礦山水倉清淤機工作裝置的設計

浙江科技學院本科畢業(yè)設計（論文）PAGEPAGE37礦山水倉清淤機工作裝置的設計（機械與汽車工程學院指導教師：）摘要：水倉是井下同一水平處水的流經(jīng)通道，同時還肩負著沉淀水中的煤粉及雜質(zhì)的作用，其出口處的清水由水泵排至地面。由于煤粉及雜質(zhì)不斷沉積，水倉被淤泥裝滿后必須及時的清理，否則會影響礦井的正常排水，甚至導致淹井等重大事故。這也是本課題中所要研究開發(fā)的清淤機的功用所在。礦山水倉清理的機械化是眾多礦山企業(yè)多年來一直未能很好解決的難題。隨著煤炭工業(yè)的機械化、自動化水平的不斷提高，實現(xiàn)礦山水倉清淤的機械化已經(jīng)是擺在礦山企業(yè)面前急需解決的問題。以前的各種清倉方式和設備存在著工期長、效率低，或是費用高、維護困難等不同缺點。所以研制一種全新的、高效可靠的、符合井下工作要求的水倉清理工作裝置具有非常重要和長遠的意義。該課題源于目前企業(yè)的實際情況提出，且需求量大。全國有近萬家礦山開采企業(yè)，該課題的研究對提高清理水倉效率、降低工人勞動強度意義重大，也擁有廣闊的市場和應用前景。本論文介紹了該新型礦山清淤機的工作裝置的設計思路與過程。在該課題中所研制的礦山清淤機應當具有以下主要特點：（1）體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，機動靈活可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，特別適用井下狹小空間里作業(yè)；（2）工作裝置可以相對車身進行旋轉(zhuǎn)，本身不動的情況下也同樣可以鏟泥工作；（3）該工作裝置應該具有通用性，改型容易；（4）該工作裝置應該實現(xiàn)連續(xù)式的裝載要求，切實提高井下的工作效率和安全可靠性。根據(jù)上述的功能要求，本文作者在查閱了許多相關文獻資料并分析比較了國內(nèi)外現(xiàn)有對水倉清理技術的研究的優(yōu)缺點基礎上，確定了該工作裝置的設計方案并進行了相應的結(jié)構(gòu)設計。本論文通過對國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析、方案設計、工作裝置的結(jié)構(gòu)設計以及零部件的設計與計算等多方面闡述了該新型工作裝置的創(chuàng)新。關鍵詞：清淤機；工作裝置；圓環(huán)鏈；連續(xù)裝載Abstract：Undergroundsumpisthechannelwherethewaterflowsthroughundertheminewell.Anditshouldprecipitatethecoalandimpuritiesinwateratthesametime,andthecleanwaterisdrainedoffthroughthepumps.Becausethecontinuousprecipitationofthecoalandimpurities,thestoragemustbecleanedintimeafterbeingfilledwiththesludge,otherwiseitmayaffectthenormalminedrainage,andmayevenleadtothebigincidentsasdrownthewell.Thisistheissueinwhichtheresearchofthecleanmudmachine’sfunctionslie.Themechanizationofthecleanmachineusedintheminesumpsistheproblemwhichmanyminingenterpriseshavefailedtoproperlyresolve.Withthelevelofmechanizationandautomationinminingindustryimproved,thesump’scleaningismechanizedhasbeenplacedbeforetheminingenterpriseswhichneedtosolve.Thepreviousclearingmethodsandequipmentexistsmanydifferentdisadvantages,suchaslongperiod,inefficient,orthehighcostanddifficultyofmaintenance.Therefore,itisveryimportantandlong-temsignificantthattodevelopanewsumpcleaningmachine,whichishighlyefficientandreliable,andundergroundworkinlinewiththerequirements.Thisissuestemsfromtheactualsituationandithashighdemand.Thereareapproximately10000miningenterprises,theresearchofthetaskhasgreatsignificanceinimprovingtheefficiencyofcleaningthesumpandreducinglaborintensity.Butithasavastmarketandapplicationprospects.Thistextintroducedthenewmineclearingmachine’sworkingequipmentanditsdesignthinkingandprocess.Thenewworkingequipmentdevelopedinthissubjectshouldhavethefollowingmaincharacteristics:1)Smallsize,compactstructureandflexibilitytochangedirectionintheoriginalplace,particularlysuitablefortheundergroundworkinthesmallwell.2)Theworkingequipmentcanrelativelyrotatecomparedtothemachinebody,anditalsocanspadesoilwhenitdoesn’tmove.3)Theequipmentshouldbecommonused,andeasytobemodified.4)Theequipmentshouldmeetrequirementsofcontinuousloading,andimprovingtheefficiencyofundergroundwork,safetyandreliability.Accordingtotheabovefunctionrequirements,theauthorturnstomanyrelevantreferences,comparesandanalysesthedifferencesoftheexistingdomesticandinternationalresearchesaboutsumpcleaningtechnology.Basedonthecomparison,theresearcherdeterminesthedesignprogramofthisnewworkingequipmentanddoestherelevantstructuraldesign.Thethesisinterpretsthisnewequipment’sinnovationsbyanalyzingthepresentsituation,doingtheprogramdesignandthestructuraldesignanddesigningcomponentsandtherelevantcalculation.Keywords:mudcleaningmachine；workingequipment；ringchain；continuousloading第一章緒論1.1引言水倉是井下同一水平處水的流經(jīng)通道，同時還肩負著沉淀水中的煤粉及雜質(zhì)的作用，其出口處的清水由水泵排至地面。