掘进机截割部减速器的优化设计(内附两级行星齿轮减速器的CAD图)

1、掘进机截割部减速器的优化设计 10摘 要减速器是掘进机截割部的一个重要组成部分，其结构形式、运转情况等各方面的性能指标将会通过影响截割头的运转而直接影响掘进机的采掘效率、生产能力及机体的稳定性等。由于掘进机的工作空间一般比较狭小，要求掘进机的工作机构应该在保证工作性能及使用要求的前提下使结构尺寸最小。因此，有必要对掘进机截割部减速器进行以体积最小为目标的参数优化，使得在保证掘进机使用性能及安全性能的前提下，使减速器的体积最小。行星齿轮传动与普通定轴齿轮传动相比较，具有体积小、质量轻、传动比大、承载能力大以及传动平稳和传动效率高等优点，其在起重运输、工程机械、冶金矿山等行业均获得了广泛的应用。本

2、文是基于上述特点对减速器进行结构设计，首先通过比较各种类型的行星齿轮的特点，确定采用NGW 二级行星齿轮减速器；其次根据相应的输入功率、输出速度、传动比等进行齿轮传动设计与减速器整体的结构设计。关键词：掘进机，减速器，行星齿轮，结构设计 ABSTRACTReducer is an important component of the cutting part of a road header. The structure and functioning and other aspects of performance index of the cutting reducer will dire

3、ctly affect the extraction efficiency、production capacity and the stability of the roadheader by the operation of the cutting head. Because roadheader's working space is Relatively small，therefore，should make the structure of the roadheader's working part smallest under the premise of guaran

4、tee the performance and use requirements. Therefore, the smallest target parameter optimization of EBZ135 roadheader's cutting reducer is necessary to make the minimum volume of the roadheader under the premise of guarantee the safety performance index of the roadheader. Compared with common fix

5、ed axis gear, planetary gear transmission has small size, small quality, big transmission ratio, large carrying capacity, smooth transmission and high transmission efficiency.So planetary gear drive in the lifting and transportation、engineering machinery、metallurgical and other industrial sectors ar

6、e received a wide range of applications. The design is based on these features of planetary gear for structure design. First, adopt the scheme through comparing various types of planetary gears characteristics and determine to use NGW two planetary gear reducer, Secondly, according to the correspond

7、ing input power、output speed and speed give the design of gear transmission and whole structure.Key words: road header, reducer, planetary gear, structure design目 录1 绪论11.1掘进机国内外发展现状11.1.1国外掘进设备研究技术现状及发展趋势11.1.2国内掘进机的发展历史及现状21.1.3现代掘进机的发展趋势21.2行星齿轮传动技术41.2.1行星齿轮传动技术定义41.2.2国内外研究动态51.3论文选题目的及意义62 MAT

8、LAB优化设计概述72.1 MATLAB软件介绍72.2 优化设计方法概述83 掘进机截割部减速器的优化123.1 减速器优化设计的数学模型123.1.1设计变量的选取123.1.2目标函数的建立123.1.3约束条件的确定133.2 减速器的优化与结果分析303.2.1减速器的优化303.2.2优化结果的分析314 结论33参考文献34致 谢351 绪论1.1掘进机国内外发展现状1.1.1国外掘进设备研究技术现状及发展趋势第一台悬臂式掘进机是在1949年由匈牙利的科学家发明的1，经过几十年的改进和发展，现在世界上掘进机的使用数量已超过几千台。有超过10多个国家、20多家公司和厂商从事悬臂式掘

9、进机设计研究和制造，主要国家是：奥地利、英国、德国、日本、美国等。早在五十年代，前苏联就试制了振动冲击式掘进机的样机，试验结果表明利用此方法提高了生产效率及降低比能耗。直到1990年，俄罗斯图拉工学院开始研制惯性冲击式掘进机，并在一些掘进机上进行试验，结果证明在提高破岩能力、生产效率及降低比能耗的同时机器运行仍平稳。对于国外掘进设备可分为两类：一类是欧洲国家普遍使用的悬臂式掘进机，它适应范围广，但掘进、支护不能平行作业，掘进效率低；另一类是以美国和澳大利亚为代表的连续采煤机和掘锚机组，可实现煤巷的快速掘进，掘进效率高2。目前，国外掘进设备技术研究现状主要可表现为：(1) 半煤岩巷道掘进机普遍推

