橫軸式掘進機的截割機構(gòu)設(shè)計

PAGEPAGE89摘要本畢業(yè)設(shè)計的課題是考慮到煤炭是我國最主要的能源，提高煤炭產(chǎn)量有利于我國的經(jīng)濟發(fā)展。而掘進機主要由截割、行走、裝運、裝載四大機構(gòu)和液壓、水路、電氣三代系統(tǒng)組成。掘進機分為橫軸式和縱軸式兩種，本次設(shè)計的主要任務(wù)是研究橫軸式掘進機截割部對煤炭產(chǎn)量的影響。本文在詳述國內(nèi)外掘進機研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對橫軸式掘進機的截割機構(gòu)進行了設(shè)計，對一些關(guān)鍵部分進行了設(shè)計計算。重點是橫軸式掘進機的截割頭工作過程中的運動及受力分析、截割齒工作過程中得運動及受力分析。除此之外，回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計及校核也很重要。本文設(shè)計的掘進機是橫軸式的，此次所做工作主要是關(guān)于截割頭、截割部、回轉(zhuǎn)臺等的設(shè)計。其中截割部是用于安裝減速器；截割部后用于安裝減速器電機；回轉(zhuǎn)臺用于控制截割頭的上下擺動及左右回轉(zhuǎn)。 關(guān)鍵詞：掘進機；橫軸式；截割頭；回轉(zhuǎn)臺AbstractThegraduationdesigntopicisgiventothecoalisChina'smainenergy,improvecoaloutputisbeneficialtotheeconomicdevelopmentofourcountry.Theroadheaderismainlycomposedofcutting,walking,shipment,loadingfourmechanismandhydraulic,water,electricthreegenerationsystem.Theroadheaderisdividedintotwokinds,theyarehorizontalandvertical.Themaintaskofthisdesignistostudytheinfluenceofthehorizontalroadheadercuttingtocoalyield.Thispaperdetailstheheadingmachineonthebasisofthestudiesathomeandabroad.Inthispaper,Idesignthehorizontalroadheadercuttingmechanism,andcalculatesomekeypartsofthedesign.Thefocusofdesignistheanalysisofhorizontalroadheadercuttingheadonmotionandforce,。Anotherfocusofdesignistheanalysisofcuttingtoothonthemotionandforce..Besides,thedesignandcheckofrotarymechanismisalsoveryimportantInthispaper,thedesignofroadheaderishorizontal,theworkismainlyonthedesignofcuttinghead,cutting,rotarytableandsoon.Thecuttingpartisusedtoinstallaspeedreducer;thecuttingpartforinstallingreducermotor;rotarytableisusedtocontrolthecuttingheadtoswayandrotary.Keywords:roadheader；horizontal；cuttinghead；rotarytable目錄TOC\o"1-2"\h\z摘要 IAbstract II1.緒論 11.1本課題的研究目的及意義 11.2國內(nèi)外掘進機的發(fā)展趨勢 21.3橫軸式掘進機截割機構(gòu)的設(shè)計現(xiàn)狀 51.4本章小結(jié) 72.橫軸式掘進機截割機構(gòu)的總體方案設(shè)計 12.1橫軸式掘進機的設(shè)計要求 12.2橫軸式掘進機的方案設(shè)計 12.3設(shè)計參數(shù)的確定 32.4截齒設(shè)計 82.5截割結(jié)構(gòu)及二維裝配圖 132.6本章小結(jié) 183.掘進機的三維建模與運動學仿真 193.1截割頭三維建模 193.2其他重要零件的三維建模 243.3齒輪軸的運動學仿真 273.4本章小結(jié) 304.端蓋數(shù)控加工 314.1數(shù)控加工的概述 314.2端蓋銑削加工 324.3本章小結(jié) 415.齒輪軸ANSYS分析 425.1齒輪軸ANSYS分析過程 425.2本章小結(jié) 46參考文獻 47致謝 48附錄一 49附錄二 741.緒論1.1本課題的研究目的及意義1.1.1本課題的研究目的:我國是產(chǎn)煤大國，煤炭也是我國最主要的能源，是保證我國國民經(jīng)濟飛速增長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)?，F(xiàn)在煤炭的采掘基本上實現(xiàn)了機械化，生產(chǎn)效率也大大提高。煤炭工業(yè)的機械化是指采掘、支護、運輸、提升的機械化，其中采掘包括采煤和掘進巷道。隨著采煤機械化的發(fā)展，采煤機是現(xiàn)在最主要的采煤機械。20世紀70年代我國主要靠進口采煤機來滿足發(fā)展需要，現(xiàn)今，國產(chǎn)采煤機幾乎占領(lǐng)我國的整個采煤機市場。依靠科技進步，推進技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)高效礦井綜合配套技術(shù)是我國煤炭科技發(fā)展的主攻方向，我國的采煤機現(xiàn)在已經(jīng)進入了自主研發(fā)，標準化，系列化階段。目前，各主要產(chǎn)煤國家已基本上實現(xiàn)了采煤機械化。衡量一個國家采煤機械化水平的指標是采煤機械化程度和綜采機械化程度。所以設(shè)計一個好的掘進機對采煤機械化的發(fā)展有重要作用，而掘進機的截割部又是掘進機的重要組成部分，因此要進行掘進機截割部的設(shè)計。1.1.2本次畢業(yè)設(shè)計是對橫軸式掘進機進行設(shè)計和研究，并在此基礎(chǔ)上對橫軸式掘進機的截割部進行改進。然而，由于橫軸式掘進機的運動比較復(fù)雜,截割過程載荷多變,致使機器工作振動比較大,而實際計算其動態(tài)過程又非常的困難。所以,從理論上研究掘進機的性能,以及在此基礎(chǔ)上探討改進其動態(tài)特性方面的進展十分緩慢。通過橫軸式掘進機截割部的研究，旨在滿足工程精度要求的前提下,建立該型掘進機橫向截割時的動力學模型,并利用此模型進行分析和探討,研究橫軸式掘進機的動力學行為,為定性地研究掘進機的動態(tài)性能提供理論、方法。并以此理論為基礎(chǔ)，設(shè)計出能夠提高掘進機挖掘效率的掘進機截割部。因此掘進機截割部的研究設(shè)計對于掘進機的研究有著很大的意義，對掘進機的發(fā)展有著重要影響。1.2國內(nèi)外掘進機的發(fā)展趨勢掘進機是具有截割、裝載煤巖，并能自己行走，具有噴霧降塵等功能，以機械方式破落煤巖的掘進設(shè)備，有的還具有支護功能。根據(jù)所掘斷面的形狀分為全斷面掘進機和部分斷面掘進機[1]。以下是國內(nèi)外的一些研究：世界上第一臺懸臂式掘進機1949年在匈牙利問世[2]，經(jīng)過幾十年不斷改進、發(fā)展的歷程?，F(xiàn)在世界上掘進機使用已超過幾千臺。有10多個國家、20多家公司和廠商從事懸臂式掘進機設(shè)計研究和制造。主要國家是：奧地利、英國德國、日本、前蘇聯(lián)等。