机械毕业设计1525悬臂式斗轮取料机设计

目 录1 概述11.1 斗轮堆取料机简介11.2斗轮堆取料机分类21.3斗轮堆取料机市场需求31.4斗轮堆取料机国内发展现状41.5斗轮堆取料机的研究方向71.6设计课题及选题意义82 总体设计102.1总体设计概述102.2悬臂式斗轮取料机构成102.3悬臂式斗轮取料机的主要参数及其确定112.3.1取料的理论生产率112.3.2斗轮取料时每层深度122.3.3料堆高度122.3.4料堆长度122.4悬臂式斗轮取料机的工作性能参数及其确定122.4.1斗轮直径的确定122.4.2铲斗数目的确定132.4.3斗距的确定132.4.4铲斗容量q的确定132.4.5斗轮切割速度的确定143 部件设计153.1悬臂式斗轮取料机构设计153.1.1斗轮取料机构构成153.1.2斗轮驱动电机选用173.1.3液力偶合器选用183.1.4销齿传动设计193.1.5斗轮轴的设计及校核243.2上车回转机构设计283.2.1回转机构选型283.2.2 回转机构设计313.2.3齿轮轴设计及校核343.2.4小齿轮校核373.2.5回转支承的日常维修393.3带式输送机选型设计403.3.1带式输送机特点403.3.2带式输送机的驱动装置413.3.3带速的确定443.3.4滚筒直径的确定453.3.5托辊的选型463.3.6张紧装置的选用473.3.7制动装置473.4变幅机构473.5配重的安装473.6行走机构484 悬臂式斗轮取料机的控制系统设计524.1取料机的工艺流程524.2控制流程图554.3 控制工作原理564.3.1 控制过程简介564.3.2 传感器选用56总 结58参考文献59附 录60翻 译63致 谢76 第76页1 概述1.1 斗轮堆取料机简介斗轮堆取料机简称斗轮机，是现代化工业中连续装卸散状物料的一种重要设备，主要用于港口、码头、冶金、水泥、钢铁厂、焦化厂、储煤厂、发电厂等大宗散料如矿石、煤、焦炭、砂石等在存储料场的堆放、提取作业。如果采用“装载机自卸汽车”系统作业，装载机在铲入举升旋转行走卸载空转空行程等一个作业循环中，既要完成取料任务，又要完成输送任务，辅助作业时间几乎占用2/3还多。自卸汽车载重量受到限制，往返路程多，工作效率很低，满足不了电厂发电的用煤需求。连续装卸机械的采用，大大缩短了装卸时间，提高了工作效率，减轻了工人劳动强度。在功率相同的情况下，斗轮堆取料机的生产效率为单斗装载机的1.52.5倍。斗轮堆取料机主要有悬臂式（见图1-1）与门式（见图1-2）两种构造。控制方式有手动、半自动和自动等。图1-1 悬臂式斗轮堆取料机图1-2 门式斗轮堆取料机1.2斗轮堆取料机分类堆取料机按其功能可分为:（1）堆料机 堆料作业（2）取料机 取料作业（3）堆取料机 堆取料作业（4）混匀堆料机 均化堆料（5）混匀取料机 均化取料堆取料机按形式可分为:（1）门式斗轮堆取料机 大跨度双梁（2）桥式取料机 大跨度单梁（3）圆形料场堆取料机 桥式或摇臂式（4）刮板式取料机 桥式或人字式（5）普通摇臂式 具有悬臂、俯仰、回转功能按尾车功能又分为:（1） 固定单尾车 堆料、取料（2） 活动单尾车 堆料、取料、直通或折返取料、提高回转角度范围（3）固定双尾车 堆料、取料、直通（4）活动双尾车 堆料、取料、直通或折返取料（5）伸缩升降双尾车 堆料、取料、直通、提高回转角度范围降低落差按理论生产能力，斗轮堆取料机可分为以下几种:（1）轻型 生产率在630m3/h以下（2）中型 生产率为6302500m3/h（3）大型 生产率为25005000m3/h（4）特大型 生产率为500010000m3/h（5）巨型 生产率在10000 m3/h以上1.3斗轮堆取料机市场需求受整个国民经济增长的影响，原材料工业、能源、石油、化工、汽车等各个行业都会有非常大的发展。在这些行业发展的同时直接会带动散料机械装备工业的发展。就钢铁工业而言，受建筑、汽车工业的影响，钢铁工业飞速发展,我国已经连续六年局世界第一产钢大国,同时又是第一钢铁消费大国。到2002年钢的产量已经达到1.8亿吨，并以每年300万吨的速度增长。近几年在股市上钢铁板块普遍看好,建筑业的发展和技术的提高加大了对钢铁的需求，中国建筑业在钢铁的应用数量方面和世界发达国家相比还有很大的差距,随着建筑业的不断发展这一行业对钢铁的需求会更会加大。汽车进入百姓耐用消费品市场已经开始，汽车产业的发展也拉动钢材的需求量。机械制造业、家用电器、造船业、石油天然气、集装箱等各行业的发展都会拉动中国钢铁企业的发展，使钢铁企业加大投入，并且现在已有部分民营资本进入钢铁行业。钢铁事业的发展离不开矿石和煤炭，而煤炭和矿石的运输和储存必须使用散料机械，这些设备包括皮带运输机，装船机、卸船机，斗轮堆取料机等散料机械。在钢铁企业的发展过程中加大了钢的产量，也加大了对煤炭和矿石的需求，国产矿石和目前进口的矿石数量已经满足不了钢铁企业发展的要求，会有更多的矿石进口到中国，其中会有来自澳大利亚、巴西的铁矿石通过港口转运到各个钢铁企业。南部沿海的广西、广东各个口岸，华东地区、山东、渤海湾等各大港口会进口更多的来自国外的铁矿石，所以在钢铁企业的发展过程中最先发展的是沿海各个口岸的交通。