由于煤粉及雜質(zhì)不斷沉積，水倉被淤泥裝滿后必須及時的清理，否則會影響礦井的正常排水，甚至導致淹井等重大事故。這也是本課題中所要研究開發(fā)的清淤機的功用所在。礦山水倉清理的機械化是眾多礦山企業(yè)多年來一直未能很好解決的難題。隨著礦山機械化、自動化水平的不斷提高，實現(xiàn)礦山水倉清淤的機械化已經(jīng)是擺在礦山企業(yè)面前急需解決的問題。以前的各種清倉方式和設備存在著工期長、效率低，或是費用高、維護困難等不同缺點。所以研制一種全新的、高效可靠的、符合井下工作要求的水倉清理工作裝置具有非常重要和長遠的意義。該課題源于目前企業(yè)的實際情況提出，且需求量大。全國有近萬家礦山開采企業(yè)，該課題的研究對提高清理水倉效率、降低工人勞動強度意義重大，也擁有廣闊的市場和應用前景。這也是對本課題進行立項研究的背景和意義前景。1.2水倉清理技術現(xiàn)狀一般情況下，礦井的每個水平必須設置兩個水倉，分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)，長度在300—1000m左右。每個水平的掘進和采煤等工作面涌出的污水由潛水泵抽出，通過一系列的明渠、暗道，污水挾裹著煤泥等雜質(zhì)污垢流入所在水平的水倉。通常情況下水倉每年清挖一次，但涌水較大的礦井或水平，則須清挖2～3次，以保證生產(chǎn)的需要。匯總目前國內(nèi)外清理水倉的方法主要有以下幾種：①人工清理。這是全國目前絕大多數(shù)礦井采用的清理方式。清理過程為：人工裝罐（礦車）→移罐→絞車拉入主巷道→副井提升至地面，一般需要2名工人用鐵鍬裝罐，裝滿后再由2～3人移罐。由于作業(yè)環(huán)境惡劣，工人勞動強度大，作業(yè)效率低；②采用排污泵及管道直接將泥漿從井下排至地面。該方案從理論上將是比較先進的，但該系統(tǒng)投資較大，可靠性較差，維護費用高。③微型裝載機清倉。這種方式提高了作業(yè)效率，降低了工人的勞動強度，但由于裝罐過程不連續(xù)，操縱繁雜等問題未能很好解決，故企業(yè)并不很多。④污泥泵—脫水設備清倉。這種方式是將脫水設備和罐籠放置在水倉進口處，其清倉流程是：污泥泵→抽排設備→過濾緩沖器→加壓設備→脫水設備→裝罐籠。在清倉過程中，需要不斷向被清水倉內(nèi)注水，同時隨著清理距離延長，要不時地更換管道長度。另外該清理水倉方式還存在使用設備較多。⑤振動篩清淤法，用振動篩將淤泥分級，將顆粒較大的雜物篩出后裝入礦車，余下的煤泥水進入排水系統(tǒng)。其缺點是細小的淤泥返回水倉，無法將淤泥徹底清理[7-11]。在上述幾種傳統(tǒng)的清淤方法中，存在的突出問題：（1）糊狀淤泥清理不徹底；（2）淤泥中水含量大，不便運輸；（3）顆粒較大的淤泥無法用柱塞泵排至地面；（4）環(huán)境污染問題。經(jīng)過長期生產(chǎn)實踐，通過對水倉淤泥特點的觀察研究，涉及的一種新型先進的清淤系統(tǒng)能夠比較好地解決上述難題。1.3新型清倉技術的發(fā)展如前所述，現(xiàn)有各種水倉清理技術存在不同的難以克服的缺點，各礦山企業(yè)和研究機構(gòu)均在這一方面投入了相關的關注，投以時間和資金研究開發(fā)新型的高效的機械或系統(tǒng)。努力提高這項工作的效率，提高機械化水平，發(fā)展自動化技術，以便降低人的工作強度，同時增加安全保障和經(jīng)濟效益，保護環(huán)境。經(jīng)過不協(xié)地努力，各研究小組都取得了一定的技術成果，研制出了多種新型的清倉系統(tǒng)或設備。以下列舉兩種較為新型的、試運行效果較佳的技術為例。圖1.1新型水倉清理系統(tǒng)如圖1.1所示，由于在水倉清淤過程中，遇到的糊狀淤泥，清理比較困難，產(chǎn)生糊狀淤泥的原因是淤泥中水的含量太大如果能將淤泥中的水分離出來，水分較少的淤泥和分離出的水分別運輸和處理，是一種有效的辦法，此系統(tǒng)借鑒了洗煤廠洗煤過程中壓濾機處理煤泥水的工作原理。壓濾機一般只能處理0.5mm以下的雜物，而水倉積淤中存在有大量超過0.5mm的顆粒狀煤和其他雜物，這里借鑒了振動篩清淤系統(tǒng)的原理，將0.5mm以上的顆粒狀雜物分級篩選出來進行處理。壓濾機只處理0.5mm以下的雜物。根據(jù)調(diào)研，直線振動篩的工作效果較好。通過工藝流程圖來說明新型清淤系統(tǒng)的工作原理，將淤泥稀釋后用排污泵排出。通過直線振動篩分級，將0.5mm以上的顆粒雜物篩選出來，裝入礦車，0.5mm以下的淤泥漿進入壓濾機將水分離，泥餅裝入礦車運走，清水排出。該系統(tǒng)在實際煤礦工作中投入工業(yè)性試運行，效果明顯。而圖1.2所示的是另一種新型的泵式的清倉結(jié)構(gòu)。其主要由工作部分、攪拌部分、行走及制動裝置、控制部分等組成。工作原理為:工作部分由吸漿管8、排漿管6、壓縮空氣管4、漿體罐2、真空泵1、煤漿閥7、壓氣閥5、真空閥3等組成。所有閥門均采用氣動控制。工作時，先將壓氣閥、排漿閥關閉，置真空閥、吸漿閥于開啟位置，置吸漿管進口于漿體中，然后啟動真空泵，隨著漿體罐內(nèi)壓力降低，真空度提高，煤泥漿經(jīng)吸漿管吸入漿體罐內(nèi)，當漿體液位上升到預定高度時，觸發(fā)器接通，控制部分工作，使真空閥和吸漿閥及時關閉，同時停掉真空泵電機，經(jīng)延時后自動開啟排漿閥和壓氣閥.漿體罐內(nèi)進入高壓空氣，煤漿被壓入到清倉機后的礦車內(nèi)，用調(diào)度絞車拉出、換空車后，開始下一個工作循環(huán)。圖1.2新型水倉清理機該結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是：1）該設備從原理到結(jié)構(gòu)都比較簡單，制造、操作均較方便；2）該設備在井下使用過程中，清理范圍大，適應性強，運動靈活；3）煤泥漿體不直接經(jīng)過高速或低速運動的機械部分，所以磨損較小，維修工作量??；4）借助井下現(xiàn)有的壓縮空氣作為排漿動力，簡化了設備的復雜程度。這些新型機械、系統(tǒng)的研制給礦山企業(yè)帶來勃勃生機，也大大促進了礦山機械的大力發(fā)展。從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、功能、制造工藝等各方面做出了創(chuàng)新，大力拉近了我國在礦山機械領域與國際同行業(yè)的距離。1.4課題的提出與本文的主要內(nèi)容隨著國家煤炭工業(yè)的迅速發(fā)展，以及煤炭工業(yè)中生產(chǎn)技術的明顯提高，國家大力推進現(xiàn)代化礦井的建設。這要求在相關技術領域，例如采煤機械、輸送機械等方面以外的其他設備上也要進行創(chuàng)新研究和開發(fā)。所以考察國內(nèi)外針對水倉清理機械的現(xiàn)狀分析，得出結(jié)論是現(xiàn)有的很多技術已經(jīng)不能滿足煤炭企業(yè)的生產(chǎn)要求，必須提高生產(chǎn)效率，縮短清理工期和人員要求。而工作裝置的研究在整個清淤機器中占據(jù)重要地位，所以新型的工作裝置的研究很具有現(xiàn)實意義。