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摘 要
行走機(jī)構(gòu)是采煤機(jī)的移動(dòng)推行機(jī)構(gòu)，其一旦出現(xiàn)問題將導(dǎo)致整個(gè)采煤機(jī)停止運(yùn)行，嚴(yán)重影響采煤機(jī)的正常生產(chǎn)。本論文簡(jiǎn)單地闡述了2×132/630-WD行走箱的設(shè)計(jì)。
采煤機(jī)行走箱是牽引部的一部分，擔(dān)負(fù)著移動(dòng)采煤機(jī)的作用。采煤機(jī)既受井下工作面狹小空間的約束又要適應(yīng)惡劣的工作條件，所以行走箱要求要尺寸盡量小，又要必須滿足承載工況的強(qiáng)度要求。本設(shè)計(jì)主要內(nèi)容包括傳動(dòng)比分配、齒輪設(shè)計(jì)校核、花鍵和軸的設(shè)計(jì)校核，最后從力學(xué)方面對(duì)行走輪和銷齒嚙合進(jìn)行了彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度的有限元分析，并對(duì)行走機(jī)構(gòu)核心部件之一的導(dǎo)向滑靴在各種工作狀況下的受力情況進(jìn)行了探索性的分析。
通過以上分析計(jì)算，設(shè)計(jì)出采煤機(jī)行走箱的整體結(jié)構(gòu)，了解了行走機(jī)構(gòu)非正常損壞、失效的一些原因和規(guī)律，為以后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和優(yōu)化奠定了一定的基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：采煤機(jī) ；行走機(jī)構(gòu) ；彎曲強(qiáng)度 ；銷軌
ABSTRACT
Haulage mechanism of shearer is the executive device for the machine’s shift. And as soon as it fails to operate, shearer will stop working, which definitely affects regular production and operation of shearer. So this paper studies some preliminary causes for improper failure and damage of the haulage mechanism. The paper bridfly expounds in the design of the department of walking box of 2×132/630-WD Shearer．
The running box is apart of traction of shearer, which is used for moving the shearer. The Shearer not only is limited to narrow space by underground mining, but also has to adapt to bad working conditions．Therefore, the size of the walking box should be as small as possible, and it must meet the required strength bearing conditions. The main contents are distributing the drive ratio and the designing and checking of gears, spline and shaft. The last part of this paper is about force analysis of the engagement between sprocket and pin-rail, which mainly studies bending strength and contact strength by the method of FEA. Finally, guiding shoes of shearer, which are the key parts of its haulage mechanism, are simply analyzed for their force analysis under different working conditions.
By the overall study, the box of shearer’s overall structure is worked out, some preliminary causes for the improper failure and damage of haulage mechanism are given, which will provide useful reference for further design and optimization.
Keywords：Shearer ；haulage mechanism ；bending strength ；pin-rail
目 錄
1 緒論 1
1.1前言 1
1.2 采煤機(jī)概述 1
1.2.1采煤機(jī)發(fā)展史 1
1.2.2 機(jī)械化采煤的主要方法 2
1.2.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 3
1.2.4 國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)的應(yīng)用前景 4
1.3 采煤機(jī)簡(jiǎn)述 4
1.3.1采煤機(jī)的分類和組成 4
1.3.2 滾筒采煤機(jī)的特點(diǎn) 6
1.3.3 滾筒采煤機(jī)的工作原理 6
2 選題背景 7
2.1 采煤機(jī)行走部的發(fā)展 7
2.2 現(xiàn)代采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介 8
2.3 目前采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的一些問題 9
2.4 采煤機(jī)設(shè)計(jì)的目的意義 10
2.5 完成課題的條件和可行性分析 10
3 2*132/630-WD型采煤機(jī) 11
3.1 組成 11
3.2 工作原理 11
3.3 主要技術(shù)參數(shù) 11
3.3.1 適應(yīng)的煤層 采高范圍 12
3.3.2 總體要求 12
3.4 該型號(hào)采煤機(jī)主要特點(diǎn) 12
3.5 使用環(huán)境條件 13
4 采煤機(jī)行走箱設(shè)計(jì) 13
4.1 基本參數(shù)計(jì)算 13
4.1.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 13
4.1.2 傳動(dòng)效率計(jì)算 13
4.1.3 傳動(dòng)比及配齒情況 13
4.1.4 牽引部各軸轉(zhuǎn)速、功率及扭矩 14
4.2 行走箱傳動(dòng)齒輪嚙合參數(shù)及校核計(jì)算 15
4.3 行走輪校核計(jì)算 27
4.3.1 擺線齒介紹 27
4.3.2 輪齒受力分析 27
4.3.3 行走輪和銷齒接觸應(yīng)力分析計(jì)算 28
4.3.4 有限元分析計(jì)算行走輪和銷齒接觸應(yīng)力 30
4.4 行走輪彎曲強(qiáng)度分析計(jì)算 36
4.4.1 齒根彎曲強(qiáng)度有限元分析計(jì)算 36
4.5 行走箱內(nèi)軸的設(shè)計(jì) 41
4.5.1 花鍵軸的設(shè)計(jì)與校核 41
4.5.2 心軸的設(shè)計(jì)與校核 43
4.6 行走箱各軸承的設(shè)計(jì)校核計(jì)算 47
4.6.1 滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)校核概述 47
4.6.2 花鍵軸上軸承校核 49
4.6.3 心軸軸承校核 50
4.7 提高采煤機(jī)軸承使用壽命的措施 52
4.8 螺栓的校核計(jì)算 55
4.9 導(dǎo)向滑靴的受力分析 56
4.10 大功率采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的加工 59
4.11 可調(diào)行走箱的概述 61
5 采煤機(jī)的維護(hù) 62
總 結(jié) 64
參考文獻(xiàn) 65
翻譯部分 67
英文原文 67
中文譯文 76
致 謝 83
中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2009屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第86頁(yè)
1 緒論
1.1前言