1.2.1國外概況及發(fā)展趨勢(1)掘進機產(chǎn)品概況國外掘進機設(shè)備可分為兩類[3]:一類是歐洲國家普遍使用的掘進機,它適應(yīng)范圍廣,但掘進、支護不能平行作業(yè),掘進效率低,開機率低;另一類是以美國和澳大利亞為代表的連續(xù)采煤機和掘錨綜合機組,兩者均可實現(xiàn)煤巷的快速掘進,開機率較高,掘進效率高,后者是在前者的基礎(chǔ)上,在機上安裝錨桿鉆機,使連續(xù)采煤機與錨桿鉆車合二為一,到80年代末發(fā)展成掘裝錨平行作業(yè)的新型設(shè)備。它較好地解決了掘進、裝運和錨桿支護的平行作業(yè),其不足是只適應(yīng)于煤巷掘進,機型龐大,適應(yīng)范圍小。生產(chǎn)掘進機的主要公司有奧地利阿爾卑尼公司、英國多斯科、安德森、艾姆科公司、德國扎爾吉特、艾柯夫、保拉特、維斯特伐利亞公司、日本三井三池公司和前蘇聯(lián)。目前已經(jīng)形成完整的系列,主要有奧地利的AM系列,德國的E、ET、STM系列,日本的MRH系列。連續(xù)采煤機主要有美國久益公司的CM系列,朗艾道公司的CM系列、杰弗利公司及英國BJD公司;采掘錨機組主要有奧地利阿爾卑尼公司的ABM20型、ABM30型、美國久益公司的JSS型、英國BJD公司的2480HP.BH型等。(2)技術(shù)水平及發(fā)展趨勢英國、德國、前蘇聯(lián)等主要產(chǎn)煤國,掘進機已廣泛用于煤巖單軸抗壓強度≤100MPa的采準巷道掘進,并擴大到巖巷掘進。據(jù)1996年資料表明,俄羅斯綜掘程度為48%,英國綜掘程度達86%,德國因深部開采,巷道斷面大,半煤巖比例大,巖石硬度高,限制了掘進機的應(yīng)用,使用掘進機僅160臺,綜掘程度為37%(1992年資料)。由于掘進機可靠性好,掘進機開機率(機組運轉(zhuǎn)時間與規(guī)定生產(chǎn)時間之百分比)已達30%～50%。新型掘進機可截割硬度100MPa半煤巷和中等硬度的巖巷。部分重型機不移位截割斷面達35～42,可掘斷面形狀除拱形、梯形、矩形外,有的機器配掩護筒可掘圓形斷面,多數(shù)機型能在縱向±16°坡上可靠工作,橫向傾斜一般可達8°?，F(xiàn)在中型掘進機已日趨完善,其代表機型有英國多斯科公司的LH1300型,德國保拉特公司的E200型、奧地利阿爾卑尼公司的AM75型、日本三井三池公司的S220型等,其切割功率在132～220kW、機重50～70t,經(jīng)濟切割巖石硬度80MPa,近期德國在研究開發(fā)切割功率達300kW、機重在100t以上,經(jīng)濟切割硬度達100MPa的巖石掘進機。部分機型截割速度已降至1m/s以下,截割牽引速度采用負載反饋調(diào)節(jié),以適應(yīng)不同巖石硬度;一些機型除設(shè)有后支撐外,還在履帶前后安裝了卡抓式液壓支配扎腳機構(gòu),以便在切割巖石時錨固定位。機電一體化趨勢明顯,新型掘進機可實現(xiàn)推進方向監(jiān)控、電機功率自控調(diào)節(jié)、截割路徑循環(huán)程控、離機遙控操作、切割斷面輪廓尺寸監(jiān)控以及工況監(jiān)測和故障診斷。部分掘進機采用PLC控制,實現(xiàn)回路循回檢測。研究探索新的截割技術(shù),如高壓水射流掘進機的采用;沖擊振動式截割機具的研究。以ABM20型為代表的掘錨綜合機組可較好地解決掘進和支護平行作業(yè)問題,在澳大利亞煤巷掘進時,總效率達2.35m/h。1995年阿爾卑尼公司又推出ABM30型掘錨綜合機組,其生產(chǎn)能力和整機水平,又進一步提高。為充分發(fā)揮掘進機效能,各國都十分重視綜掘作業(yè)線配套設(shè)備的研究。為縮短支護時間,在中等穩(wěn)定頂板條件下,常用機載錨桿鉆機支護;為使掘進機與支護平行作業(yè),運用超前液壓支架或自帶盾牌掩護支架,但使用效果都不理想。在后配套運輸方面,通常采用橋式帶式轉(zhuǎn)載機,后配帶式輸送機,有條件時設(shè)置活動煤倉。1.2.2掘進機發(fā)展的4個階段縱觀世界上掘進機的發(fā)展歷程,可以將機型劃分4個階段。40年代中末期到60年代中期是第一代機型發(fā)展時期,在這個階段掘進機從無到有,形成了集切割、裝運和行走為一體的結(jié)構(gòu)雛形,其特征主要是用于軟煤巷道掘進,機重15t左右。第二代機型發(fā)展使用時期是從60年代中期到70年代末期,這一階段是煤巷掘進機蓬勃發(fā)展時期,掘進機得到了大量應(yīng)用。其特征是:煤巷掘進機適應(yīng)范圍擴大,部分大斷面機型有過斷層、切割夾巖的能力,切割硬度60MPa以下,機重大部分在20～40t左右。第三代機型發(fā)展使用時期是從70年代末到80年代末期,其特征是:半煤巖掘進機開始成熟,煤巷掘進功能齊全,可靠性大幅度提高。重型機大批涌現(xiàn),機重50t左右。80年代后期至今,處于發(fā)展中的第四代機型特征為:重型機機重進一步增加,一般在70t以上,切割硬度100MPa以上,功能更加完善,采用高新技術(shù)、計算機自控裝置較成熟,掘進機正向巖巷進軍。煤巷掘進出現(xiàn)了切割支護平行作業(yè)的掘錨綜合機組,掘裝錨平行作業(yè),掘進速度大幅提高。1.2.3我國的懸臂式掘進機的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段第一階段:60年代初期到70年代末,這一階段主要是以引進國外掘進機為主,也定型生產(chǎn)了幾種機型,在引進的同時進行消化、吸收,為我國懸臂式掘進機的第二階段的發(fā)展打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。這一階段掘進機的主要特點是:使用范圍越來越廣,切割能力逐步提高,有切割夾巖和過斷層的能力。第二階段:70年代末到80年代末,這一階段,我國與國外合作生產(chǎn)了幾種懸臂式掘進機并逐步地實現(xiàn)了國產(chǎn)化[4],其典型的代表是與奧地利、日本合作生產(chǎn)的AM50型及S100型,其后,我國自行設(shè)計制造了幾種懸臂式掘進機,其典型代表是EMA-30型及EBJ-100型。這一階段懸臂式掘進機的特點是:可靠性較高,已能適應(yīng)我國煤巷掘進的需要;半煤巖巷的掘進技術(shù)已達到相當?shù)乃?出現(xiàn)了重型機。第三階段:由80年代末至今,重型機型大批出現(xiàn),懸臂式掘進機的設(shè)計與制造水平已相當先進,可以根據(jù)礦井生產(chǎn)的不同要求實現(xiàn)部分個性化設(shè)計,這一階段的代表機型較多,主要有EBJ型、EL型及EBH型。這一階段懸臂式掘進機的特點是:設(shè)計水平較為先進,可靠性大幅提高;功能更加完善;功率更大;一些高新技術(shù)已用于機組的自動化控制并逐步發(fā)展全巖巷的掘進。經(jīng)過三階段的發(fā)展,我國懸臂式掘進機的設(shè)計、生產(chǎn)、使用進入了一個較高的水平,已跨入了國際先進行列,可與國外的懸臂式掘進機媲美。1.3橫軸式掘進機截割機構(gòu)的設(shè)計現(xiàn)狀截割頭是掘進機工作機構(gòu)的核心部件，其性能的好壞直接影響掘進機的整機性能及工作質(zhì)量。評價截割頭性能的參數(shù)主要包括生產(chǎn)率、截割比能耗、截割硬度f數(shù)、截割載荷波動系數(shù)、截齒使用壽命、落料塊度或粉塵率等等。截割頭是掘進機上最復(fù)雜的部件，截齒是截割頭直接作用于礦巖的零件，對截割頭及截齒的設(shè)計需要考慮重多參數(shù)，從整體上，包括截割頭形狀參數(shù)、尺寸參數(shù)、截割頭的擺動速度、自轉(zhuǎn)速度等，從局部上，包括截齒的形狀、尺寸、材料、齒座的形式以及截齒在截割頭上的排布形式、空間角度關(guān)系等；另外還需要考慮截齒的空間運動參數(shù)、截割參數(shù)、截割受力情況及截割頭的整體受力情況等。這些參數(shù)不僅復(fù)雜，而且往往又是相互聯(lián)系相互制約的，因此，截割頭的設(shè)計從來就是懸臂掘進機設(shè)計的最難點。