采煤机设计的目的意义 虽然我国采煤机在近几十年来有了很大进步，但国内电牵引采煤机代表机型与目前国外最先进的电牵引采煤机相比 ,在总体参数性能方面已接近国外 20 世纪 90 年代中后期水平。但在一些关键部件以及总体性能、功能、适应范围还有待进一步完善和提高。尤其是电牵引采 煤机的工况在线监测、故障诊断及预报、信号传输与采煤机自动控制、传感器件等智能化技术与国外相比还有一定的差距。 在我国一些薄、厚煤层并存的煤矿 ,由于薄煤层开采速度缓慢 ,使其下部的中厚煤层长期得不到及时开采 ,以至影响工作面的正常接替 ,而有的就只能被迫丢失一些薄煤层资源。随着大批煤矿中、厚煤层的资源开采 ,使得资源越来越少 ,所以薄煤层的开采已列入日程。因此 ,研制适合我国国情的薄煤层采煤机 ,以适应不同的煤层结构 ,提高薄煤层采煤的工作效率是当务之急。 在能源竞争日趋激烈的今天，广泛节约能源和高效的开采能源已经十分必要， 不断提高我国采煤机的性能超过国外的先进水平和达到更高效的采掘作业。今后国内电牵引采煤机的主要发展方向应包括以下几个方面 : (1)进一步完善和提高交流变频调速牵引系统的可靠性 ,重点完善和提高系统装置的抗振、散热和防潮等性能 ,研究可靠的微机电气控制系统 ,重点提高采煤机电控系统的抗干扰、抗热效应的能力。 (2)开发或增强电控系统的监控功能 ,重点研究故障诊断与专家系统、工况监测、显示与信息传输系统、工作面采煤机自动运行控制系统、自适应变频电路的漏电检测与保护技术、摇臂自动调高系统等。 (3)以开发装机功率更大的采煤 机为主 ,完善中、小功率的电牵引采煤机 ,以满足不同用户的需求。 (4)向电器设备结构的小型化发展 ,由于功率的增大 ,电动机、变压器、变频器等设备的体积也相应增大 ,为满足整机结构布置紧凑的要求 ,进一步提高采煤机对煤层变化的适用性 ,必须研究电器设备小型化的技术途径。 2.5 完成课题 的 条件和可行性分析 2 132/630-WD 采煤机可调行走箱设计是采煤机总体构成的一部分，和 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 11 页 整机的设计比较起来难度相对降低。周围环境对完成课题也相当有利，有许多煤矿可以现场参观，可以到附近的机械厂进行加工，一些相关的基础课程已 经学习过，还有老师的指导， 特别是在山东的一些机械厂和煤矿的实习期间，参观学习的其他一些型号的采煤机，和他们的工作环境，对所设计课题有了基本了解， 以上条件满足课题的完成。 3 2*132/630-WD 型 采煤机 3.1 组成 MG2x132/630-WD 型电牵引采煤机 ； 按用途，采煤机可分为牵引机构、截割机构、电气控制设备、液压调高系统，喷雾冷却系统等所组成。 按结构，它由左、右牵引部，左、右截割部和滚筒，电控部所组成。本采煤机共用了 7 台电动机： 4 台截割电动机、 2台牵引电动机、 1台调高电动机。 3.2 工作 原理 采煤机整体由煤壁侧的两组支承组件和操作侧的两只导向滑靴分别支承在工作面输送机上。牵引箱中的行走轮与输送机齿轨相啮合，当行走轮转动时，采煤机便在工作面输送机上牵引行走，同时截割电机通过截割机械传动带动滚筒旋转，完成落煤及装煤作业。 3.3 主要技术参数 表 3.1 MG2x132/630-WD 型采煤机主要技术特征 项 目 内 容 项 目 内 容 采高范围 m 1.2 2 煤层倾角 30 装机功率 kW 630 截割功率 kW 4x132 牵引 功率 kW 2x40 泵站功率 kW 20 机面高度 mm 860 过煤高度 mm 289 下切深度 mm 184；234；309 滚筒直径 m 1.15 滚筒转速 r/min 60 滚筒截深 mm 800 摇臂摆动中心 mm 5600 摇臂型式 整体弯摇臂 摇臂长度 mm 2111 牵引力 kN 450 牵引速度 m/min 0 9 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 12 页 调速方式 机载交流变频 牵引型式 齿轮 销排 整机布置式 