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采煤機(jī)搖臂高速區(qū)軸承振動(dòng)特性與故障分析 摘 要 采煤機(jī)是煤礦綜采工作中的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備之一，大功率、高強(qiáng)度、高可靠性是現(xiàn)代采煤機(jī)發(fā)展方向。 本論文完成了采煤機(jī)搖臂的設(shè)計(jì)，對搖臂中的傳動(dòng)部件都做了具體分析計(jì)算，重點(diǎn)對軸承的壽命進(jìn)行了估算。包括搖臂減速器的布局設(shè)計(jì)及三維建模。文中主要介紹了目前國內(nèi)外采煤機(jī)的研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，同時(shí)介紹了采煤機(jī)的類型、工作原理和主要組成，還介紹了采煤機(jī)搖臂的具體結(jié)構(gòu)。 在設(shè)計(jì)過程中，主要對減速器傳動(dòng)方案的確定和相關(guān)組件的計(jì)算和設(shè)計(jì)，重點(diǎn)完成了采煤機(jī)搖臂高速區(qū)軸承振動(dòng)特性與故障分析。首先，完成了對搖臂減速器的傳動(dòng)比分配，轉(zhuǎn)速及傳遞功率的計(jì)算，其次，完成了采煤機(jī)搖臂殼體內(nèi)一軸、二軸、三軸、四軸、五軸和各軸傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)及校核，簡單介紹了行星輪系的裝配關(guān)系確定和強(qiáng)度校核。再次，重點(diǎn)對搖臂高速區(qū)軸承的振動(dòng)特性進(jìn)行詳細(xì)分析。最后，對采煤機(jī)搖臂進(jìn)行了三維建模，仿真。 關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；搖臂；軸  ABSTRACT The MG160/390-WD shearer is a medium-low power electric haulage shearers mining medium-thick seam, for coal seam thickness of 1.5~2.92m, mining height 1.3~3.0m,coal bed pitch less than 35, it can be used for hard coal mining. This paper completed the design of shearer rocker arm, including the layout and three-dimensional modeling of speed reducer, it described the current status of domestic and international coal mining research and future development trends, the type of shearer, working principles and main components，it also introduced the specific structure of shearer rocker. In the design process, completed the calculation and design of the reducer drive scheme and related components. First, completed the rocker reducer transmission ratio , speed and transfer power distribution calculation. Secondly, the completion of the design and check of five shafts and the shaft driving gears inside the rocker arm shell,simply introduced the assembly relationships and intensity checking of the planetary gear train. Thirdly, the completion of the selection and check the spline for connection. Finally, the three-dimensional modeling. Keyword: shearer; rocker arm;axis  目 錄 1 緒論 1 1.1設(shè)計(jì)思路的提出 1 1.2采煤機(jī)概述 1 1.2.1采煤機(jī)分類及組成 1 1.2.2滾筒采煤機(jī)工作原理 2 1.3采煤機(jī)械化的發(fā)展與趨勢 3 1.4 本章小結(jié) 4 2 搖臂整體方案確定 5 2.1 MG160/390-WD型采煤機(jī)簡介 5 2.1.1主要技術(shù)參數(shù) 5 2.1.2 MG160/390-WD 型電牽引采煤機(jī)截割部組成 6 2.1.3截割部電動(dòng)機(jī)的選擇 7 2.2 搖臂具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定 7 2.3傳動(dòng)方案的確定 8 2.3.1傳動(dòng)方式確定 8 2.3.2 傳動(dòng)比的確定 10 2.4傳動(dòng)比的分配 10 2.5傳動(dòng)效率選擇 11 2.6搖臂的潤滑 11 2.7 本章小結(jié) 12 3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 3.1各級(jí)傳動(dòng)轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩的確定 13 3.2 齒輪設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 14 3.2.1齒輪2和齒輪3（惰輪1）的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 15 3.2.2齒輪4和齒輪5設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 16 3.2.3齒輪6和齒輪7（惰輪）設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 18 3.2.4驗(yàn)算齒輪3和齒輪6是否干涉 20 3.2.5 行星齒輪設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 20 3.3軸的設(shè)計(jì)校核與軸承選用 29 3.3.1 Ⅳ軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 29 3.3.2Ⅲ軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 33 3.3.3Ⅰ軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 37 3.3.4Ⅱ軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 41 3.3.5Ⅴ軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 44 3.4 軸承的壽命校核 46 3.4.1 Ⅳ軸軸承的壽命校 46 3.4.2 Ⅲ軸軸承的壽命校核 47 3.4.3Ⅰ軸軸承的壽命校核 48 3.4.4Ⅱ軸軸承的壽命校核 49 3.4.5Ⅴ軸軸承的壽命校核 49 3.5花鍵的選擇與強(qiáng)度校核 50 3.5.1 Ⅳ軸花鍵的強(qiáng)度校核 50 3.5.2 Ⅲ軸花鍵的強(qiáng)度校核 51 3.6 本章小結(jié) 52 4搖臂的三維建模 53 4.1基于PROE的參數(shù)原理 53 4.2基于PROE的模擬仿真 53 4.3 減速器參數(shù)化設(shè)計(jì)及仿真的總體方案及技術(shù)路線 53 4.4 搖臂三維實(shí)體建模 55 4.5 本章小結(jié) 57 結(jié)論 58 參考文獻(xiàn) 59 致 謝 60 1 緒論 我國是一個(gè)多煤少油貧氣的國家，已探明的煤炭儲(chǔ)量占世界煤炭儲(chǔ)量的33.8％，可采量位居第二，產(chǎn)量位居世界第一位。