在能源競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的當(dāng)今世界，被稱為工業(yè)的糧食的煤炭在石油能源日漸枯竭的現(xiàn)在愈加重要。我國(guó)是一個(gè)煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，煤炭作為一次性基礎(chǔ)能源目前在我國(guó)仍然占有60%以上的比例，是保證我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。
我國(guó)煤炭企業(yè)由勞動(dòng)密集型轉(zhuǎn)向資本及技術(shù)高密集型。在礦井開采方面采用以日產(chǎn)萬(wàn)噸的超大型綜合機(jī)械化采，煤工作面為核心的生產(chǎn)工藝。在實(shí)現(xiàn)煤炭生產(chǎn)工藝綜合機(jī)械化的基礎(chǔ)上，向遙控和自動(dòng)化發(fā)展，機(jī)器人與人工智能和專家系統(tǒng)相結(jié)合，為采煤自動(dòng)化開辟了新的途徑。隨著采煤機(jī)械化的發(fā)展，采煤機(jī)是現(xiàn)在最主要的采煤機(jī)械。20世紀(jì)70年代主要靠進(jìn)口采煤機(jī)來(lái)滿足我國(guó)生產(chǎn)的需要，到今天幾乎是我國(guó)采煤機(jī)占領(lǐng)我國(guó)的整個(gè)采煤機(jī)市場(chǎng)，依靠科技進(jìn)步，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)高效礦井綜合配套技術(shù)是我國(guó)煤炭科技的發(fā)展的主攻方向。
1.2 采煤機(jī)概述
1.2.1采煤機(jī)發(fā)展史
機(jī)械化采煤開始于上世紀(jì)40年代，是隨著采煤機(jī)械（采煤機(jī)和刨煤機(jī)）的出現(xiàn)而開始的。40年代初期，英國(guó)、蘇聯(lián)相繼生產(chǎn)了采煤機(jī)，聯(lián)邦德國(guó)生產(chǎn)了刨煤機(jī)，使工作面落煤，裝煤實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。但是當(dāng)時(shí)的采煤機(jī)都是鏈?zhǔn)焦ぷ鳈C(jī)構(gòu)，能耗大、效率低，加上工作面輸送機(jī)不能自移，所以生產(chǎn)率受到一定的限制。
50年代初期，英國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)相繼生產(chǎn)力滾筒采煤機(jī)、可彎曲刮板輸送機(jī)和單體液壓支柱，大大推進(jìn)了采煤機(jī)械化的發(fā)展。由于當(dāng)時(shí)采煤機(jī)上的滾筒式死滾筒，不能實(shí)現(xiàn)跳高，因而限制了采煤機(jī)械的適用范圍，我們稱這種固定滾筒的采煤機(jī)為第一代采煤機(jī)。這樣，50年代各國(guó)的采煤機(jī)械化的主流還只是處于普通機(jī)械化水平。雖然載1954年英國(guó)已經(jīng)研制出了液壓自移式支架，但是由于采煤機(jī)和可彎曲刮板輸送機(jī)尚不完善，綜采技術(shù)僅僅處于開始試驗(yàn)階段。
60年代是世界綜采技術(shù)的發(fā)展時(shí)期。第二代采煤機(jī)——單搖臂滾筒采煤機(jī)的出現(xiàn)，解決了采高調(diào)整的問題，擴(kuò)大了采煤機(jī)的適用范圍；特別式1964年第三代采煤機(jī)——雙搖臂采煤機(jī)的出現(xiàn)，進(jìn)一步解決了工作面自開缺口問題；再加上液壓支架和可彎曲刮板輸送機(jī)的不斷完善，滑行刨的研制成功等，把綜采技術(shù)推向了一個(gè)新水平，并在生產(chǎn)中顯示了綜合機(jī)械化采煤的優(yōu)越性——高校、高產(chǎn) 、安全和經(jīng)濟(jì)，因此各國(guó)競(jìng)相采用綜采。
進(jìn)入70年代。綜采機(jī)械化得到了進(jìn)一步發(fā)掌和提高，綜采設(shè)備開始向大功率、高效率及完善性能和擴(kuò)大使用范圍等方向發(fā)掌，相繼出現(xiàn)了功率為750～1000KW，生產(chǎn)率大1500T/H的刮板輸送機(jī)，以及工作阻力大1500KN的強(qiáng)力液壓支架等。1970年采煤機(jī)無(wú)鏈牽引系統(tǒng)的研制成功以及1976年出現(xiàn)的第四代采煤機(jī)——電牽引采煤機(jī)，大大改善了采煤機(jī)的性能，并擴(kuò)大了它的使用范圍。
目前，各主要產(chǎn)煤國(guó)家已基本上實(shí)現(xiàn)力采煤機(jī)械化。衡量一個(gè)國(guó)家采煤機(jī)械化水平的指標(biāo)是采煤機(jī)械化程度和綜采機(jī)械化程度。
采煤機(jī)械化的發(fā)展方向是：不斷完善各類采煤設(shè)備，使之達(dá)到高效、高產(chǎn)、安全、經(jīng)濟(jì)；向遙控及自動(dòng)控制發(fā)展，以逐步過渡到無(wú)人工作面采煤；提高單機(jī)的可靠性，并使之系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化；研制后、薄及急傾斜等難采煤層的機(jī)械設(shè)備。
1.2.2 機(jī)械化采煤的主要方法
（1）壁式體系采煤法
一般以長(zhǎng)工作面采煤為其主要特征，產(chǎn)量約占我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦的95%以上。隨著煤層厚度及傾角的不同，開采技術(shù)和采煤方法會(huì)有所區(qū)別。對(duì)于薄及中厚煤層，一般都是按煤層全厚一次采出，即正層開采。對(duì)于厚煤層，可把它分為若干中等厚度（2~3）m進(jìn)行開采，即分層開采，也可采用放頂煤整層開采。無(wú)論整層開采或分層開采，依據(jù)不同傾角、按采煤工作面推進(jìn)方向，又可分為走向長(zhǎng)壁開采和傾斜長(zhǎng)壁開采兩種類型。上述每一類型的采煤方法在用于不同的礦山地質(zhì)條件及技術(shù)條件時(shí)，又有很多變化。
開采厚煤層及特厚煤層時(shí)，煤層厚度超過5m，采場(chǎng)空間支護(hù)技術(shù)和裝備目前尚無(wú)法合理解決。因此，為了克服整層開采的困難，可把厚煤層分為若干中等厚度的分層來(lái)開采。根據(jù)煤層賦存條件及開采技術(shù)不同一般分為如下幾種采煤法，分層采煤法又可分為傾斜分層、水平分層、斜切分層三種。
（2）房柱式采煤法
沿巷道每隔一定距離先采煤房直至邊界，再后退采出煤房之間煤柱的采煤方法。
優(yōu)點(diǎn)? 設(shè)備投資少，一套柱式機(jī)械化采煤設(shè)備的價(jià)格為長(zhǎng)壁綜采的四分之一，采掘可實(shí)現(xiàn)合一，建設(shè)期短，出煤快，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，搬遷快。巷道壓力小，便于維護(hù)，支護(hù)簡(jiǎn)單，可用錨桿支護(hù)頂板。
缺點(diǎn)? 采區(qū)采出率低，一般為50%~60%；通風(fēng)條件差、漏風(fēng)大。
使用條件：
開采深度較淺，一般不宜超過300~500m；頂板較穩(wěn)定的薄及中厚煤層；傾角在10以下，最好為近水平煤層，煤層賦存穩(wěn)定，起伏變化小，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單；底版較平整，不太軟，且頂板無(wú)漏水。
1.2.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀
（1）國(guó)內(nèi)采煤機(jī)研制現(xiàn)狀
2005年煤炭科學(xué)研究總院上海分院開發(fā)出總裝機(jī)功率達(dá)1815 kW的大功率采煤機(jī)。隨后,更大功率的電牽引采煤機(jī)MG900/2215-GWD也問世,該型采煤機(jī)的控制達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,是目前國(guó)內(nèi)功率最大的采煤機(jī)。目前,國(guó)內(nèi)使用的交流電牽引采煤機(jī)的電牽引調(diào)速系統(tǒng)主要有3種:即交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱SRD)、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速原理不盡相同,但基本上都可分為控制部分和牽引電機(jī)部分。在這3種交流電牽引調(diào)速系統(tǒng)中,交流變頻調(diào)速技術(shù)由于具有的諸多優(yōu)點(diǎn),在大功率采煤機(jī)的應(yīng)用已趨向成熟,并已成為目前采煤機(jī)調(diào)速方式的主流,其主要特點(diǎn)是:啟動(dòng)性能好,可直接實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng);交流變頻調(diào)速屬轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng),故效率高。SRD技術(shù)在采煤機(jī)上的應(yīng)用雖然起步不久,但具有發(fā)展?jié)摿?它有交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)刷無(wú)整流子的優(yōu)點(diǎn),也有直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速性能好,控制電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì),而且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小,這種調(diào)速方式一旦解決了噪聲問題和位置傳感器存在的不可靠性問題,將更適合在煤礦井下采掘機(jī)械中使用。