本文中所設計的工作裝置是基于斗式提升機、刮板輸送機、以及裝載機的各自優(yōu)點上所研究的。該裝置實現(xiàn)了連續(xù)式的裝載要求，操作方便，大大降低了工人的勞動強度，提高了礦下的效率，從而增加了企業(yè)的經(jīng)濟效益。本文共分為五章，主要內(nèi)容如下“第一章：緒論。介紹了目前國內(nèi)外的清倉技術的現(xiàn)狀和研究情況，提出了本課題的研究目的和內(nèi)容。第二章：介紹了該清倉機的功能介紹和工作狀況的分析，通過對幾種方案設計的多方面的綜合比較，詳細介紹本方案的優(yōu)勢所在。第三章：詳細介紹了該工作裝置的重要結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設計。第四章：通過相關的設計計算，使工作裝置中的各部分結(jié)構(gòu)中的重要零件得到最優(yōu)的結(jié)果。第五章：畢業(yè)設計總結(jié)。總結(jié)本文的研究成果和創(chuàng)新之處，對今后的工作提出了展望。1.5本章小節(jié)本章介紹了清倉技術的現(xiàn)狀和研究情況，綜述了對提出本課題的重要性和目的性。在此基礎上提出了本文創(chuàng)新點，并給出了全文的總體框架。第一章緒論第一章緒論第二章功能分析與方案設計第三章工作裝置的結(jié)構(gòu)設計第四章零件的設計與計算第五章總結(jié)與展望第二章功能分析與方案設計前文分析了研制該新型工作裝置的前提背景與長遠意義，在本章中將主要介紹該新型裝置的功能與工作情況的分析，以及相應的方案的設計與比較。2.1功能分析該新型的工作裝置的主要具有如下功能特點：（1）體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，機動靈活可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，特別適用井下狹小空間里作業(yè)；（2）工作裝置可以相對車身進行旋轉(zhuǎn)，本身不動的情況下也同樣可以鏟泥工作；（3）該工作裝置應該具有通用性，改型容易，大斷面水倉可以改成大的鏟斗，小斷面水倉可采用小水倉，應有較強的適應性；（4）該工作裝置應該實現(xiàn)連續(xù)式的裝載要求，切實提高井下的工作效率和安全可靠性。該工作裝置的工作過程情況如下：首先啟動機器，由鏈輪拖動鏈條及安裝在鏈條上的鏟斗，在鏟斗上設計有滾子，可在由矩形空心方管組成的軌道上運動。如圖2.1中當鏟斗在鏈輪1處鏟裝淤泥，通過上行導軌一直運行至鏈輪3處，進圖2.1清淤機的結(jié)構(gòu)示意圖行卸泥工作，在這里可以加入一個簡單的下拉或者下推鏟斗的動作機構(gòu)，增加鏟斗的運行的瞬間速度，使斗內(nèi)物料卸的更干凈。在運作過程中，可以通過前端的舉升油缸抬高最下部的鏟土的斗的位置，使其可以在較大的垂直距離內(nèi)工作。另外在車臺架上設計了一個油缸，可以推動工作裝置繞一定的支點轉(zhuǎn)動，而車身本身并不旋轉(zhuǎn)，這樣就簡化了機構(gòu)的設計的基礎上，增加了水平工作空間。2.2工作裝置的總體方案設計目前，煤礦下尚無理想的，適合狹小空間工作的裝載機械，例如水倉的各種清理技術或者設備就存在著許多毒缺點。其中工人數(shù)量多、工期長、效率低下、操作復雜，結(jié)構(gòu)上也比較繁冗等是主要顯現(xiàn)的不足。這和相應設備的工作裝置的結(jié)構(gòu)是分不開的，所以研制新型的工作裝置是很重要的，更是開發(fā)新型清倉機械的核心技術。2.2.1方案設計結(jié)合水倉的斷面結(jié)構(gòu)，以及現(xiàn)有清倉設備和礦山機械的特點，做出下述集中可行的方案。而他們各自的優(yōu)缺點將在下一單元進行詳細的對比。⒈微型裝載車式該工作裝置是采用反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)，如圖2.2由于卸料時工作裝置相對于車輛的后半部分做左右各90°的回轉(zhuǎn)，因而工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸將直接影響車輛的工作空間，這就要求工作裝置在滿足要求的前提下，結(jié)構(gòu)尺寸應盡量小，為此對工作裝置進行了優(yōu)化設計，優(yōu)化設計是在追求工作裝置連桿機構(gòu)傳力圖2.2裝載式清倉裝置行走系統(tǒng)；2—平臺；3—電機；4—坐椅；5—操作臺；6—液壓系統(tǒng)；7—工作裝置比最大的同時，使轉(zhuǎn)斗缸的行程達到最短(這樣可使工作裝置的總體結(jié)構(gòu)尺寸為最小)。優(yōu)化設計的工作裝置的結(jié)構(gòu)尺寸比較小，縱向尺寸僅為1206mm。此裝置工業(yè)試用的結(jié)果也比較滿意，工作具有一定的可靠性[7]。⒉刮板輸送式該方案的設計是由鏈傳動機構(gòu)與板式輸送機的的相關結(jié)構(gòu)組成的。行走箱2輸出的動力通過安裝在運輸架上的12、13等一系列的鏈傳動(見圖2.3),在完成減速的同時使刮板輸送機獲得了動力。圖2.3刮板輸送式工作裝置1—電機；2—行走箱；3、11—支撐裝置；4—刮板輸送機；5—軌輪；6—螺旋滾筒給料機構(gòu)；7、10—鏈輪；8—刮板；9—刮板鏈；12、13—進給裝置圖2.4螺旋滾筒給料機構(gòu)1—葉片；2—鏈輪；3—軸；4—筒轂該工作裝置設計有螺旋滾筒給料機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。螺旋滾筒給料機構(gòu)是淤煤裝載機清理淤泥的關鍵工作部。工作時通過鏈輪帶動螺旋滾筒旋轉(zhuǎn),由于螺旋滾筒的兩邊葉片分別為左、右旋向,因此把泥煤往中間推進,而后被刮板刮走。刮板輸送機是淤煤裝載機的中間輸送裝置,通過刮板和刮板鏈的運動,將淤煤從螺旋滾筒機構(gòu)處刮走,裝入礦車。由于刮板所需強度不大,但要耐腐蝕,耐磨損[8]。⒊鏈斗輸送式圖2.5所示的工作裝置是由裝有很多鏟斗的斗鏈與相應的輸送導軌所組成的。其驅(qū)動采用液壓馬達。斗鏈上的刮斗采用拖鏈拖動作連續(xù)循環(huán)運動，當其運行到位于整機前端的豎直前伸段時起鏟掘、提升作用，因此斗的前沿設計有掘齒，必要的話可以由油缸施加推力或振動。刮斗深淺既要使它盛裝學要量的物料、泥水，又能方便傾倒。刮斗處于最低位置時，底端可帖軌面進行作業(yè)，當刮斗運行到整機上部的輸送端時，刮斗傾倒出物料，并起輸送刮板作用。輸送刮板與底盤固定安裝，由行走機構(gòu)調(diào)定尾端與料車對正，保證頭部隨回轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)動時尾部不會移出料車口。輸送槽應有立邊，以阻止物料的散落，又得有導向設計，以保證刮斗受力與運行均衡平穩(wěn)。擋泥板是為了防止刮斗回程時殘余泥水濺落機器上設置的零件。舉升油缸設置是為了需要時抬高鏟掘輸送裝置底端位置。圖2.5鏈斗輸送式2.2.2方案比較與選擇通過實地地考究與結(jié)構(gòu)上的分析，得出了上述幾中方案各自的優(yōu)點以及缺陷所在。具體如下所述：對微型裝載車式（反轉(zhuǎn)六連桿機構(gòu)）的工作裝置是現(xiàn)在市場上比較成熟和各種工程機械設計中較多采用的技術方案，具有較大的可靠性。而且采用履帶式的行走系統(tǒng)，可以保證鏟斗獲得足夠的鏟掘力。另外六連桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，運輸狀態(tài)鏟斗的后傾角大，不易灑落物料，鏟斗可以自動放平等優(yōu)點。