积木式组合 供电电压 V 1140 整机重量 t 28 配套输送机 SGZ764/400；SGZ730/400 3.3.1 适应 的 煤层 采高范围 ( m ) 1.2 2 适应倾角 ( ) 30 煤质硬度 f 4 3.3.2 总体 要求 装机功率（ kW） 630 机面高度 (m) 0.86 摇臂回转中心距 (m) 5.6 摇臂回转中心距底板高度 (m) 0.764 滚筒水平中心距 (m) 9.826 过煤高度 (m) 0.289 卧底量 (m) 0.176 摇臂摆角 ( ) 上 31.72；下 10.19 整机重量 ( t ) 28 3.4 该型号 采煤机 主要 特点 （ 1） 为使该采煤机 与煤矿常用运输机相配套，同时最大限度降低机 面高度，本采煤机与运输机配套采用了交错布置形式，既运输机销轨占用采煤机机身部分空间，调高油缸位置进入运输机外槽帮以下。 （ 2） 机身为无底托架积木式组合结构。各部件之间为干式对接，三大部件之间使用高强度 T 形螺栓及定位销连接，使之成为一个整体。 （ 3） 本采煤机为压缩机身体积，采用了 1140V 直接供电的机载交流变频调速技术，通过改变牵引电机的供电频率，实现（一拖二）牵引无级调速，且有四象限运行功能。 （ 4） 采煤机左、右截割部可单独分别启动，便于故障处理，同时减小因启动采煤机对电网的冲击。 （ 5） 为解决机身薄与装 机功率大的矛盾，截割部采用双电机驱动。机械传动链高速端设有扭矩轴过载保护装置；在低速端采用四行星双浮动结构，牵引部的机械传动采用双行星双浮动结构形式，用过轴连接牵引驱动轮，且牵引驱动轮直接与运输机销轨啮合传动，不但增大了过煤空间，还省去了行走部，使机构大为简化，同时缩小了牵引部体积。采煤机机身高度将随运输机 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 13 页 销轨高度变化而变化， 并且能够在一定范围内 调正机高。 （ 6） 采煤机的操作采用手动和遥控两种方式，可同时并用，互不干扰。 （ 7） 采煤机操作面板上设有彩色显示屏，可随时监测采煤机工况，并有故障记忆功能，还设置了 操作检修指南、故障分析参考、主要传动件查询等显示界面。 3.5 使用环境条件 （ 1）可在周围空气中的甲烷、煤尘、硫化氢、二氧化碳等不超过煤矿安全规程中所规定的安全含量的矿井中使用。 （ 2）海拔高度小于 2000m。 （ 3）周围介质温度不超过 o+40 、不低于 o-10 。 （ 4）环境温度为 o-25 时，周围空气相对湿度不大于 97% 。 （ 5）周围介质无足以腐蚀和破坏绝缘的气体和导电尘埃。 4 采煤机 行走箱设计 4.1 基本参数计算 4.1.1 电动机的选择 牵引部的行走速度为 0-9m/min，牵引力为 450kN。 由公式： P F v 可得牵引部输出最大功率为： 4 5 0 0 . 1 5 6 7 . 5 k WP 牵引功率为 2 40kW 选取电机的型号为 YBQYS3-40， 其 参数如下： 额定功率： 40 kW 额定电 压： 1140 V 额定电流： 76 A 额定转速： 1478 r/min 4.1.2 传动效率计算 1.各传动件的效率为： 1）滚动轴承效率 1=0.98； 2）圆柱齿轮传动效率 2=0.98； 2.总传动效率为： 牵引部输出功率为 36.89kWP 输出轴转速为 n=10 r/min 4.1.3 传动比及配齿情况 电动机的型号为 KCB2-40，额定电压为 380V，转速为 1472 r/min。 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 14 页 该系列隔爆型三相异步电动机适用于煤矿井下，供采煤机组作牵引动 力。防爆性能符合 GB3836爆炸性气体环境用电气设备的规定，防爆标志为 Exd。 根据该型号采煤机的大小和总体结构， 使用摆线行走轮和 I 型销齿（如图 4-1， 27.5PR ）的啮合 ,摆线轮齿数根据采煤机的具体结构情况常取 9-18 齿， 选取采煤机的 行走轮 轮齿数为3 9Z 选取销排节距 125mmt 则模数 3 9 .7 9tm 行走轮节圆直径： 33 3 5 8 . 