（2）國(guó)外采煤機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
近年來(lái),國(guó)外采煤機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1)牽引方式采用電牽引。國(guó)外目前新開發(fā)的采煤機(jī),特別是大功率采煤機(jī)基本上都是采用電牽引方式。
2)裝機(jī)總功率不斷增大。國(guó)外采煤機(jī)的功率在不斷提高,電機(jī)截割功率通常在400 kW以上,功率大的已達(dá)1000 kW;牽引電動(dòng)機(jī)功率均在40 kW以上,大的甚至達(dá)到125 kW;總裝機(jī)功率通常超過1000 kW,最高已達(dá)2000 kW以上;牽引速度、牽引力也大幅提高,目前大功率電牽引采煤機(jī)的牽引速度普遍達(dá)到15~25m/min,牽引力達(dá)到757kN以上。
3)交流變頻成為主流調(diào)速方式。由于交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、可靠性高,維護(hù)管理簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉等特點(diǎn),近幾年發(fā)展很快,交流牽引正逐步替代直流牽引,成為今后電牽引采煤機(jī)的發(fā)展方向。 (4)普遍采用中高壓供電。由于裝機(jī)功率大幅提高以及工作面的不斷加長(zhǎng),整個(gè)工作面供電容量超過5000 kW。
4)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的智能化。隨著先進(jìn)的PLC控制系統(tǒng)的應(yīng)用,新型的電牽引采煤機(jī)具有建立在微處理機(jī)基礎(chǔ)上的智能監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)交互式人機(jī)對(duì)話、遠(yuǎn)近控制、無(wú)線電隨機(jī)遙控、工況監(jiān)測(cè)及狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)及傳輸、故障診斷及預(yù)警、自動(dòng)控制等多種功能,以保證采煤機(jī)具有最低的維修量和最高的利用率。
（3）國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)工況檢測(cè)、故障診斷技術(shù)差距
1)國(guó)外微機(jī)控制,國(guó)內(nèi)微機(jī)控制或PLC控制,但信息量要少得多。
2)國(guó)外傳感器多,信息量大;國(guó)內(nèi)傳感器少,信息量小。
3)國(guó)外有數(shù)字和文字、圖形、曲線顯示,國(guó)內(nèi)只有數(shù)字和漢字。
4)國(guó)外具有強(qiáng)大服務(wù)功能、非常直觀的人機(jī)交互功能;國(guó)內(nèi)只有文字和簡(jiǎn)單圖形顯示界面。
1.2.4 國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)的應(yīng)用前景
目前,我國(guó)煤礦使用電牽引采煤機(jī)數(shù)量有增加的趨勢(shì),帶動(dòng)了煤機(jī)制造業(yè)的技術(shù)更新?lián)Q代,亦帶動(dòng)了煤礦設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步。但是,大量的電牽引采煤機(jī)取代液壓牽引采煤機(jī)在煤礦普及使用,近幾年內(nèi)可能性不大,因?yàn)槲覈?guó)煤礦綜采生產(chǎn)使用液壓牽引采煤機(jī)已有30年的歷史,現(xiàn)場(chǎng)培養(yǎng)鍛煉了一大批熟悉液壓傳動(dòng)技術(shù)的職工,有效地維護(hù)著設(shè)備的正常運(yùn)行。而電牽引采煤機(jī)則要求工程技術(shù)人員尤其是現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員要有扎實(shí)良好的電子技術(shù)知識(shí)。只有當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員掌握了電牽引的技術(shù)原理,才可能真正用好、管好這種新設(shè)備,才能得到廣泛的應(yīng)用。而且,國(guó)有煤礦目前經(jīng)營(yíng)狀況十分困難,生產(chǎn)更新資金極度短缺,在此環(huán)境條件下也不可能拿出大量資金進(jìn)行大規(guī)模設(shè)備更新?lián)Q代,于是就滯后了這類新型設(shè)備在煤礦的大量使用。此外,電牽引采煤機(jī)的價(jià)格偏高,同樣采高的電牽引采煤機(jī)是液壓牽引采煤機(jī)價(jià)格的1.73~2.62倍,煤礦用戶會(huì)用價(jià)值觀念來(lái)衡量,去購(gòu)買液壓牽引采煤機(jī),用以解決生產(chǎn)設(shè)備的不足。因此,采煤機(jī)生產(chǎn)廠家應(yīng)努力降低成本,降低電牽引采煤機(jī)的售價(jià)使其能在煤礦得到推廣應(yīng)用,促進(jìn)我國(guó)煤礦技術(shù)進(jìn)步。
就目前我國(guó)所生產(chǎn)的電牽引采煤機(jī)而言,除應(yīng)繼續(xù)提高機(jī)械傳動(dòng)部件、結(jié)構(gòu)件等機(jī)械類產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量外,有條件的機(jī)型應(yīng)采用機(jī)載變頻電控裝置的形式,以減少電纜的數(shù)量,減少事故點(diǎn)。電牽引采煤機(jī)的應(yīng)用使工作面生產(chǎn)能力提高,工作面的其它配套運(yùn)輸設(shè)備、支護(hù)設(shè)備、供電設(shè)備,要形成一個(gè)合理的配套系統(tǒng),保證采煤機(jī)發(fā)揮生產(chǎn)能力,使煤礦獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
1.3 采煤機(jī)簡(jiǎn)述
1.3.1采煤機(jī)的分類和組成
采煤機(jī)有不同的分類方法，一般我們按照工作機(jī)構(gòu)的形式進(jìn)行分類，可分為：滾筒式、鉆削式和鏈?zhǔn)讲擅簷C(jī)；現(xiàn)在我們所說的采煤機(jī)主要是指滾筒采煤機(jī)，這種采煤機(jī)適用范圍廣，可靠性高，效率高，所以現(xiàn)在使用很廣泛。
滾筒采煤機(jī)的組成如圖1-1 所示。一般都由下列部分組成：
（1）截割部
截割部包括搖臂齒輪箱（對(duì)整體調(diào)高采煤機(jī)來(lái)說，搖臂齒輪箱和機(jī)頭齒輪箱為一整體）、機(jī)頭齒輪箱、滾筒及附件。截割部的主要作用是落煤、碎煤和裝煤。
（2）牽引部
牽引部由牽引傳動(dòng)裝置和牽引機(jī)構(gòu)組成。牽引機(jī)構(gòu)是移動(dòng)采煤機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又可分為鏈牽引和無(wú)鏈牽引兩類。牽引部的主要作用是控制，使其按要求沿工作面運(yùn)行，并對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)。
（3）電氣系統(tǒng)
電氣系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)及其箱體和裝有各種電氣元件的中間箱（連接箱）。該系統(tǒng)的主要作用是為采煤機(jī)提供動(dòng)力，并對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)及控制其動(dòng)作。
（4）輔助裝置
輔助裝置包括擋煤板、低托架、電纜拖拽裝置、供水噴霧冷卻裝置以及調(diào)高、調(diào)斜等裝置。該裝置的主要作用是同各主要部件一起構(gòu)成完整的采煤機(jī)功能體系，以滿足高效、安全采煤的要求。
此外，為了實(shí)現(xiàn)滾筒升降，機(jī)身調(diào)斜以及翻轉(zhuǎn)擋煤板，采煤機(jī)上還裝有輔助液壓裝置。
現(xiàn)代采煤機(jī)基本上都使用模塊化設(shè)計(jì)，采用多電機(jī)橫向布置，結(jié)構(gòu)取消了螺旋傘齒輪，各主要部件通過高強(qiáng)度液壓螺栓聯(lián)接，之間沒有動(dòng)力傳遞，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)效率高，傳動(dòng)可靠，維修和檢查方便；采煤機(jī)的牽引部分也采用了無(wú)鏈牽引，牽引嚙合效率高，不會(huì)出現(xiàn)斷鏈?zhǔn)鹿使ぷ鞲踩?