在新建的矿石港口的泊位中也将以大吨位船只的泊位为主。在钢铁企业矿石需求发展港口的同时还会同时发展钢铁企业内的原料长场的建设，这里会包括在钢铁企业内部的一次料场和二次料场，同时钢铁企业也会加大对煤炭的需求，将有大量的煤炭经过北方港口装船运往南方，所以，在钢铁行业快速发展的推动下，在港口和钢铁企业，散料机械会有一个十分巨大的市场发展空间。散料机械在港口行业的高速发展已经开始并会持续一定的时间。 在电力方面，前几年部分电力部门出现了供大于求的矛盾，部分电厂限制发电或只是部分机组开机，受国民经济持续增长的影响，各行各业用电量也在不断的增长。现在在南方的部分地区出现了电力紧缺的情况，为缓解和解决电力紧缺的矛盾，在电力方面必然会加大其投入。电厂的增加使煤炭的需求量增加，各个煤矿会加大煤炭产量，以满足电力市场对煤炭的需求，在电力方面也存在着大量的煤炭北煤南运，同钢铁行业一样，也会大幅度增加散料机械的需求量。电厂和港口都会因为电力企业的发展增加对散料机械的需求。 在沙石、水泥等建材行业也随着国民经济的发展和固定资产投入的加大而得到迅猛的发展。散料机械虽然在建材行业的应用设备形式较小，但其在全国的数量是巨大的，混匀堆取料机、刮板取料机、皮带运输机的数量同样会有一个大的发展。 1.4斗轮堆取料机国内发展现状 国内堆取料机的设计已有近四十年年的历史，最早制造的一两台设备投入使用也有三十四年的历史。最早的斗轮堆取料机设计可以追溯到1966年，当时参加设计和研制的单位有：北京钢铁设计院、大连工矿车辆厂、北京起重机械研究所、鞍山钢铁设计院、哈尔滨重机厂、华北电力设计院、东北电力设计院、西北电力设计院等单位。当时国内部分钢厂、码头急需使用此类设备，国外当时已使用了十余年，为满足当时的社会需要开发了我国早期的斗轮堆取料机。这些单位为中国斗轮堆取料机事业的早期发展做出了贡献，奠定了这一行业的基础。当时的典型设备型号为KL-1型，KL-4型，DQ3025型，DQ5030型，取/堆料能力分别为：1200/2000t/h 30m，1200/2000t/h 30m，300/600t/h 25m，500/1000t/h 30m，其中KL-1型为1966年设计，1970年3月在攀钢焦化厂投入使用。虽然当时的产品和现代产品在质量上和控制水平上存在着很大的差别，但这些早期的产品对当时的电力企业和钢铁企业的发展起到了十分重要。 八十年代，随着电力工业和钢铁工业的发展，斗轮堆取料机的事业也得到了十分迅猛的发展，在电力部门的使用数量有很大的提高，并且在港口上的使用量剧增。宝钢的原料码头，秦皇岛港、连云港、北仑港、西基港、烟台港、天津港、大连港等相继一大批港口增设了散料码头用于煤炭或矿石的转运。九十年代国内斗轮堆取料机的事业发展更是向数量更多，应用更广的方向发展。在钢铁企业、电力企业、各大港口几乎都可以看到斗轮堆取料机的应用。在港口人们也已经把斗轮堆取料机当作一种港口机械。在斗轮堆取料机的出口方面国内的产品还比较少，大多数出口的产品是和某些成套项目共同出口到其他国家。其次是和国外的某些公司联合制造，为其制造焊接件和机械加工件出口。 在进口方面，最早的斗轮堆取料机的进口是：1980-1981年上海宝钢进口日本的十九台斗轮堆取料机； 1981年北仑港进口两台斗轮堆取料机； 1988年福州华能电厂，大连华能电厂等。 在国内项目和国外合作制造的有： 1982年石臼港项目；1984年 秦皇岛港二期；1986年 秦皇岛港三期；1994年 秦皇岛港四期；1990年 青岛前湾港；1984年 广州西基码头；1988年宝钢二期项目；1995-1996年宝钢三期项目；2000年 宝钢马迹山港项目； 2001年 天津港项目；黄骅港的一期和二期项目；以及上海罗径港、石洞口电厂、扬州电厂、北仑电厂、江由电厂、硌磺电厂等基本上采用了引进技术合作制造的模式生产的斗轮堆取料机。 进口和引进的主要国家来自日本、美国、德国、法国、奥地利、意大利等国。 产品的进口和技术的引进大大缩短了国产设备和国外设备的差距，使国内本行业的产品在质量上有了很大的提高。目前国内的产品质量基本可以满足国内用户的要求，现在可设计制造斗轮堆取料机的厂家达五六家。经过几十年的发展，我国的斗轮堆取料机研制水平取得了较大提高，但同发达国家相比，仍存在明显差距，其控制技术仅限于基于可编程控制器（PLC）为核心的单机控制，作业水平也仅限于单机手动方式。现在国内的斗轮堆取料机已经从最初的研究转向发展，向更高的产品质量和设计水平迈进。国内已经开展了斗轮堆取料机自动控制方面的引进和开发工作，已能生产带有半自动微机程控系统的机型，控制水平已达到了20世纪70年代末国际水平。