縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)摘要煤炭是目前以及未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)我們國(guó)家得主要能源。煤炭工業(yè)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要基礎(chǔ)。掘進(jìn)機(jī)是應(yīng)用于隧道建設(shè)以及煤炭巷道機(jī)械化掘進(jìn)的一種重要的機(jī)械設(shè)備，而懸臂工作機(jī)構(gòu)直接參與截割工作機(jī)構(gòu)，期截割性能對(duì)整體的工作效率、可靠性和使用壽命，以及截割的經(jīng)濟(jì)效益都有直接的影響，是整機(jī)的綜合體現(xiàn)。在本次設(shè)計(jì)中的掘進(jìn)機(jī)是一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)截割，裝載，運(yùn)輸?shù)木蜻M(jìn)機(jī)器。懸臂工作機(jī)構(gòu)是掘進(jìn)機(jī)的主要組成機(jī)構(gòu)，按照懸臂工作機(jī)構(gòu)的總體、動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分以及執(zhí)行部分的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)懸臂的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，動(dòng)力部分做選型計(jì)算，傳動(dòng)部分的截割減速機(jī)構(gòu)做具體的計(jì)算與校核。我所設(shè)計(jì)的課題是掘進(jìn)機(jī)懸臂工作的機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)以及截割減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于提高和改進(jìn)掘進(jìn)機(jī)工作性能，發(fā)展我國(guó)大口徑全斷面掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)以及進(jìn)一步提高我國(guó)的盾構(gòu)研發(fā)能力、改善研發(fā)條件具有重大戰(zhàn)略意義。關(guān)鍵詞：截割減速器;懸臂工作機(jī)構(gòu);掘進(jìn)機(jī);IAbstractCoal is the main energy source of our country in the present and the future Coal industry is the important basis of economic construction in China. Boring machine is applied in tunnel construction and mechanized Drivage of coal roadway is a kind of important mechanical equipment and working mechanism of cantilever directly involved in cutting working mechanism, broken period cutting performance on the overall work efficiency, reliability and service life, and the cutting of the economic benefits have direct influence, is a comprehensive reflection of the whole.In this design, the tunneling machine is a driving machine that can achieve continuous cutting, loading, transportation Cantilever roadheader consisting mainly of institutions, in accordance with the cantilever overall, power part, transmission part and part of the implementation of the design ideas of cantilever roadheader design. In the design, the power part of the selection calculation, the transmission part of the cutting reducer to do the specific calculation and verification. The subject I designed is the mechanism design for the cantilever working in the tunneling machine, and the design of the cutting mechanism To enhance and improve the working performance of the boring machine, the development of China's large - diameter full face tunnel boring machine industry and further improve our shield ability of research and development, improve the R D conditions is of great strategic significance.Keywords: cutting reducer; cantilever working mechanism; tunneling