1.3.2 滾筒采煤機(jī)的特點(diǎn)
（1）使用范圍廣
滾筒采煤機(jī)對(duì)煤層地質(zhì)條件的要求較低，對(duì)于地板起伏不平、層厚變化大、煤粘頂、有落差不大的斷層以及不同性質(zhì)的頂板等煤層條件，采煤機(jī)都能適應(yīng)；
（2）調(diào)高方便，免開缺口；
（3）功率大、生產(chǎn)率高、工作可靠；
（4）操作方便并有完善的保護(hù)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；
（5）向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化發(fā)展。
但是采煤機(jī)也有其缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴；割落的煤塊度小，塵含量多，因而破碎單位體積煤的能量消耗大。
1.3.3 滾筒采煤機(jī)的工作原理
第四代采煤機(jī)研發(fā)成功后，現(xiàn)在采煤機(jī)的設(shè)計(jì)基本上傳承了他們的特點(diǎn)，隨著機(jī)械電子的飛速發(fā)展，對(duì)采煤機(jī)產(chǎn)生了很大的影響，現(xiàn)在采煤機(jī)是集電子系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)于一身的復(fù)雜的系統(tǒng)。在機(jī)械傳動(dòng)部分現(xiàn)代的采煤機(jī)去掉了以前采煤機(jī)的的托架，全部采用雙滾筒設(shè)計(jì)。
雙滾筒采煤機(jī)工作時(shí)，前滾筒割頂煤，后滾筒割底部煤，并清理浮煤。（雙滾筒采煤機(jī)的工作原理如圖1-2所示）因此雙滾筒采煤機(jī)沿工作面牽引一次，可以進(jìn)一次刀；返回時(shí)，又可以進(jìn)一刀，即采煤機(jī)往返一次進(jìn)兩次刀，這種采法稱雙向采煤法。
必須指出的是，為了使?jié)L筒落下的煤能裝入刮板輸送機(jī)，滾筒上的螺旋葉片螺旋方向必須與滾筒旋轉(zhuǎn)方向相適應(yīng)：對(duì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（人站在采空側(cè)看）的滾筒，螺旋葉片方向必須右旋；逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的滾筒，其螺旋葉片方向必須左旋?；蛘咝蜗蟮臍w結(jié)為“左轉(zhuǎn)左旋；右轉(zhuǎn)右旋”，即人站在采空區(qū)從上面看滾筒，截齒向左的用左旋滾筒，向右的用右旋滾筒。
圖1-2 雙滾筒采煤機(jī)的工作原理
雙滾筒采煤機(jī)有自開缺口的能力，當(dāng)采煤機(jī)割完一刀后，需要重新將滾筒切入一個(gè)截深，這一過程稱為進(jìn)刀。常用的進(jìn)刀方式有兩種：
1．端部斜切法 利用采煤機(jī)在工作面兩端約25～30m的范圍內(nèi)斜切進(jìn)刀稱端部斜切進(jìn)刀法；
2．中部斜切法（半工作面法） 利用采煤機(jī)在工作面中部斜切進(jìn)刀稱為中部斜切法。
2 選題背景
2.1 采煤機(jī)行走部的發(fā)展
自從第一臺(tái)采煤機(jī)誕生到現(xiàn)代大功率交流電牽引采煤機(jī)，采煤機(jī)隨時(shí)代的發(fā)展逐步地走向完善、成熟、自動(dòng)化。作為采煤機(jī)重要組成部分的行走部也發(fā)生了巨大的變化。
我國(guó)于1954年在原蘇聯(lián)的大力援助下制造出中國(guó)第一臺(tái)仿“頓巴斯”深截式采煤機(jī)，即頓巴斯-Ⅰ型采煤康拜因，其行走部的行走機(jī)構(gòu)采用卷繩筒和鋼絲繩牽引行走；上世紀(jì)60年代初，在引進(jìn)波蘭采煤機(jī)后，經(jīng)過技術(shù)消化，開始研制生產(chǎn)MLQ系列的淺截式單滾筒采煤機(jī)，其行走部的行走機(jī)構(gòu)改為摩擦繩輪和懸掛在工作面全長(zhǎng)上的鋼絲繩牽引行走（后又改進(jìn)為鏈輪和牽引鏈的牽引行走）；上世紀(jì)60年代末70年代初我國(guó)開始研制雙滾筒采煤機(jī)，其行走機(jī)構(gòu)仍采用鏈輪和牽引鏈牽引行走，但鏈輪由平置改為立置。以上行走機(jī)構(gòu)主要存在如下的問題：
（1）鋼絲繩或牽引鏈在牽引力的作用下都蓄積了極大的能量，一旦發(fā)生斷裂，對(duì)工作人員和設(shè)備的安全都會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的威脅；（2）鋼絲繩或牽引鏈又長(zhǎng)又笨，磨損嚴(yán)重、且會(huì)產(chǎn)生很大的噪音；（3）采用這種行走機(jī)構(gòu)的采煤機(jī)運(yùn)行很不平穩(wěn)、載荷脈動(dòng)大，從而加劇了截齒、滾筒和行走部元件的損壞。
上世紀(jì)80年代采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)發(fā)生了革命性的變化:由有鏈牽引到無(wú)鏈牽引（輪軌式行走機(jī)構(gòu)），即行走傳動(dòng)裝置采用行走輪——行走軌，其特點(diǎn)是行走平穩(wěn)，基本消除了鏈牽引行走的缺點(diǎn)。由煤炭科學(xué)研究總院上海分院與波蘭聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)交流電氣調(diào)速采煤機(jī)MG344－PWD型薄煤層強(qiáng)力爬底板采煤機(jī)于1992年通過部級(jí)鑒定，標(biāo)志著我國(guó)電氣調(diào)速采煤機(jī)研發(fā)的開始，該機(jī)行走部行走機(jī)構(gòu)為擺線輪——銷軌嚙合式。采煤機(jī)行走部無(wú)鏈牽引機(jī)構(gòu)主要分為以下三類:
（1）驅(qū)動(dòng)輪—齒條系統(tǒng)
利用行走部上的驅(qū)動(dòng)輪或經(jīng)齒軌輪與刮板輸送機(jī)上齒條相嚙合而移動(dòng)采煤機(jī),這種無(wú)鏈牽引機(jī)構(gòu)強(qiáng)度高、傳動(dòng)力大、可獲得大的牽引力,齒條或齒軌的撓曲性好,可以適應(yīng)刮板輸送機(jī)的彎曲和起伏,是目前采煤機(jī)用得最多的無(wú)鏈牽引機(jī)構(gòu),其典型結(jié)構(gòu)有齒輪—銷排式、滾輪—齒條式、齒輪—鏈條式。
（2）傳動(dòng)鏈—齒鏈系統(tǒng)
利用牽引部出軸驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)封閉的無(wú)極傳動(dòng)鏈與刮板輸送機(jī)上的齒軌嚙合而移動(dòng)采煤機(jī),但傳動(dòng)鏈強(qiáng)度低、移動(dòng)速度不均勻,磨損大,效率低。
（3）液壓缸推進(jìn)系統(tǒng)
利用兩個(gè)液壓缸交替推移前進(jìn)而使機(jī)器移動(dòng)。工作時(shí),一個(gè)液壓缸的卡爪夾緊導(dǎo)軌,該缸進(jìn)油使活塞桿伸出推動(dòng)采煤機(jī)前移,另一卡爪松開,活塞桿收回,準(zhǔn)備下次推移。這種系統(tǒng)可使行走部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化,但由于斷續(xù)運(yùn)動(dòng),卡爪和導(dǎo)軌磨損大。
經(jīng)過多年的實(shí)際使用考核，銷輪——齒軌式已被淘汰，齒軌——銷軌式被大量推廣使用，且多次改進(jìn)，銷軌的銷齒形狀已經(jīng)由圓銷形改進(jìn)為多段曲線形成的齒形。至今為止，采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)基本定型為齒軌——銷軌式無(wú)鏈牽引。即使現(xiàn)代的大功率采煤機(jī),仍然沿用這種牽引行走方式。
2.2 現(xiàn)代采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介