但其也存在一些缺陷，行走系統(tǒng)采用履帶結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復雜，未充分利用巷道內(nèi)已有的軌道資源；回轉(zhuǎn)平臺增加了整車的高度和復雜程度，限制了整車長度；更重要的是該裝置只能間歇式工作，效率比較低。刮板輸送機式的工作裝置是采用連續(xù)的傳動和輸送結(jié)合起來的，所以解決了方案一中工作不連續(xù)的情況。該裝置還有工作原理簡單，維護方便，適用各種水倉巷道，通過改變螺旋滾筒的大小即可。另外可以實現(xiàn)與礦車共用道。但是該裝置結(jié)構(gòu)較為復雜，需較大的動力機構(gòu)，而且螺旋滾筒的磨損大，巷道面上的淤泥難以清理。方案三中的工作機構(gòu)集中前面兩個方案的諸多優(yōu)點。實現(xiàn)了連續(xù)式的裝載和輸送物料；同樣采用履帶式行走系統(tǒng)，使得斗的鏟掘力較大，這樣可以不用圖2.5中所示的推力油缸，結(jié)構(gòu)上又得到簡化；而且操作簡單；可以根據(jù)需要調(diào)整整個工作裝置的角度位置，使得清理更徹底，大大提高了清倉效率。但是同方案一樣采用履帶式行走裝置不能充分利用巷道已有的軌道資源。所以綜合比較后，采用方案三進行詳細的結(jié)構(gòu)設計與計算。經(jīng)過后續(xù)的設計計算所得出的結(jié)構(gòu)已與該方案有所區(qū)別，但是工作原理并未改變。而經(jīng)過設計所要達到的技術指標如下：裝料方式：連續(xù)清挖量：10m3/h行走速度/km/h:0～1.4電機功率/kw:13卸載高度/mm：1200（滿足礦車裝載要求）最大爬坡能力/(°)：30回轉(zhuǎn)角度/(°)：±30°整機重量/kg：2000外形尺寸(長×寬×高)/mm：3000×1200×1600經(jīng)過多方面的論證，該方案具有較強的實施性。對此擬訂了下述的技術路線：總體方案設計；技術設計：主要對工作裝置的各部分進行結(jié)構(gòu)設計及必要的校核計算；產(chǎn)品試制；設備試運行。2.3本章小節(jié)本章主要闡述了課題中所涉及的工作裝置的功能所在和工作的具體環(huán)境及工作狀態(tài)。提出了三種切實可行的技術方案，并通過分析三者的特點，進行詳細的對比，得出其中的最優(yōu)方案，并擬定了該工作裝置的技術指標與技術路線。第三章工作裝置的結(jié)構(gòu)設計通過上文的工作情況的分析以及對現(xiàn)有的各種技術方案進行綜合詳細的比較后，最終確定選用。而在本章中對該方案中主要涉及的結(jié)構(gòu)進行設計及優(yōu)化。3.1輸送結(jié)構(gòu)的設計在該課題中所要設計的新型工作裝置需要實現(xiàn)連續(xù)式的進行淤泥裝載，綜合現(xiàn)有各種工程機械以及礦山機械的特點，采用類似與斗式提升機式的輸送形式來滿足工作要求。如圖3.1所示。其牽引機構(gòu)是繞過上部和底部的滾筒或者鏈輪，牽引構(gòu)件上沒隔一定距離裝里刮斗，由上部滾筒或斂輪驅(qū)動，形成具有上升分支和橫向分支傳送閉合回路。物料則總上部路線輸送至卸料處。圖3.1輸送方式簡圖這種連續(xù)式的傳送機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)比較簡單，橫向尺寸可以相對較長，縱向尺寸較小，可以節(jié)約水倉中狹小的空間資源。而如同斗式提升機，采用這樣的工作裝置，所需要的主要部件或機構(gòu)有牽引機構(gòu)、承載機構(gòu)、驅(qū)動裝置、張緊裝置，上下滾筒（或鏈輪）、機架（導軌）等。這些主要結(jié)構(gòu)的設計將在下問中一一敘述。3.2牽引機構(gòu)的設計在機械行業(yè)中牽引構(gòu)件很多，而在此課題設計中主要參考的是斗式提升機和鏈式輸送機等機械的牽引方式。在斗式提升機中常用的牽引構(gòu)件是橡膠帶和鏈條。而常用的鏈條有圓環(huán)鏈、套筒滾自鏈等。由于鏈條的嚙合驅(qū)動會產(chǎn)生動載荷，而橡膠帶較鏈條輕便、工作平穩(wěn)、噪聲小、能采用較快的運動速度而帶到較高的生產(chǎn)率，所以在斗式提升機中一般采用橡膠帶。但是在礦山中，惡劣的工作環(huán)境使得工作裝置需要選擇鏈傳動。而且鏈條的強度也較橡膠帶的大的多，此外，若在橡膠帶上打孔以便安裝料斗，更會降低帶的強度。結(jié)合上述文字，再聯(lián)想到鏈式輸送機，很明顯采用鏈傳動是比較合理的。鏈條是用金屬環(huán)或者金屬片等連接而成的撓性構(gòu)件，多采用焊接鏈（見圖3.2）和片式鏈（見圖3.3）[6]。圖3.2片式鏈圖3.3圓環(huán)鏈片式鏈在輸送機中應用較廣，但在刮板輸送機中則不常采用。所以采用圓環(huán)鏈。鏈條在運行中不僅要承受很大的靜負荷和動負荷，還要受礦水的浸蝕，因此要求鏈條組件要有高的抗拉強度、抗沖擊韌性、疲勞強度和防銹抗腐蝕性。鏈條均用圓環(huán)鏈，其型式、基本參數(shù)及尺寸、技術要求、試驗方法及驗收規(guī)則已有統(tǒng)一的國際和國家標準(GB12718一91}。圓環(huán)鏈規(guī)格是以鏈環(huán)棒料直徑和鏈節(jié)距的毫米尺寸表示，標準規(guī)格有八種:Φ10×40,Φ14×50,Φ18×64,Φ22×86,Φ24×86,Φ26×92,Φ30×108和Φ34×126。目前Φ34以上的鏈環(huán)已大量使用，如Φ42×146,Φ48×144/160(德國)，并出現(xiàn)了Φ52×146(美國JQY)的鏈環(huán)。圓環(huán)鏈按強度分為B,C,D三個等級，D級強度最高，B級強度最低，C級居中，表示方法如Φ34×126一B。圓環(huán)鏈由圓環(huán)鏈編焊機專用設備加工，制成一定長度的標準鏈段。按鏈段的長短又分為長鏈段和短鏈段，長鏈段主要用于單鏈、中雙鏈，短鏈段主要用于邊雙鏈及輕型刮板輸送機。同時還配有多種長度的調(diào)節(jié)鏈段，用來調(diào)節(jié)刮板鏈長度，以適應愉送機的長度變化和緊鏈需圖3.4緊湊鏈要。如SGZ一880/800重型刮板輸送機的標準鏈段為199環(huán)，長25.074m。調(diào)節(jié)鏈的規(guī)格有95，39,31,23,15,7,5,3環(huán)。由于每一鏈段的兩條鏈條是配對組裝出廠的，其長度公差在規(guī)定的范圍之內(nèi)，更換時也應成對更換。若以任意兩段鏈條配對安裝，其長度誤差會很大，運行中將會出現(xiàn)受力不均、刮板傾斜及與鏈輪不能正常嚙合傳動，容易發(fā)生鏈輪損壞和斷鏈事故。另外，安裝圓環(huán)鏈時，在上槽中立環(huán)焊口應該朝上，雙鏈的平環(huán)焊口都應朝向溜槽中心。近幾年，又推出廠新型鏈條—緊湊鏈。其特點是平鏈環(huán)仍用常規(guī)圓形斷面的圓環(huán)鏈。而立鏈環(huán)制成高度較低的斷面形狀為扁圓形或方形的鏈環(huán)，如圖3.4（緊湊鏈）所示。其節(jié)距、寬度(指平環(huán))尺寸與同檔圓環(huán)鏈相同。高度(指立環(huán))尺寸則與低一檔圓環(huán)鏈相當，而強度比同檔圓環(huán)鏈高近一檔。如國產(chǎn)SG2一1000/1050重型刮板輸送機使用的是Φ38×137規(guī)格的緊湊鏈[3]。而對圓環(huán)鏈及其鏈輪組的設計將在后面章節(jié)敘述。3.3機架設計由于工作采用的是圓環(huán)鏈的傳動方式，必須有特殊的接鏈節(jié)用于連接料斗。在整個閉合回路中的刮斗數(shù)量較多，一般要達到15個以上，且為了一次循環(huán)能清理較大的量（要求清挖量每小時10立方米），這么多的料斗不能只靠一條圓環(huán)鏈支撐和拖動。