课程设计-电牵引采煤机设计.doc

机械制造技术基础
课程设计
说明书

学校： 新疆大学
学院： 机械工程学院
班级： 机械12-7班
姓名： 张国靖
指导老师：陈立新老师

目 录
前 言 1
1 绪论 2
1.1 采煤机发展概述 2
1.2 国内外发展现状及研究趋势 4
1.2.1 国外电牵引采煤机发展概况 4
1.2.2 国内电牵引采煤机发展概况 5
1.2.3技术特点与发展趋势 6
1.2.4 国内电牵引采煤机研究方向 9
2 截割部的设计与计算 10
2.1主要技术参数 10
2.2传动比和各轴转矩的计算 11
2.3 齿轮强度校核 14
2.3.1 第Ⅰ级、高速级减速齿轮 14
2.3.2 第Ⅱ级减速齿轮 21
2.4 行星机构的计算 28
2.5 截割部轴的设计计算 48
2.5.1 离合器齿轮轴 48
2.5.2 齿轮组轴 56
2.6 截割部轴承寿命校核 63
2.6.1 离合齿轮组轴承 63
2.6.2 齿轮组轴轴承 65
致 谢 66
参考文献 67

前 言
我国是一个贫油、少气、富煤的国家，因此我国是产煤大国，煤炭是我国最主要的能源，是保证我国国民经济飞速增长的重要物质基础。
然而采煤一直以来都被人们看作一项非常危险的事情。在以前国内有很多小型煤窑，由于规模小，技术落后，大部分都是靠人工进行挖煤、运输煤。因此经常出现各种事故，而且大量浪费了资源。大型的采煤机械的出现使这一现象得到了改观。采煤机作为采煤的主要工具是实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一。机械化采煤可以减轻体力劳动、提高安全性，达到高产量、高效率、低消耗的目的。它对提高煤的采掘效率有着重要的影响。
20世纪70年代主要靠进口采煤机来满足我国生产的需要，到今天几乎是我国采煤机占领我国的整个采煤机市场，依靠科技进步，推进技术创新，开发高效矿井综合配套技术是我国煤炭科技的发展的主攻方向，我国的采煤机现在已经进入了自主研发，标准化，系列化阶段。