多年來，國外許多國家都非常重視掘進機的截割基礎(chǔ)理論研究，前蘇聯(lián)通過大量試驗分析，從截割過程中截齒及工作機構(gòu)的載荷變化研究影響其載荷大小變化的因素，并努力將研究成果用于指導(dǎo)設(shè)計；英國及德國等在掘進機截割試驗的基礎(chǔ)之上，通過分析研究，尋求截割機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及方法。人們在不斷的探索改善掘進機截割性能、減少截齒損耗、降低動載荷、提高整機可靠性、增加有效工作時間、提高工作效率的途徑和方法。我國對掘進機的研制是從引進國外的掘進機及技術(shù)開始的，由于諸多原因，對掘進機的截割理論研究比較缺乏，國內(nèi)懸臂掘進機生產(chǎn)主要停留在對引進型號的仿制、改型水平上。從掘進機自身考慮，導(dǎo)致這種現(xiàn)象發(fā)生的原因主要有三點：第一，截割頭自身非常復(fù)雜，特別涉及到巖土破碎理論，說不清楚的地方很多，導(dǎo)致純理論研究難于進行；第二，懸臂掘進機屬大型昂貴設(shè)備，進行樣機試制及試驗需要大比經(jīng)費，這就決定進行試驗研究的阻力巨大；第三，對掘進機的研究關(guān)鍵在于對截割過程的研究、對截齒與礦巖間相互作用的研究，而在截割頭或截齒上難于布置傳感器，另外礦巖的性能具有很強的隨機性，特定試驗結(jié)果一般不具有普遍性，這就在試驗研究的方法選擇上對人們提出了挑戰(zhàn)。雖然存在諸多困難，由于采掘業(yè)及建筑業(yè)的發(fā)展，市場上對掘進機的需求急劇增加、對掘進機的性能要求提高，國內(nèi)對掘進機的研究也出現(xiàn)了高潮。繼承方面，對從國外引進的掘進機進行了全面的研究，包括從整體性能到具體的截割頭形狀、尺寸、截齒的形式排布等；理論方面，分析了截割頭的運動規(guī)律、截齒的運動規(guī)律、截齒與礦巖的作用過程、截齒的受力等；試驗方面，一方面進口掘進機的工程應(yīng)用提供了寶貴的數(shù)據(jù)，一方面也進行了具有特定目的的現(xiàn)場試驗及模擬試驗。對掘進機的各項研究取得了豐碩的成果，應(yīng)用到實際中，使我國設(shè)計制造出了高于引進性能的掘進機，但目前國內(nèi)生產(chǎn)的掘進機只相當于國外七八十。年代的產(chǎn)品，與國外的差距還很大。因此對掘進機，特別是對截割基礎(chǔ)理論的研究還需要更進一步。針對國內(nèi)掘進機設(shè)計現(xiàn)狀出現(xiàn)的原因，編制了虛擬設(shè)計軟件，使設(shè)計及研究人員能夠更好的利用現(xiàn)有成果進行截割頭的自動化設(shè)計，在不進行或少進行試驗的基礎(chǔ)之上，盡量多的了解所設(shè)計的截割頭的性能，從而力求達到促進掘進機設(shè)計水平發(fā)展、提高掘進機設(shè)計能力的目的。盡管我國掘進機技術(shù)有較大的提高，但與西方發(fā)達國家相比還有一定的距離[5]。1.4本章小結(jié)本章主要介紹了此次畢業(yè)設(shè)計的研究目的和意義，并且介紹了掘進機在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢和研究情況以及掘進機在發(fā)展過程中存在的一些技術(shù)問題。本章為下面接下來的設(shè)計做了準備工作。2.橫軸式掘進機截割機構(gòu)的總體方案設(shè)計2.1橫軸式掘進機的設(shè)計要求本課題研究目的是設(shè)計滿足使用要求的橫軸式掘進機截割機構(gòu)。2.1.1主要設(shè)計參數(shù)要求掘進機的基本要求：最大掘進高度5.5m；最大定位掘進寬度7m；爬坡能力±16°；最大臥底深度0.45m;切割煤巖單向抗壓強度≤130MPa。截割部的有關(guān)技術(shù)參數(shù)：截割頭最大擺動角度，上44゜，下21゜，左右±33゜。2.2橫軸式掘進機的方案設(shè)計橫軸式掘進機主要由截割、行走、裝運、裝載四大機構(gòu)和液壓、水路、電氣三大系統(tǒng)組成，此次設(shè)計中重點是掘進機的截割部設(shè)計，根據(jù)設(shè)計要求對掘進機的總體參數(shù)進行確定。2.2.1掘進機機型的選擇根據(jù)任務(wù)書的要求，按行業(yè)標準MT138～1995《懸臂式掘進機的型式與參數(shù)》，MT238.3-2021《懸臂式掘進機|第3部分|通用技術(shù)條件》選定機型類別。要考慮的掘進機用途有：煤礦井下巷道的掘進、其他行業(yè)的工程作業(yè)，要考慮掘進機的工作條件：切割煤層巷、半煤層巷，煤巖的單向抗壓強度(或普氏系數(shù)f值)及巖石的腐蝕系數(shù)。特輕、輕型掘進機以掘進煤巷為主，它的特點應(yīng)突出經(jīng)濟、靈活、方便，在截割巷道斷面尺寸方面有較大的適應(yīng)性。中型掘進機以掘進半煤巖巷道為主，在截割巖石硬度方面適應(yīng)性較強，但機器設(shè)計不宜過于笨重和龐大，在使用時有較大的覆蓋面。重型掘進機是具有更高切割能力的掘進機，應(yīng)用范圍更加廣泛。根據(jù)設(shè)計的要求和目的，機型選擇重型?；緟?shù)應(yīng)當符合表2.1格的規(guī)定。表2.1掘進機型式的基本參數(shù)[6]技術(shù)參數(shù)單位機型特輕輕中重超重切割煤巖最大單向抗拉強度MPa≤40≤50≤60≤80≤100生產(chǎn)能力煤0.60.8———煤夾矸0.30.6切割機構(gòu)功率kW≤50≤7590～200>150>200最大坡度(絕對值)(°)1616161616巷道斷面㎡5～126～167～208～2810～32機重(不包括轉(zhuǎn)載機)t≤20≤25≤50≤8>802.2.2各部件結(jié)構(gòu)形式的確定（1）切割機構(gòu)切割機構(gòu)主要由切割頭，水冷電動機，減速器，截割部和回轉(zhuǎn)臺等組成，具有破碎煤巖功能的機構(gòu)。①切割頭的選擇切割頭裝有截齒，用語破碎煤巖的部件。切割頭主要由截割頭體、齒座、螺旋葉片、截齒、噴嘴及筋板等構(gòu)成；螺旋葉片焊在切割頭體上，沿螺旋線并按截線間距排列齒座和截齒。②回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計要求[7]第一、回轉(zhuǎn)裝置反映在切割頭上的回轉(zhuǎn)力和回轉(zhuǎn)速度要滿足切割工作要求；第二、回轉(zhuǎn)臺要能夠承受機器工作時的各種載荷反力的作用，要有足夠的剛度；第三、與懸臂配合，所具有的回轉(zhuǎn)角度要滿足掘進端面的要求；第四、結(jié)構(gòu)緊湊、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠。2.3設(shè)計參數(shù)的確定2.3.1機器可掘斷面機器的規(guī)格和重量主要取卻于巷道斷面的大小。懸臂式掘進機掘進斷面的大小，決定于懸臂的長度和回轉(zhuǎn)角度。2.3.2(1)懸臂長度和擺角一般情況下，巷道的形狀和規(guī)格確定后，按照巷道和最大高度和上下寬度，結(jié)合垂直擺動的中心高度，可以初步確定懸臂的長度。最大掘高5.5m，上擺角，下擺角，水平擺角=。由幾何關(guān)系式(2.1)可以得出，在最大掘?qū)?m下，懸臂長為：(2.1)即懸臂長為5676.3mm(為垂直回轉(zhuǎn)中心至水平回轉(zhuǎn)中心的距離，取750mm)。回轉(zhuǎn)中心高由式(2.2)、式(2.3)知：(2.2)(2.3)即mm盡量降低重心，取H為1650mm。2.3.3機器可掘斷面參數(shù)的確定最大寬度[8](當懸臂在水平位置擺動時)由式(2.4)知：(2.4)計算得，，，。上部寬度(當懸臂在上極限位置左右擺動時)及下部寬度(當懸臂在下部位置左右擺動時)由式(2.5)、(2.6)知：(2.5)(2.6)計算得，，，。上擺高度、下擺高度、臥底深度、巷道高度、由式(2.7)～(2.11)進行計算：(2.7)(2.8)(2.9)(2.10)經(jīng)計算得到：、，，?？删蜃畲髷嗝嬗墒?2.11)進行計算:(2.11)經(jīng)過計算得到Smax為37.3m2。