煤炭在我國一次性能源結(jié)構(gòu)中處于絕對主要位置，50年代曾高達(dá)90％。隨著大慶油田、勝利油田及天然氣等的開發(fā)和利用，一次性能源結(jié)構(gòu)才有了一定程度的改變，但近二十年來煤仍然占到70％以上，在今后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，煤炭作為我國主要能源形式還將長期占著重要地位。 　　在2009年度《中國可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略》研究報(bào)告中，20多位院士一致認(rèn)為，到2010年煤炭在一次性能源生產(chǎn)和消費(fèi)中將占60％左右；到2050年，煤炭所占比例不會(huì)低于50％?？梢灶A(yù)見，煤炭工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的基礎(chǔ)地位，將是長期的和穩(wěn)固的，具有不可替代性[1][2]。 而作為我國特大煤炭生產(chǎn)基地，神東礦區(qū)（指神東公司所屬礦井）2010年生產(chǎn)原煤達(dá)2億噸，占全國煤炭產(chǎn)量6%強(qiáng)，其高效的生產(chǎn)、管理模式，有力地促進(jìn)了我國煤炭行業(yè)生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，正積極地引導(dǎo)著中國煤炭工業(yè)向現(xiàn)代化、信息化、數(shù)字化方面發(fā)展，為我國煤炭工業(yè)的安全健康發(fā)展，起了積極的示范促進(jìn)作用。 神東礦區(qū)自2005年在全國率先成為億噸礦區(qū)以來，更是以每年2000萬噸的增長速度快速發(fā)展，在2010年又在全國率先成為2億噸特大生產(chǎn)基地。目前，神東礦區(qū)常年綜采工作面保持在30個(gè)左右，年安裝回撤工作面達(dá)各達(dá)50多個(gè)，其高產(chǎn)高效的生產(chǎn)管理模式有力地支撐起神東礦區(qū)的快速發(fā)展并引起世界煤炭工業(yè)廣泛關(guān)注。 作為綜采工作面關(guān)鍵設(shè)備之一，神東礦區(qū)全部引進(jìn)先進(jìn)世界上采煤國家大功率、高強(qiáng)度采煤機(jī)，典型如德國EICKHOFF SL 型采煤機(jī)、美國LS 系列采煤機(jī)，總裝機(jī)功率最大已達(dá)2590KW，如EICKHOFF SL 1000 -6698采煤機(jī)目前在神東礦區(qū)補(bǔ)連塔礦使用，其單截割電機(jī)功率達(dá)1000KW，滾筒直徑達(dá)3.5米，采高范圍可達(dá)7米，是目前世界上在用的最大電牽引交流變頻雙滾筒采煤機(jī)。 自神東礦區(qū)1994年正式引進(jìn)世界范圍內(nèi)先進(jìn)采礦設(shè)備以來，截止2010年，采煤機(jī)目前已引進(jìn)達(dá)45臺(tái)。隨著采煤機(jī)過煤量（采煤機(jī)壽命期內(nèi)產(chǎn)量）的大幅度提高，人停機(jī)不停、高強(qiáng)度的生產(chǎn)模式，設(shè)備的老化現(xiàn)象嚴(yán)重，故障率特別是關(guān)鍵部件故障率大幅度升高，已在一定程度上制約著綜采工作面制約產(chǎn)量的提高，影響到礦井均衡生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)而甚至影響到礦區(qū)高產(chǎn)高效模式。如2007年神東礦區(qū)補(bǔ)連塔煤礦31401綜采工作面一臺(tái)EICKHOFF SL 6459電牽引采煤機(jī)因右搖臂齒輪箱行星頭故障，由于故障原因不明，現(xiàn)場判斷處理不當(dāng)，最后不得不整體更右換截割部搖臂齒輪箱，直接設(shè)備部件經(jīng)濟(jì)達(dá)450萬元，影響生產(chǎn)達(dá)38個(gè)小時(shí)，影響產(chǎn)量達(dá)6萬噸，間接損失3000多萬元，造成嚴(yán)重生產(chǎn)事故，影響較大[3]。 采煤機(jī)截割部搖臂齒輪箱作為采煤機(jī)關(guān)鍵部件，直接承擔(dān)綜采工作面截割動(dòng)力傳動(dòng)的重任，據(jù)對神東礦區(qū)近年來進(jìn)口采煤機(jī)搖臂齒輪箱故障率的統(tǒng)計(jì)，平均搖臂齒輪箱又占采煤機(jī)故障率的34.2%，且有呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。 表1-1 搖臂齒輪箱占采煤機(jī)故障率統(tǒng)計(jì)表[3] 年份 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 搖臂故障率 27.5% 33.3% 29.4% 34.6% 38.5% 36.2% 39.8% 由于其與一般工業(yè)用齒輪箱安裝方式不一樣，現(xiàn)代典型先進(jìn)的采煤機(jī)截割搖臂齒輪箱，其連接方式為截割電機(jī)+搖臂齒輪箱+螺旋截割滾筒，截割部作為一個(gè)整體與采煤機(jī)機(jī)身通過搖臂連接板（俗稱搖臂耳座）銷軸連接，截割部隨著綜采工作面采煤機(jī)截割煤生產(chǎn)工藝而上下前后調(diào)整，搖臂齒輪箱一方面隨煤壁采高的不同而上下調(diào)整，另外一方面隨著采煤機(jī)截割煤壁方向而前進(jìn)或后退，這種復(fù)雜的安裝接方式?jīng)Q定了采煤機(jī)搖臂齒輪箱隨著采煤機(jī)截割部上下前后移動(dòng)，運(yùn)行工況十分復(fù)雜。隨著設(shè)備的老化和高強(qiáng)度生產(chǎn)模式（平均一天檢修3小時(shí)，生產(chǎn)約20小時(shí)）作為采煤機(jī)最薄弱部件，搖臂齒輪箱承擔(dān)著采煤機(jī)故障最主要故障源，極大地制約著綜采工作面的產(chǎn)量的提高。 一直以來，由于煤礦行業(yè)生產(chǎn)環(huán)境惡劣，煤炭工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不景氣，煤礦工人素質(zhì)普遍低，專業(yè)人才的缺乏，技術(shù)力量的落后，嚴(yán)重制約了采礦設(shè)備故障診斷維修水平的發(fā)展，煤礦企業(yè)設(shè)備管理水平大大落后于一般工業(yè)企業(yè)，如電力行業(yè)、鋼鐵行業(yè)。許多國產(chǎn)采礦設(shè)備開機(jī)率極低，可靠性非常差，有的甚至在設(shè)備安裝調(diào)試階段就出現(xiàn)這樣故障或那樣問題而現(xiàn)場不能解決，最后只能拉回設(shè)備生產(chǎn)廠家解決，即便是下井設(shè)備也經(jīng)常出現(xiàn)故障而不能正常有效運(yùn)轉(zhuǎn)，極大了影響到煤礦安全生產(chǎn)水平的提高和煤炭產(chǎn)量的提升。 作為采煤機(jī)搖臂齒輪箱，因其安裝、運(yùn)行方式的特殊，目前在我國國有重點(diǎn)煤礦一般采用油液鐵譜分析技術(shù)對搖臂齒輪箱狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，鐵譜分析是通過鐵譜技術(shù)對齒輪箱潤滑油液磨損顆粒的大小、形態(tài)、面積、特征等參數(shù)進(jìn)行定性或定量的分析搖齒輪箱齒輪箱工作狀態(tài)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。