1 1 m md Z m 行走轮 齿顶圆直径： 图 4-1 销齿 33 2 ( 0 . 8 0 . 9 ) 3 5 8 . 1 1 2 ( 0 . 8 0 . 9 ) 5 5 ( 4 4 6 . 1 1 4 5 7 . 1 1 ) m mapd d d 取3 4 4 6 .1 1 m mad 。 齿根圆直径： *33 2 ( ) 4 4 6 . 1 1 2 ( 1 0 . 2 5 ) 3 9 . 7 9 3 4 6 . 6 3 5 m mfad d h c m 行走轮的转速为： 3 3100vn d = 9 10003.14 358.11 =8 r/min 总传动比为： 133n ni nn=108 =1.25 4.1.4 牵引部各轴转速、功率及扭矩 花键连接机械损失可忽略不计 。 对于 I 轴： 11 3 6 . 8 9 k w 0 . 9 8 3 6 . 1 5 k WPP 1 1 0 r / m i nnn 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 15 页 1 1 19 5 5 0 / 9 5 5 0 3 6 . 1 5 / 1 0 3 4 5 2 3 . 2 5 N mT P n 对于 II 轴： 22 1 1 2 3 4 k WPP 2 1 1 10/ 8 r / m i n1 . 2 5n n i 2 2 29 5 5 0 / 9 5 5 0 3 4 / 8 4 0 5 8 7 . 5 N mT P n 4.2 行走箱 传动 齿轮啮合参数及校核计算 设计项目及说明 结果 （ 1） 选择齿轮材料，确定许用应力 查相关手册，选 小齿轮 18Cr2Ni4WA 渗碳淬火 大齿轮 18Cr2Ni4WA 渗碳淬火 许用接触应力 H，查相关公式为 limm inHHHS 接触疲劳极限Hlim为： 齿轮寿命hL接触强度寿命系数NZ， 应力循环次数 N 由公式 1 1 hN =60n jL6 0 1 0 1 1 0 0 0 0 21N =N /i查相关图表， 得N1Z和N2Z接触强度最小安全系数HminS1H R C 6 0 H R C2H R C 6 0 H R CH lim 1 1500N/mm2 H lim 2 1500N/mm2 hL =10000h 61N 6 10 62N 4 .8 1 0 N1Z =1.38N2Z =1.42HminS =1 H1 2070 N/mm2 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 16 页 则 H1 1 5 0 0 1 . 3 8 / 1H2 1 5 0 0 1 . 4 2 / 1许用弯曲应力 F 由 齿轮传动设计手册 表 2-56 F l i m S T N TF r e l T R r l T XF m i n YY = Y Y YS 弯曲疲劳极限Flim查图 双向传动乘 0.7 应力修正系数STY弯曲强度寿命系数NTY相对齿根圆角敏感系数relTY相对齿根圆角表面状况系数RrlTY弯曲强度尺寸系数XY = 1 .0 5 -0 .0 1 m弯曲强度最小安全系数minFS 1 6 3 0 2 1 1 1 0 . 8 / 1 . 4F 2 6 3 0 2 1 1 1 0 . 8 / 1 . 4F （ 2） 齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精度等级，按公式 31 1 1v = ( 0 . 0 1 3 0 . 0 2 2 ) n P / n估取圆周速度 0.2m/stv ，参照相关图表，选取 小轮分度圆直径1d，由公式 H2 2130 N/mm2 H 2070 N/mm2 Flim1 630N/mm2 Flim2 =630N/mm2 STY =2N T 1 N T 2Y = Y = 1relTY =1RrlTY =1XY 0.8min 1.4FS 1 720F N/mm2 2 720F N/mm2 公差组 8 级 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 17 页 2 131 2 ( 1 )() EHHdZ Z Z K T ud u 齿宽系数d查表，按齿轮相对轴承为非对 称布置 小齿轮 （变位齿轮） 齿数1z大齿轮 （变位齿轮） 齿数2z21 1 . 