所以對工作裝置的回路機架必須起到支撐料斗的作用，同時應使所有的刮斗在每次循環(huán)中為同樣的軌跡，因此機架設計成帶軌道的鋼架結(jié)構(gòu)。如圖3.5，其中的1、3均是采用方形的空心鋼管，其中1和3的截面尺寸為60×30，而2的截面尺寸為60×60。三者按照一定的比例給焊接成形。而整個剛架的定位和固定是用間隔一定距離的定位板4給與支撐起來的。這來裝配圖中可以清晰的知道。圖3.5鋼管導軌3.4旋轉(zhuǎn)支撐結(jié)構(gòu)設計在工作裝置通過前部的舉升油缸提升時，必須有一支軸，這在圖2.1中可以清楚地看到該動作是繞銷軸擺動的。在工作裝置的中部設計了一個旋轉(zhuǎn)支撐的結(jié)構(gòu)，如圖2.1所示。將該結(jié)構(gòu)通過三維造型后結(jié)構(gòu)如圖所示。1是旋轉(zhuǎn)支軸，2是上面工作導軌的定位板，3是旋轉(zhuǎn)支軸的底座，通過一定的螺紋連接在其下面的鋼板上，4是焊接在鋼板上槽鋼，左右各一塊，5也是槽鋼，6是舉升用的油缸。圖3.6旋轉(zhuǎn)支撐該結(jié)構(gòu)主要設計是采用了槽鋼來組成兩側(cè)滑軌。這是因為槽鋼是截面為凹槽形的長條鋼材，具有很好的抗彎能力，這樣設計了兩槽鋼的滑軌后使得油缸的活塞桿承受的彎曲應力很小，幾乎可以認為不承受，從而可以減小活塞桿的直徑，減少經(jīng)濟費用。上面未畫出的整個工作裝置當由油缸推動在水平上轉(zhuǎn)動時可以繞著旋轉(zhuǎn)支軸旋轉(zhuǎn)。3.5其余結(jié)構(gòu)設計3.5.1承載裝置設計鏟斗是工作裝置的重要部件，使其直接的執(zhí)行機構(gòu)，工作條件惡劣，時常承受很大的沖擊載荷及強烈的磨削，其結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)對插入阻力、崛起阻力和生產(chǎn)率有著很大的影響。所以鏟斗的設計要求需滿足：①插入及崛起阻力小，作業(yè)效率高；②具有足夠的強度、剛度和耐磨性；③適應鏟裝不同種類和重度的物料。圖3.7斗式提升機料斗形式在斗式提升機常用的斗形式有三種：深斗、淺斗和無底料斗，如圖3.7。這是根據(jù)機械的運轉(zhuǎn)速度和載運物料的性質(zhì)所決定的。深斗的斗口與后壁的夾角大，每個料斗可裝載的物料較多，但較難卸空，適用于運送干料和松散物料。而淺斗的斗口與后壁的夾角小，每個料斗的裝載量雖然小，但是其較易卸空，所以適用于運送潮濕和粘性的物料。由此可見，在該清淤機的鏟掘裝置即刮都應該采用較淺的斗形。但其結(jié)構(gòu)上有一定的要求。而參考裝載機的鏟斗結(jié)構(gòu)形式，其主要有直線形斗刃、V形斗刃、直線形帶齒和V形帶齒的斗形。對于鏟掘土方的機械，斗底圓弧半徑應該大些。相比較下直線形斗刃較適宜水倉中的工作環(huán)境[5]。所以綜合比較后，鏟斗設計成較淺的直線形的斗形。結(jié)構(gòu)形狀如圖所示。圖3.8鏟斗正視圖由于鏟斗是安裝在鏈條上，由鏈條的運動，拖著一系列的料斗往前運動。所以其上需鑄造出可以和鏈節(jié)相聯(lián)接的耳墜，如圖3.9。另外，當刮斗運行至位于整機的最前端的豎直前伸段時，其鏟掘提升的作用，因此刮斗的前沿設計有掘齒。且該工作裝置采用的是靠單鏈輸送，故在斗背上進行固接。鏟斗在上行運輸對物料的過程中，必須保持水平位置。斗的工作又要求即前述的易于盛裝需要量的物料、泥水，又可以方便的傾卸。而且當料斗處于最低為時也可以進行作業(yè)。圖3.9鏟斗耳環(huán)1—鏟斗；2—耳環(huán)；3—接斗鏈節(jié)3.5.2驅(qū)動裝置選擇由于該機械的使用環(huán)境，決定了其相關的動力和驅(qū)動裝置。動力裝置是采用防暴電機、輸出端與液壓多聯(lián)泵相連。雖然可以考慮使用防暴內(nèi)燃機，但防暴內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)尺寸較大，布置時會產(chǎn)生困難，并且工作過程中產(chǎn)生的廢氣很難排出。對工作裝置的驅(qū)動裝置可以采用液壓馬達，而且是低速大扭矩型的液壓馬達，這樣是考慮是整機的結(jié)構(gòu)緊湊，較大的驅(qū)動力等相關因素。3.6本章小節(jié)本章主要介紹了在選定工作方案后整個工作裝置中重要的零部件以及局部的結(jié)構(gòu)設計，敘述了它們的功能特點，設計依據(jù)以及合理性等。通過多環(huán)的修改、論證各部分的結(jié)構(gòu)是比較合理的，適用于水倉內(nèi)的工作。這也是本工作裝置設計的創(chuàng)新之處。該章節(jié)是本論文的重要內(nèi)容之一。第四章零件的設計計算零件的強度、剛度、穩(wěn)定性等的校核計算是確保工作裝置整體壽命的重要過程，是機械設計中最重要的步驟之一。4.1圓環(huán)鏈傳動設計目前我國在采煤機、刨煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、板式輸送機、倉式列車等多種礦山機械中廣泛采用圓環(huán)鏈牽引或傳動。4.1.1圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)與規(guī)格鏈環(huán)的結(jié)構(gòu)尺寸用棒料直徑d、節(jié)距p和外寬a表示，如圖4.1所示[9]。圓環(huán)鏈的規(guī)格標記為d×p.每一鏈段由n個鏈環(huán)組成，鏈段長度為L0。礦用高強度圓環(huán)鏈的規(guī)格和尺寸見3.2節(jié)。其鏈段長度（mm）與公差（mm）按下式確定：（4-1）（4-2）根據(jù)礦下水倉的斷面結(jié)構(gòu)初定工作裝置的橫向尺寸為3000mm，縱向尺寸為1600mm。且選用的鏈條規(guī)格為10×40，鏈節(jié)的數(shù)目必須鏟斗數(shù)的整數(shù)倍，這樣可以使得在每次循環(huán)運動受載均勻。因此初步確定相鄰兩個鏟斗間為9節(jié)圓環(huán)鏈。所以根據(jù)式4-1計算可得鏈條的總長為7200mm。圖4.1圓環(huán)鏈圓環(huán)鏈的接鏈環(huán)的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種類型：凸緣式接鏈環(huán)：由兩個半鏈環(huán)，一個卡塊由兩個半鏈環(huán)，一個卡塊及一個彈性圓柱銷組成。如圖4.2，半鏈環(huán)右上方為一凸緣，左下方有一凸緣槽，安裝時將兩個半鏈環(huán)的凸緣和凸緣摺相嵌合，并從側(cè)面嵌入卡塊，再從頂部裝入彈性圓柱銷組成整體。其破斷拉力大，連接可靠，但制造較困難。開口式接鏈環(huán)：由開口鏈環(huán)1,長塊2及兩個彈性圓柱銷3組成。如圖4.3，鏈環(huán)1和卡塊2的兩端分別做有互相嵌合的榫頭和榫槽，卡塊從頂部裝進開口鏈環(huán)，再打入兩個開口彈性銷，組成整體。依靠彈性圓柱銷在銷孔內(nèi)的彈性變形實現(xiàn)自動鎖緊。其破斷拉力大，但制造困難。鉸接式接鏈環(huán)：由兩端做有耳子的兩個半鏈環(huán)1、銷軸2、套簡3及鋼絲4組成。如圖4.4所示鋼絲4用來銷緊，銷軸2傳遞載荷。其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠.制造方便，壽命長。而接鏈環(huán)的常用材料有35CrMnSiA、2DMnVB,30CrMnTi、40CrMo及45Mn等，進行調(diào)質(zhì)處理，硬度達320～350HBS。為提高強度一與耐腐性，加工后應進行等溫淬火，硬度達42～50HRC。圖4.2凸緣式圖4.3開口式圖4.4鉸接式在該裝置的設計中，還有一部分鏈節(jié)是專門設計制造的，以用于安裝鏟斗，如圖3.9中3所示。