毕业设计（论文）中单链型刮板输送机设计

5 结构设计1 前言运出矿井的煤和一些其他有用的矿物才有其价值。所以，运输是煤矿生产当中一个非常重要的部分。刮板输送机是煤炭装运的第一个环节，因此，刮板输送机的输送能力在很大程度上决定了采煤工作的生产能力和效率。由于，矿井运输是在工作面和巷道中进行的，巷道是根据煤层条件，开采方法的需要，综合各种不同的要求，在煤层或岩石中开凿出来的。所以，井下运输条件的特点是：在有限断面的巷道内运行；线路是水平和倾斜交错连接的；运输的货品各式各样；装载点也经常变更，一些线路需要经常延长或缩短；机械化采煤连续工作时间长、效率高；环境湿度较大，有的工作地点还有沼气或煤尘。由此可见，作为为采煤工作面和采区巷道的运输机械刮板输送机在使用中，要承受拉、压、弯曲、冲击、摩擦和腐蚀等各种作用，必须要有足够的强度、刚度、耐磨和耐腐蚀性。由于它的运输方式是物料和刮板链都在槽内滑行，运行阻力和磨损都很大。但是，在采煤工作面运煤，目前还没有更好的机械可代替它。只能从结构上、强度上和制造工艺上不断研究改进，使它更加完善、耐用。由此可见，刮板输送机是煤炭等矿物运输中必不可少的运输机械。然而，我国刮板输送机的技术水平只相当于80年代初期的国际水平,落后于国际先进水平1015年，与国外相比，我国刮板输送机技术的落后，主要表现在：1. 装机功率小,输送能力低,运输距离短。2. 我国工作面刮板输送机可控驱动装置、自动调链装和工况监测系统等均为空白。3耐久性差,可靠性低，事故率高，寿命短。近几年综采技术的发展速度很快，刮板输送机必然随着技术的发展而继续发展,其发展趋势是:1. 向大型化发展。2. 向高耐久性,高可靠性方向发展。3. 向智能化自动化方向发展。采用可控驱动装置和自动调链装置及工况监测系统等，增设自动紧链和工况监测显示,传输及报警系统,为双高工作面进一步扩大发展创造条件。4. 向标准化、规范化方向发展。输送机零部件标准化,规范化,保证加工质量和水平。5. 向高适应性发展。适应不同工作面的刮板输送机将会继续发展。6. 链条将普遍采用强化链,既有利于降低机身高度,增大装煤量,又具有足够强度。同时,随着链环强度的不断提高,单链重型刮板输送机将得到更多的发展。7. 长运输距离。为了减少采区阶段煤柱的损失量，加大工作面的长度，刮板输送机的长度也应该相应的加长。8. 长寿命。由于使用大直径圆环链，增加了刮板链的强度，延长了刮板输送机的寿命。然而，我国生产技术落后，目前设计生产的刮板输送机装机功率小,输送能力低,运输距离短，耐久性差,可靠性低，寿命短，而刮板输送机是工作面配套设备的重要组成部分,是煤炭装运的第一个环节,在很大程度上决定了采煤工作面的生产能力和效率，因此，研究制造中国自己的高产高效输送机已经迫在眉睫。我这个设计首先综合比较了各种类型的输送机，根据我国自己的实际情况决定选用中单链型刮板输送机的设计方案。然后，对中单链型刮板输送机进行了一个总体的结构设计。而后，对机尾、中部槽、过渡槽、刮板链、刮板、链轮、机头传动装置等主要部件进行了技术分析和结构设计，从而完成了中单链型刮板输送机的整体设计。这次设计的中单链型刮板输送机为左右两侧对称，可以在两侧壁上安装减速器，以适应左、右采煤工作面的需要。此外，还可以很容易轻松的将机头改装成机尾，从而适应各种特殊环境的工作。这次设计的中单链型刮板输送机的特点是结构简单、受力均匀、运行平稳、摩擦阻力小、溜槽利用率高、弯曲性能好、不易出现堵塞，具有很强的适应性。2 方案选定由于刮板输送机链条在溜槽内不同的布置方式，常用的有边双链、中双链及中单链。其特点分别是：a. 边双链。链条和连接环起向导作用，链条位于刮板两端。其特点是过煤空间大，消耗能量小。其缺点是水平弯曲时链条受力不均匀，溜槽磨损较大。b. 中双链。