采煤機(jī)行走部的作用是使采煤機(jī)沿工作面刮板輸送機(jī)的中部槽導(dǎo)向行走，包括行走調(diào)速裝置、行走傳動(dòng)裝置和行走機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)是采煤機(jī)行走部的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其一旦出現(xiàn)問題將導(dǎo)致整個(gè)采煤機(jī)停止運(yùn)行，嚴(yán)重影響采煤機(jī)的正常運(yùn)行，所以研究行走機(jī)構(gòu)可靠性對(duì)提高采煤機(jī)整機(jī)工作可靠性是十分必要的。
現(xiàn)代采煤機(jī)的行走機(jī)構(gòu)的工作原理如下：行走傳動(dòng)箱一側(cè)出軸的主動(dòng)齒輪與行走輪同軸的從動(dòng)齒輪（或主動(dòng)齒輪直接與行走輪嚙合）相嚙合，行走輪與鋪設(shè)在工作面刮板輸送機(jī)中部槽上的銷軌相嚙合，將行走輪的圓周運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)行走。導(dǎo)向滑靴與行走輪被鉸接在同一軸上，主要使行走輪與銷齒保證正常嚙合并導(dǎo)向。采煤機(jī)運(yùn)行過程中行走輪主要承受牽引力，導(dǎo)向滑靴在銷排上支撐采煤機(jī)的部分重力并起到導(dǎo)向作用，同時(shí)還承受部分采煤的載荷。
采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)的核心部件為行走輪和銷排銷軌。目前采煤機(jī)常用的行走輪主要有兩種：漸開線輪和擺線輪。與其配套的銷軌從節(jié)距方面講有兩種：小節(jié)距銷排(節(jié)距為125mm或125.5mm或126mm)和大節(jié)距銷排(節(jié)距為147mm)；銷排銷齒形狀主要有三種：Ⅰ型銷齒（如圖2-1）、Ⅱ型銷齒（如圖2-2）和Ⅲ型銷齒（如圖2-3）。目前小節(jié)距銷排絕大部分只使用Ⅰ型銷齒和Ⅱ型銷齒，大節(jié)距銷排只使用Ⅲ型銷齒。
2.3 目前采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的一些問題
滾筒式采煤機(jī)是目前煤礦采煤工作面的主力開采設(shè)備。隨著煤礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，滾筒式采煤機(jī)的性能參數(shù)在不斷提高，其總裝機(jī)功率已達(dá)到2000kW以上，單行走功率達(dá)到110kW，牽引力達(dá)到1000kN。采煤機(jī)采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)，截割電機(jī)橫向布置在搖臂上，搖臂與機(jī)身通過銷軸餃接，沒有動(dòng)力傳遞，全部采用正齒輪傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化；采用分體式直搖臂結(jié)構(gòu)，左右搖臂除過渡架不能通用外，其余部分可以互換；主機(jī)身分三段，取消底托架結(jié)構(gòu)，采用圓柱定位銷與高強(qiáng)度液壓螺栓連接，簡(jiǎn)單可靠，連接方便；采用交流變頻調(diào)速技術(shù)，實(shí)現(xiàn)牽引速度無(wú)極變速，電牽引傳動(dòng)效率高、牽引力大；采用大節(jié)距、承載能力大的無(wú)鏈牽引結(jié)構(gòu)，安全可靠；控制齊全，既可手動(dòng)操作、亦可離機(jī)無(wú)線電遙控，并設(shè)有主電機(jī)和牽引電機(jī)的功率、過熱、過電流保護(hù)，油壓保護(hù)和水壓保護(hù)等多種保護(hù)功能；主電機(jī)、牽引電機(jī)、泵電機(jī)均可在采空側(cè)拆裝，維修方便；采用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)式采煤機(jī)工況檢測(cè)和故障診斷的專用數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)；設(shè)有內(nèi)、外噴霧裝置，冷卻、降塵效果好。
可以說到目前為止,作為采煤重點(diǎn)設(shè)備之一的采煤機(jī)已發(fā)展到了比較智能化、比較令人滿意的程度。但是由于煤礦生產(chǎn)條件惡劣、多變導(dǎo)致采煤機(jī)在實(shí)際使用中還是出現(xiàn)了各種非正常破壞、失效等問題。其行走機(jī)構(gòu)就曾出現(xiàn)：行走輪非正常斷齒、導(dǎo)向滑靴非正常損壞頻繁；行走輪和銷排銷齒的異常磨損；還有左、右牽引不平衡等等。所以這方面還有大量的工作要做，還需要提高。下面圖2-4為行走輪斷齒情況；圖2-5為導(dǎo)向滑靴撕裂情況；圖2-6為行走輪的磨損情況。
圖2-4 行走輪斷齒 圖2-5 導(dǎo)向滑靴撕裂 圖2-6 行走輪磨損
2.4 采煤機(jī)設(shè)計(jì)的目的意義
雖然我國(guó)采煤機(jī)在近幾十年來(lái)有了很大進(jìn)步，但國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)代表機(jī)型與目前國(guó)外最先進(jìn)的電牽引采煤機(jī)相比,在總體參數(shù)性能方面已接近國(guó)外20世紀(jì)90年代中后期水平。但在一些關(guān)鍵部件以及總體性能、功能、適應(yīng)范圍還有待進(jìn)一步完善和提高。尤其是電牽引采煤機(jī)的工況在線監(jiān)測(cè)、故障診斷及預(yù)報(bào)、信號(hào)傳輸與采煤機(jī)自動(dòng)控制、傳感器件等智能化技術(shù)與國(guó)外相比還有一定的差距。
在我國(guó)一些薄、厚煤層并存的煤礦,由于薄煤層開采速度緩慢,使其下部的中厚煤層長(zhǎng)期得不到及時(shí)開采,以至影響工作面的正常接替,而有的就只能被迫丟失一些薄煤層資源。隨著大批煤礦中、厚煤層的資源開采,使得資源越來(lái)越少,所以薄煤層的開采已列入日程。因此,研制適合我國(guó)國(guó)情的薄煤層采煤機(jī),以適應(yīng)不同的煤層結(jié)構(gòu),提高薄煤層采煤的工作效率是當(dāng)務(wù)之急。
在能源競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，廣泛節(jié)約能源和高效的開采能源已經(jīng)十分必要，不斷提高我國(guó)采煤機(jī)的性能超過國(guó)外的先進(jìn)水平和達(dá)到更高效的采掘作業(yè)。今后國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)的主要發(fā)展方向應(yīng)包括以下幾個(gè)方面:
(1)進(jìn)一步完善和提高交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)的可靠性,重點(diǎn)完善和提高系統(tǒng)裝置的抗振、散熱和防潮等性能,研究可靠的微機(jī)電氣控制系統(tǒng),重點(diǎn)提高采煤機(jī)電控系統(tǒng)的抗干擾、抗熱效應(yīng)的能力。
(2)開發(fā)或增強(qiáng)電控系統(tǒng)的監(jiān)控功能,重點(diǎn)研究故障診斷與專家系統(tǒng)、工況監(jiān)測(cè)、顯示與信息傳輸系統(tǒng)、工作面采煤機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)、自適應(yīng)變頻電路的漏電檢測(cè)與保護(hù)技術(shù)、搖臂自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)等。
(3)以開發(fā)裝機(jī)功率更大的采煤機(jī)為主,完善中、小功率的電牽引采煤機(jī),以滿足不同用戶的需求。