machine;縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)目錄1 掘進(jìn)機(jī)的作用 .11.1 國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀 .12 懸臂的工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 22.1 懸臂截割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì) .22.1.1 截割頭形式的選擇 22.1.2 伸縮機(jī)構(gòu)的確定 .32.1.3 截齒的類性 32.2 參數(shù)確定 32.2.3 截割機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)的初步確定 .53 截割減速器設(shè)計(jì) 93.1 傳動(dòng)類型的設(shè)計(jì) .93.2 齒輪傳動(dòng)比的分配 93.2.1 總傳動(dòng)比 93.2.2 各級(jí)傳動(dòng)比 .103.3 高速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 113.3.1 配齒計(jì)算 113.3.2 按齒面的接觸強(qiáng)度做出初算 傳動(dòng)中心距與模數(shù) 13CA?3.3.3 計(jì)算 傳動(dòng)的實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù) 和嚙合角 .15CA?AC?'AC?3.3.4 計(jì)算 傳動(dòng)的變位系數(shù) .153.3.5 計(jì)算 傳動(dòng)的實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù) 和嚙合角 16BC?CB?'CB?3.3.6 計(jì)算 傳動(dòng)的變位系數(shù) .163.3.7 幾何尺寸計(jì)算 .163.3.8 驗(yàn)算 傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度 .19CA?3.3.9 根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度確定內(nèi)齒輪材料 .243.4 低速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 243.4.1 配齒計(jì)算 .243.4.2 按接觸強(qiáng)度初算 傳動(dòng)的中心距和模數(shù) 25CA?3.4.3 計(jì)算 傳動(dòng)的實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù) 和嚙合角 .28?AC?'AC?3.4.4 計(jì)算 傳動(dòng)的變位系數(shù) .293.4.5 計(jì)算 傳動(dòng)的中心距變動(dòng)系數(shù) 和嚙合角 .29BCCB?'CB3.4.6 計(jì)算 傳動(dòng)的變位系數(shù) .29?3.4.7 幾何尺寸計(jì)算 .303.4.8 驗(yàn)算 傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度 .32CA3.4.9 根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度確定內(nèi)齒輪材料 .363.5 輸入輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 373.5.1 輸入軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 373.5.2 輸出軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 393.6 減速器軸承的校核 423.6.1 齒輪用軸承的選擇 .423.6.2. 輸入輸出軸用軸承的選擇 .48縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)3.7 減速器的潤(rùn)滑和密封 .493.7.1 減速器潤(rùn)滑 493.7.2 密封方式 494 截割頭軸的計(jì)算校核 504.1 截割頭軸的設(shè)計(jì)計(jì)算和校核 .504.2 截割頭軸用軸承的選擇和校核 555 結(jié)論 57致謝 .58參考文獻(xiàn) 59附錄 A.60附錄 B .64縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)01 掘進(jìn)機(jī)的作用1.1 國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)技術(shù)與發(fā)展現(xiàn)狀隨著采煤技術(shù)的發(fā)展煤礦生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，大型礦井下大都開(kāi)始采用全煤巷布置開(kāi)采方式。采煤的工作面推進(jìn)速度也比以前快的多，因而使煤礦井下的煤巷掘進(jìn)工作量大幅增加所以掘進(jìn)機(jī)工作效率也有了較高的要求。出于安全考慮巷道采用炮掘已經(jīng)被嚴(yán)格要求。故掘進(jìn)機(jī)是我國(guó)煤巷道掘進(jìn)的重要設(shè)備。我國(guó)20世紀(jì)80年代初大批引進(jìn)煤炭采掘設(shè)備，進(jìn)過(guò)消化吸收和一些民營(yíng)資本的進(jìn)入，是我國(guó)的掘進(jìn)設(shè)備有了長(zhǎng)足發(fā)展與創(chuàng)新。1.2 掘進(jìn)機(jī)在煤礦領(lǐng)域中的作用掘進(jìn)機(jī)主要由行走機(jī)構(gòu)，工作機(jī)構(gòu)，裝運(yùn)機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)組成。