刮板在溜槽内起向导作用，两条链条在刮板中间，其间距不小于槽宽的20%，其特点是链条受力均匀，溜槽磨损小，水平弯曲性能好，机头尺寸较小，单股链条断时处理方便。缺点是过煤空间小，能量消耗大。c. 中单链。刮板在溜槽内起导向作用，一条链条位于刮板中心。其特点是结构简单，弯曲性能好，链条受力均匀，溜槽磨损小。其缺点是过煤空间小，机头尺寸较大，能量消耗较大。综上，中单链刮板输送机的特点是结构简单,事故少,受力均匀,运行平稳,摩擦阻力小,溜槽利用率高和弯曲性能好,在输送机上不易出现堵塞。缺点是预张力较大。中单链可弯曲刮板输送机系列适用于厚度在0.8米以上，倾角在 15之间的缓倾斜工作面，也可用于顺槽及煤巷掘进面。本机主要适用于缓倾斜中厚煤层长壁式经济综采或高档普采的回采工作面，在放顶煤回采工作面应用也越来越多，可与采煤机、液压支架等设备配套，以实现回采工作面的落煤、装煤、运煤、支护和工作面的连续作业等。又考虑到所设计的刮板输送机的运输功率比较小和上述各种链型的特点，选用中单链型刮板输送机。目前，刮板输送机的机头、机尾部采用螺栓连接，而连接螺栓强度不足，容易断裂，可靠性不高，为此，本次设计机头、机尾部采用焊接板式，这样可以减少螺栓连接不但可以提高可靠性，而且可以减少孔和螺纹的加工而减少工序，降低成本。另外，考虑设计的输送机运输量较低，功率比较小，因此，即使重载启动需要的电动机转矩也不会太大，电动机和减速器用弹性联轴器连接就可以满足要求，这样可以不使用液力耦合器，不但可以减小机头的体积和重量，也省掉了向工作面输送工作液等过程,减少了材料损耗,不会存在因密封漏油而失效的问题，从而降低成本，提高经济性。刮板链的强度问题一直是困扰国产刮板输送机的大问题。由于磨损、疲劳、自身质量差、锈蚀等原因,使新链条在使用3个月后断链事故的增多。为此，链条将采用圆环链，既有利于降低机身高度,增大装煤量,又具有足够强度。国产刮板输送机的联接螺栓可靠性普遍较差,机头、机尾推移部上的联接螺栓经常出现拉断现象,造成推移困难，铲煤板和刮板上的螺栓经常出现松动、脱落,造成零件丢失,影响铲煤和运煤效果，使中部头强度不足。因此，中部槽采用整体铸造和轧制,尽量减少螺栓联接，为了减少空载功率消耗,中部槽采用封底结构取消铲、挡板的联接螺栓,提高工作可靠性。3 刮板输送机的整体设计计算3.1 任务书要求：设计长度：L=40m，运输能力：Q=30t/h，链速：V=0.63m/s。3.2 运输能力按连续运行的计算公式，其运输能力为 （3-1）式中运行物料的断面积F，与中部槽的规格及其承载能力有关。中部槽运行物料断面的上界限呈曲线形，形状与物料的性质、块度情况有关，需经实测确定，通常按等腰三角形计算，其底角取物料的堆积角，一般取2030计，按物料性质、块度情况选定。F按中部槽的尺寸由几何关系求得。由于刮板链占据一定空间，实际面积比F小一些，计算时要乘以小于1的装满系数。故运输能力按下式计算 （3-2）式中 刮板输送机的运输能力，t/h；中部槽物料运行时的断面积，；装满系数；物料的散碎密度，；刮板链速，。由任务书知=0.63m/s，刮板输送机的运输能力Q=30t/h；装满系数取0.9，物料的散碎密度取900。由式（3-2）可得根据所选链型，查刮板输送机中部槽尺寸系列，得中部槽尺寸：1200280125。3.3 运行阻力刮板输送机运行阻力按直线段和曲线段分别计算。3.3.1 直线段的运行阻力沿倾斜运行的刮板输送机的重段直线段。运行时除了要克服煤和刮板链的运行阻力，还要克服煤和刮板链的重力。通常将它们一起计为总运行阻力。作为牵引构件的刮板链，在重段直线段运行的总阻力为 （3-3）刮板链在空段直线段的运行总阻力为 （3-4）式中 重段直线段的总阻力，N；空段直线段的总阻力，N；中部槽单位长度上的装煤量，；刮板链单位长度的质量，；刮板输送机的长度，m；煤在槽内运行的阻力系数；刮板链在槽内运行的阻力系数；重力加速度，；倾斜角度。