表1.1 堆取料机的主要制造商 国内外堆取料机主要制造商MANUFACTURES FOR STACKER & RECLAIMER 1哈尔滨重型机器厂 HAERBIN HEAVY MACHINERY WORKS2长沙重型机器厂CHANGSHA HEAVY MACHINERY PLANT3大连重工集团有限公司DALIAN HEAVY INDUSTRIES，LTD.4上海港机厂SHANGHAI PORT MACHINE PLANT5三井三池制作所(日）MITSUI MIIKE MACHINERY CO,LTD6三菱重工（日）MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES LTD7石川岛播磨(日）IHI8 川崎重工株式会社(日）KAWASAKI HEAVY INDUSTRIES LTD9克虏伯 （德）KRUPP10曼塔克拉夫(德）MAN TAKRAF11亨肖 （英）STRACHAN & HENSHAW12斯维达拉 （美）SVEDALA (DRAVO WELLMAN)13诺尔（德）PREUSSAG NOELL GmbH14奥地利钢铁联合公司(奥地利）VOEST-ALPNE MATERIALS HANDLING GES.M.B.H & CO KG ZELTWEG15凯亚 （法）NOEL HAROLD COUYAVAH表1.2 斗轮堆取料机国内部分港口用户1秦皇岛港务局二公司，六公司，七公司煤炭2天津港务局南疆焦碳码头与煤炭码头煤炭与焦碳3青岛港务局前湾港煤炭4日照港务局煤炭5营口鲅鱼圈港煤炭6湛江港务局矿石与煤炭7广州港务局新沙港，西基港矿石与煤炭8宁波港务局矿石与煤炭9上海港务局罗径码头矿石与煤炭10连云港港务局煤炭11 烟台港务局煤炭12宝钢马迹山港矿石13黄骅港 煤炭14南京港务局 矿石与煤炭15徐州万寨港 煤炭16余家湖港 煤炭表1.3 斗轮堆取料机国内部分钢厂用户1宝山钢铁公司煤炭2 武汉钢铁公司 煤炭与焦碳3 鞍山钢铁公司 煤炭4 马鞍山钢铁公司 煤炭5 重庆钢铁公司 煤炭6 本溪钢铁公司 矿石与煤炭7 昆明钢铁公司 矿石与煤炭8 石家庄钢铁公司 矿石与煤炭9 唐山钢铁公司 矿石与煤炭10 成都钢铁公司 煤炭 11 新余钢铁公司煤炭12 杭州钢铁公司矿石 13 天津钢铁公司矿石与煤炭 14 韶关钢铁公司矿石与煤炭 15 酒泉钢铁公司矿石与煤炭 16 南京钢铁公司矿石与煤炭 17 安阳钢铁公司矿石与煤炭 18 邯郸钢铁公司矿石与煤炭 19 凌原钢铁公司矿石与煤炭 20 湘潭钢铁公司矿石与煤炭1.5斗轮堆取料机的研究方向现代悬臂式斗轮堆取料机的发展趋势除原有的特点之外，还增加了新的内容：（1）研制生产率更大、作业范围更广的机型;（2）研制适应性更好的机型;（3）提高自动化程度，实现作业和保护的自动控制;（4）实现标准化、系列化和通用化之外。采用现代设计方法和设计手段，优化结构组合，在保证生产能力的前提下，尽量减轻整机重量，提高设备的可靠程度，已成为必然。世界上研究和开发斗轮机械最早的国家是德国，其次是前苏联，而且，目前它们仍处于世界领先地位，它们对斗轮挖掘机的研究做了大量工作。德国学者Scheffler D.研究了斗轮堆取料机的切削阻力系数和切削力系数与岩石性质之间的关系。用振动模拟系统求出了斗轮堆取料机的动态附加应力和共振转速等对斗轮挖掘机进行了振动计算，并用试验验证了计算结果的正确性。A.May则对斗轮堆取料机斗齿装置测挖掘力的方法进行了研究。前苏联的别列日诺依等对斗轮堆取料机斗轮驱动系统的动载荷进行了分析，给出了动态载荷的经验公式，丘特诺夫斯基则研究了斗轮堆取料机工作装置的振动对切削参数的影响，国内对斗轮堆取料机的研究还比较落后，目前，研究工作主要集中在挖掘阻力的测试及其载荷谱的编制、轮斗斗唇形状改变、总体参数优化设计及其结构件的静态刚度强度分析等方面。虽然国内外已对斗轮挖掘机进行过多方面的动态问题研究，但对于斗轮堆取料机的工作装置的运动仿真以及对其变幅装置的多工位动态性能进行研究的报道并不多见。国内在斗轮堆取料机的设计过程中，往往类比国外对斗轮挖掘机的研究成果和斗轮堆取料机的各种参数，缺少科学的动态设计依据，这是国内产品质量较差，故障率高的根本原因。虽然斗轮堆取料机在结构上与斗轮挖掘机有许多相似之处，但由于作业对象的不同，即斗轮挖掘机的作业对象是矿岩，斗轮堆取料机的作业对象是散料，因此，在末端工作机构的驱动和结构件的刚度强度等方面相差悬殊，这些决定了其动态性能的本质不同。对斗轮堆取料机工作装置的动态问题进行深人研究，采用现代设计方法和设计手段，才是提高斗轮堆取料机产品质量和可靠性的主要途径。随着自动化和信息技术的发展，发达国家斗轮堆取料机技术进入了一个新阶段，主要有以下四个方面：（1）理论生产率向大型化发展。斗轮对取料机的理论生产率是衡量斗轮堆取料机规模的一个指标，它从开始的每小时几十立方米发展到现在的每小时近20000立方米。德国目前仍在开发有更大理论生产率的斗轮堆取料机。（2）各国都在使斗轮堆取料机的生产系列化。系列化的好处之一是可保证某些零配件，如铲斗、履带板、驱动轮等通用化、标准化，使顾客更方便地在市场上买到现货。（3）斗轮堆取料机的自动化程度越来越高，使信号、事故预报和联锁的操纵装置更加完善，实现作业和保护的自动控制。斗轮堆取料机是一个典型的多刚体系统，采用机器人的运动规划和主动控制技术，可提高斗轮堆取料机的工作稳定性和作业能力。机器人化斗轮堆取料机是集机器人机构、机器人控制技术以及现代电子和信息技术等为一体的综合性机电一体化产品。更重要的是，将电子技术、计算机技术与传统大型机械设备进行嫁接，可大大提高设备的性能和作业能力。如采用机器人的多传感器融合和配置技术以及现场总线技术，可提高斗轮堆取料机的智能化作业能力和工作可靠性；采用遥控遥感技术，可改善作业环境，减员增效，提高现代化作业水平；采用网络技术，可大大提高制造厂和用户的综合管理水平及跟踪服务能力。