隨著行走機(jī)構(gòu)向前推進(jìn)，工作機(jī)構(gòu)中的切割頭不斷破碎巖石，并將碎巖運(yùn)走。有安全、高效和成巷質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)大，構(gòu)造復(fù)雜，損耗也較大。掘進(jìn)機(jī)的主要功能是剝落煤巖，能掘出不同的巷道斷面尺寸。在給定所掘巷道的地質(zhì)情況下，有較高的生產(chǎn)率。而且掘進(jìn)機(jī)在井下不但用于巷道的掘進(jìn)，在對(duì)一些特殊的煤和煤巖也起到采掘作用。并且在截割過(guò)程中動(dòng)載荷小，生成的粉塵少，比能耗低，取代了人工鉆眼放炮的原始掘進(jìn)方法，掘進(jìn)機(jī)自身攜帶裝載、轉(zhuǎn)載以及獨(dú)立的行走機(jī)構(gòu)，提高了井下工人們的工作環(huán)境、工作效率和井下安全系數(shù)。12 懸臂的工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1 懸臂截割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)2.1.1 截割頭形式的選擇方案一掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)采用橫軸式截割頭，橫軸式的懸臂掘進(jìn)機(jī)一般用于軟巖掘進(jìn)，橫軸式的截割頭的截割性能好，橫軸式的截割頭的頭體多為厚鋼板的組焊結(jié)構(gòu)或者螺釘連接結(jié)構(gòu)，由左右對(duì)稱的兩個(gè)半球體組成。截割頭是通過(guò)漲套式的聯(lián)軸器和減速器輸出軸相連，可起到過(guò)載保護(hù)。橫軸式截割頭結(jié)構(gòu)較為的復(fù)雜。截割頭掏槽時(shí)橫軸式的推進(jìn)方式與截割力方向基本一致，必須用較大的進(jìn)給力，如果用行走機(jī)構(gòu)進(jìn)給掏槽，則應(yīng)加大行走功率，而且最大截割深度最大不能超過(guò)2/3的截割直徑，這不便于挖柱窩。橫軸式的截割頭在掘進(jìn)巷道時(shí)在工作面某一位置沿巷道掘進(jìn)方向切進(jìn)一定深度，然后截割頭上下左右擺動(dòng)擴(kuò)大截割范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)全工作面的截割，但要注意點(diǎn)是由于橫軸式的截割頭的結(jié)構(gòu)所限，不容許完全做垂直擺動(dòng)截割，否則兩截割頭中間部分將觸媒，增大了工作的阻力。方案二掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)采用縱軸式截割頭，縱軸式的懸臂掘進(jìn)機(jī)采用二級(jí)的行星齒輪作為傳動(dòng)。它的特點(diǎn)是同軸傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞功率大，傳動(dòng)效果好，在推進(jìn)過(guò)程中方向幾乎垂直截割方向，因而只需較小的進(jìn)給力，而且截割深度可由幾厘米到整個(gè)截割頭長(zhǎng)度任選。在巷道掘進(jìn)中縱軸截割頭可以朝任何方向擺動(dòng)，因而可以選擇巖層較弱、阻力最小的方向截割，同時(shí)還能掘出平整的巷道?？v軸式的截割頭在掘進(jìn)巷道時(shí)截割頭首先要鉆進(jìn)工作面一定深度，然后橫向擺動(dòng)截割，達(dá)到巷道邊界后，沿垂直方向截割一定高度，在水平擺動(dòng)截割，如此循環(huán)往復(fù)，直到完成對(duì)全工作面的截割。使用縱軸式的懸臂機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？v軸式懸臂掘進(jìn)機(jī)由截割機(jī)構(gòu)，裝載機(jī)構(gòu)，回轉(zhuǎn)臺(tái)，液壓系統(tǒng)，行走機(jī)構(gòu)，電氣系統(tǒng)，后支撐和轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)等組成。截割頭是由截割機(jī)構(gòu)上的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。行走，運(yùn)輸和轉(zhuǎn)載的動(dòng)力則是由安裝在本體部的電動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)2提供。截割臂的上下，左右擺動(dòng)，鏟板起落，后支撐支地和伸縮部伸縮都是由液壓油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的 [6]2.1.2 伸縮機(jī)構(gòu)的確定伸縮機(jī)構(gòu)分為內(nèi)伸縮式和外伸縮式。內(nèi)伸縮式的結(jié)構(gòu)具有尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，伸縮靈活。所以采用內(nèi)伸縮式的伸縮機(jī)構(gòu)。內(nèi)伸縮式結(jié)構(gòu)是由保護(hù)筒，伸縮內(nèi)筒，伸縮外筒，花鍵套，密封座，主軸，軸承，隔套，旋轉(zhuǎn)密封、油封等構(gòu)成。位于截割頭和減速器，通過(guò)花鍵聯(lián)接使主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)截割頭旋轉(zhuǎn)，通過(guò)油缸伸縮帶動(dòng)伸縮部實(shí)現(xiàn)伸縮的機(jī)構(gòu)。2.1.3 截齒的類性選擇截齒類型的時(shí)候，應(yīng)綜合考慮煤巖的堅(jiān)固性、抗截強(qiáng)度、脆性程度、所含夾石層的軟硬等因素。一般來(lái)說(shuō)煤質(zhì)堅(jiān)硬、節(jié)理和層理都不明顯、裂隙不發(fā)達(dá)的煤巷，可選用刀形齒。但因其徑向安裝，刀體部分承受彎矩較大容易斷裂，所以刀體應(yīng)有較高的強(qiáng)度。