然而鐵譜分析技術(shù)最大的缺點(diǎn)就是受制于人為因素、量大繁雜費(fèi)時(shí)，不能及時(shí)準(zhǔn)確快速地在現(xiàn)場判斷搖臂齒輪箱工作狀態(tài)，在生產(chǎn)實(shí)踐中不能及時(shí)準(zhǔn)確滿足現(xiàn)場實(shí)際需要。 隨著近二十年來設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)的快速發(fā)展，特別是針對齒輪箱故 障診斷技術(shù)理論與實(shí)踐的成熟，機(jī)械振動(dòng)監(jiān)測、信號(hào)處理、狀態(tài)識(shí)別用于齒輪箱故障 診斷取得巨大的成功，本課題根據(jù)對齒輪箱振動(dòng)故障機(jī)理分析、信號(hào)測試采集技術(shù)、 故障特征提取分析，試將機(jī)械振動(dòng)故障診斷方法應(yīng)用于煤礦現(xiàn)場采煤機(jī)搖臂齒輪箱故 障診斷中，提高了搖臂齒輪箱工作可靠性，預(yù)知設(shè)備狀態(tài)，確保了安全生產(chǎn)；降 低了煤礦工人勞動(dòng)生產(chǎn)強(qiáng)度、節(jié)約生產(chǎn)成本、提高了采煤機(jī)開機(jī)率；積極推廣先 進(jìn)的設(shè)備故障診斷技術(shù)于礦山設(shè)備管理中，促進(jìn)礦山設(shè)備管理水平的提高，促進(jìn) 了礦井高產(chǎn)高效生產(chǎn)模式的發(fā)展。 1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.1.1 齒輪箱故障診斷研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷(Equipment Condition Monitoring and Faults Diagnosis)是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步及設(shè)備管理水平的提高而快速發(fā)展起來的一門綜合性高新技術(shù), 它以機(jī)械、力學(xué)、電子、數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)及人工智能技術(shù)等多個(gè)學(xué)科作為基礎(chǔ)，作為一門新型實(shí)用技術(shù), 它廣泛地應(yīng)用到世界范圍內(nèi)工礦企業(yè)設(shè)備管理實(shí)踐中，并取得了可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]。 設(shè)備故障診斷發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了如下三個(gè)階段： 第一個(gè)階段是設(shè)備故障診斷技術(shù)的初級(jí)階段，20世紀(jì)六十年代以前, 設(shè)備故障診斷主要以現(xiàn)場工人直觀判斷或?qū)＜覀鹘y(tǒng)經(jīng)驗(yàn)為主, 診斷結(jié)論往往是對現(xiàn)場設(shè)備故障現(xiàn)象作簡單的定性分析, 主要特點(diǎn)是結(jié)合傳統(tǒng)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對設(shè)備狀態(tài)作出簡單的判斷, 極大地受制于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)水平; 第二階段是設(shè)備故障診斷快速發(fā)展階段, 20世紀(jì)六十年代以后, 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的大幅度快速躍進(jìn), 以傳感器技術(shù)、測試技術(shù)及信號(hào)處理技術(shù)為基礎(chǔ)現(xiàn)代設(shè)備故障診斷技術(shù)得到極大發(fā)展，設(shè)備故障診斷理論快速發(fā)展，故障診斷系統(tǒng)、儀器的大量研制，診斷方法百花齊放，尤其以機(jī)械振動(dòng)信號(hào)測試、信號(hào)分析處理、故障特征提取為基礎(chǔ)的振動(dòng)故障診斷技術(shù)在機(jī)械設(shè)備故障診斷中得到廣泛應(yīng)用； 第三階段是設(shè)備故障診斷智能診斷技術(shù)階段，20世紀(jì)80年代中期以后，機(jī)電設(shè)備日益向大功率、多功能化、復(fù)雜化、智能化方向發(fā)展，而隨著人類科技文明的進(jìn)一步發(fā)展，設(shè)備故障智能診斷技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，基于知識(shí)的人工智能故障診斷系統(tǒng)層出不窮，如故障診斷專家系統(tǒng)、模糊故障診斷系統(tǒng)、灰色理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)故障診斷等等新概念診斷模式在生產(chǎn)實(shí)踐中得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用[5]。 齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的研究最早始于20世紀(jì)60年代，根據(jù)診斷方法一般可以分為兩大類：一類是根據(jù)摩擦磨損理論，通過鐵譜技術(shù)分析齒輪箱潤滑油中的磨屑顆粒性質(zhì)大小特征來診斷齒輪箱的運(yùn)行狀況及發(fā)展趨勢，目前在某些行業(yè)也廣泛應(yīng)用，如神東礦區(qū)采煤機(jī)、刮板運(yùn)輸機(jī)等礦山設(shè)備采取鐵譜分析技術(shù)來對各類關(guān)鍵齒輪箱狀態(tài)作監(jiān)測，并取得一定的效果；另一類則通過對齒輪運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)信號(hào)分析處理來診斷齒輪箱的運(yùn)行狀況，由于振動(dòng)信號(hào)便于采集記錄、信號(hào)處理技術(shù)的飛速發(fā)展以及不易受到干擾等優(yōu)點(diǎn)，在世界各國工業(yè)設(shè)備管理中更大范圍內(nèi)被廣泛采用[6]。 目前齒輪箱故障診斷研究主要集中在齒輪箱故障機(jī)理研究、振動(dòng)信號(hào)處理和典型故障特征的提取、診斷方法和人工智能技術(shù)的應(yīng)用及齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和儀器研制四個(gè)方面。 （1）齒輪箱故障機(jī)理的研究 故障機(jī)理研究是設(shè)備狀態(tài)檢測與故障診斷的理論基礎(chǔ)，是獲得正確診斷結(jié)果的前提條件。它是以現(xiàn)代數(shù)學(xué)、線性和非線性動(dòng)力學(xué)理論、動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、摩擦學(xué)、振動(dòng)與噪聲、物理、計(jì)算機(jī)技術(shù)等眾多學(xué)科為基礎(chǔ)，根據(jù)所研究對象的故障特點(diǎn)，結(jié)合數(shù)字模擬仿真和實(shí)驗(yàn)研究，建立設(shè)備故障對應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型，模擬故障的動(dòng)力學(xué)特性，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 了解故障的形成與發(fā)展過程，從而掌握故障的產(chǎn)生原因及故障與特征之間的復(fù)雜關(guān)系[7]。 早在一百多年前，人們就已經(jīng)開始對齒輪箱的振動(dòng)和噪聲機(jī)理進(jìn)行了研究。