（4）采用现代设计方法和设计手段，优化结构组合，在保证生产能力的前提下，尽量减轻整机的重量，提高设备的可靠程度。ABB公司已开发出自适应的操作系统，使斗轮堆取料机始终处于较高的工作能力，并尽可能地受环境和操作人员水平的影响。1.6设计课题及选题意义取料机与堆料机适用于大型码头、港口项目。在大型散货料场的地面，利用带式输送机，设计成单一的流程，即堆料流程或取料流程。一般同一料场相邻的两个设备一个是堆料机，另一个是取料机。对同一料场或不同料场，这两台设备可同时进行取料与堆料，如堆料机用于卸火车，同时取料机用于装船。对于码头用户可在取料机的轨道上安装带式输送机，使得取料机所取得物料直接卸在输送带上，通过输送带运输到船上。所以单一功能的取料机也有很大的市场需求，本次设计将研究设计悬臂式斗轮取料机（见图1-3）。重点设计其斗轮机构和回转机构以及取料半自动控制过程。 图1-3 悬臂式斗轮取料机斗轮取料机包含了斗轮机构、输送机、回转机构、控制系统等众多小系统，这对我们学生运用大学期间所学知识进行综合运用有很大益处。由于所学知识有限，再加上煤堆形状的不确定性，对斗轮堆取料机的运行将采用半自动控制，一般的操作过程可以自动进行，当遇到一些问题需要调整时再由人进行操控，这样可以节省劳动力。本次设计将对斗轮机构进行创新，传统上的各类斗轮堆取料机的斗轮传动都是由电动机通过液力偶合器把力传给减速器，减速器的输出轴通过联轴器直接与斗轮轴相连，这使得斗轮轴受到很大的扭矩，要求轴有较好的材料性能，成本较高，而本次设计将采用销齿传动来驱动斗轮体的转动，大体过程是在斗轮上安装一较大的销齿圈，再用与减速机输出轴相连接的销齿轮驱动销齿圈，从而带动斗轮转动进行取料，下面的文章将就此方案进行详细的设计计算。销齿传动使得轴所受到的扭矩很小而且销齿圈的轮齿是圆销，它结构简单、加工方便、造价低、拆修方便，销齿传动适用于低速、重载机械传动和粉尘多、润滑环境较恶劣的场合，能使斗轮驱动机构的制造成本减少一倍多，同时还运行平稳，易于检修。2 总体设计2.1总体设计概述（1） 机器在正常工作条件下，整机应具有足够的强度、刚度和稳定性。（2） 机器不论在工作状态或非工作状态，在规定的俯仰范围内的各种工况下，整机都应当处于稳定状态。（3） 在输送线路上，特别是在取料、卸料、和各转运点，必须保证物流顺畅，不发生物料溢出或堵塞现象。（4） 斗轮直径与带式输送机参数和取煤炭与取铁矿石的同能力的斗轮取料机相比，一般取煤炭时要求斗轮直径达，输送带带宽较宽、带速高，斗轮驱动功率较小。（5） 联锁作业。只有当夹轨器或锚定装置松开时，行走机构才能动作；只有在电缆卷筒制动器松闸后，行走机构才能启动。（6） 各安全保护及检测装置完备。例如：俯仰机构应当设置防止悬臂超速下降及超载的保护装置；转载料斗应当设置堵塞警报装置；回转机构、俯仰机构和行走机构运行的极限位置均应设置两级终端限位开关；为安全可高，钢丝绳卷扬的俯仰机构应采用两套制动器；行走机构和回转机构制动器应满足在250Pa工作风压下顺风行走和顺风回转时的制动要求等。（7） 电缆卷筒装置。动力和控制电缆卷筒分别设置在斗轮堆取料机的两侧，电缆卷筒采用磁滞式电缆卷筒，具有足够缠绕力矩，以防止收放电缆时缠绕紊乱，能连续运行而不堵转，设有电缆张力极限保护装置。动力电缆控制电缆采用进口扁电缆，卷筒的直径能满足电缆曲绕能力的要求，电缆在卷筒上缠有足够的安全圈数。（8） 漏斗、溜槽及悬挂缓冲装置。所有漏斗、溜槽的冲刷面均衬有厚度不小于8mm的不锈钢衬板，漏斗、溜槽不能堵煤，其倾斜面与水平面的夹角不小于60度。取料用中心落煤管下设置悬挂缓冲装置，其上的缓冲托辊间距不大于400mm，并能防止输送带跑偏。在落煤斗、中心落煤管的适当部位设置大小合适、密封良好的检查门，以便于检查料流及人工疏导堵塞。2.2悬臂式斗轮取料机构成悬臂式斗轮取料机主要由行走机构、底座、上部回转机构和平台、斗轮堆取料机构、斗臂架和斗臂架带式输送机、门架、俯仰机构（变幅装置）、平衡梁架和配重、司机室、电器设备等组成。（见图2-1） 图2-1 悬臂式斗轮取料机结构2.3悬臂式斗轮取料机的主要参数及其确定悬臂式斗轮取料机的参数分为主参数和工作性能参数两类。悬臂式斗轮取料机的主参数决定了它的规模、主要技术性能参数和主要结构形式。悬臂式斗轮取料机的主参数包括取料的理论生产率和料堆高度、长度、宽度。主要参数一般由用户提供，作为已知量供给产品设计者。悬臂式斗轮取料机的工作性能参数决定了机器本身各个机构的结构形式、尺寸、功率、转速性能等。工作性能参数包括：斗轮直径、斗轮转速、斗数、料堆切割阻力；斗臂架回摆半径、回摆角度和俯仰角度等。2.3.1取料的理论生产率 悬臂式斗轮取料机的取料理论生产率，决定了与之配套的带式输送机允许通过的最大输送能力。斗轮取料机的取料能力的确定与系统设计、设备运转率要求等多反面因素有关，涉及领域较广。取料能力是指斗轮取料机单位时间内所能挖取物料的多少，单位用t/h表示。在实际应用中又分为最大取料能力与额定取料能力。最大取料能力是指斗轮在挖掘物料时所具有的瞬时最大能力，表示设备取料能力的峰值，如斗轮取料时满斗的瞬间能力。