式中，L為切割頭前端至垂直回轉(zhuǎn)中心的距離，a為垂直回轉(zhuǎn)中心至水平回轉(zhuǎn)中心的距離，為水平回轉(zhuǎn)時的懸臂擺角，為垂直回轉(zhuǎn)的上擺角，為截割到巷道底面時，垂直回轉(zhuǎn)的下擺角，為臥底時，懸臂垂直回轉(zhuǎn)的最大下擺角，可根據(jù)臥底深度來定，一般可取mm，這里取200mm。2.3.4截割機構(gòu)技術(shù)參數(shù)的初步確定(1)截割頭轉(zhuǎn)速及其功率的初步確定掘進機的動力源都采用交流電動機。截割機構(gòu)功率大小，在實際設(shè)計中一般采用類比法，再結(jié)合掘進機的一些個性因素及經(jīng)驗來確定。截齒必須具有的一定的截割速度和足夠的截割力，才能實現(xiàn)對煤巖的有效破碎。顯然在一定的功率下，適當降低截割速度(或轉(zhuǎn)速)，將使截割力矩和截割力相應(yīng)增加，有利于截割較硬的煤巖。同時，還可以降低截割頭上的動載荷，減少截齒的磨損和粉塵。通常，在煤和軟巖中，可取，截割頭轉(zhuǎn)速為30100。對于中硬巖，可選，對于砂巖和石灰?guī)r，平均截割速度=0.60.8，最高=0.91，截割頭轉(zhuǎn)速為2040[9]。目前市場上絕大多數(shù)掘進雙速掘進機的截割速度為24r/min和36r/min，這兩種截割速度被認為是截割硬巖和煤巖的經(jīng)濟截割速度，所以本次設(shè)計的巖巷掘進機截割轉(zhuǎn)速也設(shè)定為36/24r/min。結(jié)合行業(yè)標準MT477-1996YBU系列掘進機用隔爆型三相異步電動機選擇，確定截割功率為切割電機高速運轉(zhuǎn)時功率為300kw，低速運轉(zhuǎn)時功率為220kW。（2）切割頭的有關(guān)參數(shù)的確定①切割頭長度切割頭長度的大小影響工作循環(huán)時間，它的選擇還與煤巖性質(zhì)有關(guān)。橫軸式掘進機切割頭長度應(yīng)略大于截深。目前，橫軸式掘進機切割頭的長度一般為500700mm。大功率的掘進機可以在1000mm左右。根據(jù)設(shè)計要求，確定本掘進機為大型掘進機，選擇切割頭的長度為1000mm。②切割頭直徑切割頭直徑影響切割力和工作循環(huán)時間。當切割頭的功率和轉(zhuǎn)速一定時，切割頭的直徑將決定切割頭的切向切割力。切割頭直徑過大，將使切向切割力降低，如果切割力小于切割阻力，就不能完成切割任務(wù)。目前，橫軸式掘進機切割頭的直徑一般為6001000mm。大功率的掘進機可以在1000mm以上。這里選擇切割頭的平均直徑為1350mm。③切割頭錐角對于橫軸式掘進機的切割頭，為了獲得比較平整的巷道頂、底板或者側(cè)壁，還應(yīng)結(jié)合懸臂長度、回轉(zhuǎn)中心的位置來確定切割頭的錐角。設(shè)切割頭的半錐角為，懸臂水平擺角為，上下擺角分別為、。按幾何關(guān)系，要保證巷道的頂、底板、側(cè)壁平整，應(yīng)使。顯然對于確定的掘進機，其切割頭的半錐角是定值。掘進機的水平擺角通常為。這樣錐形切割頭的錐角確定在之間。本掘進機設(shè)計結(jié)合同類掘進機運用情況，選取。④螺旋頭數(shù)和升角螺旋頭數(shù)一般為兩頭和三頭。這里選擇三頭旋轉(zhuǎn)葉片。有關(guān)參數(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定。⑤切割速度和擺角速度截割功率一定時，切割速度決定切割力矩和切割力的大小。切割力矩可由式(2.12)進行計算：(2.12)平均切割力可由式（2.13）進行計算：（2.13）平均單齒切割力可由式(2.14)進行計算：(2.14)式中：D0為切割頭平均直徑，m；n0為切割頭轉(zhuǎn)速，r/min；MC為切割力矩，N.；PC為平均切割力，N；P1C為平均單齒切割力，N；Zm為同時工作齒數(shù)，可取總齒數(shù)的一半。懸臂式掘進機所能達到的最大截割能力總是與其截齒的截割速度有關(guān)。截割速度的選取一般取決于被截割巖石的特性，在1～5m/s之間選取。對研磨性的硬巖石，最大截割速度要受到截齒磨損的限制。例如，截割石英含量為30%～40%，抗壓強度為100～120MPa的砂巖時，最佳的截割速度為1.5～2m/s。對易于截割的巖石(例如白堊和煤)，最大截割速度會受到粉塵濃度的限制。對煤炭一般選用4～5m/s。根據(jù)本設(shè)計要求，確定截割速度2.0m/s?？紤]到掘進機對煤巖特性應(yīng)具有一定的適應(yīng)范圍，通常在較軟的半煤巖中，可以選合理的工作擺動速度，在較硬的半煤巖中可以取，對于中硬煤巖石，擺動速度不宜過大，取。根據(jù)本設(shè)計要求，確定擺動速度為1.5。⑥最大扭矩最大扭矩可根據(jù)式(2.15)進行計算：(2.15)式中：Mmax為切割最大扭矩；Mn為切割硬度f=6的巖石時候，切割頭平均扭矩；Mn=(44100Vb+17150).D0.L/(VC0.3η)，N.m；D0為切割頭平均直徑，m；L0為切割頭長度，m；Km為當量載荷因數(shù)。具體數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定。⑦截齒在截割頭上的仰角α的確定該角對整機的截割效率和截齒的磨損起決定性的作用。為了達到一種合理的最佳的截割力傳遞,截齒安裝的范圍一般取α=45～48°,在此取α=45°。(3)回轉(zhuǎn)臺的布置及參數(shù)確定截割頭的上升、下降和左右運動由裝在回轉(zhuǎn)臺上的各油缸來實現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)臺主要由回轉(zhuǎn)油缸、回轉(zhuǎn)座、連接臂、回轉(zhuǎn)架等部件構(gòu)成。工作時，截割頭隨連接臂在升降油缸推動下能夠在垂直方向上升和下降一定的角度；截割頭同時可以隨回轉(zhuǎn)臺油缸在水平方向左右各擺動33°?；剞D(zhuǎn)臺中心高定位1650mm?；剞D(zhuǎn)臺上安裝回轉(zhuǎn)座的直徑取800mm。2.4截齒設(shè)計2.4.1（1）截齒類型的選擇在截割頭上安裝扁齒（又稱刀齒或徑向齒）或鎬齒（又稱錐形齒或切向齒）。由于煤巖超硬即按原蘇聯(lián)根據(jù)接觸強度值的大小把巖石分為六類中的中等堅固，選用鎬齒。齒柄為圓錐體，插入齒座后，用U型銷或環(huán)形鋼絲固定。當截割煤巖時，齒能在齒座內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，使齒尖磨損均勻，保持齒尖銳利。齒柄上有環(huán)形槽，用之以卡住齒。（2）截齒排列參數(shù)的確定①每線齒數(shù)對于較硬的煤和硬巖，通常選用毎線一齒。否則，就會出現(xiàn)加深截槽的現(xiàn)象，即同一截線上的截齒只是加深由前一個截齒截出的截槽，而崩落的效果極為微弱。對于每線一齒，在排列上應(yīng)使第i條截線上的截齒的圓周角與螺旋角頭數(shù)和相鄰截線上截齒的角度保持下列關(guān)系為。②截線間距S它表征相鄰截齒齒尖軌跡的距離，其值影響單個截齒載荷、受力大小、破碎效果和功率消耗。對縱軸式切割頭選擇截線間距時，尤其應(yīng)考慮煤巖特性和水平擺動速度，因為截線間距在切割過程中發(fā)生變化，總之，確定截線間距時應(yīng)全面考慮煤巖性質(zhì)、截割厚度、牽引速度等因素。橫切割頭在擺動切割時，實際截割間距隨擺動速度變化，而切深保持不變。實驗證明，被截下的煤巖量與截線間距和切深有關(guān)，過小的截線間距使煤巖過于粉碎，產(chǎn)生粉塵、單位能耗高、截割效率低。過大的間距則會在煤壁上保留棱邊，也引起截割效率減少，正確的截線間距是切深的二倍，即。{h-截齒切深，m；-牽引速度或擺動速度，m/min；n-切割頭轉(zhuǎn)速，r/min；-一條截線上的截齒數(shù)。具體選取時可以參照下表2.2的經(jīng)驗值。③相鄰鎬齒間的最佳間距，由文獻[10]式(2.16)知：s/d=tg(2.16)式中：s為兩相鄰截齒的中心距；d為直徑；為斷面傾斜著經(jīng)過時的計算值；時鎬形截齒的圓錐角的一半。表2.2橫切割頭截割參數(shù)與礦物特性關(guān)系礦物特性超硬材料硬材料中硬材料軟材料單向抗壓強度/Mpa＞8060-8030-60＜30牽引速度/（m/s）0．