但直到上個(gè)世紀(jì)六十年代中期，齒輪的振動(dòng)和噪聲才成為評價(jià)一個(gè)齒輪箱傳動(dòng)系統(tǒng)好壞的重要因素，并引起了世界范圍內(nèi)各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。英國學(xué)者H．optiz在1968年就齒輪振動(dòng)與噪聲的機(jī)理，發(fā)表了一些著名的研究報(bào)告，其中闡述了齒輪箱的振動(dòng)和噪聲是傳動(dòng)功率和齒輪傳動(dòng)誤差及齒輪精度的函數(shù)。另外，如美國的Buckingham和德國的Niemann也對齒輪箱的振動(dòng)和噪聲機(jī)理作出了自己的研究。我國很多學(xué)者教授對齒輪箱故障機(jī)理也很了很多研究，如丁康等對齒輪箱典型故障振動(dòng)特征與診斷策略進(jìn)行了研究、李潤芳等研究齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，研究齒輪振動(dòng)、沖擊及噪聲機(jī)理，研究表明嚙合剛度、嚙合誤差、及嚙合沖擊內(nèi)部激勵(lì)是齒輪振動(dòng)是根本因素，并研究了齒輪系統(tǒng)振動(dòng)分析模型。在齒輪箱軸承故障診斷方面也開展了大量的理論及實(shí)踐研究。近年來，國內(nèi)大批科研院所博士碩士在相關(guān)科研課題資金資助下大量開展齒輪箱故障診斷研究工作，并取得了可喜的研究成果。 （2）振動(dòng)信號(hào)處理 信號(hào)處理與典型故障特征提取技術(shù)是通過對傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行有效的分析與處理，提取出能敏感反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的典型故障特征信息。齒輪箱振動(dòng)信號(hào)的處理是齒輪箱故障診斷的關(guān)鍵，國內(nèi)外學(xué)者在這方面研究取得了重要的成果[]。近幾十年來，信號(hào)處理技術(shù)經(jīng)歷了由時(shí)域－頻域－時(shí)頻域發(fā)展過程。傳統(tǒng)的時(shí)域分析包括時(shí)域波形分析、時(shí)域參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析，包括最大值、峰峰值、均值、均方值、和方差等，及無量綱的特征值指標(biāo)，其中有方根幅值、平均幅值、均方幅值、峭度、波形指標(biāo)、峰值指標(biāo)、脈沖指標(biāo)、裕度指標(biāo)等。基于傳統(tǒng)的傅里葉變換的經(jīng)典的頻譜信號(hào)分析方法，如頻譜分析、倒頻譜分析、細(xì)化分析、Hilbert包絡(luò)解調(diào)分析等在指導(dǎo)齒輪箱等機(jī)電設(shè)備故障診斷實(shí)踐應(yīng)用中取得了巨大的成果，目前我國研制的大多數(shù)設(shè)備故障診斷儀器最普遍配置基礎(chǔ)頻譜分析功能，基本能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。但是傅里葉變換對是建立在信號(hào)平穩(wěn)性假設(shè)理論基礎(chǔ)之上的一種時(shí)域和頻域的全局性變換，它對分析平穩(wěn)（或準(zhǔn)平穩(wěn)）程的振動(dòng)信號(hào)是十分有效，但對非平穩(wěn)性信號(hào)則表現(xiàn)不盡人意，不能很好地提取非穩(wěn)性信號(hào)的特征。由于機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過程中由于阻尼、剛度、彈性等非線性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)的非線性，反映在其振動(dòng)信號(hào)上也具有非平穩(wěn)性。當(dāng)齒輪箱發(fā)生沖擊、碰摩、裂紋故障障時(shí)，其振動(dòng)信號(hào)往往表現(xiàn)非平穩(wěn)性，因此信號(hào)非平穩(wěn)性是設(shè)備故障的最根本表征。對于這些非平穩(wěn)性振動(dòng)信號(hào)必須用非平穩(wěn)信號(hào)處理方法，即時(shí)頻分析，如短時(shí)傅里葉變換（Short Time Fourier Transform，STFT）、Wigner-Ville分布、小波變換（Wavelet Transform，WT）、Hilbert-Huang變換、信號(hào)肓源分析、雙線性時(shí)間—頻率變換等時(shí)頻分方法。 1.2設(shè)計(jì)思路的提出 采煤機(jī)是煤礦綜采工作中的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備之一，大功率、高強(qiáng)度、高可靠性是現(xiàn)代采煤機(jī)發(fā)展方向。然而作為采煤機(jī)可靠性最為薄弱環(huán)節(jié)，搖臂齒輪箱頻繁出現(xiàn)機(jī)械故障，據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來其平均故障率占采煤機(jī)故障率的34.2%，已嚴(yán)重制約著采煤機(jī)開機(jī)率的提高，影響到煤礦綜合采集作業(yè)的均衡生產(chǎn)。齒輪箱主要有齒輪、軸、軸承和機(jī)架四個(gè)部分組成。本課論文只從采煤機(jī)搖臂高速區(qū)軸承振動(dòng)特性與故障分析方面進(jìn)行簡單討論研究。本文在查找大量資料的基礎(chǔ)之上，首先針對課題研究的背景、意義及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析論述，找到采煤機(jī)搖臂高速區(qū)故障診斷的難點(diǎn)及特點(diǎn)及現(xiàn)有方法的不足，再通過對搖臂齒輪箱安裝、運(yùn)行工況進(jìn)行分析，詳細(xì)分析其結(jié)構(gòu)、常見故障模式，研究高速區(qū)軸承振動(dòng)故障機(jī)理。由于煤礦井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，搖臂齒輪箱安裝特殊性，由于實(shí)際問題限制，以仿真軟件對工況進(jìn)行模擬仿真來代替在現(xiàn)場檢測在目前國內(nèi)采煤機(jī)市場，中厚煤層重型采煤機(jī)在研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和使用方面中占據(jù)著主導(dǎo)地位，中厚煤層采煤機(jī)技術(shù)日益成熟，有著廣闊的提升空間。目前國內(nèi)生產(chǎn)這類型采煤機(jī)的大型企業(yè)有西安煤礦機(jī)械廠、雞西煤礦機(jī)械廠、佳木斯煤礦機(jī)械廠等，其中以雞西煤礦機(jī)械廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MG160/390-WD型電牽引采煤機(jī)也是典型代表，該機(jī)在國內(nèi)有著廣泛的應(yīng)用，得到眾多煤礦的好評。本設(shè)計(jì)是在其成功的設(shè)計(jì)思想和理念基礎(chǔ)上，對其搖臂進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析高速區(qū)軸承振動(dòng)與三維建模。 1.2采煤機(jī)概述 1.2.1采煤機(jī)分類及組成 采煤機(jī)有不同的分類方法：按工作機(jī)構(gòu)形式可分為滾筒式、鉆削式和鏈?zhǔn)讲擅簷C(jī)；按牽引方式可分為鏈牽引和無鏈牽引采煤機(jī)；按牽引部位置可分為內(nèi)牽引和外牽引；按牽引部動(dòng)力可分為機(jī)械牽引、液壓牽引與電牽引；按工作機(jī)構(gòu)位置可分為額面式與側(cè)面式；還可以按層厚和傾角來分類?，F(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。 