10、广随着开采深度的加大及薄煤层开采的需要，切割煤岩的硬度及半煤岩巷道的掘进量增长，已研制的EBJ-132, EBH-132, EBJ-160等几种掘进机能够胜任半煤岩巷道掘进。半煤岩巷道掘进机适用机型重量约45-90t，切割岩石抗压强度不大于80MPa为宜。EBJ-160在切割局部硬岩时，出现强烈振动，应以60-70t重的机型为主，可以使机器的振动减轻，机器零件寿命延长，总体经济效果好。(2) 机器的可靠性高以先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加工精度都能严格控制，又有优越的国际协作条件，选购外协件的范围宽广，有效的保证了主机的质量水平。此外，近年来广泛的采用了可靠性技术，其突出表现为

11、简化机械结构、采用将额设计。在齿轮传动、机械联接及液压传动方面尽量减少串联系统，有的地方以嵌装式结构代替螺栓组结构。既简化了结构，又提高了可靠性。(3) 采用机电一体化技术国外新型掘进机均配各有完善的工况监测和故障诊断系统。从而可早期发现故障，快速排出故障，大大减少停机时间。有些重型掘进机还可配置自动控制系统，可以使机器的生产率提高30%左右，还可以保证切割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当引起的尖峰负荷，从而延长机器的使用寿命约20%。随着矿山机械工业的发展，掘进机作为一种常用机械产品，其性能不断改进提高，国外掘进机的主要发展趋势：1)以增加机重、提高截割功率和截割硬度为前提，发展矮型机，

12、提高产品工作时的稳定性，也适用于低矮的巷道掘进工作；2)应用新技术对部件进行优化设计，提高其工作的可靠性，形成模块化设计，完善其自动控制系统，对工况进行监测以及故障诊断等；3)主要部件系列化。在掘进机的开发过程中只改变主机结构，而不改变其基本部件，并对其他部件进行组件设计，例如对于工作部件可以根据工作要求安装横轴式或者纵轴式截割头；4)中、重型化。目前世界上权威的生产厂家主要产品正从轻型逐渐向中、重型发展，截割功率在40350kw之间，甚至达到400kW，机重达到40t；5)多元化破岩方式。包括机械截割破岩、冲击破岩，以及新开发的水力掘进技术等方式3。1.1.2国内掘进机的发展历史及现状我国对

13、于掘进机研制是从1965年对HK-3型掘进机的仿制开始，之后经过设计、制造、使用三个单位结合进行多种小型掘进机研制。并定型生产了几种掘进机。1975年第一台液压传动煤巷掘进机ELMA通过技鉴定并小批量生产4。1979年开始,我国从英国、奥地利、日本、前苏联、德国、美国等国家大规模的引进设备，据不完全统计，截至1985年共引进16个品种188台，对我国煤矿掘进煤和半煤岩巷道起到重要作用5。特别是通过AM50和S100的技术引进、国内外合作生产、消化吸收等方式，提高了设计、工艺制造水平。“八五”后期，我国又研制4050吨级重型掘进机。目前，我国掘进机技术已跃上了一个新的台阶，总体水平已接近国外同行

14、。在产品的开发方面，掘进机的切割功率从30kW提高到160kW，机重从13t上升到53t，切割对象从煤扩展到半煤岩，并逐步形成了煤及半煤岩掘进两大系列、十多个品种。尤其是在“八五”后期至“九五”初期研制成功的EBJ系列半煤岩掘进机，其技术性能达到并部分超过了某些进口的同类产品，具有良好的性能价格比。国内掘进机的主要发展趋势：1)适用范围越来越广，根据掘进机截割硬度的增加与截割断面的加大，要求掘进机的适用范围扩大；2)新的掘进机截割技术的发展；3)自动控制技术的迅速发展，表现为：智能监测、全功能遥控、推进方向监控、记忆截割、预报型故障诊断、数据远程传输等方面；4)工程中操作的可靠性不断提高；5)