1 绪论

1.1 采煤机发展概述
机械化采煤开始于本世纪40年代，是随着采煤机械的出现而开始的。40年代初期，英国、苏联相继生产了采煤机，使工作面落煤、装煤实现了机械化。但当时的采煤机都是链式工作机构，能耗大、效率低，加上工作面输送机不能自移，所以生产率受到一定的限制。
50年代初期，英国、联邦德国相继生产出了滚筒式釆煤机、可弯曲刮板输送机和单体液压支柱，从而大大推进了采煤机械化技术的发展。滚筒式采煤机采用螺旋滚筒作为截割机构，当滚筒转动并切人煤壁后，通过安装在滚筒螺旋叶片上的截齿将煤破碎，并利用螺旋叶片把破碎下来的煤装人工作面输送机。但由于当时采煤机上的滚筒是死滚筒，不能实现调高，因而限制了采煤机的适用范围，我们称这种固定滚筒采煤机为第一代采煤机。因此，50年代各国采煤机械化的主流还只是处于普通机械化水平。虽然在1954年英国已研制出了自移式液压支架，但由于采煤机和可弯曲刮板输送机尚不完善，综采技术仅仅处在开始试验阶段。
60年代是世界综采技术的发展时期。第二代采煤机——单摇臂滚筒采煤机的出现，解决了采高调整问题，扩大了采煤机的适用范围。这种采煤机的滚筒装在可以上下摆动的摇臂上，通过摆动摇臂来调节滚筒的截割高度，使采煤机适应煤层厚度变化的能力得到了大大加强。1964年，第三代采煤机——双摇臂滚筒采煤机的出现，进一步解决了工作面自开切口问题。另外，液压支架和可弯曲输送机技术的不断完善，把综采技术推向了一个新水平，并在生产中显示了综合机械化采煤的优越性——高效、高产、安全和经济，因此各国竞相采用综采。进入70年代，综采机械化得到了进一步的发展和提高，综采设备开始向大功率、高效率及完善性能和扩大使用范围等方向发展，相继出现了功率为750—1000kW的采煤机，功率为900—1000kW、生产能力达1500t／h的刮板输送机，以及工作阻力达1500kN的强力液压支架等。1970年采煤机无链牵引系统的研制成功以及1976年出现的第四代采煤机——电牵引采煤机，大大改善了采煤机的性能，并扩大了它的使用范围。世界上第一台直流电牵引(他励)采煤机是由西德艾柯夫公司1976年研制的EDW一150—2L型采煤机。该采煤机首次使用就显示出电牵引的优越性，即效率高、产量大、可靠性高，其故障率只是液压牵引采煤机的l／5。同年，美国久益公司研制出了1LS直流(串励)电牵引采煤机，以后陆续改进发展为2LS、3LS、4LS系列；1996年生产的6LS05型采煤机，其总装机功率为1530kW，是目前世界上功率最大的釆煤机。
我国采煤机始于50年代，主要从国外引进，自70年代开始，我国处于引进与开发相结合的发展时期，能自行设计和生产适合各种煤层的螺旋滚筒式采煤机。我国采煤机的发展在80年代处于兴盛时期，在90年代进入电牵引阶段。1997年研制了我图第一台大功率电牵引采煤机，实现了采煤机技术的升级换代。现在我国采煤机技术正向高技术、高性能、高可靠性及电牵引方向发展。
滚筒式采煤机总体结构一般由截割部、电动机、牵引部和电气控制系统以及辅助装置组成。截割部是工作机构及其驱动装置的总称，它包括固定减速箱、摇臂和滚筒，是采煤机实现截煤、破煤和装煤的工作部分。采煤机截割部减速器一般分为固定减速器和摇臂减速器，其作用是将电动机的动力传递给螺旋滚筒，它主要包括齿轮减速的机械传动系统和供摇臂调高滚筒用的液压传动系统。本文设计的电牵引采煤机就是采用了摇臂减速器与行星机构的传动系统。
1.2 国内外发展现状及研究趋势
1.2.1 国外电牵引采煤机发展概况
20世纪70年代，美国JOY公司研制成功了1LS多电机横向布置直流电牵引采煤机，此后又陆续研制了2LS-6LS等型多电机横向布置电牵引采煤机。7LS5采煤机总功率1940kW，牵引速度30m／min，采用JOY Ultratrac2000型强力销轨无链牵引系统，加大销轨节距和宽度，并采用锻造销排，装备了与6LS5型通用的JNA机载计算机信息中心，具有人机通讯界面、故障诊断图形显示和储存、无线电遥控、牵引控制和保护等功能。
德国Eickhoff公司于1976年研制成功直流电牵引采煤机，并基本停止了液压牵引采煤机的研发，此后又陆续开发了多种形式电牵引采煤机。20世纪90年代开发的SL系列横向布置交流电牵引采煤机，将截割电机布置在摇臂上。其中SL500型电牵引采煤机装机功率达1815kW，最大牵引力869kN；SL300型电牵引采煤机总装机功率1138kW，采用双变频器一拖一系统，最大牵引速度达36．7 m／min：SLl000型采煤机装机功率达2600kW，牵引力1003kN。控制系统具有交互式人机对话、设备状态监测与故障预报、在线控制、数据传输等功能。
英国long-Airdox公司于1984年研制成功第1台将截割电机布置在摇臂上的多电机横向布置的Electra55V型直流电牵引采煤机，在此基础上又开发出功率更大的Electral000型直流电牵引采煤机。20世纪90年代，在Electra系列机型基础上，进一步加大功率，改进控制系统，开发了EL系列交流电牵引采煤机，主要机型有EL600、ELl000、EL2000、EL3000型。在EL系列机型上装置的Impact集成保护及监控系统具有负荷控制、机器监控、采煤机自动定位、自动调高、区域控制‘智能化安全联锁、随机故障诊断和数据传输等功能。日本三井三池制作所1987年后陆续研制成功多种截割电机纵向布置的MCLE．DR系列交流电牵引采煤机，近几年又开发了截割电机横向布置的多电机交流电牵引采煤机。采煤机装有微机工况监测及故障诊断系统，可数字显示牵引速度、滚筒位置、留顶底煤厚度、电机负载及各处温度，具有无线遥控装置，并可加装红外线发射器操纵液压支架。表l为国外代表性电牵引采煤机主要技术参数。