2-0．40．3-0．40．35-0．60．65截線距/mm40-5050-6060-10070-1202.4（1）截齒排列方式①順序式。截齒是一個挨一個進行截割的，形成的截槽兩邊不對稱，截齒兩側(cè)受力不等。另外，這種布置方式，切削斷面較小。其條件是：螺旋頭數(shù)與毎線齒數(shù)之比為1。②交叉式。截齒以一個間隔一個的次序進行截割的，形成兩側(cè)接近對稱的截槽，可以保證截齒兩側(cè)受力基本平衡，切屑面積大，截割比能耗低。這種排列方式有利于降低截齒的側(cè)向和截割比能耗。其條件是：螺旋頭數(shù)與毎線齒數(shù)之比為2。如圖2.1所示。圖2.1截齒排列方式（2）截齒排列圖，如圖2.2所示左截割頭的排列為右旋，右截割頭的排列為左旋。這樣，在工作時割落的煤巖拋向兩個截割頭的中間，改善了截割時的受力情況和裝載效果。圖2.2截齒排列（3）截齒的安裝①截割角α（又叫切削角）。截割角是截齒軸線與齒尖運動軌跡的切線之間的夾角。實驗表明截割角在45°-55°之間時截割阻力最小。此范圍內(nèi)，截齒以較好的位置鍥入巖石，它對切割頭很重要。大的角雖然提高切削效率，但磨損比較嚴重，容易使齒尖變鈍，以致無法切入礦物。當角很小時，所需進給力增大，容易使截齒超載，此時，截齒不僅軸線方向承受負荷，而且齒頂方向負荷較大，使進給力和切削力達到十分有效的使用效果，經(jīng)德國礦冶技術(shù)試驗分析，推薦最佳的截割角為46°，如圖2.3所示。圖2.3鎬形齒的安裝角度②傾斜角β。截齒按傾斜角安裝，保證截齒在橫向擺動截割時，沿合速度方向截入巖體。由于截割頭橫擺速度遠遠低于截割速度，因此，β角很小。（）。為了使刀齒能磨損均勻，保持銳利的工作狀態(tài)，以降低截割阻力，據(jù)實踐實驗表明，截齒應(yīng)向截割頭橫擺方向偏轉(zhuǎn)8°。這樣，截齒的運動方向與進入巖體方向一致，也有助于截齒的自轉(zhuǎn)。(4)排距的確定排距為相鄰兩排截齒之間的距離,排距的大小控制著截割頭的橫向尺寸,排距和齒尖的位置確定后,截割頭的形狀就確定了,確定排距時要使截齒的截割狀態(tài)成為半開式截割,這就要求相鄰兩排截齒中直徑較小的先行截割,爾后直徑較大的截割。如圖2.4所示,設(shè)計排距時排距不宜過大,也不宜過小,過大使截割頭的橫向尺寸加大,增加截割頭的體積,過小將不能充分地發(fā)揮每個截齒的效力。圖中Ψ為崩落角,為邊界角,在半開式截槽中其值不大于時,最優(yōu)的截割應(yīng)是邊界角取時,后排截齒截割崩落線與前排截齒齒尖重合,這樣才能充分利用截割的崩落效應(yīng)而又不至于加大截割頭橫向尺寸。圖2.4截割崩落效應(yīng)示意圖（5）截線間距、截割頭直徑截線間距即截線距,是同一排截齒上兩相鄰截齒的齒尖運動軌跡在同一截割平面上的距離,其大小應(yīng)考慮被截割煤巖的物理性質(zhì),當煤巖的物理性質(zhì)改變時,截割頭水平擺動速度也要作相應(yīng)的調(diào)整,使截線距的大小隨煤巖的硬度改變而改變,截線距如公式（2.17）所示。t=K/m(2.17)式中：m為同一排上的截齒數(shù)目。確定截線距時,應(yīng)考慮被截割煤巖的物理性質(zhì),從其計算公式可以看出,它隨著掘進機橫向擺動速度的變化而變化,因此,當煤巖的物理性質(zhì)改變時,截割頭水平擺動速度也要作相應(yīng)的調(diào)整,使截線距隨煤巖的硬度改變而改變,以提高截割效力。截割頭直徑是一個很重要的參數(shù),它影響掘進的截割生產(chǎn)率和截齒的截割能力,并與巷道斷面大小手有關(guān)；較大的直徑,可縮短截割工作面的循環(huán)時間,生產(chǎn)率高,但當機器功率和截割頭轉(zhuǎn)速不變時,每個截疊齒所能承受的截割力降低,如果截割力小于截割阻力,就不能完成截割任務(wù);反之,如果直徑太小,雖然截齒對煤巖的截割能力達到了,但降低了生產(chǎn)率,一般根掘進機功率大小,橫軸式截割頭大端直徑取值范圍為0.7~1.5m。2.5截割結(jié)構(gòu)及二維裝配圖2.5已知：機器外形尺寸（長x寬x高）：12x3.8x2.5m。截割部有關(guān)技術(shù)蠶食：功率300/220kw,切割電機攻速運轉(zhuǎn)時功率為300kw，低速運轉(zhuǎn)時功率220kw；電壓1140v，轉(zhuǎn)速1490/980r/min；截割頭直徑x長度：Φ1350x1000mm，截割頭轉(zhuǎn)速36/24r/min。截割功率、截割速度、截割力由式(2.18)(2.20)知：N=Fv (2.18)v=πnD/1000(2.19)F=1000N/(πnD)(2.20)式中:n為截割頭轉(zhuǎn)速;D為截割頭外徑,mm。(1)截割部水平受力分析，如圖2.5所示。從圖中可知LH1為1000mm,LH2為6426mm。(2)截割軸轉(zhuǎn)矩計算公式如式（2.21）M=9549·N/n（2.21）截割功率為切割電機高速運轉(zhuǎn)時功率為=300kw，截割轉(zhuǎn)速=36r/min，則=79575N.m，低速運轉(zhuǎn)時功率為=220kw，截割轉(zhuǎn)速也設(shè)定為=24r/min，則=87532N.m。圖2.5截割頭水平受力（3）由式（2.22）估算最大切割力：（2.22）已知掘進機參數(shù)：P1為300kw；n1為36r/min；P2為220kw；n2為24r/min。橫軸式截割頭直徑Φ1350mm,估算橫軸式截割頭平均半徑Ravg為0.625m。計算結(jié)果為：FC1為117.9KN；FC2為129.7KN。在掘進機工作工程中，截割頭受到的力主要為切割力、擺動力、推進力。其中切割力:是指切割時所有參與切割的截齒所受切向力()數(shù)值之和。擺動力是指擺動時由液壓缸給與切割頭沿擺動方向的力。推進力是指掏槽時由行走機構(gòu)或者伸縮機構(gòu)提供給與切割頭的推進力。橫軸式切割頭掏槽時，剛接觸時齒數(shù)是兩個切割頭同一條母線附近的約十把截齒(前次切割留下的斷面應(yīng)該是個圓弧面)，所以應(yīng)加大推進力。切割煤時，由式(2.23)?。?2.23)計算得到：為117.9KN；為353.7KN；為176.8KN；為129.7KN；為389.1KN；為194.5KN。(4)回轉(zhuǎn)臺水平回轉(zhuǎn)油缸對截割頭產(chǎn)生的作用力①回轉(zhuǎn)沿油缸推進力、回轉(zhuǎn)油缸的拉力可由式（2.24）、(2.25)計算：=πp/4(2.24)=π(-)p/4(2.25)計算得到：FH1為75398N；FH2為57933N。式中p為油泵額定壓力,MPa;為回轉(zhuǎn)油缸直徑,cm，為回轉(zhuǎn)油缸直徑,cm。②為回轉(zhuǎn)臺中心支點,轉(zhuǎn)矩由由式(2.26)、式(2.27)知：=(+)×(2.26)=/(2.27)經(jīng)過計算得到：MH為113851N.m；FH為17717N。(5)截割部上、下運動推動油缸對截割頭產(chǎn)生的力如圖2.6所示作用力、由式（2.28）、（2.29）的確定。圖中為截割部上、下運動的支點。==(2-W)/（2.28）==(2-W)/（2.29）①已知數(shù)據(jù)如表2.3所示。表2.3已知參數(shù)（m）（m）（m）W（N）（N）（N）5.671.980.9480000282743157079②推動油缸推進力、推動油缸的拉力如式（2.30）、(2.31)所示：=π/4（2.30）=π(-)/4(2.31)式中：，為推動油缸直徑，cm；為油缸額定壓力，MPa。經(jīng)過計算得：為282743N，為157079N。圖2.6截割頭水平受力Lv1③力和力矩的計算結(jié)果如表2.4所示表2.4力和力矩（N）（N）（N.m）（N.m）65581240611152642292.5掘進機截割頭在正常截割狀態(tài)下，截齒受到截割阻力、牽引阻力和側(cè)向力。而具體的某個截割頭的截割受力與相鄰截線上的截齒排列方式有關(guān)系。