在系统设计中，应考虑各个环节允许最大取料能力的物流通过。额定取料能力是指在取料作业时，在规定的标准形状料堆上连续工作一定的时间，操作者根据规定的操作程序和方法进行操作，设备在这段时间可以达到的平均取料速度或平均每小时取料量。已知所要设计的悬臂式斗轮取料机的最大取料能力为500t/h,主要挖取密度的煤，斗轮转速 理论容积生产率：=式中： 最大取料能力，；物料密度，代入公式得: =2.3.2斗轮取料时每层深度取料煤层深度应当控制在0.50.7倍的斗轮直径范围内,斗轮取料时的进尺量应当按照0.9倍的斗深确定。在满足取料能力要求的前提下，进尺量过小会使斗轮取料机的回转速度加快。2.3.3料堆高度为了设计方便，常以行走钢轨踏面为基准，料堆高于钢轨路面的部分称为轨上高度。料堆低于钢轨踏面的部分称为轨下高度，两者的和为总料堆高度。料堆高度由物料堆积的安息角和料堆宽度决定，物料的安息角与物料的种类有关。在堆料宽度一定的条件下，料堆的物料安息角越大，料堆总高度越高。在物料安息角一定的条件下，料堆越宽，料堆的总高度就可以越高。 目前我国生产的斗轮取料机的轨上堆取料高度范围为716m，常用1012m；轨下高度为0.46m，常用为1.52m。2.3.4料堆长度堆料长度一般是由现场根据储料量及地理环境确定，料堆的长度对设备影响比较小，它直接与行走距离密切相关，料堆越长，行走距离越远。而行走距离又决定了设备的动力电缆卷筒的电缆长度和控制电缆卷筒上电缆长度和控制电缆卷筒上电缆的长度以及设备给水系统的洒水除尘系统供水槽的长度。通常大车行走距离小于1000m，料场的长度小于1200m。2.4悬臂式斗轮取料机的工作性能参数及其确定2.4.1斗轮直径的确定斗轮直径是指斗轮体安装好铲斗后切割圆的直径。从减少斗轮体积和重量，进而降低整个机器的重量出发，斗轮直径应该小一些；但从提高生产率和稳定工作过程中的载荷出发，又希望斗轮直径有所增加。在决定斗轮之直径时，要考虑相互关联性。前苏联根据统计和分析，确定的经验公式为： =2.4.2铲斗数目的确定 铲斗数目的多少直接影响斗轮取料机的生产率。决定铲斗数目及尺寸的重要条件是铲斗的卸料过程。铲斗的个数应满足下列需求：（1） 保证铲斗完全卸空，并使卸出的物料落到卸料板内。不能使铲斗提前散料和过了卸料区斗内仍残留物料。（2） 保证挖掘过程平稳，载荷波动小，冲击小，尤其是在挖掘冻煤和较硬散料时。铲斗的个数根据载荷确定。从保证斗轮工作得到较稳定载荷的目的出发，当铲斗依次出、入散料时，其最大和最小力的差值应当在15%以内。确定铲斗数目的方法有多种，如前苏联学者推荐，铲斗数目应为：一般散料，Z=812个铲斗；较硬散料，Z=1418个铲斗。根据理论生产率，铲斗数目为：2.4.3斗距的确定斗距 式中 Z斗数； D斗轮直径，m。2.4.4铲斗容量q的确定铲斗容量q取决于机器的理论生产率和物料的松散系数。设，当K为已知量时，根据已经确定的斗轮的理论生产率就可以计算出斗容，根据对世界上250台斗轮挖掘机的统计，K值见表2-1。计算斗容时，可以选用表中的平均值，斗容的单位常用升（L）和立方米（m3）来表示。表2-1 确定铲斗容量的K值铲斗容量q/LK值的变化范围K的均值2002205506001600180040003.334.852.804.502.413.802.303.481.461.601.571.534.13.73.12.9则铲斗容量2.4.5斗轮切割速度的确定 式中：斗轮的切割速度，m/s； D斗轮直径，m； k速度系数，取0.35。3 部件设计 3.1悬臂式斗轮取料机构设计3.1.1斗轮取料机构构成悬臂式斗轮取料机构主要由电动机、液力偶合器、减速器、齿轮、斗轮轴转配、斗轮体、铲斗及溜料倒料装置等构成，（见图3-1）通过销轮销具传动实现斗轮回转。图3-1 悬臂式斗轮取料机构悬臂式斗轮取料机的斗轮有三种形式：无格式（见图3-2）、有格式（见图3-3）和半格式。无格式斗轮结构与有格式斗轮结构相比较：无格式斗轮结构简单，自重轻，制造容易，采用圆弧档料板卸料；有格式斗轮结构复杂，自重重，制造困难，采用斗轮体上斜溜槽卸料。半格式斗轮则一般用于直径较大的斗轮，所以目前应用最为广泛的是无格式。无格式斗轮体是用钢板焊成的环状结构，为了保证铲斗卸到带式输送机上，在靠近带式输送机一侧，斗轮体必须是敞开式，传递力的结构只能在另一侧。常见结构有双腹板式和单腹板式。铲斗是冲压或焊接而成的金属结构件，它由斗唇、斗体、防护层和前、后端紧固联接件组成。铲斗应满足斗刃耐磨，斗齿便于更换，具有防斗齿脱落的措施。图3-2 无格式斗轮 图3-3 有格式斗轮溜料板与水平面的夹角宜为，最小不小于，溜料板设置不锈钢衬板，其厚度不小于8，且便于更换。无格式斗轮都采用“重力侧卸式”工作方式，即斗内的物料靠自重自行卸出斗外，为保证物料落在斗臂架中心处的带式输送机上，斗轮的安装位置与斗臂架轴线不是平行，而是有一个倾斜角，即水平面倾角，一般取为；同时，斗轮在垂直面也倾斜一个角度，即垂直倾角，一般取为。无格式斗轮主要应用在取磨损性较小的物料的斗轮装置上，如应用在取煤炭等物料。与有格式斗轮比较，无格式斗轮相对斗轮直径一般会略小一点，斗轮转速也略高一点。无格式斗轮的卸料角可达，远远大于有格式斗轮，所以无格式斗轮相对于有格式斗轮卸料要容易一些。