2 5 1 2 1 5z i z 齿数比 u 15/12u 传动比误差 /uu / ( 1 . 2 5 1 . 2 5 ) / 1 . 2 5 0 0 . 0 5uu 最小变位系数*m i nm i nm i n azzxhz ， min 17z 则变为系数1 0.3x ，2 0.11x 小轮转矩1T载荷系数AVK K K K KAK 使用系数 VK 动载系数 推荐值 1.051.4 K 齿间载荷分布系数 推荐值 1.0 1.2 K 齿向载荷分布系数 由推荐值 1.0 1.2 载荷系数 K 1 . 5 1 . 0 5 1 . 1 1 . 1AVK K K K K 0.3d 1 12z 2 15z 1.25u 合适 1 0.3x 2 0.11x 1 34523250T N mm 1.5AK 1.05VK 1.1K 1.1K 1.9K 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 18 页 材料弹性系数EZ查表 节点区域系数HZ查图表 重合度系数 Z推荐值 0.85 0.92 故 231 1 8 9 . 8 2 . 5 0 . 8 5()2070d 3 2 1 . 9 3 4 5 2 3 2 5 0 (1 . 2 5 1 )0 . 3 1 . 2 5 齿轮模数 m 11/ 3 1 0 . 3 / 1 2 2 5 . 8 6m d z 圆整 小轮分度圆直径1d1 2 5 1 2d m z 圆周速度 v 11 / 6 0 0 0 0 3 0 0 1 0 / 6 0 0 0 0v d n 标准中心距 a 12( ) / 2 2 5 ( 1 2 1 5 ) / 2a m z z 齿宽 b 1 0 . 3 3 0 0 9 0dbd mm 大轮齿宽2b2bb小轮齿宽1b12( 5 1 0 )bb（ 3） 齿根弯曲疲劳强度校核 由公式 112F F a S a FKT Y Y Yb d m齿形系数 FaY查表 小轮1FaY21 8 9 . 8 N / m mEZ 2.5HZ 0.85Z 1 310.3d mm 25m mm 1 300d mm 0.157v m/s 与估取相近 337.5a mm 2 90b mm 1 100b mm 1 2.97FaY 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 19 页 大轮2FaY应力修正系数 SaY查表 小轮1SaY大轮2SaY重合度 1 1 2 21 ( t a n t a n ) ( t a n t a n )2 aazz 1 3 0 0 c o s 2 01 2 ( t a n ( a r c c o s ) t a n 2 0 )2 3 0 0 2 2 5 o o 3 7 5 c o s 2 01 5 ( t a n ( a r c c o s ) t a n 2 0 )3 7 5 2 2 5 o o 重合度系数 0 . 2 5 0 . 7 5 /aY 故 1 2 1 . 9 3 4 5 2 3 2 5 0 2 . 9 7 1 . 5 2 0 . 7 6 7 / ( 1 0 0 3 0 0 2 5 )F 2 2 1 . 9 3 4 5 2 3 2 5 0 2 . 9 7 1 . 5 2 0 . 7 6 7 / ( 9 0 3 7 5 2 5 )F （ 4）齿轮安全系数 l i mF S T N T r e l T R r l T XFFYY Y Y Ys 16 3 0 2 1 1 1 0 . 8 1 . 6 66 0 5 . 6 6Fs 26 3 0 2 1 1 1 0 . 8 1 . 8 75 3 8 . 