當相鄰兩條截線上的截齒在同一個葉片上，這種截割方式為順序式截割；當相鄰兩條截線上的截齒不在同一個葉片上，這種截割方式稱為交叉式截割。順序式截割，屬半封閉式截割，有明顯的側(cè)向力；交叉式截割，屬淺封閉式截割，截齒幾乎不受側(cè)向力。在計算瞬時載荷之前，對截齒的平均受力、截割頭對旋轉(zhuǎn)軸的截割阻力矩、截割電機的功率及其單位能耗等參數(shù)指標進行計算評估，與瞬時負載情況對比分析，對以后瞬時負載、功率等計算有指導(dǎo)意義。（1）單個截齒平均截割阻力z載荷公式[12]由式（2.32）知：（2.32）鎬形齒牽引阻力y公式由式（2.33）知：N（2.33）鎬齒承受側(cè)向力x計算公式由式(2.34)知：，N (2.34) 式中：Pk為截齒類型系數(shù)，鎬形齒1.5，徑向齒為1；Kz為截齒幾何形狀影響系數(shù)，鎬形齒Kg=KψKψ’Kd，徑向齒Kg=KbKd；Kψ為硬質(zhì)合金刀頭形狀系數(shù)；Kψ’為刀桿頭部形狀系數(shù)；Kd為硬質(zhì)合金刀頭直徑系數(shù)；Kb為截齒刀部寬度影響系數(shù)，Kb=0.92+0.01b，b是刀齒刃布寬度，單位mm；Kg為截齒前刃面形狀影響系數(shù)，前刃面是平面，取1，橢圓形或頭形前刃面取0.95；Ky’為截齒截角影響系數(shù)；T為平均截線距，mm；H為平均切屑厚度，mm；Sj為齒的后刃面磨鈍后在牽引方向投影面積，mm2，徑向齒取30-40mm2，切向齒取15-20mm2。（2）對截割頭旋轉(zhuǎn)軸的截割阻力矩計算[13]由式（2.35）知：（2.35）式中：z為作用在一個截齒上的截割阻力，N；m為每條截線上的齒數(shù)；p為截割頭上的總截線條數(shù)；Dcp為截割頭平均直徑，m；L為截割頭長度，m；Sk為過截割頭轉(zhuǎn)軸的截割頭縱斷面面積，m2;kTp為考慮同時截割煤的截齒個數(shù)的系數(shù)，最大取0.5；koc為煤巖體松裂系數(shù)，最大取1。（3）截割電動機功率計算由式（2.36)得：（2.36)式中n0為截割頭每秒轉(zhuǎn)數(shù)；η為工作機構(gòu)傳動效率，可取為0.8。2.5.3二維裝配圖根據(jù)計算所得的數(shù)據(jù)，畫出二維裝配圖，如圖2.7所示圖2.7二維裝配圖2.6本章小結(jié)本章是此次畢業(yè)設(shè)計的重點章節(jié)。本章根據(jù)課題要求對橫軸式掘進機進行了設(shè)計計算，計算過程包括:截割頭的受力運動分析、截割齒的排序方式、截割齒在工作工程中的受力分析等等。通過計算確定了此次畢業(yè)設(shè)計的參數(shù)，這為后面的設(shè)計工作做了準備。3.掘進機的三維建模與運動學仿真3.1截割頭三維建模3.1.1截割頭的建模（1）打開ProE軟件，準備建模①：建立新文件[14]。單擊“文件”→“新建”菜單項，在彈出的“新建”對話框中，選擇“零件”，在“名稱”中輸入文件名“jiegetou”,使用公制模板mmns_part_solid，單擊“確定”按鈕，進入零件設(shè)計界面。②：激活旋轉(zhuǎn)特征命令。單擊“插入”→“旋轉(zhuǎn)”選項，系統(tǒng)進入旋轉(zhuǎn)特征建立界面，彈出如圖3.1所示旋轉(zhuǎn)特征操控面板。圖3.1旋轉(zhuǎn)特征操控面板圖3.2【草繪】對話框圖3.3截割頭旋轉(zhuǎn)草圖③：定義旋轉(zhuǎn)特征的截面。點擊”放置”，出現(xiàn)如圖3.2所示“草繪”滑動面板，單擊“定義”按鈕，彈出。選擇草繪平面，并定義旋轉(zhuǎn)中心線，繪制截割頭旋轉(zhuǎn)平面。如圖3.3所示。（2）確定旋轉(zhuǎn)特征的旋轉(zhuǎn)角度模式，制定旋轉(zhuǎn)角度為360゜（3）預(yù)覽特征。單擊操控面板中的圖標，瀏覽所創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)特征，若不符合要求，按“暫?！眻D標推出暫停模式，繼續(xù)編輯特征。（4）完成特征。單擊操控面板中的“完成”圖標，完成旋轉(zhuǎn)特征。如圖3.4所示。圖3.4旋轉(zhuǎn)所得的截割頭初步圖形（5）選擇合適的位置，做一個平面，并在此平面上進行一個小小的拉伸與上一步中所得的旋轉(zhuǎn)圖形進行相交，得到一條螺旋線。（6）截割頭底座的繪制第一步：激活拉伸特征命令。單擊“插入”→“拉伸”選項，系統(tǒng)進入拉伸特征建立界面，彈出拉伸特征操控面板，如圖3.5所示。圖3.5拉伸操控面板第二步：定義草繪截面并繪制草圖。定義一個內(nèi)部草圖作為拉伸特征的截面。①單擊操控面板上的“放置”按鈕，出現(xiàn)如圖3.6所示的“草繪”滑動面板，單擊“定義”按鈕，彈出“草繪”對話框如圖3.7所示。圖3.6“放置”滑動面板圖3.7“草繪”對話框②指定草繪平面和草繪平面的參照并繪制草圖。（7）預(yù)覽特征。單擊操控面板中的圖標，瀏覽所創(chuàng)建的旋轉(zhuǎn)特征，若不符合要求，按“暫停”圖標推出暫停模式，繼續(xù)編輯特征。（8）完成特征。單擊操控面板中的“完成”圖標，完成旋轉(zhuǎn)特征。如圖3.8所示。圖3.8帶截齒座的截割頭3.1.2截割齒的建模截割頭的建模：打開Proe軟件，新建文件，利用旋轉(zhuǎn)，拉伸等做出截割齒。截割齒如圖3.9所示。圖3.9截割齒3.1.3截割頭端蓋的建模第一步：打開Proe軟件，單擊“文件”→“新建”菜單項，在彈出的“新建”對話框中選擇“零件”，輸入文件名“jiegetouduangai.prt”,單擊單擊確定按鈕，進入零件界面。第二步：激活拉伸特征命令。單擊“插入”→“拉伸”選項，系統(tǒng)進入拉伸特征建立界面，彈出拉伸特征操控面板，如圖3.10所示。圖3.10拉伸操控面板第三步：定義草繪截面并繪制草圖。第四步：預(yù)覽、完成特征。第五步：重復(fù)以上步驟便可以得到截割頭端蓋圖形，如圖3.11所示。圖3.11截割頭端蓋3.1.4截割頭的組裝第一步：打開Proe軟件，單擊“文件”→“新建”菜單項，在彈出的“新建”對話框中選擇“組件”，輸入文件名“jiegetouzuzhuang.asm”，單擊“確定”按鈕進入組件裝配截面。第二步：在子部件中裝入第1個元件。單擊“插入”→“元件”→“裝配”菜單項，從彈出的“打開”對話框中找到“jiegetou.prt”，單擊“打開”按鈕。在操控面板中選取約束類型為“缺省”，完成第1個元件的裝配。圖3.12截割頭組裝第三步：裝入第2個元件“jiegechi.prt”。同理激活元件裝入命令，并找到零件“jiegechi.prt”，在操控面板中建立約束。不斷重復(fù)此步驟，完成截割齒的裝配。完成組件裝配如圖3.12所示。3.2其他重要零件的三維建模3.2.1截割頭齒輪軸的三維建模（1）截割頭齒輪軸的作用齒輪軸主要是為了將減速器輸出的力矩傳遞到左右截割頭上，從而使其工作，齒輪軸與截割頭的連接方式為鍵連接，齒輪軸左右兩側(cè)各有兩個半圓鍵，傳遞動力時靠鍵傳遞。（2）截割頭齒輪軸的三維建模齒輪軸在建模過程中主要是運用拉伸、旋轉(zhuǎn)、鏡像等特征命令，其三維圖形如圖3.13所示。圖3.13截割頭齒輪軸三維圖3.2.2截割部的三維建模（1）截割部的作用截割部是安裝此橫軸式掘進機減速器的箱體，截割部后面通過螺栓與截割部后連接，截割部后是安裝減速器電動機的地方，通過電動機的轉(zhuǎn)動，將動力傳遞給減速器；截割部的前方通過軸與左右截割頭相連，并將減速器中得轉(zhuǎn)矩傳出傳遞給軸，并通過軸來帶動左右截割頭的轉(zhuǎn)動。（2）截割部建模過程截割部后的建模過程主要是應(yīng)用Proe中得拉伸、旋轉(zhuǎn)、輪廓筋、鏡像、陣列等特征命令做出，其三維圖形如圖3.14所示。圖3.14截割部三維圖形3.2.3截割部后的（1）截割部后的作用截割部后是此次設(shè)計的橫軸式掘進機中安放減速器電動機的地方，此部分作用比較重要，其內(nèi)部安裝電動機，可以輸出一定的轉(zhuǎn)矩。截割部后前方與截割部相連，截割部后中電動機輸出的轉(zhuǎn)矩傳遞給截割部中得減速器，從而使得減速器獲得轉(zhuǎn)矩，而減速器輸出轉(zhuǎn)矩則可以通過齒輪軸帶動左右截割頭工作，截割部后后面與回轉(zhuǎn)臺相連。