当圆弧挡料板磨损严重时，往往需要拆卸斗轮维修，相对维修较困难。为使物料在给定区域卸料，在斗内设置圆弧挡板，挡板变面衬有耐磨板，由斗轮挖取上来的物料，通过溜料导料装置流向悬臂带式输送机。无格式斗轮结构见图3-4。斗轮机构及其悬臂带式输送机、俯仰机构、门座架安装在上车，可以随上部回转机构相对于下车回转。整车靠四套运行台车沿轨道行走。图3-4 无格式斗轮结构1环形挡料板；2铲斗卸料区间；3溜料板；4环形空间；5斗臂架带式输送机；6铲斗；7斗轮体；8斗轮轴；9斗轮驱动装置3.1.2斗轮驱动电机选用斗轮驱动功率主要消耗于切割功率、铲斗装填功率、物料与挡板的摩擦功率、物料动能功率、物料提升功率以及克服机械传动的阻力。一般把这四项消耗功率合并称为切割功率。对于切割功率和提升功率有以下简化计算公式:切割功率：= 提升功率： 其中: F1=15.82+1480C F1物料切割力，KN/m C物料黏性，Mpa 物料黏性C随地表以下深度的增加而增加，地表C=0.01式中: F切割阻力,N;系数,一般取11.2;斗轮堆取料机平均生产率,t/h;R斗轮半径,m;物料堆积密度,t/m3;f松散系数,一般取1.3-1.65;利用系数,取值范围为0.64-0.92;V斗轮堆取料机理论生产率,m3/h。代入计算得 F1=30.6KN/m则切割阻力 F=30.60.45=13.7KN故切割功率：= 提升功率：驱动功率： 考虑到由于冬季雪水的渗透、冻结，挖掘物料的阻力要比其他季节大。一般认为北方冬季挖掘冻结物料时所需功率是其它季节所需功率的1.3倍，故斗轮取料机所需最大驱动功率为：选取传动效率为0.8，则所需电机的功率至少是：参考其它斗轮取料机的参数，本次设计将采用功率为55KW的电动机。由于取料机在煤场工作，灰尘多，环境较恶劣，故电动机必须有防尘功能。Y系列（IP44）封闭式三相异步电机的结构特点：效率高、耗电少，性能好，噪音低，振动小，体积小，重量轻，运行可靠，维修方便。为B级绝缘。结构为全封闭、自扇冷式，能防止灰尘、铁屑、杂物侵入电动机内部，适用于灰尘多、土扬水溅的场合，如农业机械、矿山机械、搅拌机、碾米等，应用较广泛。综上所述，选择Y250M-4三相异步电动机，功率为55KW，同步转速1500r/min,3.1.3液力偶合器选用液力偶合器是斗轮驱动系统中重要的一部分，置于斗轮驱动电动机与减速箱之间传递动力，其作用有时似乎与联轴器相同，但实质全然不同。具有如下优点：（1）无极调速。在电机转速恒定下可以无极调节工作机的转速，与传统的节流调节相比可以大量节省电能。（2）防护动力过载，偶合器泵轮和涡轮之间没有机械联系，转矩是通过油来传递的，是一种柔性和有滑差的传动。当负载的阻力突然增大时，其滑差可以增大，甚至制动，电机可继续运转而不致停车。（3）可隔离振动，缓和冲击。（4）可方便实现离合。偶合器流道冲油即接合，将油排空即行脱离。（5）除轴承外无磨损件，工作可靠，寿命长。由于斗轮取料机构既要防护动力过载，又希望大惯量工作在较长的启动过程中，电动机不会出现过大负荷，故选用延充式限矩型。延充式限矩型液力偶合器主要用于启动困难的和大惯量的工作机时，在启动过程中电动机可具有较低的载荷，防护动力系统动力过载，协调多台原动机间载荷分配，不能调速和脱离。已知电动机的额定功率为55KW，额定转速为1500r/min，故选用YOX420型延充式液力偶合器。3.1.4销齿传动设计1)、销齿传动的特点及应用销齿传动属于齿轮传动的一种特殊形式。其中，具有圆销齿的大齿轮为销轮，另一个具有一般齿轮轮齿齿形的小齿轮称为齿轮。如图3-5所示。销齿传动有外粘合、内粘合和齿条粘合等三种型式，使用时，一般常以齿轮作为主动轮，因为，当以销轮作为主动时，齿轮的轮齿齿顶先进入啮合，将会降低其传动效率，故不用销轮作为主动。由于销轮的轮齿是圆销形，故与一般齿轮相比，它具有结构简单、加工容易、造价低、拆修方便等优点，故以销轮代替尺寸较大的一般渐开线齿轮时，将具有很大的经济性。特别是个别销齿破坏时，只需个别更换，不致整个销轮报废。销轮传动适用于低速、重载的机械传动和粉尘多、润滑条件差等工作环境比较恶劣的场所。广泛应用于起重机械、化工、冶金、矿山等部门的一些低速而大型的机械设备中。销齿传动结构见图3-5。图3-5 销齿传动2)、销齿传动应用本次设计的一个创新点就是改变传统的电机驱动斗轮轴的传动方式，而是将一销齿圈焊接与斗轮体的一侧，减速器的输出轴上直接装齿轮，通过两者的啮合使斗轮转动。销齿圈的轮齿是圆销，它结构简单、加工方便、造价低、拆修方便，销齿传动适用于低速、重载机械传动和粉尘多、润滑环境较恶劣的场合，能使斗轮驱动机构的制造成本减少一倍多，同时还运行平稳，易于检修。图3-6 销齿传动驱动斗轮原理已知驱动电机额定功率P=55kw，额定转速=1500r/min，效率为0.92液力偶合器传动效率=0.96减速器传动比和传动效率分别为=30, =0.9销齿传动系统中销轮的转速和传动效率分别为=8 r/min，=0.93（1） 计算销齿轴的转矩设备总传动比 =185销齿传动比 销轮功率 销轮轴的转矩 （2） 选定材料及确定许用应力销齿材料采用45钢，正火处理，167217HB。