3 6 8Fs （ 5）齿轮其它主要尺寸计算 大轮分度圆直径2d222 5 1 5d m z 根圆直径fd2 2.97FaY 1 1.52SaY 2 1.52SaY 1.45a 0.767Y 1 605.66F N/mm2 2 5 3 8 .3 6 8F N/mm2 齿根弯曲强度满足 minFFSS满足 2 375d mm 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 20 页 11 2 3 0 0 2 4 7 . 5ffd d h 22 2 3 7 5 2 2 8 . 5ffd d h 顶圆直径ad11 2 3 0 0 2 3 2 . 5aad d h 22 2 3 7 5 2 2 7 . 5aad d h 基圆直径bd11 c o s 3 0 0 c o s 2 0bdd 22 c o s 3 7 5 c o s 2 0bdd （ 6）齿轮胶合承载能力计算 1)胶合承载能力计算的安全系数intSSi n ti n t m i ni n tSSS 最小安全系数群中等胶合危险 min12SS2）实验齿轮的本体温度MT和积分平均温升intfla T18 0 0 . 2 3M T T LTX 0 . 0 2i n t 1401000 . 2f l a T T LTX 21 3 . 7 2 6 (TT F Z G 载 荷 级 ） 式中：1TT FZG 胶合载荷级相应的实验齿轮的小齿轮转矩， Nm 40 润滑油在 40 度时的名义运动粘度，2mm/s LX 润滑剂系数 所以M T 1 T L = 8 0 + 0 . 2 3 T X1 252.5fd mm 2 318fd mm 1 365ad mm 2 430ad mm 1 = 2 8 1 .9 m mbd2 = 3 5 2 .4 m mbd1TT=238.464Nm 40=100 2mm/s LX=1.0 1 3 4 .8 5MT C 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 21 页 0 . 0 2i n t 1401000 . 2f l a T T LTX 3)啮入系数QX啮入系数QX是考虑滑动速度较大的从动齿轮齿顶啮入冲击载荷的影响的系数，可用啮入重合度f与啮合重合度a之比的函数来表示。 211111 t a n2 a tbdzd 222221 t a n2 a tbdzd 驱动方式为小齿轮驱动大齿轮 则f2=，a1 =fa 1.5由齿轮传动设计手册表 2-108 取得 QX=14)齿顶修正系数caXcaX是一个相对的齿顶修缘系数，它取决于相对于因弹性变形引起的有效齿顶修缘量effC的齿顶实际修缘量aC 。 caX值可根据齿顶重合度1和2中的最大值和计算用齿顶修缘量aC查取。 对与低精度齿轮，规定caX等于 1. 5）重合度系数 X重合度系数 X是将假定载荷全部作用于小齿轮齿顶时的局部瞬时温升flaE折算成沿啮合线的积分平均温升flaE的系数。 由于 1212a ，1 1 ，2 1 221 2 1 211 0 . 7 0 0 . 2 2 0 . 5 2 0 . 6 02aaX flaintT=47.7 C 1 0.71 2 0.68 1QX 1caX X =0.3045 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 22 页 6）相对焊合系数wrelTX相对焊合系数wrelTX是考虑热处理或表面处理对胶合积分温度影响的一个经验性系数。它是一个相对值，由不同材料及表面处理的实验齿轮与标准实验齿轮进行对比试验得出，其值可由下式计算，即 Ww relTWTXX=X 式中 WTX =1WX由齿轮传动设计手册表 2-111 取得 7）压力角系数X压力角系数X是用以考虑将分度圆上的载荷与切线速度转换到节圆上系数。 对于法向压力角为 20 度的齿轮，作为近似考虑，其压力角系数可近似取为 X =18）热闪系数MX热闪系数MX是考虑材料特性和两轮在啮合点处沿齿廓切线方向速度的影响的 系数，反映小轮和大轮的材料特性对闪温的影响。 