（2）截割部后建模過程截割部后主要是運用Proe中的拉伸、鏡像命令，截割部后是左右對稱的，因此在進行三維建模的時候主要是先做了一邊，然后進行鏡像。截割部后三維建模圖形如圖3.15所示。圖3.15截割部后三維建模圖形3.2.4回轉(zhuǎn)臺（1）回轉(zhuǎn)臺的作用回轉(zhuǎn)臺主要用于控制掘進機上下運動和左右擺動，回轉(zhuǎn)臺與懸臂液壓缸，拉桿液壓缸相連接，通過液壓缸的伸縮實現(xiàn)掘進機的上下、左右運動。圖3.16回轉(zhuǎn)臺三維建模圖形（2）回轉(zhuǎn)臺的建模過程回轉(zhuǎn)臺建模過程中主要是運用拉伸、鏡像等特征命令實現(xiàn)，其三維建模圖形如圖3.16所示。3.2.5三維裝配圖及爆炸圖將各個零件組裝起來就得到如圖3.17所示的三維裝配圖，以及如圖3.18所示的爆炸圖。圖3.17三維裝配圖圖3.18三維爆炸圖3.3齒輪軸的運動學仿真Pro/Engineer的機械設(shè)計擴展(mechanismdesignextension,MDX)包含機構(gòu)設(shè)計(mechanismdesign)和機構(gòu)動力學(mechanismdynamics)兩部分內(nèi)容，描述了在Pro/Engineer組件模式下將組件創(chuàng)建為運動結(jié)構(gòu)并分析其運動的過程，內(nèi)容包括創(chuàng)建機構(gòu)模型，以及測量、觀察、分析在受力和不受力情況下機構(gòu)的運動情況。運動學和動力學是工程力學研究的兩個重點內(nèi)容，運動學運用幾何學的方法來研究物體的運動，不考慮力和質(zhì)量等因素的影響，而物體運動和力的關(guān)系，則是動力學得研究內(nèi)容。使用Proe的機構(gòu)設(shè)計模塊進行運動學仿真的大體過程為：建立零件→裝配運動模型→添加伺服電動機→分析→查看分析結(jié)果。具體過程如下：（1）裝配運動模型裝配時，首先裝配基座，定義為“缺省”或者“固定”，然后安裝回轉(zhuǎn)臺，定義為“銷釘”，液壓缸中，液壓桿相對于液壓套筒定義為“滑動桿”，裝配液壓缸時，要對液壓缸進行兩次“銷釘”連接。（2）添加伺服電動機安裝定義完成后，點擊“應(yīng)用程序”→“機構(gòu)”，進入機構(gòu)運動仿真界面。所定義的銷釘連接或者滑動桿連接都會出現(xiàn)箭頭，可以加入電動機。單擊“插入”→“伺服電動機”，再單擊液壓缸上的滑動塊標記，點擊“輪廓”，定義電動機參數(shù)，設(shè)置速度為20mm/s。如圖3.19所示，并設(shè)置其他電機。圖3.19伺服電機的定義（3）機構(gòu)分析加完電機后，單擊“分析”→“機構(gòu)分析”，彈出“分析定義”對話框。設(shè)置各個電動機的運動時間，如圖3.20所示。設(shè)置完成后，單擊“運行”，可看到機構(gòu)的運動。圖3.20定義電機運轉(zhuǎn)時間（4）查看分析結(jié)果并截圖點擊“回放”按鈕，然后設(shè)置保存路徑，點擊“捕獲”就可以將剛才設(shè)置的運動保存成動畫。運動仿真動畫如圖3.21所示。圖3.21運動仿真動畫截圖3.4本章小結(jié)本章主要介紹了三維建模，以及對此次畢業(yè)設(shè)計中的關(guān)鍵零部件進行了三維建模及組裝,這些關(guān)鍵零部件包括截割頭、截割部、截割部后、回轉(zhuǎn)臺等。利用三維建模可以將設(shè)計零件的外形很好的表達出來，讓人看起來更加的直觀、更容易理解。而且三維建模后還可以利用Pro/Eingeer軟件進行運動仿真，觀察所設(shè)計掘進機的工作工程。

4.端蓋數(shù)控加工數(shù)控加工是一種用數(shù)字化的代碼作為指令，由機床數(shù)控系統(tǒng)進行處理，并驅(qū)動刀具或工件按照指定路線進行運動從而完成零件的自動加工。4.1數(shù)控加工的概述4.1.1數(shù)控加工的一般原理在數(shù)控機床加工零件時，首先要將被加工零件的幾何信息和工藝信息數(shù)字化。現(xiàn)根據(jù)零件的加工圖樣的要求，確定零件的加工工藝過程、工藝參數(shù)、刀具參數(shù)，再按照數(shù)控機床規(guī)定才用的代碼和程序格式，將與加工零件有關(guān)的信息如工件的尺寸、刀具運動中心軌跡、位移量、切削參數(shù)以及輔助操作，等編制成數(shù)控加工程序，然后將程序輸入到數(shù)控裝置中，經(jīng)數(shù)控裝置分析處理后，發(fā)出指令控制機床進行自動加工。4.1.2數(shù)控加工的特點數(shù)控加工與普通機床加工在方法與內(nèi)容上有許多相似之處，不同點主要變現(xiàn)在控制方式上。在普通機床上加工零件時，是用工藝卡片、工藝規(guī)程來規(guī)定每道工序的操作程序，操作人員按規(guī)定的步驟加工零件。而在數(shù)控加工機床上加工零件時，要把被加工的全部工藝過程、工藝參數(shù)和位移數(shù)據(jù)編織成程序，并以數(shù)字信息的形式記錄在控制介質(zhì)上，用它來控制機床加工。因此，與普通機床相比，數(shù)控加工具有如下特點：（1）數(shù)控加工工藝內(nèi)容要求具體而詳細。（2）數(shù)控加工工藝要求嚴密而精確。（3）制定數(shù)控加工工藝要進行零件圖形的數(shù)學處理和變成尺寸設(shè)定值的計算。（4）選擇切削用量時，要考慮進給速度對加工零件形狀精度的影響。（5）數(shù)控加工工藝具有特殊的要求。4.2端蓋銑削加工4.2.1端蓋零件模型分析端蓋零件的模型如圖4.1所示。端蓋零件主要由凸臺和孔組成，要加工的面包括外形輪廓面、上表面、臺階、4個孔等。4個孔采用鉆削完成，而其他面可采用各種銑削方法完成。圖4.1端蓋零件的模型4.2.2端蓋的上表面可以使用Pro/NC模塊的端面銑削加工，凸臺輪廓及其端面可以使用體積塊粗加工，4個孔采用鉆孔方式加工。攻工步的加工內(nèi)容、加工方式和所用的刀具如表4.1所示。表4.1加工順序序號加工內(nèi)容加工方式刀具1銑上面端面銑削加工Φ60平底刀2加工外形輪廓面孔加工Φ16平底刀3加工上面、臺階輪廓和端面輪廓銑削加工Φ20外圓角銑刀4鉆4個小孔輪廓銑削加工Φ40鉆頭4.2.2數(shù)控加工（1）新建數(shù)控加工文件①設(shè)置工作目錄。選擇“文件”→“設(shè)置工作目錄”命令，彈出“選取工作目錄”對話框。在磁盤中選擇合適位置作為當前工作目錄，單擊“確定”按鈕，完成設(shè)置。②單擊“文件”工具欄上的“新建”按鈕，彈出“新建”對話框，。在“類型”選項組中選擇“制造”單選按鈕，在“子類型”選項組中選擇“NC組件”單選按鈕，在“名稱”文本框中輸入文件名“duangaiNC”，取消選中“使用缺省模板”復(fù)選框單擊“確定”按鈕，彈出如圖4.2所示的“新文件選項”對話框。③在“新文件選項”對話框中的模板選項組中選取mmns_mfg_nc模板，然后單擊“確定”按鈕。圖4.2“新文件選項”對話框圖4.3加載參照模型（2）建立制造模型①加載參照模型。單擊“制造元件”工具欄上的“裝配參照模型”按鈕“裝配”，彈出“打開”對話框，然后選擇模型文件duanggai.prt，單擊“確定”按鈕后，彈出“元件放置”操控板，選擇約束類型為“缺省”，從操控板中間位置可知元件完全約束。單擊“完成”按鈕，加載參照模型，如圖4.3所示。②創(chuàng)建工件，具體步驟如下：步驟一：單擊“制造元件”工具欄上的“自動工件”按鈕，打開“自動工件”操控板，選中“創(chuàng)建矩形工件”按鈕，創(chuàng)建矩形工件，如圖4.4所示。圖4.4“自動工件”操控板步驟二：在操控板右上角選擇“坐標系”選項，在模型樹中選擇NC_ASM_DEF_CSYS坐標系，然后單擊“選項”按鈕，彈出“選項”上滑面板，設(shè)置矩形工件的尺寸如圖4.5所示。步驟三：單擊操控面板右側(cè)的“完成”按鈕，建立工件，如圖4.6所示。圖4.5“選項”上滑面板圖4.6創(chuàng)建的工件（3）操作設(shè)置①定義操作名稱。選擇“步數(shù)”→“操作”命令，彈出“操作設(shè)置”對話框，保留默認的操作名稱，如圖4.7所示。