對(duì)于煤質(zhì)硬而脆、且含有硬夾石的煤層，應(yīng)選用鎬形齒。這種截齒的強(qiáng)度大、耐磨，而且截割阻力的方向近于截齒的軸線方向，齒身所受彎矩??；齒的固定方法也比較簡(jiǎn)單。如果合理設(shè)計(jì)，可使截齒在截割過(guò)程中旋轉(zhuǎn)，自磨刀，保持齒尖銳利，減少截割阻力，延長(zhǎng)截齒壽命。所以這種截齒在掘進(jìn)機(jī)截割頭上使用較多。 2.2 參數(shù)確定2.2.1 懸臂的長(zhǎng)度和回轉(zhuǎn)角度的確定根據(jù)上文的結(jié)構(gòu)選擇，伸縮機(jī)構(gòu)類型采用內(nèi)伸縮式。(1)伸縮量。伸縮量要大于或等于截深，考慮伸縮部的結(jié)構(gòu)和機(jī)器工作的穩(wěn)定性，懸臂伸縮量一般為 500~600mm，設(shè)計(jì)任務(wù)書中給出 500mm，選取 500mm。(2)懸臂長(zhǎng)度和擺角通常情況下，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)合巷道數(shù)據(jù)，基本可以確定懸臂的長(zhǎng)度和擺角。最大掘高 4.5m，上擺角 ，下擺角 ，取水平擺角 = 。?451???352????33最大掘?qū)?5.5m 下，懸臂長(zhǎng)為：(2-1)maL3941503sin/280????即懸臂長(zhǎng)為 3941mm( 為垂直回轉(zhuǎn)中心 至水平回轉(zhuǎn)中心 的距離，取 650mm)。a1O2O回轉(zhuǎn)中心高：(2-2)H.2583sin5.4????(2-3)??4i.0即 mm 盡量降低重心，取 H=1600mm。0.138?H根據(jù)幾何關(guān)系確定上擺角和下擺角。既上擺角 ，下擺角 。??321???28?2.2.2 可掘斷面參數(shù)的確定最大寬度(當(dāng)懸臂在水平位置擺動(dòng)時(shí))：(2-4)?sin)(201maxLB??， ， ， ；5.max?4501ma65?3?上部寬度(當(dāng)懸臂在上極限位置左右擺動(dòng)時(shí))：(2-5)??sin)co(2101LB?， 8.4??32下部寬度(當(dāng)懸臂在下部位置左右擺動(dòng)時(shí))：(2-6)??sin)co(220aLB?，m.5??8上擺高度： (2-101sinH7) 4.201?下擺高度： (2-8)sin?LmH.20縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)4臥底深度： (2-9))sin(i230???Lh， m25?0巷道高度： (2-H5.4201?10)可掘最大斷面： (2-11)2max01max012max02[()()]3.62SBBH???式中： —切割頭前端至垂直回轉(zhuǎn)中心 的距離；01L1O—垂直回轉(zhuǎn)中心 至水平回轉(zhuǎn)中心 的距離；a12—水平回轉(zhuǎn)時(shí)，懸臂的擺角；?—垂直回轉(zhuǎn)的上擺角；1?—截割到巷道底面時(shí)，垂直回轉(zhuǎn)的下擺角；2—臥底時(shí)，懸臂垂直回轉(zhuǎn)的最大下擺角，可根據(jù)臥底深度來(lái)定，一般可取 3mm，這里取 250 mm。0~10?h2.2.3 截割機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)的初步確定1 截割頭的有關(guān)參數(shù)的確定(1)截割速度與擺角速度在截割功率一定，切割的速度決定著截割力矩與截割力大小。截割力矩為 3012??nNMC?平均截割力 /DPcc平均單齒截割力 mCZ1?式中： 5—為切割頭平均直徑，m；0D—為切割頭的轉(zhuǎn)速，r/min；n—為切割力矩， ；CMmN?—平均切割力，N；P—平均單齒切力，N；C1—同時(shí)工作齒數(shù)，可用總齒數(shù)一半。mZ懸臂式掘進(jìn)機(jī)能達(dá)到的最大截割力總是與其截齒截割的速度相關(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 中間選用。 本設(shè)計(jì)要求，確定的截割的速度為 2.0m/s。掘進(jìn)機(jī)對(duì)煤巖性質(zhì)具有一定的范圍，通常在半煤巖中，可以選合理的工作擺動(dòng)速度，在硬一點(diǎn)得半煤巖中取 ，在中硬煤巖石，擺動(dòng)速度不可3~2?bVm/in0.2~51m/in以過(guò)大，取 。5.1/i本設(shè)中，選取擺動(dòng)速度為 1.4 。/in(2)截割頭的直徑截割頭的直徑通常指其平均直徑，它決定著掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)率和截齒的截割能力并與巷道斷面大小有關(guān)。根據(jù)公式求得截割頭橫截面積（2-12）jvQSte?式中：；hmQtt 380理 論 截 割 生 產(chǎn) 率 ；—。svvjj 2?掘 進(jìn) 機(jī) 截 割 速 度 ；367.01mSe?縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)6根據(jù)公式得截割頭平均直徑（2-13）2e???????DS?求得平均直徑 mD921(3)截割頭的長(zhǎng)度截割頭的長(zhǎng)度是指截割頭沿軸線方向的長(zhǎng)度，其值大小不僅影響掘進(jìn)機(jī)工作的循環(huán)時(shí)間，而且還和煤巖的性質(zhì)及其壓張效應(yīng)有關(guān)。因此，必須嚴(yán)格地選取。若截割頭較長(zhǎng)，雖對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)率有利，但卻使截割阻力和比能耗增加。如果截割頭設(shè)計(jì)得太短，雖然可以利用自由面和地壓作用，但由于鉆進(jìn)深度小將使掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)速度降低。