該鏈節(jié)由上下兩個半鏈環(huán)1、2以及專用連接塊3組成。三者通過鉚釘連接起來。該鏈節(jié)是在其受兩邊拉力后仍能長期正常工作的條件下設計。4.1.2圓環(huán)鏈損壞形式及選擇高強度的圓環(huán)鏈在各種場合發(fā)生的主要損壞形式是斷裂。在起動或遇到嚴重刮卡時，承受的載荷超過靜力破斷負荷時，圓環(huán)鏈將產(chǎn)生斷裂，為此圓環(huán)鏈的最小破斷負荷應不得低于規(guī)定值。當鏈環(huán)受正常變負荷反復作用時，雖應力小于鏈環(huán)的破斷應力，但如變應力的循環(huán)次數(shù)超過一定數(shù)值時，鏈環(huán)仍可能產(chǎn)生斷裂報壞。由于鏈環(huán)材料脆性高，韌性低和沖擊負荷大造成一次沖擊斷裂，或者介于一次沖擊斷裂與疲勞斷裂之間的經(jīng)多次沖擊斷裂。在鏈環(huán)未經(jīng)充分預拉時，很難發(fā)現(xiàn)熱處理及焊接缺陷。若把這種鏈環(huán)接入鏈條用來牽引負荷，一旦起動或遇到卡鏈很可能發(fā)生斷裂這種未經(jīng)充分頂拉的鏈環(huán)的斷裂稱之不合格鏈環(huán)的斷裂。鏈條受載后將產(chǎn)生一定的彈性和塑性伸長，在額定極限負荷一下，當鏈段的伸長量超過一定限度.討，鏈條與鏈輪不能正確嚙合而無法正常工作，圓環(huán)鏈的這種失效形式稱為伸長失效。圓環(huán)鏈工作時承受拉伸與彎曲載荷，環(huán)內(nèi)應力狀態(tài)復雜，理論計算比較困難，通常圓環(huán)鏈按最大牽引力選擇。當單鏈牽引時：（4-3）當雙鏈牽引時：（4-4）式中——圓環(huán)鏈的最小破斷載荷（N）；——雙鏈牽引時的不均勻系數(shù)，一般取0.85；——安全系數(shù)，采煤機可取2.5～3.5；刮板輸送機可取3.5～4.5。該工作裝置在運行過程中，當上行鏟斗全部滿載時估算牽引力為20KN，選擇安全系數(shù)=4.0，則破斷負荷為：則對照圓環(huán)鏈標準可以采用10×40規(guī)格的。4.1.2圓環(huán)鏈鏈輪設計當圓環(huán)鏈與鏈輪嚙合時，在鏈輪的每一齒距上都有兩個鏈環(huán)，鏈環(huán)1平臥于兩齒間的鏈窩里，稱為平環(huán)；鏈環(huán)2立卡在齒寬中部的窄糟內(nèi)，稱為立環(huán)。鏈輪上鏈窩的形狀與平環(huán)外形基本一致。為滿足鏈環(huán)節(jié)距伸長的需要，鏈窩長度A稍大于鏈環(huán)長度Δ，即A=d+p+Δ。。為減小立環(huán)的嚙合阻力，鏈輪齒寬中部的立槽寬度L也應比鏈環(huán)棒料直徑稍大一些.圓環(huán)鏈鏈輪的齒形結(jié)構(gòu)和尺寸見圖4.5。圓環(huán)鏈鏈輪的齒廓曲線，國外推薦蘭種:直線、圓弧線和直線——圓弧線。從加工制造和嚙合性能上分析，直線齒廓易加工，但齒高不宜過高，否則會發(fā)生干涉；直線——圓弧線齒廓加工復雜，用得較少；圓弧線齒廓雖然加工困難，但輪齒的強度很高，齒高可以適當加大，所以采用圓弧線齒廓[9]。該工作裝置中總共有三個圓環(huán)鏈鏈輪，均采用同樣的設計。這樣可以減少設計計算和簡化制造加工。根據(jù)工作環(huán)境、整車質(zhì)量、裝載情況等綜合條件，分析估算得其最大的牽引力為：圖4.5鏈輪的齒形結(jié)構(gòu)與尺寸鏈輪齒數(shù)參考現(xiàn)有刮板輸送機及采煤機械后選擇。對鏈輪其他的基本尺寸的計算如下：節(jié)圓直徑：齒距角：齒頂圓直徑：鏈輪中心至鏈窩底面的垂直距離鏈窩長度加長量；齒廓圓弧中心坐標：鏈窩長度：齒廓圓弧半徑：其中；。齒根圓弧半徑：鏈窩端部圓弧半徑：，取。鏈窩兩側(cè)圓弧半徑：立槽寬度：，取L=14mm。鏈輪中心至立槽底面的垂直距離：立槽根圓直徑：，取。立槽底部圓弧半徑：實際齒廓半徑：其中。齒肩寬度：，取。輪緣寬度：，取。鏈輪的齒頂圓直徑比較大，質(zhì)量較大，所以中間去空，以減輕整個工作裝置的質(zhì)量，減小載荷。不論選用什么材料制造鏈輪，其心部必須調(diào)質(zhì)處理，使其硬度為240～320HBS，而鏈窩及齒面的硬度則要45～55HRC，需進行淬火處理，且淬硬層不小于3mm。另外，圓環(huán)鏈鏈輪的工藝技術要求鏈輪可采用鍛造毛坯再機加工或電加工，也可采用鑄造成形，不過鑄造表面容易脫碳。為了提高鏈輪輪齒和鏈窩的表面硬度，需進行滲碳悴火處理。此外為提高鏈傳動的承載能力，對鏈輪加工還需滿足下列技術要求：①相鄰兩鏈窩中心線的角度偏差不大于士30'；②鏈窩底面的不平度不大于lmm；③鏈窩寬度中心線對理論鏈窩位置的不對稱度不大于1mm；④如采用兩個半齒寬鏈輪并接，焊接為一整體，不得有影響輪齒嗆合的相對錯位。4.2鏈輪軸設計軸是組成機器的主要零件之一。作為該工作裝置的軸，主要是將圓環(huán)鏈輪等回轉(zhuǎn)零件進行運動和動力的傳遞。而該主、從動鏈輪軸屬于轉(zhuǎn)軸，且三個鏈輪軸折合成一樣的設計，所以計算以主動鏈輪軸為主。而該軸的設計主要是結(jié)構(gòu)設計與工作能力的計算兩方面的內(nèi)容。4.2.1鏈輪軸結(jié)構(gòu)設計軸的結(jié)構(gòu)設計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。功能相同的軸卻可以有不同的結(jié)構(gòu)形狀。這是因為影響軸的結(jié)構(gòu)形狀的因素很多，例如載荷的大小、方向、性質(zhì)及其分布的狀態(tài)，軸上零件的數(shù)量及安裝位置、定位方法，軸的制造工藝和生產(chǎn)規(guī)模等。所以在軸的結(jié)構(gòu)設計中下列幾個重要問題必須充分考慮[14]。㈠擬定軸上零件的裝配方案擬訂軸上零件的裝配方案是進行軸的設計的前提，它決定著軸的基本形式。所謂軸上零件的裝配方案就是預定出軸上主要零件的裝配方向、順序和相互關系。如圖4.5在本工作裝置設計中主動鏈輪軸的結(jié)構(gòu)裝配方案是：鏈輪、軸承套、右端軸承、軸承端蓋、止動墊圈、圓螺母、半聯(lián)軸器依次從軸的右端向左安裝，左端只裝圓螺母、軸承端蓋及軸承。圖4.6鏈輪軸的結(jié)構(gòu)㈡軸上零件的定位為了防止軸上零件在受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運動，這些零件除了有游動或空轉(zhuǎn)的要求外，都必須進行周向和軸向的定位，以保證其準確的工作位置。零件在軸上的定位方法主要取決于其所受的軸向力的大小。此外，還應考慮周的制造及軸上零件裝拆的難易程度、所占的地位大小。對軸的強度影響及工作可靠性等因素。當軸上零件對所受的軸向力的值較大時，常用軸肩、軸環(huán)、過盈配合等定位方式；受中等軸向力時，可采用軸套、圓螺母、軸端擋板、圓錐面、圓錐銷等方式定位；受較小軸向力時則可用彈性檔圈、擋環(huán)、緊定螺釘?shù)确绞?。在該工作裝置中主要所采用的軸向定位方式有擋環(huán)、軸肩、圓螺母軸承端蓋等。軸上零件的周向定位（軸轂聯(lián)接）在齒輪、鏈輪等傳遞轉(zhuǎn)矩的零件，除周向定位以外，需要進行的設計。定位方式根據(jù)其傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和性質(zhì)、零件對中精度的要求高低、加工難易等因素來選擇決定。常用的定位方法有過盈配合、鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、型面聯(lián)接、彈性環(huán)聯(lián)接等。對此裝置中主、從動鏈輪的周向均采用普通平鍵的聯(lián)接。