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鏈牽引，牽引嚙合效率高，不會(huì)出現(xiàn)斷鏈?zhǔn)鹿使ぷ鞲踩? 圖1.1 雙滾筒采煤機(jī) 1.2.2滾筒采煤機(jī)工作原理 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，這種采法稱為雙向采煤法。 圖1.2 雙滾筒采煤機(jī)工作原理 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。 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。 1.3采煤機(jī)械化的發(fā)展與趨勢 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、蘇聯(lián)相繼生產(chǎn)了采煤機(jī)，聯(lián)邦德國生產(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、聯(lián)邦德國相繼生產(chǎn)了滾筒采煤機(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)上的滾筒是死滾筒，不能實(shí)現(xiàn)調(diào)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)。因此，50年代各國的采煤機(jī)械化的主流還只是處于普通水平。雖然在1954年英國已經(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；特別是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—高效、高產(chǎn) 、安全和經(jīng)濟(jì)，因此各國競相采用綜采技術(shù)。 進(jìn)入70年代，綜采機(jī)械化得到了進(jìn)一步發(fā)展和提高，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)展，相繼出現(xiàn)了功率為750～1000KW，生產(chǎn)率達(dá)1500T/H的刮板輸送機(jī)，以及工作阻力達(dá)1500KN的強(qiáng)力液壓支架等。1970年采煤機(jī)無鏈牽引系統(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)煤國家已基本上實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)械化。衡量一個(gè)國家采煤機(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，并逐步過渡到無人工作面采煤；提高單機(jī)的可靠性，并使之系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化；研制厚、薄及急傾斜等難采煤層的機(jī)械設(shè)備。 1.4 本章小結(jié) 本章為論文的緒論部分，主要是對設(shè)計(jì)題目的分析,重點(diǎn)介紹了采煤機(jī)的分類、組成、工作原理、進(jìn)刀方式、發(fā)展及趨勢。  2 搖臂整體方案確定 2.1 MG160/390-WD型采煤機(jī)簡介 MG160/390-WD 無鏈電牽引采煤機(jī)，裝機(jī)總功率390KW，截割功率 2160KW，牽引功率230KW。MG160/3900-WD無鏈電牽引采煤機(jī)，采用多電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向布置形式，截割搖臂用銷軸與牽引部聯(lián)接，左、右牽引部及中間箱，采用高強(qiáng)度液壓螺栓聯(lián)接。在牽引減速箱內(nèi)橫向裝有開關(guān)磁阻電機(jī)，通過牽引機(jī)構(gòu)為采煤機(jī)牽引力，中間控制箱裝有調(diào)高油缸，電控、變壓器、水閥，每個(gè)主要部件可以從老塘側(cè)抽出，易維修，易更換。 其主要用途及適用范圍：MG160/390－WD無鏈電牽引采煤機(jī)一般適用于中厚煤層的開采，傾角小于35度，煤質(zhì)中硬或中硬以上，含有少量夾矸的長壁式工作面。本論文以MG160/390－WD為基礎(chǔ)進(jìn)行討論設(shè)計(jì)。 2.1.1主要技術(shù)參數(shù) 該機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下表2.1： 表2.1采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 采高 m 1.3-3.0 截深 m 0.6 適應(yīng)傾角 　 ≤35 適應(yīng)煤質(zhì)硬度 f≤4 滾筒轉(zhuǎn)速 r/min 46，52 滾筒直徑 mm 1250,1400,1600 搖臂形式 整體彎搖臂 搖臂長度 mm 1700 搖臂回轉(zhuǎn)中心距 mm 5813 搖臂擺角 ﹢42，-19.7 牽引速度 m/min 0-7 牽引型式 　 交流變頻調(diào)速無鏈牽引 機(jī)面高度 mm 1100 最小臥底量 mm 410 滅塵方式 　 內(nèi)外噴霧 裝機(jī)功率 KW 391 電壓 v 1140 2.1.2 電牽引采煤機(jī)截割部組成 截割部主要完成截煤和裝煤作業(yè)，主要組成部分有：截割電動(dòng)機(jī)、搖臂減速箱、內(nèi)外噴霧系統(tǒng)和截割滾筒等。截割部為整體彎搖臂結(jié)構(gòu)，即截割電機(jī)、減速器均設(shè)在截割機(jī)構(gòu)減速箱上，與牽引部鉸接和調(diào)高油缸鉸接，油缸的另一端鉸接在牽引部上，當(dāng)油缸伸縮時(shí)，實(shí)現(xiàn)搖臂升降。支承組件固定在左、右牽引部上，與行走箱上的導(dǎo)向滑靴一起承擔(dān)整機(jī)重量。 搖臂減速箱主要由殼體、輸入軸部件、惰輪、行星齒輪減速器、滾筒聯(lián)接裝置及內(nèi)外噴霧等裝置組成。搖臂的作用是將截割電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞到滾筒使之旋轉(zhuǎn)采煤，同時(shí)通過調(diào)高油缸的行程控制滾筒的升降。 2.1.3截割部電動(dòng)機(jī)的選擇 由設(shè)計(jì)要求知，截割部功率為2160KW，即每個(gè)截割部功率為160KW。根據(jù)礦下電機(jī)的具體工作情況，要有防爆和電火花的安全性，以保證在有爆炸危險(xiǎn)的含煤塵和瓦斯的空氣中絕對安全;而且電機(jī)工作要可靠，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，效率高。據(jù)三相鼠籠異步防爆電動(dòng)機(jī)YBCS4-160（B）, 其主要參數(shù)如下： 表2.2 YBCS4-160(B)主要技術(shù)參數(shù) 額定功率：400KW； 額定電壓：1140V 額定轉(zhuǎn)速：1480r/min 接線方式：Y 額定頻率：50HZ; 冷卻方式：外殼水冷 該電機(jī)總體呈圓形, 其電動(dòng)機(jī)輸出軸上 帶有漸開線花鍵，通過該花鍵電機(jī)將輸出的動(dòng)力傳遞給搖臂的齒輪減速機(jī)構(gòu)。 2.2 搖臂具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定 系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化是采掘機(jī)械發(fā)展的必然趨勢。所以，這里把左右搖臂設(shè)計(jì)成對稱結(jié)構(gòu)，搖臂減速箱完全互換，只是搖臂殼體分左右。為加長搖臂，擴(kuò)大調(diào)高范圍，搖臂內(nèi)常裝有若干惰輪，致使截割部齒數(shù)較多。同時(shí)由于行星齒輪為多齒嚙合，傳動(dòng)比大，效率高，可減小齒輪模數(shù)，故末級(jí)采用行星齒輪傳動(dòng)可簡化前幾級(jí)傳動(dòng)。 （1） 殼體：采取直臂形式，用ZG25Mn材料鑄造，并在殼體內(nèi)腔表面設(shè)置有八組冷卻水管。 （2） Ⅰ軸 ：軸齒輪，軸承，端蓋，密封座，套筒，密封件組成，通過以花鍵聯(lián)接的扭矩軸與截割電機(jī)聯(lián)接。 （3） Ⅱ：為惰輪組，軸齒輪，軸承，端蓋，密封件，密封座組組成。 （4） Ⅲ軸：齒輪，軸承，端蓋，密封座，套筒，密封件組成。 （5） Ⅳ軸：齒輪，軸承，端蓋，密封座，套筒，密封件組成。 （6） Ⅴ軸：齒輪，軸承，端蓋，密封座，套筒，密封件組成。 （7） Ⅵ軸：惰輪組，軸齒輪，軸承，端蓋，密封件，密封座組組成。太陽輪通過花鍵聯(lián)接將動(dòng)力傳遞給行星減速器。 （8） 行星減速器：太陽輪，行星輪，內(nèi)齒圈，行星架和輪軸，軸承，套筒組成。該行星減速器有三個(gè)行星輪系，太陽輪浮動(dòng)，行星架靠兩個(gè)套筒軸向定位，徑向有一定的配合間隙。 （9） 中心水路：水管和接頭組成。 （10） 離合器：離合手把，壓蓋，轉(zhuǎn)盤，推桿軸，扭矩軸等組成。 2.3傳動(dòng)方案的確定 2.3.1傳動(dòng)方式確定 其傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2.1，建模如圖2.2： 圖2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)圖 表2.3傳動(dòng)系統(tǒng)圖明細(xì)表 序號(hào) 名稱 序號(hào) 名稱 序號(hào) 名稱 1 電動(dòng)機(jī) 8 齒輪4 15 太陽輪 2 Ⅰ軸 9 齒輪5 16 轉(zhuǎn)臂 3 齒輪1 10 Ⅳ軸 17 內(nèi)齒圈 4 Ⅱ軸 11 齒輪6 18 齒輪8 5 齒輪2 12 Ⅴ軸 19 Ⅵ軸 6 Ⅲ軸 13 齒輪7 20 箱體 7 齒輪3 14 行星輪 圖2.2 搖臂三維建模 2.3.2 傳動(dòng)比的確定 總傳動(dòng)比 —電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 r/min —滾筒轉(zhuǎn)速 r/min 2.4傳動(dòng)比的分配 多級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比的確定有如下原則： (1) 各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比一般應(yīng)在常用值范圍內(nèi)，不應(yīng)超過所允許的最大值，以符合其傳動(dòng)形式的工作特點(diǎn)，使減速器獲得最小外形。 (2) 各級(jí)傳動(dòng)間應(yīng)做到尺寸協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)勻稱；各傳動(dòng)件彼此間不應(yīng)發(fā)生干涉碰撞；所有傳動(dòng)零件應(yīng)便于安裝。 (3) 使各級(jí)傳動(dòng)的承載能力接近相等，即要達(dá)到等強(qiáng)度。 (4) 使各級(jí)傳動(dòng)中的大齒輪進(jìn)入油中的深度大致相等，從而使?jié)櫥容^方便。 采煤機(jī)一般需要3～4級(jí)減速，對于中厚煤層采煤機(jī)采用2K-H(NGW)負(fù)號(hào)行星齒輪傳動(dòng)時(shí)，行星齒輪安在最后一級(jí)比較合理。采煤機(jī)每級(jí)傳動(dòng)比一般為3～4（行星齒輪傳動(dòng)可達(dá)5～6），傳動(dòng)比應(yīng)從高速級(jí)向低速級(jí)遞減。在初步設(shè)計(jì)時(shí)可按/=20%～30%。本次設(shè)計(jì)采用NWG型行星減速裝置，其原理如圖2.3所示： 圖2.3 NWG型行星減速裝置 這種型號(hào)的行星減速裝置，效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、傳動(dòng)功率范圍大，可用于各種工作條件。查閱文獻(xiàn)[4],采煤機(jī)截割部行星減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比一般為2.8～9。這里定行星減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比，則其他三級(jí)減速機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比：31.965=6.39。 由于采煤機(jī)機(jī)身高度受到嚴(yán)格限制，每級(jí)傳動(dòng)比一般為根據(jù)前述多級(jí)減數(shù)齒輪的傳動(dòng)比分配原則和搖臂的具體結(jié)構(gòu)，據(jù)文獻(xiàn)[8]，、分別為高速級(jí)和低速級(jí)的傳動(dòng)比。初定各級(jí)傳動(dòng)比為： ，，;以此計(jì)算三級(jí)減速傳動(dòng)比的總誤差δ=（31.69-2.411.851.425)/31.69=1‰,在誤差允許范圍5﹪內(nèi)，合適。 2.5傳動(dòng)效率選擇 圓柱齒輪傳動(dòng)選擇8級(jí)傳動(dòng)，查<<機(jī)械設(shè)計(jì)手冊>>得知傳動(dòng)效率0.97；扭矩軸0.99；滾動(dòng)軸承0.98（一對），行星齒輪傳動(dòng)0.98。 2.6搖臂的潤滑 采煤機(jī)截割部因傳遞功率大而發(fā)熱嚴(yán)重，其殼體溫度可高達(dá)100℃，因此傳動(dòng)裝置的潤滑十分重要。 減速箱中最常用的潤滑方法是飛濺潤滑，將一部分傳動(dòng)零件浸在油池中，靠它們向其他零件供油和濺油，同時(shí)油甩到箱壁上，以利散熱。油面的位置應(yīng)使齒輪副的大齒輪浸在油中1/3～1/4中。飛濺潤滑的優(yōu)點(diǎn)是：潤滑強(qiáng)度高，工作零件散熱快，不需潤滑設(shè)備，對潤滑油的雜質(zhì)和粘度下降不敏感。 搖臂內(nèi)的傳動(dòng)零件的潤滑是個(gè)特殊問題，截割頂部煤時(shí)滾筒上升，搖臂端部齒輪得不到潤滑；割底煤時(shí)滾筒下降，潤滑油集中在搖臂端部。為此常規(guī)定滾筒割煤一段時(shí)間后，應(yīng)停止?fàn)恳?，將搖臂下降，以潤滑端部齒輪，然后繼續(xù)上升工作。 2.7 本章小結(jié) 本章是論文的整體方案確定部分，主要包括采煤機(jī)截割電機(jī)的選擇、搖臂的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方案選擇、傳動(dòng)比分配、傳動(dòng)效率確定、及潤滑方式的選擇，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上進(jìn)行傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和校核.  3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1各級(jí)傳動(dòng)轉(zhuǎn)速、功率、轉(zhuǎn)矩的確定 各軸轉(zhuǎn)速計(jì)算： 從電動(dòng)機(jī)開始計(jì)算，各軸依次命名為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ軸。 