15、多种功能的集成，即机载临时支护系统、主机集成机载锚钻系统、机载除尘系统等，通过多功能集成以达到安全高效生产的目标7。当前，我国掘进机的设计研究工作主要面临三项任务：一是深入消化吸收引进产品技术，产品的国产化不仅仅是图纸的转化，制造工艺的工厂化，更重要的是对引进产品在设计思想、设计方法、设计技术的消化；二是加强基础研究工作，主要指岩石可切割性和分类研究，整机和主要关键部件的设计理论与方法研究；三是对现有国产化机型进行设计改进，提高使用可靠性和开机率。1.1.3现代掘进机的发展趋势分析国内外悬臂式掘进机近期产品，可知现代掘进机技术发展趋势是：改善切割技术、提高对硬岩切割能力、采用现代控制技术、实现

16、远程控制和遥控操作、研制掘锚机组，是巷道快速掘进的发展方向8。(1) 提高对硬岩切割能力从国内外悬臂式掘进机产品发展过程可以看出，早期产品是适应切割煤和软岩的轻型设备。70年代后期，人们在机械和液压两方面做了大量研究工作，出现了切割半煤岩的中重型设备，近期多数掘进机可切割岩石强度达70-100MPa9，如德国普拉待公司研制的E200型重型掘进机10，机重达110吨，可切割岩石强度为70-124MPa，最大达206MPa。可见增加机重、加大切割功率，改进切割技术，是提高硬岩切割能力的必然发展趋势。为了是适应切割硬岩，在增加机器自重的同时，新机型都实行紧凑化设计，努力降低机器高度，减少机器振动，提

17、高工作稳定性。如奥地利AM65型和德国ET110型11，机高都低于1.5m，并采用宽履带，减少对地比压，增强爬坡能力。在机身前、后部位装设油缸式稳定器，使机器切割硬岩时牢固定位，减轻振动。(2) 发展自动控制技术悬臂式掘进机自动控制技术是国外80年代以来重点主攻目标之一12。包含以下内容：推进方向控制、断面轮廓尺寸控制、切割功率自动调节控制、机器运行状况监测和故障诊断、离机遥控操作技术。德国艾柯夫公司研制的微机轮廓和导向及机器运行状况监测系统13，其持点是用激光导向。由掘进机后面巷道顶部悬挂一个激光发生器，用棱柱水晶体将激光束分裂为两个互相垂直面，激光接收器有三条摄像晶体管线，可在600 mm

18、宽的激光束面上捕捉激射光，井将信号输入计算机进行处理，控制掘进机标准位置的平行偏差和推进方向上的角度偏差。这套系统于1983年开始在ET-160和ET-110掘进机上使用。日本三并三他公司研制了切割功率自动调节系统14，美国矿业局移植机器人技术，研制具有视觉和某些智力功能的导向系统等。机器正常运行监控和故障诊断系统是任何掘进机都需要的，对重型机更是必需的。掘进机的监控程序，可早期鉴别技术故障，必要时发出指令停止运转。主要功能是：对各电机负荷电流和温升的显示检测及示警保护；液压系统的油压、油温、泊位、污染及过滤装置工况检测及保护；高压水和冷却水系统的检测与保护等。总之，控制技术发展日新月异，为实