1.2.2 国内电牵引采煤机发展概况
我国电牵引采煤机在消化吸收国外引进采煤机技术的基础上，通过二次开发拥有了许多具有自主知识产权的换代产品，在我国煤矿综合机械化采煤工作面，国产采煤机已经占据主导地位，完全采用国产装备的高产高效工作面不断涌现。1991年，煤炭科学研究总院上海分院与波兰合作，在国内率先研制成功我国第l台采用交流变频调速技术的薄煤层爬底板采煤机，接着又先后研制成功了截割电机纵向布置的交流电牵引采煤机、截割电机横向布置的适用于中厚和较薄煤层的交流电牵引采煤机。上海分院研制的MG系列电牵引采煤机已形成九大系列共几十个品种。太原矿山机器厂与上海分院合作，将AM500液压牵引采煤机改造成MG375／830-WD型交流电牵引采煤机后，又自主研制成功了MGTY400／900-3·3D型和MG750／1800-3．3D型机载交流变频调速链轨式电牵引采煤机，现正在国家“十一五”科技支撑计划资助下研发装机总功率达2 500kW、最大采高6.0 m、年产1000万t的交流电牵引采煤机；鸡西煤机厂与上海分院合作将MG2x300-W型液压牵引采煤机改造成MG300／360-WD型交流电牵引采煤机后，又开发了MG200／463型、MG400／985型交流电牵引采煤机；辽源煤机厂与邢台矿业集团合作研制成功我国首台应用电磁转差离合器调速技术的MG668-WD型电牵引采煤机；无锡采煤机厂与中纺机电研究所合作研制成功国内首台应用开关磁阻电机调速技术的MG200／500-CD型电牵引采煤机。表2为国内具有代表性机型的采煤机主要技术参数。