根據(jù)掘進(jìn)機(jī)理論生產(chǎn)率：（2-14）btDLvQ06??式中：—理論截割生產(chǎn)率； ；tQhmt38—煤巖松散比； ；0?5.10??—截割頭平均直徑； ；DD92—截割頭長(zhǎng)度；L—橫切速度（懸臂的擺動(dòng)速度）； 。bv min4.1vb?689.092.56080 ???btDQL?故截割頭長(zhǎng)度取 m692 截割頭的轉(zhuǎn)速確定掘進(jìn)機(jī)的截割頭轉(zhuǎn)速根據(jù)公式為：（2-15） 60nvj??式中： —截割速度； ；jvsmvj2—截割頭平均直徑； 。DD91?7n49.192.06mirn???故該掘進(jìn)機(jī)截割頭轉(zhuǎn)速選取 。mi4r?3 電動(dòng)機(jī)的選擇利用能耗法比能耗的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)估算截割功率 N(2-16)LDvH?60?式中：—比能耗， ；?H3h/mkW4???—截割頭擺動(dòng)速度， ；v/in.1Hv—截割深度， ；L6.0L—截割頭平均直徑， 。D92.?DkW34.129.046.1??N根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) MT477-1996YBU 系列掘進(jìn)機(jī)用隔爆型三相異步的電動(dòng)機(jī)，確定截割功率為 160kw，額定電壓 AC1140 /660 V，轉(zhuǎn)速 1483rpm，選用 YBUD-160/100-4/8 型掘進(jìn)機(jī)專用防爆水冷型三相異步電動(dòng)機(jī)。數(shù)據(jù)如表 2-1 所示。表 2-1 電 動(dòng) 機(jī) 技 術(shù) 數(shù) 據(jù)Table 2-1 motor technical data型號(hào)功率 kW額定電壓 V轉(zhuǎn)速rpm效率%功率因數(shù)額定轉(zhuǎn)矩冷卻方式工作制絕緣等級(jí)重量kgYBUD160/100160/100660/11401483/733rpm0.925/0.900.88/0.692.0 外殼水冷S2 H 2690縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)83 截割減速器設(shè)計(jì)3.1 傳動(dòng)類型的設(shè)計(jì)行星齒輪的傳動(dòng)具有多分流傳動(dòng)，低壓力嚙合，作用力平衡與運(yùn)行多變性等諸多特點(diǎn)，所以同等工作條件下和定軸齒輪傳動(dòng)相比，行星齒輪傳動(dòng)具有外形尺寸小，重量輕，傳動(dòng)效率高，工作可靠和同軸傳動(dòng)等一些優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外縱軸式掘進(jìn)機(jī)的截割結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)都采用行星齒輪傳動(dòng)，以提高承載能力、效率和可靠性的同時(shí)，也盡可能地減輕重量，縮小外廓尺寸，降低制造成本。不但要傳動(dòng)裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，而且滿足一定的強(qiáng)度要求和減速比要求。故這種工作機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置多采用行星齒輪傳動(dòng)，來(lái)滿足要求。若采用一級(jí)減速，則傳動(dòng)比太大，導(dǎo)致齒輪結(jié)構(gòu)很難滿足現(xiàn)實(shí)要求，所以，決定采用二級(jí)齒輪減速。齒輪系的選取有定軸輪系與周轉(zhuǎn)輪系兩種。由于懸臂使用內(nèi)伸縮式，電動(dòng)機(jī)，聯(lián)軸器，的減速器相對(duì)于軸向是固定的，傳動(dòng)裝置體積小，結(jié)構(gòu)緊湊等考慮，采用雙級(jí)行星齒輪傳動(dòng)。工作機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)布置圖 3-1。圖 3-1 傳動(dòng)系統(tǒng)Figure 3-1 transmission system3.2 齒輪傳動(dòng)比的分配確定總傳動(dòng)比并根據(jù)傳動(dòng)比分配理論分配各級(jí)傳動(dòng)比,并選擇齒輪齒數(shù)。3.2.1 總傳動(dòng)比(3-1)24.36182?ni93.2.2 各級(jí)傳動(dòng)比和 分別為高速級(jí)傳動(dòng)比和總傳動(dòng)比。?i用角標(biāo) 表示高速級(jí)參數(shù)， 表示低速級(jí)參數(shù)。設(shè)高速級(jí)與低速級(jí)外嚙合齒輪材料、?齒面硬度相同，則 ???limliH?（3-2）1??Bd式中：—低速級(jí)內(nèi)齒輪的分度圓直徑；BId—高速級(jí)內(nèi)齒輪的分度圓直徑。I（3-3）2?????WNHVcds ZKCA??式 中 ：—中 間 變 量 ；A—行 星 輪 數(shù) 目 ， ， ；?sC3??s5?s—分 度 圓 的 齒 寬 系 數(shù) ， ；?d?2.1?d?—齒 面 工 作 硬 化 系 數(shù) ， ；?WZ???WZ—載 荷 分 布 系 數(shù) ， ；?cCkK??cK—接 觸 強(qiáng) 度 的 載 荷 系 數(shù) ， 。??H 2???NHVZ?4.135?A8?BE縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)10345678102E=iIi圖 3-2 傳動(dòng)比分配圖Figure 3-2 ratio distribution diagram由圖 3-2 可得 5.6??i（3-4）96.45.23??i3.3 高速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1 配齒計(jì)算選擇確定行星輪數(shù)目取 ，因?yàn)?