19、现并下悬臂式掘进机自动控制、遥控开辟广阔前景。(3) 发展掘进机组，实现巷道快速掘进80年代以来，综采机械化装备发展很快，单产效率迅速提高，美国、英国、德国等先进产煤国家，不断涌现日产万吨、2万吨甚至3万吨高产高效工作面15。要求采区巷道快速掘进，保持后退开采正常接续，目前悬臂式掘进机效率不能满足快速掘进要求，必需研制一种新型高效快速掘进设备。用连续采煤机开掘煤巷，由于它具有横向长滚筒、全宽巷道上下摆动割煤、装运能力大、结构牢固、稳定性好等优点，生产能力比一般悬臂式掘进机要高。但由于没有解决顶板支护机械化问题，仍需掘进几米。停下来用其它方式支护顶板，因而并没有真正“连续”。用连续采煤机开掘巷道

20、的作业方式15，其效率还不能满足日产几万吨综采工作面快速回采要求。原因就是不连续的间断作业影响巷道掘进速度。多年来人们一直希望有一种真正连续掘进的机器，既能快速掘进割煤，又能同时支护顶板和侧板，掘进与文护平行作业，一次成巷。于是出现了“掘锚机组”的新机型，作为与高产高效工作面的配套设备16，是一种理想作业方式，具有很好的发展前景，令人瞩目。目前这种“掘进机组”已有几个国家研制成功并投入使用，如美国的12CM30和12CM20B，奥地利的ABM20型，英国的KB型等。这些机器在一般中等地质条件下，沿煤层单巷掘进速度可达46m/h，每天掘进80120 m，真正实现了快速掘进。2 MATLAB优化设

21、计概述2.1 MATLAB软件介绍MATLAB是一个包含众多科学、工程计算的庞大系统，是目前世界上最流行的综合高性能的数学计算工具软件之一，已成为目前工程师、科研工作者和高校师生最易上手的编程语言、最广泛掌握并进行高效研究与开发的首选软件工具和环境。MATLAB是矩阵实验室的简称，该软件是由美国MathWorks公司出品的一款数学软件，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等高级技术计算语言和交互式环境。MATLAB将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领

22、域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语(如C、 Fortran)的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。MATLAB系统由MATLAB开发环境、MATLAB数学函数库、MATLAB语言、MATLAB图形处理系统和MATLAB应用程序接口(API)五大部分构成。其主要优势和特点有以下几方面：1)友好的工作平台和编程环境；2)简单易用的编程语言；3)强大的科学计算数据处理能力；4)出色的图形处理能力；5)应用广泛的模块集合工具箱；6)实用的程序接口和发布平台。一旦提到MATLAB的强大功能，就不得不提MATLAB所拥有的诸多面向不同领域的工具箱(MATLA

23、B Toolbox)，它包括：信号处理工具箱(Signal Processing Toolbox)、图像处理工具箱(Image Processing Toolbox)、优化工具箱(Optimization Toolbox)、控制系统工具箱(Control System Toolbox)、非线性控制工具箱(Nonlinear Control Toolbox)等等。除了 MATLAB Toolbox之外，MATLAB还有其它几个构成部分，如MATLAB Compiler. Simulink、 State flow. Real-time Workshop等。MATLAB提供了强大的优化工具箱(Opt

24、imization Toolbox)，可以求解许多工程实际问题。包括进行优化计算的大量函数和非常便于使用的GUI形式的优化工具。可分为两类：通用型的功能型工具箱和专业型的领域型工具箱。功能型工具箱可以用于多学科，领域型工具箱只适用于其本专业，专业性很强。MATLAB优化工具箱可以很好的解决有约束条件下的非线性极小值(包括极大与极小值问题、目标逼近问题以及半无限极小值问题)、无约束条件下的非线性极小值、二次规划、线性规划曲线拟合、非线性最小二乘逼近、非线性系统方程(组)、约束条件下的线性最小二乘、复杂结构的大规模优化等方面的问题。MATLAB不仅对于传统的优化算法能够很好的实现，其中有的算法还提