Ⅰ軸 min Ⅱ軸 min Ⅲ軸 1480／2.41=614.12 Ⅳ軸 614.12/1.85=331.96 Ⅴ軸 Ⅵ軸 各軸功率計(jì)算： Ⅰ軸 1600.99=158.4 Ⅱ軸 158.40.970.98=150.58 Ⅲ軸 150.580.970.98=143.14 Ⅳ軸 143.140.970.98=136.07 Ⅴ軸 136.070.970.98=129.35 Ⅵ軸 129.350.970.98=122.96 各軸扭矩計(jì)算: Ⅰ軸 Ⅱ軸 971.65 Ⅲ軸 = 2225.13 Ⅳ軸 =3914.53 Ⅴ軸 =3746.6 Ⅵ軸 =5023.18 將上述計(jì)算結(jié)果列入下表,供以后設(shè)計(jì)計(jì)算使用 表3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)表 軸號(hào) 功率/kW 轉(zhuǎn)速n/(rmin) 轉(zhuǎn)矩T/(Nm) Ⅰ軸 158.4 1480 1022.11 Ⅱ軸 150.58 1480 971.65 Ⅲ軸 143.14 614.12 2225.13 Ⅳ軸 136.07 331.96 3914.53 Ⅴ軸 129.35 233.77 3746.96 Ⅵ軸 122.96 233.77 5023.18 3.2 齒輪設(shè)計(jì) 這里主要是根據(jù)查閱的相關(guān)書籍和資料，借鑒以往采煤機(jī)截割部傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),思路如下：初步確定各級(jí)傳動(dòng)中齒輪的齒數(shù)、轉(zhuǎn)速、傳動(dòng)的功率、轉(zhuǎn)矩以及各級(jí)傳動(dòng)的效率，進(jìn)而對各級(jí)齒輪模數(shù)進(jìn)行初步確定。截割部齒輪的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核，具體計(jì)算過程及計(jì)算結(jié)果如下： 3.2.1齒輪2和齒輪3（惰輪1）的設(shè)計(jì) （1）選擇齒輪材料及熱處理 查文獻(xiàn)5表16.2-59、60、61，大齒輪選用20GrMnTi滲碳淬火，齒面硬度59HRC；大齒輪用20Gr滲碳淬火，齒面硬度59HRC。由圖16.2-17及圖16.2-26，按MQ級(jí)質(zhì)量要求取值=1450 （2)按齒面彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 齒寬系數(shù)?。?.4 載荷系數(shù)取K=1.6 小輪轉(zhuǎn)矩=971.65 許用接觸應(yīng)力，按表16.2-33，取1.2 查圖6-8 ，1.5 =246.67 取齒數(shù)=30 =301.42=72.3 取=73，實(shí)際傳動(dòng)比（即齒數(shù)比）=2.43 查圖6-7得齒形系數(shù)2.59，2.27 0.0105，0.0092，取較大者，即前者 模數(shù)m，代入數(shù)據(jù)得m3.6,取m=4 中心距 齒寬 b=0.4206=82.4 小齒輪一般比大齒輪齒寬多5-10mm，取， 83 （3)驗(yàn)算齒面接觸強(qiáng)度 ，代入數(shù)據(jù)得910.05< （4)齒輪幾何尺寸計(jì)算 分度圓直徑 =m=430=120， =473=292 齒頂高 齒根高 =6 齒頂圓直徑 =128 =300 齒根圓直徑 =282 =110 齒寬b ,83 中心距 =206 3.2.2齒輪4和齒輪5設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 （1）選擇齒輪材料 小齒輪4選用20GrMnTi滲碳淬火，齒面硬度59HRC；大齒輪5用20Gr滲碳淬火，齒面硬度59HRC （2)按齒面彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 齒寬系數(shù)?。?.4 載荷系數(shù)取K=1.6 小輪轉(zhuǎn)矩=2241.11 許用接觸應(yīng)力 按表16.2-33，取1.2 查圖6-8 ，1.5 =246.67 取齒數(shù)=40 =301.85=74 取=74 實(shí)際傳動(dòng)比（即齒數(shù)比）=1.85 查圖6-7得齒形系數(shù)2.45，2.26 0.0093，0.0092 取較大者，即前者 模數(shù)m 代入數(shù)據(jù)得m4.2,取m=5 中心距 齒寬 b=0.4285=114 小齒輪一般比大齒輪齒寬多5-10mm 取 （3)驗(yàn)算齒面接觸強(qiáng)度 ,代入數(shù)據(jù)得737.43< （4)齒輪幾何尺寸計(jì)算 分度圓直徑 =m=540=200 =574=370 齒頂高 齒根高 =6.25 齒頂圓直徑 =210 =380 齒根圓直徑 =187.5 =357.5 齒寬b , 中心距 =285 3.2.3齒輪6和齒輪7（惰輪）設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 （1）選擇齒輪材料 小齒輪6選用20GrMnTi滲碳淬火，齒面硬度59HRC；大齒輪7用20Gr滲碳淬火，齒面硬度59HRC （2)按齒面彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算 齒寬系數(shù)?。?.4 載荷系數(shù)取K=1.6 小輪轉(zhuǎn)矩=3941.25 許用接觸應(yīng)力 按表16.2-33，取1.2 查圖6-8 ，1.5 =246.67 取齒數(shù)=37 =371.42=52.54 取=53 實(shí)際傳動(dòng)比（即齒數(shù)比）=1.43 查圖6-7得齒形系數(shù)2.54，2.26 0.0103，0.0096 取較大者，即前者 模數(shù)m,代入數(shù)據(jù)得m5.8,取m=6 中心距 齒寬 b=0.4240=96, 取 （3）驗(yàn)算齒面接觸強(qiáng)度 ,代入數(shù)據(jù)得1133.23< （4)齒輪幾何尺寸計(jì)算 分度圓直徑 =m=637=222, =653=318 齒頂高 齒根高 =7.5 齒頂圓直徑 =234, =330 齒根圓直徑 =192 =288 齒寬b , 中心距 =240 3.2.4驗(yàn)算齒輪3和齒輪6是否干涉 Ⅲ軸和Ⅳ軸中心距=285 257285 故齒輪3和齒輪6是不干涉 3.2.5 行星齒輪設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核 （1）行星傳動(dòng)類型為2K-H（A）。 （2）齒輪材料及熱處理 太陽輪和行星輪的材料為20GrMnTi，表面滲碳淬火處理，加工精度等級(jí)6級(jí)，表面硬度為：太陽輪60HRC，行星輪56～62 HRC。據(jù)文獻(xiàn)9圖6-12和圖6-27，取=1450和=370。內(nèi)齒圈選用20Cr調(diào)質(zhì)，加工精度等級(jí)7級(jí)，硬度。=1450和=370 （3）確定主要參數(shù) 1）行星機(jī)構(gòu)總傳動(dòng)比=4.97。 2）行星輪數(shù)目：根據(jù)文獻(xiàn)9表3-2，取=3。 3)載荷不均衡系數(shù)： 采用太陽輪浮動(dòng)和行星架浮動(dòng)的均載機(jī)構(gòu)，取=1.15 4)配齒計(jì)算 根據(jù)文獻(xiàn)9表3-2及傳動(dòng)比，選擇太陽輪齒數(shù)=17行星輪齒數(shù) =25，內(nèi)齒圈齒數(shù)=67,實(shí)際傳動(dòng)比i=4.94。其傳動(dòng)誤，傳動(dòng)合適。 （4）初步計(jì)算齒輪的主要參數(shù) 文獻(xiàn)9按彎曲強(qiáng)度公式6-50計(jì)算齒輪模數(shù)m: 式中相關(guān)系數(shù)如下： —名義轉(zhuǎn)矩， —算式系數(shù)，對于直齒輪為=12.1。 —綜合系數(shù)，由表6-5查得=1.8 —使用系數(shù)由表6-7查得=1.5 —行星齒輪間載荷分布不均勻系數(shù)，=1.15 —小齒輪齒形系數(shù)，由圖6-22得=2.58 —試驗(yàn)齒輪彎曲疲勞極限， —齒寬系數(shù)，=0.7 —小齒輪齒數(shù)，=17 將上列數(shù)據(jù)帶入公式得： 故取齒輪模數(shù)為8。 5．嚙合參數(shù)計(jì)算 兩個(gè)嚙合齒輪副a-c和b-c中，其標(biāo)準(zhǔn)中心距分別為： 由此可見, 滿足非變位同心條件。 6.