4.2.2鏈輪軸尺寸計算零件在軸上的定位和安裝方案基本確定后，軸的形狀便大體確定。還應進行各軸段的直徑計算。初步確定軸的直徑是通常在不知道軸的支反力的作用點，不能決定彎矩的大小與分布情況，因而還不能按軸所受的具體載荷及其引起的應力來確定軸的直徑。但在進行軸的結(jié)構(gòu)設計前，常常已經(jīng)能求得軸所受的扭矩。因此可以據(jù)此初步確定軸的最小直徑，然后再按軸上零件的裝配方案取定其他軸段的直徑。⑴最小軸徑的確定在該工作裝置中，當所有上行鏟斗都滿載時的總質(zhì)量初步估計為387kg。則軸所需要傳遞的扭矩為：式中——作用在鏈輪上的圓周力；——鏈輪的節(jié)圓直徑。由此來估算軸的最小直徑。其中軸的材料選擇45鋼，調(diào)質(zhì)處理。查閱相關手冊取許用應力。則估算該鏈輪軸的最小直徑為：然而主動鏈輪軸的輸入端顯然是安裝聯(lián)軸器的，該處軸的直徑，如圖4.6。為了使所選的軸直徑與聯(lián)軸器的孔徑相適應，故需要同時選取聯(lián)軸器的裝配型號。聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩，查取相關手冊標準，考慮到轉(zhuǎn)矩的變化中等，選擇，則：由于在井下的工作環(huán)境非常惡劣，常具有沖擊，所以選擇彈性柱銷聯(lián)軸器。按照計算轉(zhuǎn)矩應小于聯(lián)軸器公稱轉(zhuǎn)矩的條件，查標準GB/T5014-2003，選用LX3型聯(lián)軸器，其公稱轉(zhuǎn)矩為1250000N·mm。半聯(lián)軸器的孔徑為40mm，故取該處直徑。半聯(lián)軸器的長度為，則去半聯(lián)軸器與軸的配合轂孔長度。⑵軸的剩余軸徑計算為了滿足半聯(lián)軸器的軸向定位要求，軸段左端必須制出軸肩，且處還要考慮安裝軸承，故取。在軸段上有軸承端蓋、軸承，由于工作環(huán)境惡劣可能還應設計擋環(huán)（圖4.6中未畫出），所以其長度需要綜合考慮。聯(lián)軸器的安裝必須與軸承端蓋外表面有一定的安全距離，取為35mm；而軸承的寬度選取20mm；軸承端蓋的寬度經(jīng)設計選擇8mm；所以取該處的軸段長度為。而從到間為不裝零件的過渡軸段，所以考慮所設計的軸向定位，以及加工方便程度依次選擇軸徑及軸段長度為：，；，在鏈輪安裝處的軸段考慮鏈輪的右端軸向定位采用是擋環(huán)，所以必須設計這一直徑。而該直徑需根據(jù)來選擇。此處主要考慮軸段與軸段間的軸肩高度不宜很長，以免應力相對集中，則取，因此查手冊GB/T894-1986取。鏈輪的寬度為56mm，所以取，軸用擋圈處右端面距右軸肩距離為16.5mm。而鏈輪的左端軸向定位采用軸肩定位，為了定位可靠取。而此處軸段長沒固定要求，包括其左邊的、、均沒有特殊要求，只是四者的總長為223mm。所以這些軸段的直徑和長度分別設計成：；，；，；，。而處的直徑和一樣，均為45mm，軸段長度經(jīng)計算為43mm。對處是安裝圓螺母的地方，是對軸的軸向固定鎖緊。按照螺紋標準取其，長度為22mm。所有的軸段直徑和長度均已經(jīng)確定。再結(jié)合后文的軸的強度計算、軸承計算及相關軸承部件的設計后便可繪制出零件圖（見附件）4.2.3鏈輪軸強度計算軸的強度計算是在軸初步完成初步結(jié)構(gòu)設計后進行校核計算，計算準則是滿足軸的強度或者是剛度要求，必要時還需要進行穩(wěn)定性的校核。進行軸的強度計算時，應該根據(jù)軸的具體受力情況及應力情況，采取相應的計算方法，并恰當?shù)剡x取其許用應力。（1）對只受轉(zhuǎn)矩或以承受轉(zhuǎn)矩為主的傳動軸，應按扭轉(zhuǎn)強度條件計算軸的直徑。若有彎矩作用，可用降低許用應力的方法來考慮其影響。扭轉(zhuǎn)強度約束條件為：（4-5）式中：為軸危險截面的最大扭剪應力(MPa)；為軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩(N.mm)；為軸危險截面的抗扭截面模量()；P為軸所傳遞的功率(kW)；n為軸的轉(zhuǎn)速(r/min)；[]為軸的許用扭剪應力(MPa)。（2）對于同時承受彎矩和轉(zhuǎn)矩的軸，可根據(jù)轉(zhuǎn)矩和彎矩的合成強度進行計算。計算時，先根據(jù)結(jié)構(gòu)設計所確定的軸的幾何結(jié)構(gòu)和軸上零件的位置，畫出軸的受力簡圖，然后，繪制彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖，按第三強度理論條件建立軸的彎扭合成強度約束條件：（4-6）考慮到彎矩所產(chǎn)生的彎曲應力和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的扭剪應力的性質(zhì)不同，對上式中的轉(zhuǎn)矩乘以折合系數(shù)，則強度約束條件一般公式為：（4-7）式中：W為軸的抗彎截面模量()。稱為當量彎矩；為根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的折合系數(shù)。轉(zhuǎn)矩不變時，；轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)變化時，；轉(zhuǎn)矩按對稱循環(huán)變化時，。表4-1軸的許用應力(MPa)材料碳鋼40050060070013017020023070759511040455565合金鋼80090010001200270300330400130140150180758090110鑄鋼40050010012050703040若轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律不清楚，一般也按脈動循環(huán)處理。、、分別為對稱循環(huán)、脈動循環(huán)及靜應力狀態(tài)下的許用應力，見表4-1。對實心軸，式(4-6)也可寫為設計式：（4-8）若計算的剖面有鍵槽，則應將計算所得的軸徑增大，方法同扭轉(zhuǎn)強度計算。（3）對該鏈輪軸需進行彎扭合成強度校核。在進行校核時，通常軸上最大彎矩和最大扭矩的截面的強度。1）軸的受力分析首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖（見圖4.6）作出軸的計算簡圖。在確定軸承的支點位置時，應從手冊查取軸承中心位置。對于此工作裝置中選擇的軸承中心即在其寬度的中點處。軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩為鏈輪上的圓周力為由于鏈輪的徑向力很小，所以采用在圓周力上適當加大的方法。所以取2）求軸的支反力（見圖4.7b）由得3）作彎矩圖和扭矩圖圖4.7軸的力矩圖①彎矩圖（見圖4.7②扭矩圖（見圖4.7d）4）按當量轉(zhuǎn)矩計算軸徑按插值法查表4-1得對稱循環(huán)應力，脈動循環(huán)應力。根據(jù)（式4-8）公式計算安裝鏈輪處的軸徑為：（考慮轉(zhuǎn)矩按脈動循環(huán)變化，?。?。鑒于截面處有一個鍵槽，應將直徑增大3%～7%，則48～50mm，在結(jié)夠設計是滿足要求的。（4）軸的疲勞強度計算按當量彎矩計算軸的強度中沒有考慮軸的應力集中、軸徑尺寸和表面品質(zhì)等因素對軸的疲勞強度的影響，因此，對于重要的軸，還需要進行軸危險截面處的疲勞安全系數(shù)的精確計算，評定軸的安全裕度。即建立軸在危險截面的安全系數(shù)的約束條件。