25、供了不止一个函数来求解，而且将一些现代优化算法也引入到工具箱中，例如模拟退火算法、遗传算法等，在全局优化及近似优化方面取得了良好的效果。本文主要采用MATLAB7.0来进行课题的研究工作，MATLAB7.0是MATLAB软件从1984年推出至今的第14个版本，相对于其它版本有了较大的改进和增补，在原有的基础上又增加了许多新的功能。首先，MATLAB7.0新的用户界面和开发环境可以使用户更加方便的控制多个文件及图形窗口。用户也可以根据自己的使用习惯来自己定义桌面环境及添加自定义的快捷键。另外，新的文件I/O和外部应用程序接口支持更大的文本文件的读入，并且可以进行向Excel中的HDF5格式文件执

26、行写入操作。支持压缩格式的MAT文件，使用户在保存大量数据的同时可以节省较大的磁盘空间，并且读写的速度更快。还有其它一些新的功能，如支持COM用户接口、服务器事件和VB脚本，可以基于简单对象的访问协议来访问网页服务器，可以在不用重启MATLAB7.0的前提下使用Java add path函数来添加、删除或重载Java类等，这些人性化的设计为用户使用提供了更加便捷的通道。3掘进机截割部减速器的优化3.1两级行星齿轮减速器优化设计的数学模型3.1.1设计变量的选取优化设计中选取的设计变量越多，可选择的方案也越多，得出的方案也会越优秀，但优化求解会更加复杂。所以，为了优化设计问题的简化，首先应满足设

27、计要求，然后优先考虑对目标函数有较大影响的合适变量作为设计变量，影响小的变量作为设计常量。根据两级行星齿轮减速器的传动原理，本文选择的设计变量为：X=x1,x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8 ,x9, x10T= b1, b2, m1, m2, T式中：m1、m2两级齿轮模数； 、太阳轮的齿数； 、行星轮的齿数； 、内齿圈齿数； b1、b2齿宽。3.1.2目标函数的建立在掘进机械中，由于掘进机有限的工作空间极其工作机构预留空间的限制，使得减速器的安装空间变得有限。因此，有必要在满足减速器载荷要求的前提下，对减速器进行优化研究，在满足其各项机械性能的前提下，减小其体积。行星齿轮

28、减速器的体积直接关系到其是否结构紧凑、降低成本,本文以行星减速器系统体积最小(重量最轻)为目标，对行星齿轮减速器的主要参数进行优化设计。精确计算齿轮与减速器系统的体积比较困难，而行星减速器的体积或质量可由太阳轮和所有行星轮的体积或质量之和决定，为了简化优化问题，一般选取太阳轮和所有行星轮的体积或质量来代表减速器系统的体积或质量，并以此为目标函数，目标函数中以分度圆直径和齿宽近似计算太阳轮、行星轮的体积。影响行星传动机构体积的因素主要：有太阳轮的体积，行星轮的体积和内齿圈的体积。因此该机构的总体积的数学表达式可以表示为：V= +式中：、分别为高速级传动的太阳轮、行星轮、内齿圈的体积和行星轮的个数

29、，、为低速级传动的太阳轮、行星轮、内齿圈的体积和行星轮的个数。而齿轮的体积主要由齿轮模数(m)，齿数(z)、齿轮厚度(b)决定，因此，该机构总体积的数学表达式为：V=由设计变量可得，该机构总体积的目标函数为：= 其中、是3和6的离散变量，所以作为常数输入。参考文献1 李亚强. 行星减速器虚拟装配与动力学研究特性D. 武汉：武汉理工大学. 20052 王洪欣,李木,刘秉忠.机械设计工程学.徐州：中国矿业大学出版社.20043 于娜. 多级圆柱齿轮减速器参数化设计D. 大连：大连铁道学院. 20034 闻森炎，张守柱.EBZ200型掘进机使用维护说明.上海：煤炭科学研究总院上海分院.20055沈鸿.机械工程手册.北京：机械工业出版社.19956胡宗武.非标准机械设备设计手册.北京：机械工业出版社.20027冯之敬.机械制造工程原理.北京：清华大学出版社.19988 吴相宪.实用机械设计手册.徐州：中国矿业大学出版社.20019 饶振纲.行星齿轮传动设计.北京：化学工业出版社.20031