圖4.7“操作設(shè)置”對話框②機床設(shè)置。單擊“操作設(shè)置”對話框中的“機床”按鈕，打開“機床設(shè)置”對話框。使用默認的機床名稱，選擇“3軸”聯(lián)動數(shù)控機床，如圖4.8所示。單擊“確定”按鈕，返回“操作設(shè)置”對話框。圖4.8“機床設(shè)置”對話框③選擇加工坐標系④定義退刀面。在“操作設(shè)置”對話框的“退刀”選項組中單擊“曲面”后的按鈕，打開“退刀設(shè)置”對話框，在“值”下拉列表框中輸入10，如圖4.9所示。（4）上表面端面銑削加工①單擊“NC銑削”工具欄上的“端面銑削”按鈕，彈出”NC序列”菜單。在“NC序列”菜單中選擇“序列設(shè)置”→“刀具”→“參數(shù)”→MatchGeom→“完成”命令。圖4.9“退刀設(shè)置”對話框②刀具設(shè)置。設(shè)置刀具參數(shù)，如圖4.10所示。圖4.10“刀具設(shè)定”對話框③加工參數(shù)的設(shè)定。設(shè)置銑削加工參數(shù)如圖4.11所示。圖4.11“編輯序列參數(shù)‘端面銑削’”對話框④選取銑削曲面。系統(tǒng)彈出“曲面“對話框，提示選取加工面。此處采用創(chuàng)建的方法建立銑削曲面，如圖4.12所示。圖4.12選擇銑削曲面⑤刀具路徑的演示與檢測，步驟如下。步驟一：在“NC序列”菜單中依次選擇“播放路徑”→“屏幕演示”命令，如圖4.13所示，系統(tǒng)彈出如圖4.14所示的“播放路徑”對話框。圖4.13所示命令順序圖4.14所示“播放路徑”對話框步驟二：單擊“播放路徑”對話框中的“播放”按鈕，系統(tǒng)開始在屏幕上動態(tài)演示刀具路徑，如圖4.15所示。刀具路徑演示完成后，單擊“關(guān)閉”按鈕。圖4.15刀具演示路徑步驟三：選擇“NC序列”菜單中的“完成序列”命令，完成序列設(shè)置。（5）外形輪廓銑削加工外形輪廓銑削加工的步驟和方法與上表面端面銑削加工類似，此處不再贅述，其刀具演示路徑如圖4.16所示。圖4.16刀具演示路徑（6）體積塊銑削加工臺階體積塊銑削加工臺階的步驟和方法與上表面端面銑削加工類似，此處不再贅述，其刀具演示路徑如圖4.17所示。圖4.17刀具演示路徑（7）鉆四個小孔加工此過程與前面幾個相比，其步驟則和前面的過程類似，其刀具演示路徑如圖4.18所示。（8）后置處理生產(chǎn)加工程序①選擇“編輯”→“CL數(shù)據(jù)”→“輸出”，彈出“選取特征”菜單。選擇“操”作→“OP010命令”。圖4.18刀具演示路徑②在彈出的軌跡菜單中選擇“文件”選項，彈出“輸出類型”菜單。③在輸出類型中選擇“CL文件”→“交互”→“完成”命令，系統(tǒng)彈出“保存副本”對話框，使用默認的文件名op010.ncl，單擊“確定”完成CL文件的創(chuàng)建。④選擇“工具”→“CL數(shù)據(jù)”→“播放路徑”命令，系統(tǒng)彈出打開對話框，選擇上一步創(chuàng)建的后處理文件：op010.ncl，單擊“打開”按鈕。圖4-20查看數(shù)控加工程序⑤在彈出的“后置處理選項”中選擇“詳細”和“跟蹤”命令后，在彈出的“后置處理列表”中選擇UNCX01.P11，系統(tǒng)彈出“命令提示符”窗口，輸入程序號1000后，系統(tǒng)自動在后臺進行后置處理，后置處理完畢后NC代碼存放在op010.tap文件中。⑥在目前的工作目錄下，用“記事本”程序打開保存的op010.tap文件，生成的數(shù)控加工程序如圖4-20所示。生成的所有程序代碼在附錄二中。4.3本章小結(jié)本章主要介紹了數(shù)控加工原理和特點，以及利用Pro/Eingeer軟件進行數(shù)控加工的步驟。此次數(shù)控加工以銑削加工端蓋為例說明了數(shù)控加工的過程，其中重要的步驟包括上表面端面銑削加工、外形輪廓銑削加工、體積塊銑削加工、臺階鉆四個小孔加工、后置處理生產(chǎn)加工程序等，其虛擬加工方式可以讓人看到零件的加工過程。

5.齒輪軸ANSYS分析5.1齒輪軸ANSYS分析過程ANSYSWorkbench是ANSYS公司開發(fā)新一代的CAE應(yīng)用及開發(fā)平臺[15]。ANSYSWorkbench主要包括[16]：參數(shù)化建模模塊、分析工具模塊、優(yōu)化設(shè)計模塊三個模塊。對截割部齒輪軸進行靜力學分析，齒輪軸的材料為結(jié)構(gòu)鋼，具體分析過程如下：(1)：建立靜力分析系統(tǒng)打開ANSYS（workbench），雙擊“Toolbox”中的“StaticStructural”，建立靜力分析系統(tǒng)。(2)：導(dǎo)入模型右擊“Geometry”，從彈出的子模塊中選擇“ImportGeometry”，將“chilunzhou.igs”文件導(dǎo)入系統(tǒng)。如圖5.1所示。圖5.1導(dǎo)入模型(3)：選擇單位并建立網(wǎng)格雙擊“Model”，開“Mechanicalapplication”，在彈出的窗口中先選擇單位。即單擊“Units”從中選擇“mm，kg，N，s，mV，mA”選項。右擊“Project”中的“Mesh”，選擇“GenerateMesh”，可自動生成網(wǎng)格，如圖5.2所示。(4)：選擇材料從“MechanicalApplicationWizard”中單擊“VerifyMaterial”，選擇“structuralsteel”，即結(jié)構(gòu)鋼。(5)：加載力圖5.2建立網(wǎng)格方法及結(jié)果在“MechanicalApplicationWizard”中選擇“InsertStructuralLoads”，在彈出的提示框中選擇“Force”，先選擇受力面，選擇后點擊“Apply”應(yīng)用。(6)：給部件施加約束在“Wizard”中選擇“InsertSupports”，從彈出的提示框中選擇“Fixedsupport”，并選擇底面使其約束。(7)：選擇要生成的結(jié)果并生成結(jié)果右擊“Solution”→“Insert”，從彈出的選擇框中選擇“TotalDeformation”、“Equivalentstress”、“SafetyFactor”。選擇完成后，右擊“Solution”→“Solve”，生成結(jié)果如圖5.3~5.5所示。圖5.3總變形根據(jù)分析結(jié)果可知，當齒輪軸受力時，其最大變形為0.010769mm,因為變形相當?shù)男。钥梢院雎?。從所得分析圖（5.4）中可以看到，鎬齒的最大變形分布在齒尖，所以鎬齒的破壞形式主要是在齒尖周圍，而不是齒根處。截齒最大的等效應(yīng)力也是在齒尖處（圖5.6）。究其原因，是由于截齒在截割煤巖過程中，截齒齒尖周圍處所受集中力產(chǎn)生的，這也是硬質(zhì)合金刀頭折損的一個重要原因。通過一系列的分析，可以知道在設(shè)計截齒時，最重要的是刀頭材料的選取。因此，選取耐用的材料，是設(shè)計截齒的重點。圖5.4等效應(yīng)力齒輪軸的材料為結(jié)構(gòu)鋼，所能承受應(yīng)力為220MPa，根據(jù)等效應(yīng)力圖結(jié)果所示，齒輪軸所受的最大應(yīng)力為33.107MPa.，所以可以滿足使用要求。圖5.5安全系數(shù)由結(jié)構(gòu)鋼的材料安全系數(shù)可知，其安全系數(shù)S=2，根據(jù)分析結(jié)果知，齒輪軸受力時的最小安全系數(shù)是S=7.5512，所以齒輪軸的安全系數(shù)符合要求。綜上可知，齒輪軸能夠滿足工作要求。5.2本章小結(jié)本章是比較重要的一章，本章介紹了ANSYS軟件的使用方法，以及利用ANSYS軟件分析所設(shè)計關(guān)鍵零部件的可靠性，本章以分析截割頭齒輪軸為例介紹ANSYS的使用方法。分析內(nèi)容包括齒輪軸所受的等效應(yīng)力圖、齒輪軸受力后的總的變形圖、齒輪軸的安全系數(shù)圖三個方面。從結(jié)果中可以看到所設(shè)計的這個零部件是符合工作要求的。

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