1.2.3 技术特点与发展趋势
(1) 装机功率增大、性能参数提高
①单台截割电机功率多在400kW以上。多数采煤机单台截割电机功率己达600kW以上，EL3000采煤机单台截割电机功率达900kW，SLl000采煤机的单台截割电机功率高达1000kW，太原矿山机器集团也正在研发单台截割电机功率1000kW的新型大功率采煤机。
②牵引功率多在80kW以上，最大已达300kW。
③总装机功率超过1000kW，如7LS5达1940kW，EL3000总装机功率达2000kW，SLl000总装机功率更高达2600kW。
④牵引速度、牵引力大幅提高。牵引速度15～25 m／min，牵引力500 kN以上。最大牵引速度60m／min(EL3000)，最大牵引力已达1000kN以上(EL3000、SLl000、西安煤矿机械厂生产MG900／2210、鸡西煤矿机械厂生产的MG800／2040)，太原矿山机械集团有限公司即将推出牵引力l 125kN的采煤机。
⑤截割功率增大，支架实现随机支护，滚筒截深加大。10a前，截深大多是630-700mnl，现普遍采用截深1000～1200raln，别已达到1500 nun截深。
⑥采煤机可靠性和开机率提高。国外采煤机大修周期2a，出煤量400～600万t，要求采煤机出煤量300-400万t而不大修，差距较大。
(2) 中高压供电
随着采煤机装机功率大幅度提高，工作面不断加长，整个工作面容量超过5000kW，工作面长度达到300m。为减少输电线路损耗，提高供电质量和电机性能，普遍采用中高压供电。主要供电等级有2300V、3300V、4160V、5000V等。
(3)监控保护系统智能化
现代电牵引采煤机均配备有智能化监控、监测和保护系统，可以实现交互式人机对话、无线电遥控、工况监测及状态显示、数据采集存储及传输、故障诊断及预警、自动控制、自动调高等多种功能，以保证采煤机维护量最小，利用率最高，并可实现与液压支架、工作面输送机的信息交互和联动控制等功能。如安德森公司EL系列机型上装置Impact集成保护与监控系统，Eichhoff公司的Eichhoff数据汇集技术系统， JOY公司6LS型电牵引采煤机的JNA网络信息中心等。
(4)电牵引系统向交流调速发展
早期的电牵引采煤机大多采用直流调速系统。日本20世纪80年代中期研制成功第1台交流电牵引采煤机，交流调速系统以其技术先进、可靠性高、维护管理简单、价格低廉等优点，被迅速推广应用。20世纪90年代中后期研制的大功率电牵引采煤机均采用交流变频调速牵引系统。目前，交流电牵引已经取代直流电牵引。早期的交流牵引均采用一个变频器拖动2台牵引电机，变频器对电机的性能参数难以准确检测，控制和保护功能无法完全发挥。如今主流交流电牵引采煤机均采用2个变频器分别拖动2台牵引电机的牵引系统，使牵引的控制和保护性能更加完善。这种一拖一的牵引系统已经成为电牵引技术发展的又一特点。
(5)总体结构趋向模块化及多电机横向布置
横向布置方式可使各部件由单独电机驱动，机械传动系统彼此独立，可模块化设计，结构简单，装拆方便。美国从1LS开始将截割电机横向布置在摇臂上，至今沿用。英国从Electra550开始，采用电机横向布置。德国于20世纪90年代开发了横向布置的SL系列电牵引采煤机。目前国内外的电牵引采煤机几乎都采用了横向布置方式。
(6)无链牵引向齿轮-齿轨式演变
随着牵引力的不断增大，销轮．齿轨式无链牵引已经淘汰，齿轮．链轨式无链牵引也已使用不多，现在采煤机无链牵引正逐步趋向于采用齿轮．齿轨式无链牵引，这是一种从齿轮．销轨式演变而来的无链牵引结构，圆柱销被齿轨所取代，焊接结构改成了整体精密铸造或锻造，宽度增大，节距由125mm增加至175 mm。
1.2.4 国内电牵引采煤机研究方向
国内电牵引采煤机代表机型在总体参数和性能方面已接近国外先进水平。但一些关键部件及其总体性能、功能、适应范围等方面还有待进一步完善和提高。尤其是在线工况监测、故障诊断及预报、信号传输与采煤机自动控制、传感器等智能化技术与国外相比还有较大的差距。因而国内电牵引采煤机的智能化程度低，设备可靠性、安全性和可维护性较差，今后国内电牵引采煤机的主要研究方向如下；
(1)进一步完善和提高交流变频调速牵引系统的可靠性。重点是完善和提高系统装置的抗振、散热和防潮等性能。
(2)研究可靠的微机电气控制系统。重点是提高采煤机电控系统抗干扰、抗热效应的能力。
(3)开发或增强电控系统的监控功能。重点是研究故障诊断与专家系
统、工况监测、显示与信息传输系统、工作面采煤机自动运行控制系统、自适应变频电路的漏电检测与保护技术、摇臂自动调高系统等。
(4)开发可四象限运行的矿用交流变频调速装置，使采煤机能适应较大倾角煤层开采的需要。
(5)开发装机功率更大、采高更高的采煤机，提高煤炭产量及回采率。
(6)加强提高采煤机开机率和可靠性的研究。
(7)电器元件小型化的研究。由于装机功率增大，电动机、变压器、变频器等设备的体积也相应增大，为满足整机结构布置紧凑的要求，必须研究设备小型化的技术途径。