(4)向電器設(shè)備結(jié)構(gòu)的小型化發(fā)展,由于功率的增大,電動(dòng)機(jī)、變壓器、變頻器等設(shè)備的體積也相應(yīng)增大,為滿足整機(jī)結(jié)構(gòu)布置緊湊的要求,進(jìn)一步提高采煤機(jī)對(duì)煤層變化的適用性,必須研究電器設(shè)備小型化的技術(shù)途徑。
2.5 完成課題的條件和可行性分析
2×132/630-WD采煤機(jī)可調(diào)行走箱設(shè)計(jì)是采煤機(jī)總體構(gòu)成的一部分，和整機(jī)的設(shè)計(jì)比較起來(lái)難度相對(duì)降低。周圍環(huán)境對(duì)完成課題也相當(dāng)有利，有許多煤礦可以現(xiàn)場(chǎng)參觀，可以到附近的機(jī)械廠進(jìn)行加工，一些相關(guān)的基礎(chǔ)課程已經(jīng)學(xué)習(xí)過，還有老師的指導(dǎo)，特別是在山東的一些機(jī)械廠和煤礦的實(shí)習(xí)期間，參觀學(xué)習(xí)的其他一些型號(hào)的采煤機(jī)，和他們的工作環(huán)境，對(duì)所設(shè)計(jì)課題有了基本了解，以上條件滿足課題的完成。
3 2*132/630-WD型采煤機(jī)
3.1 組成
MG2x132/630-WD型電牽引采煤機(jī); 按用途，采煤機(jī)可分為牽引機(jī)構(gòu)、截割機(jī)構(gòu)、電氣控制設(shè)備、液壓調(diào)高系統(tǒng)，噴霧冷卻系統(tǒng)等所組成。
按結(jié)構(gòu)，它由左、右牽引部，左、右截割部和滾筒，電控部所組成。本采煤機(jī)共用了7臺(tái)電動(dòng)機(jī)：4臺(tái)截割電動(dòng)機(jī)、2臺(tái)牽引電動(dòng)機(jī)、1臺(tái)調(diào)高電動(dòng)機(jī)。
3.2 工作原理
采煤機(jī)整體由煤壁側(cè)的兩組支承組件和操作側(cè)的兩只導(dǎo)向滑靴分別支承在工作面輸送機(jī)上。牽引箱中的行走輪與輸送機(jī)齒軌相嚙合，當(dāng)行走輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，采煤機(jī)便在工作面輸送機(jī)上牽引行走，同時(shí)截割電機(jī)通過截割機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，完成落煤及裝煤作業(yè)。
3.3 主要技術(shù)參數(shù)
表3.1 MG2x132/630-WD型采煤機(jī)主要技術(shù)特征
項(xiàng) 目
內(nèi) 容
項(xiàng) 目
內(nèi) 容
采高范圍 m
1.2～2
煤層傾角
≤30°
裝機(jī)功率 kW
630
截割功率 kW
4x132
牽引功率 kW
2x40
泵站功率 kW
20
機(jī)面高度 mm
≤860
過煤高度mm
289
下切深度 mm
184;234;309
滾筒直徑m
Φ1.15
滾筒轉(zhuǎn)速 r/min
60
滾筒截深mm
800
搖臂擺動(dòng)中心mm
5600
搖臂型式
整體彎搖臂
搖臂長(zhǎng)度 mm
2111
牽引力 kN
450
牽引速度 m/min
0～9
調(diào)速方式
機(jī)載交流變頻
牽引型式
齒輪 銷排
整機(jī)布置式
積木式組合
供電電壓 V
1140
整機(jī)重量 t
28
配套輸送機(jī)
SGZ764/400;SGZ730/400
3.3.1 適應(yīng)的煤層
采高范圍 ( m ) 1.2～2
適應(yīng)傾角 ( ° ) ≤30
煤質(zhì)硬度 f≤ 4
3.3.2 總體要求
裝機(jī)功率（kW） 630
機(jī)面高度(m) ≤0.86
搖臂回轉(zhuǎn)中心距 (m) 5.6
搖臂回轉(zhuǎn)中心距底板高度 (m) 0.764
滾筒水平中心距 (m) 9.826
過煤高度 (m) 0.289
臥底量 (m) 0.176
搖臂擺角 ( ° ) 上31.72；下10.19
整機(jī)重量 ( t ) 28
3.4 該型號(hào)采煤機(jī)主要特點(diǎn)
（1）為使該采煤機(jī)與煤礦常用運(yùn)輸機(jī)相配套，同時(shí)最大限度降低機(jī)面高度，本采煤機(jī)與運(yùn)輸機(jī)配套采用了交錯(cuò)布置形式，既運(yùn)輸機(jī)銷軌占用采煤機(jī)機(jī)身部分空間，調(diào)高油缸位置進(jìn)入運(yùn)輸機(jī)外槽幫以下。
（2）機(jī)身為無(wú)底托架積木式組合結(jié)構(gòu)。各部件之間為干式對(duì)接，三大部件之間使用高強(qiáng)度 T形螺栓及定位銷連接，使之成為一個(gè)整體。
（3）本采煤機(jī)為壓縮機(jī)身體積，采用了1140V直接供電的機(jī)載交流變頻調(diào)速技術(shù)，通過改變牽引電機(jī)的供電頻率，實(shí)現(xiàn)（一拖二）牽引無(wú)級(jí)調(diào)速，且有四象限運(yùn)行功能。
（4）采煤機(jī)左、右截割部可單獨(dú)分別啟動(dòng)，便于故障處理，同時(shí)減小因啟動(dòng)采煤機(jī)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。
（5）為解決機(jī)身薄與裝機(jī)功率大的矛盾，截割部采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)鏈高速端設(shè)有扭矩軸過載保護(hù)裝置；在低速端采用四行星雙浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，牽引部的機(jī)械傳動(dòng)采用雙行星雙浮動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，用過軸連接牽引驅(qū)動(dòng)輪，且牽引驅(qū)動(dòng)輪直接與運(yùn)輸機(jī)銷軌嚙合傳動(dòng)，不但增大了過煤空間，還省去了行走部，使機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，同時(shí)縮小了牽引部體積。采煤機(jī)機(jī)身高度將隨運(yùn)輸機(jī)銷軌高度變化而變化，并且能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)正機(jī)高。
（6）采煤機(jī)的操作采用手動(dòng)和遙控兩種方式，可同時(shí)并用，互不干擾。
（7）采煤機(jī)操作面板上設(shè)有彩色顯示屏，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)工況，并有故障記憶功能，還設(shè)置了操作檢修指南、故障分析參考、主要傳動(dòng)件查詢等顯示界面。
3.5 使用環(huán)境條件
（1）可在周圍空氣中的甲烷、煤塵、硫化氫、二氧化碳等不超過《煤礦安全規(guī)程》中所規(guī)定的安全含量的礦井中使用。
（2）海拔高度小于2000m。
（3）周圍介質(zhì)溫度不超過、不低于。
（4）環(huán)境溫度為時(shí)，周圍空氣相對(duì)濕度不大于。
（5）周圍介質(zhì)無(wú)足以腐蝕和破壞絕緣的氣體和導(dǎo)電塵埃。
4采煤機(jī)行走箱設(shè)計(jì)
4.1 基本參數(shù)計(jì)算
4.1.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
牽引部的行走速度為0-9m/min，牽引力為450kN。
由公式：
可得牽引部輸出最大功率為：
牽引功率為
選取電機(jī)的型號(hào)為YBQYS3-40，其參數(shù)如下：
額定功率：40 kW
額定電壓：1140 V
額定電流：76 A
額定轉(zhuǎn)速：1478 r/min
4.1.2 傳動(dòng)效率計(jì)算
1.各傳動(dòng)件的效率為：
1）滾動(dòng)軸承效率 =0.98；
2）圓柱齒輪傳動(dòng)效率 =0.98；
2.總傳動(dòng)效率為：
牽引部輸出功率為
輸出軸轉(zhuǎn)速為 n=10 r/min
4.1.3 傳動(dòng)比及配齒情況