1）確定危險截面根據(jù)載荷的分布（如圖4.6中的彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖）、應力集中和軸的結(jié)構(gòu)尺寸，很明顯鏈輪寬度中心處的截面即為危險截面。此處的彎矩和轉(zhuǎn)矩均是最大的。2）校核危險截面的安全因數(shù)①彎矩作用時的安全因數(shù)由于該軸的轉(zhuǎn)動，彎矩引起對稱循環(huán)變應力，根據(jù)下式計算出此時的安全因數(shù)為：式中—對稱循環(huán)應力時材料試件的彎曲疲勞極限，由手冊可查得；—彎曲的應力幅，，查閱相關手冊可得抗彎截面系數(shù)W=23.7；—彎曲平均應力，；—彎曲時的有效應力集中系數(shù)，由手冊按鍵槽由插值法得，若是按配合查得，故?。弧砻尜|(zhì)量因數(shù)，軸徑車削加工，按手冊可得；—尺寸因數(shù)，可查得；—材料彎曲時的平均應力折算因數(shù)，并可查得。②轉(zhuǎn)矩作用時的安全因數(shù)考慮到清淤機在工作過程中運轉(zhuǎn)的不均勻性所引起的慣性力和振動的存在，轉(zhuǎn)矩引起的切應力視為脈動循環(huán)變應力，根據(jù)下式可計算得轉(zhuǎn)矩作用時的安全因數(shù)為：式中—45鋼的抗扭疲勞極限，由手冊可查得；—彎曲的應力幅，，查閱相關手冊可得抗彎截面系數(shù)=50.7；—彎曲平均應力，；—扭轉(zhuǎn)時的有效應力集中系數(shù)，由手冊按鍵槽由插值法得，若是按配合查得，故??；—表面質(zhì)量因數(shù)，軸徑車削加工，按手冊可得；—尺寸因數(shù)，可查得；—材料彎曲時的平均應力折算因數(shù)，并可查得。表4-2許用安全因數(shù)值選取條件載荷確定精確，材料性質(zhì)均勻1.3～1.5載荷確定不夠精確，材料性質(zhì)不夠均勻1.5～1.8載荷確定不精確，材料性質(zhì)均勻度較差1.8～2.5③所求危險截面的疲勞安全系數(shù)由手冊公式可得：然后根據(jù)表4-2可知，許用安全因數(shù)1.8～2.5，顯然，該軸的疲勞強度足夠。4.2.4鏈輪軸剛度計算常見的軸大多可視為簡支梁。若是光軸，可直接用材料力學中的公式計算其撓度或偏轉(zhuǎn)角；若是階梯軸，如果對計算精度要求不高，則可用當量直徑法作近似計算。即把階梯軸看成是當量直徑為dv的光軸，然后再按材料力學中的公式計算。當量直徑為：（4-8）式中：——階梯軸第i段的長度，mm；——階梯軸第i段的直徑，mm；——階梯軸的計算長度，mm；——階梯軸計算長度內(nèi)的軸段數(shù)。當載荷作用于兩支承之間時，（為支承跨距）；當載荷作用于懸臂端時，（k為軸段的懸臂長度）。軸的彎曲剛度條件為：撓度：y≤[y]（4-9）偏轉(zhuǎn)角：θ≤[θ]（4-10）式中：[y]——軸的允許撓度，mm；[θ]——軸的允許偏轉(zhuǎn)角，rad。對該主、從動鏈輪軸進行相應的計算可知其剛度滿足要求。4.3其他零件設計計算在前文中主要設計的計算是關于主要零部件的，其上的相關零件仍需要進行必要的計算和強度校核。其中主要闡述的軸承、鍵、油缸活塞桿前端的銷軸、耳環(huán)、鏟斗的三維造型設計等。4.3.1鏈輪軸軸承的計算鏈輪軸上的軸承計算應該是在設計軸的時候進行的，本文中將其放在本節(jié)內(nèi)容中。首先由于在該工作裝置當鏈輪轉(zhuǎn)動時，軸向力很小，甚至為零，所以選擇主要承受徑向力的深溝球軸承。根據(jù)安裝軸承處的軸徑為，所以軸承內(nèi)徑為45mm。查GB/T278-1994和GB/T5868-2003選擇軸承型號為6009。下面進行該對軸承的校核計算。1）首先求軸承上的支反力，如圖4.8所示的受力分析。其中圓周力，徑向力為。圖4.8軸承受力圖兩軸承的受載情況一樣，所以只需任選其一進行校核計算即可。選軸承1作為分析對象。由可以得出軸承的垂直支反力和水平支反力則作用在軸承上的徑向載荷為：2）計算當量動載荷該系統(tǒng)具有一定沖擊，所以查閱相關文獻取一動載荷系數(shù)；軸承可以認為只承受徑向載荷。故當量動載荷為：3）計算所需的基本額定動載荷兩端采用了相同的軸承，而且其相互對稱布置，所以受載也完全一樣，按下式計算所需的基本額定動載荷。（4-11）上式中—壽命指數(shù)，對球軸承取為；—軸承的預期壽命；n—軸的轉(zhuǎn)速。對此本文中將軸承壽命按五年，每天工作16小時計算，則預期的壽命為29200h。軸的轉(zhuǎn)速計算如下：鏈條的速度為0.2m/s，由可推得轉(zhuǎn)速為。所以軸承所需的基本額定壽命為：查閱標準GB/T5868-2003可知6009軸承的基本額定動載荷為。則有，所以選擇6009軸承滿足要求。4.3.2鍵的計算鍵的計算和軸承一樣，同樣是在設計軸的時候進行，進行鍵的強度計算校核后，若是發(fā)現(xiàn)強度不夠，就要考慮采用雙鍵或者其余承載能力和傳遞轉(zhuǎn)矩的能力更強的聯(lián)接。鍵是鏈輪周向定位的元件，所以鍵在整個工作裝置中也很重要，必須具有足夠的強度。1）選擇鍵的類型和尺寸根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)設計和鏈輪寬度選擇普通平鍵聯(lián)接。由于鏈輪不在軸端，故選用圓頭普通平鍵。由于軸徑為，查手冊可得鍵的截面尺寸為：。由輪轂寬度并參考鍵的長度系列，取鍵長。2）校核鍵聯(lián)結(jié)的強度鍵、軸和輪轂的材料都是鋼，據(jù)此查得許用擠壓應力，取其平均值?？梢运愕面I的工作長度為，以及鍵與輪轂的接觸高度。由此可得鍵聯(lián)接的擠壓強度為：所以鍵的選擇是合適的。標記為：鍵。4.3.3油缸銷軸與耳環(huán)的計算⑴銷軸的聯(lián)結(jié)計算銷軸通常是雙面受剪（除特殊安裝外），為此直徑的計算可以按照下式進行計算：（4-12）式中—銷軸直徑；—液壓缸輸出的最大推力；—銷軸材料的許用切應力，對于45號鋼，。在這幾個油鋼中，取前端的舉升油缸的計算為例。經(jīng)綜合計算，選擇了油缸的最大推力為80.43KN，按（式4-12）計算出直徑為：為了使得活塞桿的剛性足夠，活塞桿直徑在計算結(jié)果的基礎上有所加大，所以需將該直徑加大兩倍，取。銷軸的長度視局部結(jié)構(gòu)而定，但應該取成長度的標準值。⑵耳環(huán)的聯(lián)結(jié)計算耳環(huán)是將活塞桿與工作裝置中油缸直接作用部分相聯(lián)結(jié)的結(jié)構(gòu)，必須具有一定的寬度和厚度才能保證聯(lián)結(jié)的可靠性。耳環(huán)材料選用35號鋼。耳環(huán)的寬度為：取為整數(shù)則?！h(huán)寬度；、——同前；——耳環(huán)材料的許用壓應力，唱??；為材料的抗拉強度，35號鋼的=530MPa。耳環(huán)的其他尺寸按照相關標準查取即可。4.3.4鏟斗的三維造型設計對鏟斗的三維造型是設計中的需要，包括對整個機器的造型設計，是對設計有很大幫助的。即應用虛擬樣機技術（機械系統(tǒng)仿真技術），在相關軟件中模擬系統(tǒng)的運動，以便修改設計上的缺陷，分析和評估系統(tǒng)的性能，以達到產(chǎn)品的最優(yōu)化。該工作裝置中的鏟斗經(jīng)過造型后如圖所示：圖4.9鏟斗4.4本章小節(jié)本章主要講述的是對整個工作裝置中的部分零部件進行了相應的設計計算、強度、剛度、穩(wěn)定性等多方面的校核計算，以及對局部的結(jié)構(gòu)進行細致的設計，通過反復的校核計算得出最優(yōu)的結(jié)果，達到使結(jié)構(gòu)上最簡單，材料消耗最少，最經(jīng)濟，功能更強大，從而使整個裝置更優(yōu)化。本章是本次設計和論文的重要內(nèi)容之一。第五章總結(jié)與展望近年來，我國的煤炭工業(yè)發(fā)展迅