2 截割部的设计与计算
2.1 主要技术参数
1. 适应煤层：
采高范围 1.5～3.0 m
煤层倾角 ≤20°
煤质硬度 ≤4.50MPa
截割电机
电机型号 YBC-150A（水冷）
额定功率（kW） 150
额定电压（V） 1140
额定转速（r/min） 1475
牵引电机
电机型号 YBC-75（水冷）
额定功率（kW） 75
额定电压（V） 1140
额定转速（r/min） 1465
2. 其它参数：
截深（mm） 800
牵引速度（m/min） 0～7.7
牵引力（kN） 400
滚筒直径（mm） Φ1400
滚筒转速（r/min） 39.26
3. 配套输送机：
SGB630/220型刮板输送机

3.2 传动比和各轴转矩的计算
1.确定总传动比 ：
== =39.26
2.确定各级传动比：
各级传动比分配如下：
（、、）
（、、）
（、、）
行星减速： （、、、）
3.确定各级传动效率和总效率：

=0.992

=0.992

=0.992

=0.992

=0.992

=0.992

则：
=0.602
----注：调高系统的功率损失不计，以偏安全。
4.确定各轴转速、输入功率：
1）转速：

2）输入功率：

2.3 齿轮强度校核
2.3.1 第Ⅰ级、高速级减速齿轮
(1)选择齿轮材料和热处理方法，确定齿轮的疲劳极限
应力：
由于齿轮尺寸要求小，大小齿轮均选用合金钢硬齿面齿轮。有效
硬化层深
小齿轮：20CrMnMo,渗碳淬火，有效硬化层深1.2~1.6mm，齿面硬
度58~62HRC，心部硬度≥32HRC。
大齿轮：20CrMnMo,渗碳淬火， 1.1~1.5mm，齿面硬度56~60HRC，
心部硬度≥32HRC。
齿轮的疲劳极限应力按中等质量要求MQ

(2)初定齿轮主要参数和尺寸：

分度圆直径：

节圆直径：

基圆直径：

齿顶圆直径：

齿根圆直径：

校核重合度：
无纵向重合度：

端面重合度：

齿顶圆压力角：

啮合角：

则总的重合度：

所以重合度符合要求。
齿轮圆周速度：

按此速度参考表“第Ⅱ公差组精度与圆周速
度的关系”选用较高的齿轮精度等级----7-6-6(GB/T10095--1988）,
以提高齿轮传动的质量，减低齿轮的噪声。
(3）校核齿面接触疲劳强度许用接触应力：

实际接触应力：

确定式中各参数：
分度圆上的切向力：

使用系数：
动载系数：

其中：

齿向载荷分布系数：
齿间载荷分布系数：

根据
查表“齿间载荷分配系数、”得：

节点区域系数：
材料弹性系数：
重合度系数：
螺旋角系数：
单对齿啮合系数：

计算齿面接触疲劳强度安全系数：

齿面接触应力循环数：
t 按使用寿命为10年，每年360天，每天工作
8小时。

按齿面允许有一定点蚀查图“接触强度计算的
寿命系数”得寿命系数。

润滑油膜影响系数：
查表“润滑油膜影响系数值”得：
齿面工作硬化系数：
由图“齿面工作硬化系数”得
尺寸系数：
按，查图“接触强度计算的尺寸系数
”得
将以上数据代入安全系数计算式得：

由表“最小安全系数、参考值”取一
般可靠度（失效概率0.01），选用最小安全系数
。大小齿轮的安全系数>。
4）校核齿根弯曲强度：
算式中各参数确定如下：
齿向载荷分布系数：
齿间载荷分布系数：
重合度系数：
螺旋角系数：
当量齿数：