按10r/min查表得=108 kg/，查表，按对称循环载荷计算=式中 疲劳极限，=0.4354=23.22kg/；销齿变面状况系数，=1.25； 许用安全系数，的取值范围为1.41.6，取=1.5。=（kg/）齿轮材料采用45钢，调质处理，207255HB。按10r/min 查表得=120kg/、=14.5kg/（3） 选定、和确定、等参数查表取：=1.5、=13、=0.475销轮齿数 取80齿销齿传动实际传动比 =6.15销轮实际转速 实际总传动比 按=13、=0.475查图得（）max=0.478。为了保证齿顶不变尖且有一定厚度，还要保证重合度的值不小于1.11.3，则试取=0.43。按=13、=0.475查图得=1.28在需用范围内，故合格。（4）销齿直径确定及强度校核按接触强度公式计算394取=48按弯曲强度验算公式校核取，则，故销齿弯曲强度足够按弯曲强度验算公式校核齿轮轮齿弯曲强度故齿轮轮齿弯曲强度足够。（5）几何尺寸计算齿轮齿数 销轮齿数 销齿直径 齿距 齿轮节圆直径 =销轮节圆直径 =齿轮齿根圆角半径 取齿轮齿根圆角半径中心至节圆距离取齿轮齿顶高 齿轮齿根高 齿轮全齿高 齿轮齿廓过渡圆弧半径 取齿轮齿顶圆直径 齿轮齿根圆直径 中心距 齿轮齿宽 销齿计算长度 销齿中心至夹板边缘距离 取 销轮夹板厚度 取（6）夹板挤压强度校核取故夹板挤压强度足够。3.1.5斗轮轴的设计及校核（1）计算作用在轴上的力根据前面计算可知扭矩T 圆周力 径向力 轴向力 （2）初步估算轴的直径选取40Cr钢作为轴的材料，调质处理由公式 计算轴的最小直径并加大3%以考虑键槽的影响查表 取A=100则 图3-7 斗轮轴的结构图（3） 绘制轴的弯矩图和扭矩图水平方向上的力 RH1=RH2=1.92104N垂直方向上的力 RV1=RV2=3104N 水平方向上的弯矩 MH=36319.2103=7106Nmm垂直方向上的弯矩 MV=3104363=1.1107Nmm 最大弯矩 M=1.3107Nmm（4）按弯扭合成强度校核轴的强度当量弯矩 其中折合系数轴的材料为40Cr钢，调质处理。=685 N/，得材料许用应力轴的计算应力为 由于轴截面有键槽故 代入计算得 故该轴满足强度要求（5）计算危险截面的工作应力取第一个轴肩面作为危险面截面弯矩 截面扭矩 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面上弯曲应力 截面上扭剪应力 弯曲应力幅 弯曲平均应力 扭切应力 （6） 确定材料的机械性能 查表可知40Cr钢弯曲疲劳极限 剪切疲劳极限合金钢材料的特性系数 ，（7） 确定综合影响系数、轴肩圆角处有效应力集中系数、 ,根据 ，查表计算得，配合处综合影响系数、，根据d，配合H7/r6计算得=3.8，=2.68尺寸系数、，根据图查得，表面状况系数=（8）计算安全系数取需要安全系数 故疲劳强度安全。图3-8 轴的计算简图3.2上车回转机构设计3.2.1回转机构选型回转支承装置主要有两大类：柱式和转盘式。采用转柱式回转支撑装置的起重机具有一个与回转机构装成一体的转柱,转柱插入门座中,依靠上、下支座支撑,并通过驱动装置来实现回转运动。采用滚动轴承式回转支撑装置的起重机,其回转机构安装在一个大转盘上,转盘支撑在滚轮、滚子或滚柱等滚动体上,滚动体则可以在门座的滚动座圈上滚动。其中滚动轴承式回转支撑回转装置具有尺寸小,结构紧凑,承载能力大,回转摩擦阻力小,滚动体与滚道之间的间隙小,维护方便,使用寿命长,易于实现“三化”,并且能同时承受垂直力,水平力和倾覆力矩等一系列优点。为了适应不同的使用要求,滚动轴承式回转支撑装置有多种型式,主要有单排四点接触球式,双排异径球式,单排交叉滚柱式和三排滚柱式等。由于斗轮取料机的回转部分尺寸较大，所以本设计采用转盘式旋转支承装置。根据转盘传递载荷方法的不同，转盘式旋转支承装置又可以分为三种型式：少支点的支承滚轮式、多支点的滚子夹套式和滚动轴承式。本设计选用滚动轴承式，滚动轴承式旋转支承装置主要有：（1）双排球轴承式（图3-9）双排滚珠支承由上、下两排滚珠、内外座圈、隔离体、密封和润滑装置等组成，内外座圈中的一个可制成上下分片式。上排滚珠承受载荷较大，故滚珠直径较小。在较大的轴向力和倾复力矩作用下，可将其接触角设计成能白由地移动到接近90“。因此，它比同样大小，同样数目单排滚珠支承的承载能力大得多，能承受很大的轴向载荷和倾覆力矩，且在承受载荷时，不会引起滚道分离，保证了齿轮正常啮合，但成本高。图3-9 双排球轴承式回转支承（2）交叉滚子轴承式（图3-10）这种旋转支承装置中的滚柱接触压力角一般为，相邻滚柱的轴线是交叉排列的。由于滚柱与滚道是线接触，所以承载能力比滚珠式的大。具有承载能力高、加工工艺简单、结构紧凑、重量轻、高度小(降低重心，提高稳定性)等优点，为了保证滚柱与滚道有足够的接触长度，对与座圈相连接的构件的刚度和安装精度要求高一些。在起重机械、堆取料机等应用较多。图3-10 交叉滚子轴承式回转支承（3）四点接触滚珠式（图3-11）这种旋转支承装置的内外座圈滚道是两个对称的圆弧曲面，滚珠的接触压力角一般为，它具有结构简单、重量轻、承载能力大、高度尺寸小的优点。适用于回转式输送机、焊接操作机、中小型起重机和斗轮堆取料机。