距達(dá)到的傳動(dòng)比較遠(yuǎn)，所以可以不計(jì)算3?SC5.6?BAXi鄰接的條件。確定告訴軸中個(gè)齒輪齒數(shù)，行星減速器齒輪傳動(dòng)的配齒公式來(lái)計(jì)算。（3-5）nCZisABX?（3-6）ASB?（3-7）)(21'CZ?式中：—行星的減速器高速級(jí)減速比， ；BAXi 5.6BAXi11—行星的減速器高速級(jí)的中心輪齒數(shù)；AZ—整數(shù)， ；n19?—行星的減速器高速級(jí)的內(nèi)齒輪齒數(shù)；B—行星的減速器高速級(jí)的行星輪齒數(shù)。'CZ 1935.6??AZ4891??BZ5.)(2' ?C表 3-1 行星輪數(shù)目與傳動(dòng)比的關(guān)系Table 3-1 the planets round number to the transmission ratio傳動(dòng)比范圍行星輪數(shù)目 sC??BAXi3 2.1～13.74 2.1～6.55 2.1～4.7采 用 了 不 等 角 變 位 。 可 取 或19?CZ20C若 取 ， 則 ， 由 文 獻(xiàn) [16]可 查 出 適 用 預(yù) 計(jì) 的 嚙 合 角 在20?CZ9.48??ABj、 到 、 的 范 圍 內(nèi) ； 若 取 ， 則?'A??3'B''3021??C???2'CB 9?CZ， 適 用 預(yù) 計(jì) 的 嚙 合 角 在 、 到 、.1948???CABZj ''30?AC?''4017?B''3026??AC?的 范 圍 內(nèi) 。?2'B?取 時(shí)，不符合不等角變位的選擇條件、且各齒輪齒數(shù)間存在公因數(shù)。應(yīng)取0?C縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)12且符合公因數(shù)條件，預(yù)取 。19?CZ ''3026??AC?3.3.2 按齒面的接觸強(qiáng)度做出初算 傳動(dòng)中心距與模數(shù)?電動(dòng)機(jī)輸入轉(zhuǎn)矩 IT???nP950 (3-8)式中：— 電動(dòng)機(jī)的功率， ；?PkW160?— 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， ；?nrpm483??nmN10395????T在 傳動(dòng)中，對(duì)中心輪的傳遞轉(zhuǎn)矩CA?A（3-9）csKCT??式中：— 電動(dòng)機(jī)輸入的轉(zhuǎn)矩， ； ?TmN103??— 行星輪個(gè)數(shù)， ；sC?sC— 載荷的不均勻系數(shù)，由文獻(xiàn) [16]查得 。cK15.?cKmN39.0??AT齒數(shù)的比： 1.29?ACZu中心輪與行星輪材料使用 滲碳淬火處理，中心輪與行星輪齒面硬度均為rMo20，則試驗(yàn)齒輪接觸疲勞的極限為 。HRC63~5 2limN/150H?齒輪中心輪的許用的接觸應(yīng)力（3-10）lilimHXWRVNHPSZ??13式中：— 計(jì)算接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn) [17]查得 ； NZ 1?NZ— 速度系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)查得 ；V 9.0?VZ— 粗糙度系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)查得 ；R 1R— 工作硬化系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)查得 ；WZW— 接觸強(qiáng)度計(jì)算尺寸系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn) [17]查得 ；X 1?XZ— 計(jì)算接觸強(qiáng)度為最小安全系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)查得 。limHS limHS2N13509.50??HP?中齒面的強(qiáng)度計(jì)算公式可以計(jì)算出中心距(3-10)??321HPaAauKT???式中：— 鋼與鋼配對(duì)齒輪副常系數(shù) ； aA483?a— 齒數(shù)比 ；u1.2?u— 載荷系數(shù) 由文獻(xiàn) [16]查得 ；K.1K— 齒寬系數(shù)， ；a?7.0a?— 許用的接觸應(yīng)力 。HP?2mN135?HP???m961350.708.4832????a齒輪模數(shù)： （3-11）8.6192???CAzam圓整之后取模數(shù) 。8傳動(dòng)的未變位時(shí)的中心距CA?縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)14m12)9(28)(2???CAACZma按之前取嚙合角 ，可得出 傳動(dòng)中心距的變動(dòng)系數(shù)''306????????????1cos21'ACACZ??式中 —標(biāo)準(zhǔn)壓力角， 。??0???704.1326cos0192'???????????AC?則 傳動(dòng)的實(shí)際的中心距CA? m63.17804.1' ???maAC?圓整后取實(shí)際中心距 。18'?3.3.3 計(jì)算 傳動(dòng)的實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù) 和嚙合角CA?AC?'AC?傳動(dòng)的實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù) AC?（3-12）ma??'式中 —圓整后的實(shí)際的中心距， ；'a18'— 傳動(dòng)未變位時(shí)的中心距， 。AC?2ACa75.08???傳動(dòng)的嚙合角 'AC?89.02cos1cscos''???aAC''5326?3.3.4 計(jì)算 傳動(dòng)的變位系數(shù)CA?