幾何尺寸計(jì)算 表3.2星星輪系尺寸表 單位/mm 項(xiàng)目 計(jì)算公式 太陽輪a 行星輪c 內(nèi)齒圈b 分度圓直徑 136 200 536 齒頂高 8 8 8 齒根高 10 10 10 齒頂圓直徑 外嚙合 152 216 內(nèi)嚙合 520 齒根圓直徑df 外嚙合 116 180 內(nèi)嚙合 556 齒寬b 96 96 96 7條件驗(yàn)算 （1） 鄰接條件 按文獻(xiàn)9公式3-7驗(yàn)算，即和 式中： —裝配行星輪的齒頂圓的半徑，。 —裝配行星輪的齒頂圓的直徑，。 —行星輪個(gè)數(shù)，。 —為a,c齒輪嚙合中心距，。 -相鄰兩行星齒輪中心距，。 ， 故滿足鄰接條件。 （2）同心條件 由上知滿足同心條件。 （3）安裝條件 按文獻(xiàn)9公式3-20驗(yàn)算，即（整數(shù)） 條件滿足。 8.齒輪副強(qiáng)度驗(yàn)算 （1）齒面接觸應(yīng)力 1）據(jù)文獻(xiàn)9公式6-53，基本接觸應(yīng)力 式中： —節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 查圖6-9得。 —彈性系數(shù) 查表6-10得。 —重合度系數(shù) 查圖6-10得=0.9 —螺旋角系數(shù)，直齒輪，=1 —端面分度圓上的名義切向力， —小齒輪分度圓直徑，=136 —小齒輪工作齒寬，=96 —齒數(shù)比， —接觸應(yīng)力基本值， 2）齒面接觸應(yīng)力 據(jù)文獻(xiàn)9公式6-51，齒面接觸應(yīng)力 （6-51） —使用系數(shù) 查表6-7取=1.5 —?jiǎng)虞d系數(shù) 公式6-58 式中 ， ， 為傳動(dòng)精度系數(shù)，。 為小齒輪相對轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的速度 。 代入公式得1.01 —齒向載荷分布系數(shù)，內(nèi)齒圈的齒寬與行星輪分度 圓的直徑比值小于1，取=1 —齒間載荷分布系數(shù)，查表6-9，取=1.0 —計(jì)算接觸強(qiáng)度時(shí)行星輪間載荷分布不均勻系數(shù) ,=1.1 ，—齒面接觸應(yīng)力， （2）許用接觸應(yīng)力 據(jù)文獻(xiàn)9公式6-54，許用接觸應(yīng)力 （6-54） —試驗(yàn)齒輪接觸疲勞極限，=1450 —接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)，查表6-11，=1.2 —計(jì)算接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)， 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 按每天工作20小時(shí)，一年工作300天，使用壽命為8年 太陽輪: 行星輪: 按表6-12，公式（9） 計(jì)算得： ， —潤滑劑系數(shù)，查圖6-17得=1.05 —速度系數(shù)，查圖6-18得=0.9 —粗糙度系數(shù)，查圖6-19得=0.89 —工作硬化系數(shù)，=1.2 —接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)，按表6-15公式 （3）強(qiáng)度條件 （ 6-55） 故齒輪副滿足接觸強(qiáng)度條件。 9. 齒輪副強(qiáng)度驗(yàn)算 在內(nèi)嚙合齒輪副中只需校核內(nèi)齒圈b的接觸強(qiáng)度。 （1）齒面接觸應(yīng)力 1）接觸應(yīng)力基本 式中： ——節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 查圖6-9得。 ——彈性系數(shù) 查表6-10得。 ——重合度系數(shù),查圖6-10得=0.9 ——螺旋角系數(shù)，直齒輪，=1 ——端面分度圓上的名義切向力， 。 —小齒輪分度圓直徑，=200 —小齒輪工作齒寬，=92 —齒數(shù)比， —接觸應(yīng)力基本值， 2）齒面接觸應(yīng)力 （6-52） —使用系數(shù) 查表6-7取=1.5 —?jiǎng)虞d系數(shù) 公式6-58 ，式中 ， ， 為傳動(dòng)精度系數(shù)，。 為小齒輪相對轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)的速度 。 代入公式得1.01 —齒向載荷分布系數(shù)，內(nèi)齒圈的齒寬與行星輪分度 圓的直徑比值小于1，取=1 —齒間載荷分布系數(shù)，查表6-9，取=1.1 —計(jì)算接觸強(qiáng)度時(shí)行星輪間載荷分布不均勻系數(shù) =1.1 —齒面接觸應(yīng)力， （2）許用接觸應(yīng)力 (6-54) —試驗(yàn)齒輪接觸疲勞極限，=780 —接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)，查表6-11，=1.2 —計(jì)算接觸強(qiáng)度的壽命系數(shù)， 應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 按每天工作20小時(shí)，一年工作300天，使用壽命為8年 太陽輪 行星輪 內(nèi)齒圈 按表6-12，公式（9）計(jì)算得： ， ， ，—查表6-14，簡化計(jì)算的總值為（）=0.85 —工作硬化系數(shù) —接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)，按表6-15公式 （3）強(qiáng)度條件 (6-55) 故齒輪副滿足接觸強(qiáng)度條件。 3.3軸的設(shè)計(jì)校核與軸承選用 3.3.1 Ⅳ軸的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度效核 （1） 選擇Ⅳ軸的材料 選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理.查文獻(xiàn)6表7-1，材料強(qiáng)度極限， 取 (2)軸徑的初步估算 由文獻(xiàn)6表7-11取C＝107， 可得 (3)求作用在齒輪上的力 軸上大齒輪5分度圓直徑為： 圓周力，徑向力和軸向力的大小如下 小輪6分度圓直徑為: (4)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖3.1 Ⅳ軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 取較寬齒輪距箱體內(nèi)壁距離軸承距箱體內(nèi)壁相鄰 齒輪軸向距離10mm,安裝齒輪處軸段長比輪轂寬少2 mm。 1)擬定軸向定位要求確定各軸段直徑和長度 Ⅰ段安裝圓柱滾子軸承。取軸段直徑，，軸承型號(hào)N418，尺寸 Ⅱ段安裝齒輪，齒輪左端采用套筒定位，右端使用軸肩定位，取軸段直徑，軸段長度(比齒輪6輪轂寬少2mm)。 Ⅲ段取齒輪右端軸肩高度,取軸環(huán)直徑110+29=128軸環(huán)寬度=10.78mm，Ⅲ段長 Ⅳ段用于裝齒輪5，左端用軸肩定位，右端采用套筒定位。軸段直徑，軸段長(比齒輪5輪轂寬少2mm)。 Ⅴ段安裝圓柱滾子軸承,軸承型軸承型號(hào)NU2218E，尺寸，軸段直徑, （齒輪4距離箱體內(nèi)壁為10mm,齒輪6距內(nèi)壁為13mm)。 2）軸上零件的周向定位 兩個(gè)齒輪均采用漸開線花鍵聯(lián)結(jié)，花鍵適用于載荷較大和定心精度要求較高的靜聯(lián)接和動(dòng)聯(lián)接，它的鍵齒多，工作面總接觸面積大，承載能力高，它的鍵布置對稱，軸、轂受力均勻，齒槽淺，應(yīng)力集中較小，對軸和輪轂的消弱小， 軸端倒角。 (5） 軸的強(qiáng)度效核： 1）首先根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡圖： 圖3.2 Ⅳ軸計(jì)算簡圖 2） 求支反力：