電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為KCB2-40，額定電壓為380V，轉(zhuǎn)速為1472 r/min。
該系列隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)適用于煤礦井下，供采煤機(jī)組作牽引動(dòng)
力。防爆性能符合GB3836《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備》的規(guī)定，防爆標(biāo)志為ExdⅠ。
根據(jù)該型號(hào)采煤機(jī)的大小和總體結(jié)構(gòu)，使用擺線行走輪和I型銷齒（如圖4-1，）的嚙合,擺線輪齒數(shù)根據(jù)采煤機(jī)的具體結(jié)構(gòu)情況常取9-18齒，選取采煤機(jī)的行走輪輪齒數(shù)為
選取銷排節(jié)距
則模數(shù)
行走輪節(jié)圓直徑：
行走輪齒頂圓直徑：
圖 4-1 銷齒
取。
齒根圓直徑：
行走輪的轉(zhuǎn)速為：
==8 r/min
總傳動(dòng)比為：
==1.25
4.1.4 牽引部各軸轉(zhuǎn)速、功率及扭矩
花鍵連接機(jī)械損失可忽略不計(jì)。
對(duì)于I軸：
對(duì)于II軸：
4.2 行走箱傳動(dòng)齒輪嚙合參數(shù)及校核計(jì)算
設(shè)計(jì)項(xiàng)目及說明
結(jié)果
（1） 選擇齒輪材料，確定許用應(yīng)力
查相關(guān)手冊(cè)，選
小齒輪18Cr2Ni4WA滲碳淬火
大齒輪18Cr2Ni4WA 滲碳淬火
許用接觸應(yīng)力，查相關(guān)公式為
接觸疲勞極限為：
齒輪壽命
接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)，
應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 由公式
查相關(guān)圖表，得和
接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)
則
許用彎曲應(yīng)力 由《齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表2-56
彎曲疲勞極限 查圖 雙向傳動(dòng)乘0.7
應(yīng)力修正系數(shù)
彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)
相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)
相對(duì)齒根圓角表面狀況系數(shù)
彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù)
彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)
（2） 齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算
確定齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)，按公式
估取圓周速度
，參照相關(guān)圖表，選取
小輪分度圓直徑，由公式
N/mm2
N/mm2
h
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2
N/mm2
Ⅱ公差組8級(jí)
齒寬系數(shù) 查表，按齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)
稱布置
小齒輪（變位齒輪）齒數(shù)
大齒輪（變位齒輪）齒數(shù)
齒數(shù)比
傳動(dòng)比誤差
最小變位系數(shù)，
則變?yōu)橄禂?shù)，
小輪轉(zhuǎn)矩
載荷系數(shù)
——使用系數(shù)
——?jiǎng)虞d系數(shù) 推薦值1.05~1.4
——齒間載荷分布系數(shù) 推薦值1.0～1.2
——齒向載荷分布系數(shù)
由推薦值1.0～1.2
載荷系數(shù)
合適
Nmm
材料彈性系數(shù) 查表
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 查圖表
重合度系數(shù) 推薦值0.85～0.92
故 ×
齒輪模數(shù)
圓整
小輪分度圓直徑
圓周速度
標(biāo)準(zhǔn)中心距
齒寬
mm
大輪齒寬
小輪齒寬
（3）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
由公式
齒形系數(shù) 查表 小輪
mm
mm
mm
m/s
與估取相近
mm
mm
mm
大輪
應(yīng)力修正系數(shù) 查表 小輪
大輪
重合度
重合度系數(shù)
故
（4）齒輪安全系數(shù)
（5）齒輪其它主要尺寸計(jì)算
大輪分度圓直徑
根圓直徑
頂圓直徑
基圓直徑
（6）齒輪膠合承載能力計(jì)算
1)膠合承載能力計(jì)算的安全系數(shù)
最小安全系數(shù)群中等膠合危險(xiǎn)
2）實(shí)驗(yàn)齒輪的本體溫度和積分平均溫升
式中：——FZG膠合載荷級(jí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)齒輪的小齒輪轉(zhuǎn)矩，
——潤(rùn)滑油在40度時(shí)的名義運(yùn)動(dòng)粘度，
——潤(rùn)滑劑系數(shù)
所以
N/mm2
N/mm2
齒根彎曲強(qiáng)度滿足
滿足
mm
mm
mm
mm
mm
=238.464
=100
=1.0
3)嚙入系數(shù)
嚙入系數(shù)是考慮滑動(dòng)速度較大的從動(dòng)齒輪齒頂嚙入沖擊載荷的影響的系數(shù)，可用嚙入重合度與嚙合重合度之比的函數(shù)來(lái)表示。
驅(qū)動(dòng)方式為小齒輪驅(qū)動(dòng)大齒輪
則，
由《齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表2-108取得
4)齒頂修正系數(shù)
是一個(gè)相對(duì)的齒頂修緣系數(shù)，它取決于相對(duì)于因彈性變形引起的有效齒頂修緣量的齒頂實(shí)際修緣量。
值可根據(jù)齒頂重合度和中的最大值和計(jì)算用齒頂修緣量查取。
對(duì)與低精度齒輪，規(guī)定等于1.
5）重合度系數(shù)
重合度系數(shù)是將假定載荷全部作用于小齒輪齒頂時(shí)的局部瞬時(shí)溫升折算成沿嚙合線的積分平均溫升的系數(shù)。
由于 ，，
6）相對(duì)焊合系數(shù)
相對(duì)焊合系數(shù)是考慮熱處理或表面處理對(duì)膠合積分溫度影響的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性系數(shù)。它是一個(gè)相對(duì)值，由不同材料及表面處理的實(shí)驗(yàn)齒輪與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)齒輪進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)得出，其值可由下式計(jì)算，即
式中
由《齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表2-111取得
7）壓力角系數(shù)
壓力角系數(shù)是用以考慮將分度圓上的載荷與切線速度轉(zhuǎn)換到節(jié)圓上系數(shù)。
對(duì)于法向壓力角為20度的齒輪，作為近似考慮，其壓力角系數(shù)可近似取為
8）熱閃系數(shù)
熱閃系數(shù)是考慮材料特性和兩輪在嚙合點(diǎn)處沿齒廓切線方向速度的影響的系數(shù)，反映小輪和大輪的材料特性對(duì)閃溫的影響。
=
式中：、——小輪、大輪材料的泊松比；
、——小輪、大輪材料的彈性模量；
——嚙合線上的參數(shù)；