由此查图“外齿轮的复合齿形系数”得

将以上数据代入计算式：

齿轮弯曲疲劳安全系数：

应力修正系数：
弯曲应力循环数与接触应力循环数相同，据此
查图“弯曲强度计算的寿命系数”得

相对齿根圆角敏感系数：

相对齿根表面状况系数：
取齿根表面粗糙度，据此查图“相对
齿根表面状况系数”得
尺寸系数：
查图“弯曲强度计算的尺寸系数”得
将以上数据代入安全系数计算式：

按一般可靠度，查表“最小安全系数、
参考值”取最小安全系数。

。
由此可知第一级齿轮强度满足要求

d1=138mm

故很安全

故很安全

2.3.2 第Ⅱ级减速齿轮
(1) 选择齿轮材料和热处理方法，确定齿轮的疲劳极限应力：
由于齿轮尺寸要求小，大小齿轮均选用合金钢硬齿面齿轮。
小齿轮：20CrMnMo,渗碳淬火，有效硬化层深1.2~1.6mm，齿面
硬度58~62HRC，心部硬度≥32HRC。
大齿轮：20CrMnMo,渗碳淬火，有效硬化层深1.1~1.5mm，齿面
硬度56~60HRC，心部硬度≥32HRC。
齿轮的疲劳极限应力按中等质量要求MQ

(2) 初定齿轮主要参数和尺寸：
分度圆直径：

节圆直径：

基圆直径：

齿顶圆直径：

齿根圆直径：

校核重合度：
无纵向重合度：

端面重合度：

齿顶圆压力角：

啮合角：

则总的重合度：

所以重合度符合要求。
齿轮圆周速度：

按此速度参考表“第Ⅱ公差组精度与圆周
速度的关系”选用较高的
齿轮精度等级----7-6-6(GB/T10095--1988,
以提高齿轮传动的质量，减低齿轮的噪声。
(3）校核齿面接触疲劳强度
许用接触应力：

实际接触应力：

确定式中各参数：
分度圆上的切向力：

使用系数：
动载系数：

其中：

齿向载荷分布系数：
齿间载荷分布系数：
根据

查表“齿间载荷分配系数、”

节点区域系数：
材料弹性系数：
重合度系数：
螺旋角系数：
单对齿啮合系数：

计算齿面接触疲劳强度安全系数：

齿面接触应力循环数：
t 按使用寿命为10年，每年360天，每天工作
8小时。

按齿面允许有一定点蚀查图“接触强度计算
的寿命系数”得寿命系数。

润滑油膜影响系数：
查表“润滑油膜影响系数值”得：
齿面工作硬化系数：
由图“齿面工作硬化系数”得
尺寸系数：
按，查图“接触强度计算的尺寸系
数”得
将以上数据代入安全系数计算式得：

由表“最小安全系数、参考值”取
一般可靠度（失效概率0.01），选用最小安全
系数。大，小齿轮的安全系数
>。
(4）校核齿根弯曲强度：

算式中各参数确定如下：
齿向载荷分布系数：
齿间载荷分布系数：
重合度系数：
螺旋角系数：
当量齿数

由此查图“外齿轮的复合齿形系数”得

将以上数据代入计算式：

齿轮弯曲疲劳安全系数：

应力修正系数：
弯曲应力循环数与接触应力循环数相同，据此
查图“弯曲强度计算的寿命系数”得

相对齿根圆角敏感系数：

相对齿根表面状况系数：
取齿根表面粗糙度，据此查图“相对齿
根表面状况系数”得
尺寸系数：
查图“弯曲强度计算的尺寸系数”得
将以上数据代入安全系数计算式：

按一般可靠度，查表“最小安全系数、
参考值”取最小安全系数。

由此可知第二级减速齿轮强度满足要求

d1=147mm

得：

故很安全

故很安全

2.4 行星机构的计算
根据实际情况，选用NGW型行星传动机构a-太阳轮，b-内齿圈，c-行星齿轮，H-行星架

参考《现代机械传动手册》之第六章“渐开线行星齿轮

传动”由于传动比为 ，故参照“NGW
型行星齿轮 传动的齿数组合”选定 ：