图3-11 四点接触滚珠式回转支承（4）三排滚子式（图3-12）这种旋转支承装置中两排滚柱在水平方向平行排列以承受轴向载荷，另有一排垂直排列的滚柱承受径向载荷。三排滚子式旋转支承装置比上述各种轴承式旋转支承装置的承载能力大，但制造及安装精度要求较高；同时，与之相连的构件也要有足够的刚度。这种旋转支承装置多用于起重量很大、座圈外径又受到限制的取料机上。图3-12 三排滚子式回转支承由于本设计属于小型取料机，在保证承受能力合格的情况下，考虑到经济性和方便性，决定采用交叉滚子轴承式回转支承。回转机构由交叉滚子轴承式回转支承、上座圈、下座圈及固定在转盘后部的回转驱动装置组成，下座圈下部固定在门座上，下座圈上部与带外齿的推力向心单排四点接触球式回转支承外圈相连；上座圈上部支撑着转盘，上座圈下部与滚珠轴承内圈相连。回转驱动装置一般安装在转盘尾部或侧部。安装在减速器输出轴上的驱动齿轮与轴承的外齿相啮合，通过电动机的动力传动，实现转盘以上部分对于门座的回转。上车回转机构应该能保证斗轮回转到所需工作位置，停机时，保证上部回转机构停留在某个位置。3.2.2 回转机构设计本次设计要求上车回转速度为0.17r/min。旋转驱动装置选用卧式电动机与行星减速器的传动方式，传动效率=0.8旋转时摩擦阻力矩： 换算摩擦系数，可取 滚动体中心圆直径，m滚动体法向反力之绝对值总和，式中 旋转支承装置所受的总垂直力 旋转支承装置所受的总水平力 滚动体的接触角风阻力矩计算：风载荷 式中 作用在机器上或武平上的风载荷，N; C风力系数； 风压高度变化系数； q计算风压，N/； A垂直于风向的迎风面积，；查表可得 C=1.6，=1，q=90 N/，A=23风阻力矩 由于本机器都是用在水平轨道上，所以本次设计忽略了倾斜所造成的旋转阻力矩。所需要的电动机功率为:式中： n为回转机构转速（r/min）将上面所计算得出的数据带入得根据上述计算及参考其它的资料，本次设计回转机构所选用的电动机型号为YEJ160L-8, 7.5KW, 720 r/min,效率为0.86。YEJ系列电磁铁制动三相异步电动机为全封闭、自扇冷、笼型转子具有附加圆盘型直流电磁铁制动的三相异步电动机，它适用于快速停止、准确定位的场合，同时它还适用于灰尘多，环境较恶劣的场所，故本次设计采用它作为回转机构的驱动电机。总传动比 式中 电动机转速，r/min； 回转大齿轮转速，r/min； 减速器传动比末级传动齿轮传动比减速器选用HZL35型号立式，传动比为=450则 交叉滚子轴承式回转支承先选用HJW3120型小齿轮齿数 ，取17齿，模数m=22（根据标准回转支承确定）小齿轮分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿顶隙 =齿宽 3.2.3齿轮轴设计及校核（1）作用力计算小齿轮转速 扭矩T： 圆周力 （2）初步估算轴的直径选取40Cr钢作为轴的材料，调质处理由公式 计算轴的最小直径并加大3%以考虑键槽的影响查表 取A=100则 图3-13 轴尺寸图（3）绘制轴的弯矩图和扭矩图 最大弯矩 M=（4）按弯扭合成强度校核轴的强度当量弯矩 其中折合系数轴的材料为40Cr钢，调质处理。=685 N/，得材料许用应力轴的计算应力为 故该轴满足强度要求（5） 疲劳强度校核截面弯矩 截面扭矩 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面上弯曲应力 截面上扭剪应力 弯曲应力幅 弯曲平均应力 扭切应力 （6） 确定材料的机械性能 由表查得40Cr钢弯曲疲劳极限，剪切疲劳极限合金钢材料的特性系数 ，（7） 确定综合影响系数、轴肩圆角处有效应力集中系数、 ,根据 ，查表计算得，配合处综合影响系数、，根据d，配合H7/r6计算得=3.8，=2.08尺寸系数、，根据图查得，表面状况系数=（8）计算安全系数取需要安全系数 故疲劳强度安全（9） 键校核 挤压强度条件 故键合格 图3-14轴的计算简图3.2.4小齿轮校核（1）选择齿轮材料，确定许用应力小齿轮调质，大齿轮45正火， 许用接触应力 其中接触疲劳极限 ，接触强度寿命系数,应力循环次数N=，.05，接触疲劳最小安全系数=1则 =700N/=577N/许用弯曲应力，其中，弯曲强度寿命系数查图得弯曲强度尺寸系数查图得 弯曲强度最小安全系数，则 （2）齿根弯曲疲劳强度校核载荷系数K式中 使用系数，查表得=1 动载系数， 由推荐值 1.051.4 取=1.2 齿间载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 取=1.1 齿向载荷分布系数 由推荐值1.01.2 取=1.1载荷系数=齿根弯曲疲劳强度应满足 齿形系数 查表得 小轮 大轮应力修正系数 查表得 小轮 大轮重合度系数=0.68故故齿根弯曲强度满足3.2.5回转支承的日常维修1）润滑每作业100h向滚道注入一次润滑脂不管起重机是否使用，每隔6个月都要加注一次润滑脂。加注润滑脂时，应使轴承转动，以使其布满整个内部表面。每工作8h在小齿轮上涂少量润滑脂。这样，可有利于齿轮长期、平稳、无噪声的工作。2）回转支承的安装要求回转支承的安装应在千燥