、——小輪、大輪材料的熱嚙系數(shù)；
——任意角。
當(dāng)大、小齒輪的彈性模量、泊松比、熱接觸系數(shù)相同時(shí)，可用以下簡(jiǎn)化公式計(jì)算，即
其中熱嚙系數(shù)
對(duì)于表面硬化鋼，熱導(dǎo)率,單位的比熱容,彈性模量及泊松比，其熱閃系數(shù)可取為
9）跑合系數(shù)
式中，，充分跑合；，新加工的。
10）平均摩擦系數(shù)
式中： ——節(jié)點(diǎn)線速度的和；
——端面嚙合角；
——油溫下的動(dòng)力黏度；
——節(jié)點(diǎn)處曲率半徑，
——齒數(shù)比；
——壓力角；
——基圓螺旋角；
——單位齒輪載荷，
——使用系數(shù)；
——?jiǎng)虞d系數(shù)；
——膠合承載能力計(jì)算的齒向載荷系數(shù)，；
——膠合承載能力計(jì)算的齒間載荷系數(shù)，；
——分度圓上名義切向載荷；
——齒寬，取小輪或大輪的較小值；
——粗糙度系數(shù)，
——算術(shù)平均粗糙度；
、——小輪與大輪在加工過的新齒面上測(cè)量的齒面粗糙度值；
——潤(rùn)滑劑系數(shù)。
由以上各式得
11）小輪齒頂?shù)拈W溫
式中 ——平均摩擦因數(shù)；
——熱閃系數(shù)；
——小齒齒頂系數(shù)；
——壓力角系數(shù)；
——膠合承載能力計(jì)算的螺旋線系數(shù)；
——單位齒寬載荷；
——分度圓線速度；
——中心距；
——跑合系數(shù)；
——嚙入系數(shù)；
——齒頂修緣系數(shù)。
12）小輪齒頂幾何系數(shù)
式中 ——小齒輪頂圓直徑；
——小齒輪基圓直徑。
13）本體溫度
式中 ——工作溫度；
——加權(quán)系數(shù)，取
——嚙合系數(shù)；
——同時(shí)嚙合的齒輪的數(shù)量；
——潤(rùn)滑方式系數(shù)，用來(lái)考慮潤(rùn)滑方式對(duì)傳熱的影響，有實(shí)驗(yàn)得出：噴油潤(rùn)滑油浴潤(rùn)滑對(duì)于將齒輪
浸沒油中。
——積分平均溫升，是指齒面各嚙合點(diǎn)時(shí)溫升沿嚙合線的積分平均值，
——重合度系數(shù)
所以
14）積分溫度
15）膠合溫度
16)安全系數(shù)
取
滿足膠合承載能力要求
4.3 行走輪校核計(jì)算
4.3.1 擺線齒介紹
擺線齒輪的齒形是由外擺線和內(nèi)擺線組成的，齒頂部分為外擺線，齒根部分為內(nèi)擺線。外擺線是一滾動(dòng)圓沿固定圓的外圓周做純滾動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)圓上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，內(nèi)擺線是一滾動(dòng)圓沿固定圓的內(nèi)圓周做純滾動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)圓上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖4-2)。內(nèi)擺線可以是曲線，也可以是直線。當(dāng)滾動(dòng)圓直徑等于固定圓半徑時(shí)，內(nèi)擺線即成為一條徑向直線。在形成擺線過程中的滾動(dòng)圓稱為生成圓，固定圓稱為基圓?；鶊A既是擺線齒輪的分度圓，也是擺線齒輪的節(jié)圓。在擺線嚙合中，為了保證傳動(dòng)比恒定，一個(gè)齒輪的齒頂外擺線生成圓直徑必須等于另一個(gè)齒輪的齒根內(nèi)擺線生成圓直徑。但是，對(duì)單個(gè)齒輪來(lái)說，構(gòu)成其齒形的內(nèi)外擺線的生成圓直徑可以是任意的。
擺線齒輪傳動(dòng)具有如下特點(diǎn):
(1)能實(shí)現(xiàn)定傳動(dòng)比的傳動(dòng)。
(2)嚙合齒廓為內(nèi)外擺線凸凹接觸，故接觸面積大，接觸應(yīng)力小。
(3)齒面磨損小，磨損比較均勻。
(4)嚙合線為一弧線，故嚙合線長(zhǎng)，重合度大，傳動(dòng)平穩(wěn)。
(5)在節(jié)點(diǎn)處嚙合時(shí)，無(wú)徑向分壓力，故對(duì)軸承作用力小。
圖 4-2 擺線滾動(dòng)圓運(yùn)動(dòng)軌跡
(6)擺線齒輪的最少齒數(shù)小，可到6齒，可實(shí)現(xiàn)較大傳動(dòng)比。
(7)擺線齒輪傳動(dòng)無(wú)可分性，即中心距不能改變，否則，將導(dǎo)致兩個(gè)內(nèi)擺線或兩個(gè)外擺
線嚙合，結(jié)果會(huì)使傳動(dòng)比發(fā)生改變。
(8)擺線齒輪的齒根強(qiáng)度較弱。
(9)擺線齒輪的傳動(dòng)效率較高。
4.3.2 輪齒受力分析
圖4-3為直齒圓柱齒輪受力情況，轉(zhuǎn)矩T1由主動(dòng)齒輪傳給從動(dòng)齒輪。若忽略齒面間的摩擦力，輪齒間法向力Fn的方向始終沿嚙合線。
圖 4-3 輪齒受力分析圖
沿嚙合線作用在齒面上的法向載荷Fn垂直于齒面，為了計(jì)算方便，將法向載荷Fn在節(jié)點(diǎn)P處分解為兩個(gè)相互垂直的力，即一個(gè)行走輪的有效牽引力Ft和上抬力Fr，如上圖所示。并由此可得：
式中：T——行走電機(jī)最終傳到行走輪上的轉(zhuǎn)矩，N·m；
d——擺線行走輪的節(jié)圓直徑，m；
α——嚙合角（壓力角）。
4.3.3 行走輪和銷齒接觸應(yīng)力分析計(jì)算
接觸問題最先是由赫茲（Hertz）解決的，他得出了兩個(gè)接觸體之間由于法向力引起接觸表面的應(yīng)力和變形。常用的赫茲接觸應(yīng)力計(jì)算公式
式中，、——材料的彈性模量;
、——材料的泊松比；
L——接觸長(zhǎng)度；
、——曲率半徑；
由赫茲（Hertz）公式化簡(jiǎn)可得齒輪接觸應(yīng)力計(jì)算公式：
式中——沿齒寬單位長(zhǎng)度上的載荷，N/mm
——兩嚙合齒在嚙合點(diǎn)處的綜合曲率半徑，mm
——材料彈性影響系數(shù)
由式可知，輪齒接觸應(yīng)力的大小與接觸點(diǎn)處齒廓曲率半徑的大小有關(guān)，且與綜合曲率半徑成反比。
擺線齒輪節(jié)圓以內(nèi)為內(nèi)擺線，節(jié)圓以外為外擺線，曲率半徑分別為：
式中、——外、內(nèi)擺線的曲率半徑，mm
、——外內(nèi)擺線的發(fā)生圓半徑，mm
——擺線齒輪的分度圓半徑，mm
、——外、內(nèi)擺線的發(fā)生參數(shù)，rad
擺線齒嚙合時(shí)一齒之齒根內(nèi)擺線發(fā)生圓半徑必與另一外擺線發(fā)生圓半徑相等或反之。
由擺線齒輪齒廓曲線的生成可知，擺線發(fā)生參數(shù)在動(dòng)力傳動(dòng)用齒輪中不會(huì)大于，在整個(gè)嚙合區(qū)內(nèi)，以節(jié)點(diǎn)嚙合時(shí)的綜合曲率半徑為最小，按Hertz公式，其接觸應(yīng)力最大，按理論應(yīng)由其決定擺線齒輪的接觸強(qiáng)度，但由于節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑為零，已完全不符合Hertz公式的假設(shè)條件。綜合曲率半徑亦為零，Hertz公式不能給出確定的值。因此，擺線齒輪的接觸強(qiáng)度難以用Hertz公式求解。
4.3.4 有限元分析計(jì)算行走輪和銷齒接觸應(yīng)力
有限元法是解決非赫茲型接觸問題的有效手段。比較而言，有限元法消除了模型中的一些條件限制，如對(duì)接觸形狀和尺寸等無(wú)原則性的限制等。另外，有限元法已發(fā)展成為一種成熟的解決工程問題的數(shù)值方法。
Pro/E中的Mechanica分析模塊是Pro/E最主要的分析模塊之一，是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析與一體的有限元模塊，能夠模擬真實(shí)環(huán)境為模型施加約束及載荷，測(cè)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、翹曲、疲勞、頻率、振動(dòng)