(3-13)???tan2'iviZxACAC????式中：15—嚙合角的漸開(kāi)線函數(shù)， ；'ACinv?037958.'?ACinv?—標(biāo)準(zhǔn)壓力角的漸開(kāi)線函數(shù)， 。1??.07294.09????ACx利用文獻(xiàn)校核 ， 在許用區(qū)內(nèi)。A分配變位系數(shù)，得 51.0?x365.0.8???AC3.3.5 計(jì)算 傳動(dòng)的實(shí)際中心距變動(dòng)系數(shù) 和嚙合角B?CB?'CB?傳動(dòng)的未變位時(shí)的中心距C（3-13）????m1694822???CBCZma5.01'??92376.cos86cscos'' ??aCB''' 0231??3.3.6 計(jì)算 傳動(dòng)的變位系數(shù)?(3-14)???tan2'iviZxCBBC???式中：—嚙合角得漸開(kāi)線函數(shù)， 。'CBinv?017.'?CBiv??265.294.8148?????CBx3.065.03.3.7 幾何尺寸計(jì)算幾何尺寸計(jì)算公式由表 3-2，計(jì)算各個(gè)齒輪分度圓直徑： m7298??AZd34?B縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)16m15298???CZd式中：—分別是中心輪、內(nèi)齒輪和行星輪的分度圓的直徑 。CBAd ??計(jì)算各個(gè)齒輪齒頂高齒頂高變位系數(shù) ????13.075.36.051.????????ACACx?? .2BB計(jì)算 傳動(dòng)時(shí)中心輪和行星輪齒頂高 A?（3-15）??mxhACaA??????式中：—齒頂高系數(shù)， ；?ah1?ah—齒輪模數(shù)， 。mm8???m08.13.051.????aA .9.6.??xhCaC?計(jì)算出 傳動(dòng)時(shí)的行星輪和內(nèi)齒輪齒頂高B?????8.105.3.01?????????mxCBaC? m96.4.6.?hB由于在行星傳動(dòng)中，行星輪主要與中心輪嚙合，而與內(nèi)齒輪的嚙合精度不要求太高，所以選 。m8.10?aCh計(jì)算各個(gè)齒輪的齒根高(3-16)??mxchAafA????式中：—齒根系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值， ；?c25.0?c—齒輪模數(shù)， 。mm8?17??m8.51.025?????fAh04.163.??mxcBafB??8.75.021hCfC表 3-2 齒 輪 傳 動(dòng) 幾 何 尺 寸 計(jì) 算Table 3-2 gear geometry size calculation計(jì)算公式及說(shuō)明項(xiàng)目 代號(hào)直齒輪（外嚙合、內(nèi)嚙合）分度圓直徑 d21mzd?齒頂高變動(dòng)系數(shù) y???yxy???1齒頂高 ahha????221齒根高 f ??mxcaff 2211??齒高 h2211fah??外嚙合 2211aad齒頂圓直徑 內(nèi)嚙合 ad2211aah???齒根圓直徑 f 2211ffd?各個(gè)齒輪的齒頂圓直徑 m16.9408.27????aAaAhd縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)18m08.37496.2384????aBaBhd.1.15?CC各個(gè)齒輪的齒根圓直徑 24.608.72????fAfAhdm9.35.134?fBfB84.70.25fCfChd計(jì)算齒輪的齒寬中心輪齒寬m4.5072.???Adb?圓整后取中心輪齒寬 ，m50A行星輪齒寬 ，4Cb內(nèi)齒輪齒寬 。16?B3.3.8 驗(yàn)算 傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度A?（1） 中心輪齒面接觸強(qiáng)度校核中心輪輸入轉(zhuǎn)矩(3-17)npT950?式中：—電動(dòng)機(jī)功率， ；PkW160P—電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)， 。nrpm483?nmN10348695???T端面內(nèi)分度圓上的名義切向力 dF231?式中：19—中心輪輸入轉(zhuǎn)矩， ；TmN103??T—中心輪的分度圓直徑， 。d72dN9537103??F中心輪齒面接觸應(yīng)力 的計(jì)算HA?= （3-18）????????????ZKubdEHHVA211??式中：—端面內(nèi)分度圓上的名義切向力， ；F N9537?F—分度圓直徑， ； dm72?d—齒寬， ；b50—齒數(shù)比， ； u1.u—使用系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ； AK75.1?AK—?jiǎng)虞d系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；V V—齒向載荷分布系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ； ?H 52.1?H—齒間載荷分布系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；?K.??K—節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；HZ 8.1HZ—彈性系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；E .9E—重合度系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 。 ? .0????? 9.081.2.5.17.21.507293 ??????? ?????HA?= mN18中心輪許用齒面接觸應(yīng)力 的計(jì)算HP?