wrelTX =1.15WTX =1WX =1.15X =10 . 2 5221212121121111MMMuXBBEE u tan 1tan yt 式中：1、2 小轮、大轮材料的泊松比； 1E、2E 小轮、大轮材料的弹性模量； 啮合线上的参数； 1MB、2MB 小轮、大轮材料的热啮系数； y 任意角。 当大、小齿轮的弹性模量、泊松比、热 接触系数相同时，可用以下简化公式计算，即 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 23 页 0 . 2 50 . 2 521MMEXB 其中热啮系数 M M vBc对于表面硬化钢，热导率M = 5 0 N /(s K ),单位的比热容 23 . 8 N / m m Kvc ,弹性模量 22 0 6 0 0 0 N / m mE 及泊松比 0.3 ， 其热闪系数可取为 0 . 7 5 0 . 5 - 0 . 5MSX = 5 0 K N s m m m 9）跑合系数EX 3011 aEEr e d CRX 式中， 1E ，充分跑合； 0E ，新加工的。 10）平均摩擦系数mc0 . 20 . 0 50 . 0 4 5 B t Bm c o i l R LC r e d CK XXv 式中： Cv 节点线速度的和； 2 t a n c o sC t tvv t 端面啮合角； oil 油温下的动力黏度； redC 节点处曲率半径， 2s i nc o s1 tr e d C bu au u 齿数比； 压力角； b 基圆螺旋角； Bt 单位齿轮载荷， tB t A V B B FK K K K b 0 . 7 5 0 . 5 - 0 . 5MSX = 5 0 K N s m m m 1EX 0 .1 0 7 m /sCv 8 4 m P a so il 2 8 .5 m mr e d C 4 8 5 8 . 8 2 8 N / m mBt 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 24 页 AK 使用系数； VK 动载系数； BK 胶合承载能力计算的齿向载荷系数，BHKK； BK 胶合承载能力计算的齿间载荷系数，BHKK； tF 分度圆上名义切向载荷； b 齿宽，取小轮或大轮的较小值； RX 粗糙度系数， 0 . 2 52 . 2 aRr e d cRX 120 .5a a aR R RaR 算术平均粗糙度； 1aR、2aR 小轮与大轮在加工过的新齿面上测量的齿面粗糙度值； LX 润滑剂系数。 由以上各式得 0.128mc 11） 小轮齿顶的闪温flaE 0 . 7 5 0 . 50 . 2 5B B t Ef l a E m c M B EQ C aKv Xu X X XXXa 0.8124RX 0.53aR um 1LX 0.128mc 1 3 5 .5fla E C 中国矿业大学 2009 届本科生毕业设计（论文） 第 25 页 式中 mcu 平均摩擦因数； MX 热闪系数； BEX 小齿齿顶系数； X 压力角系数； BK 胶合承载能力计算的螺旋线系数； Bt 单位齿宽载荷； v 分度圆线速度； a 中心距； EX 跑合系数； QX 啮入系数； CaX 齿顶修缘系数 。 12）小轮齿顶几何系数BEX 2120 . 2 52 120 . 5 1 1EEBEEEz uXuz 221 1 10 . 5E a bdd 21s i nE t Ea 式中 a1d 小齿轮顶圆直径； b1d 小齿轮基圆直径。 13）本体温度M1 i n tM C o i l m p f l a SC X X 12 pmpnX 0.128mc 0 . 7 5 0 . 5 - 0 . 55 0 K N s m m mMX 0.403BEX 1X 1BK 4 8 5 8 . 8 2 8 N / m mBt 0.157m/sv 337.5mma 1EX 1QX 1caX 0.403BEX 1 1 0 3 .7 m mE 2 1 1 .7 m mE 1 350 m mad 1 = 2 8 1 .9 m m