=HP?limlimXWRVNSZ2mN13509.50??縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)20HPHA????13508安全系數(shù)： lim124.HP SS??中心輪齒面的強(qiáng)度符合要求。（2） 中心輪齒根彎曲強(qiáng)度校核中心輪齒根應(yīng)力 的計(jì)算FA?(3-19)bmYKeSFVA???式中：—端面內(nèi)分度圓上的名義切向力， = F N9537—齒寬， = bm50—模數(shù)， = 8—使用系數(shù)， ； AK7.1?AK—?jiǎng)虞d系數(shù)， ； VV—載荷分布系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；?F 8.1??FK—載荷分配系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ； ?K2.?—齒形系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；FY75.FY—修正系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ； ?S .1??S—重合度系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 。 e 35.e??.17.218.75.180953 ????FA? 2mN594?中心輪許用齒根應(yīng)力 的計(jì)算FP?limlimFXRreltstSY??式中：—彎曲疲勞極限， ； limF?2limN50F?—應(yīng)力修正系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；stY?stY21—敏感系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ； reltY? 1?reltY?—表面系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；Rrelt .Rrelt—尺寸系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ； X 98.0X—安全系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 。limFS 2.1lim?FS.980.1250??FP?2NFPFA??4安全系數(shù)： 2.15.198lim??PSS中心輪齒根強(qiáng)度符合要求。（3） 行星輪齒面接觸強(qiáng)度校核行星輪齒面接觸應(yīng)力 的計(jì)算HC?= (3-20)????????????ZKubdFEHHVA211??式中：—分度圓直徑， ； dm152?—齒寬， ；b40—齒向載荷分布系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；?HK3.1??HK—齒間載荷分布系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；? 0.?—重合度系數(shù)，由文獻(xiàn)查得 [17] 。?Z1?Z?? 18.9.3.75.21.40152937 21??????? ????HC?= mN8行星輪許用齒面接觸應(yīng)力 的計(jì)算HP?=HP?limlimXWRVNSZ2mN13509.50??縱軸式掘進(jìn)機(jī)懸臂工作機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及其截割減速器設(shè)計(jì)22HPHC????1350784安全系數(shù)： lim172.HP SS??所以行星輪齒面強(qiáng)度符合要求。（4） 行星輪齒根彎曲強(qiáng)度校核行星輪齒根應(yīng)力 的計(jì)算FC?(3-21)bmYKeSFVA???式中：—齒寬， = ； bm40—載荷分布系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；?FK5.1??F—載荷分配系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ； ? 0.?K—齒形系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 ；FY5.2FY—修正系數(shù)，由文獻(xiàn) [17]查得 。?S 7.1??S??35.2.05.7.1840953 ????FC? 2mN.469?行星輪許用齒根應(yīng)力 的計(jì)算FP?limlimXRreltstFPSY? 2.1980.250?2FPFC?89.46安全系數(shù)： 2.1.12lim???FPSS?所以行星輪齒根強(qiáng)度符合要求。233.3.9 根據(jù)齒面接觸強(qiáng)度確定內(nèi)齒輪材料（3-22）2limN/.709.09.081.2517.593? ???????XWRVNEHAHZKudbF???根據(jù) 選用內(nèi)齒輪材料為 并進(jìn)行表面淬火和氮化，表面硬度達(dá)limH?CrMo即可。B280~43.3.10 驗(yàn)算 傳動(dòng)的齒面接觸強(qiáng)度和齒根彎曲強(qiáng)度C?傳動(dòng)中齒輪為內(nèi)嚙合，行星齒輪傳動(dòng)的承載能力主要取決于外嚙合，故傳動(dòng)的校核可以省略。C?3.4 低速級(jí)齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算3.4.1 配齒計(jì)算取 ，由于 距可能達(dá)到的傳動(dòng)比極限較遠(yuǎn)，所以可以不檢驗(yàn)鄰接條件。5?SC5.6?BAXi確定各齒輪齒數(shù)，減速器齒輪傳動(dòng)的配齒公式計(jì)算。(3-23)nCZisABX?ASBZn??)(21'C式中：—行星減速器低速級(jí)減速比， ；BAXi 5.6?BAXi—行星減速器低速級(jí)中心輪齒數(shù)；Z