“+”“-”号的选取，该段向上运行时取“+”，向下取“-”。阻力系数的数值，与煤的性质、刮板链型式、肿部槽型式、安装条件等许多条件有关。准确值需由实验得到，通常计算时，单链w取0.40.6，w1=0.30.4。当机身在中部槽平面有弯曲段时，如图3-1。在弯曲段，刮板链沿槽帮滑行，相当于牵引链绕固定的圆弧导向体。这种情况下应按式（附-1）式（附-2）另计弯曲段的附加阻力。工作面用可弯曲刮板输送机是在这种情况下运行。弯曲段的中心角可由几何关系求出。图3-1 机身弯曲段及其几何关系如图图3-1所示，图a为在工作面内弯曲段的相关尺寸；图b为刮板链的运行系统；图c为弯曲段中线的几何关系。由图d得 （3-5） （3-6）由图c的得 （3-7） （3-8）由得 （3-9） （3-10）式中 相邻两节中部槽间的最大折曲角；标准中部槽长，m；R弯曲段的半径，m；机身推移距离，m；弯曲段全长，m；弯曲段中心角。空段和重段两个弯曲段的附加阻力，由式（附-2）得 （3-11） （3-12）式中 空段弯曲段的附加阻力；重段弯曲段的附加阻力；、图图3-1b中各点的张力；刮板链与槽帮间的摩擦系数，可取为0.4；自然对数的底。由于按理论推导的公式计算麻烦，而且实际情况多变，所以经常按直线段阻力的10%记为弯曲段的附加阻力。即 （3-13）中部槽单位长度的装煤量取w=0.5,w1=0.35,查圆环链表得，L=40m,根据具体使用情况，取，由式（3-3）、（3-4）计算得。估算弯曲段的附加阻力为则直线段的运行总阻力3.3.2 绕经曲线段的阻力链条绕经链轮的阻力，由以下三部分组成：a. 在链条与链轮的相遇点，当它由直线变成弯曲时，因链条的转折所产生的阻力；b. 链轮转轴上的摩擦阻力；c. 在链条饶出链轮的分离点，当它由弯变成直时，因链条的转折所产生的阻力。如图3-2示，设链条的张力，在与链轮的相遇点为；与链轮的分离点为。在相遇点由直变弯绕进链轮时，链轴上的摩擦阻力为 （3-14）式中 相遇点链轴上的摩擦阻力，N链条在相遇点的张力，N链轴的摩擦系数。图3-2 链条绕经链轮的阻力 把这个作用于链轴上的摩擦力，变位到链轮的节圆周上，即为链条转折弯曲的摩擦力给链轮旋转增加的阻力。按作功相等的条件得 （3-15）将以公式（1-17）代入，整理得 （3-16）式中 链条由直变弯的阻力，N；链轴直径，mm；链轮直径，mm；链条绕进链轮时，相邻两链节转折的角度。同理可得，在分离点链条由弯变直，因链轴上的摩擦给链轮旋转增加的阻力为 （3-17）式中： 链条由弯变直的阻力，N；链条在分离点的张力，N。链轮转轴上的摩擦阻力，当链条的饶进和绕出两股平行时 （3-18）式中 链轮转轴上的摩擦阻力，N；链轮转轴的摩擦系数。把作用于链轮转轴上的摩擦阻力，变位到链轮节圆周上，即为转轴上的摩擦力给链轮旋转的阻力。按力矩相等的条件得 （3-19）将以公式（3-18）代入，整理得 （3-20）式中 链轮轴上的摩擦阻力，N；链轮转轴的直径，mm。由上分析得到，链条饶经链轮的阻力为 （3-21）令 （3-22）则 （3-23）由于公式计算复杂，使用中经常根据经验按直线段的运行总阻力的10%记为绕经曲线段的阻力，即 （3-24）则饶经曲线段的阻力为则刮板输送机运行总静负荷为3.3.3 牵引链的动负荷链啮合传动，是驱动链轮通过轮齿与链节的啮合，将链轮旋转的转矩，变成直线牵引力给牵引链。链条是由许多刚性链节组成，绕经链轮时呈多边形围绕，链条是间歇地随相遇点轮齿运动。当链轮作等速圆周运动时，链条是变速直线运动，并以链轮旋转一个链节所对应的中心角为周期。这种运动特性，可由下述分析看出。把链条当作刚体，设链轮节圆的半径为R，链轮旋转的角速度为，如图图3-3a所示，为相遇点轮齿的圆周速度与水平线的夹角，为链条水平运动的瞬时速度，可以看出， （3-25）角的大小，等于相遇点轮齿的半径与链轮纵轴线的夹角，这个夹角随链轮的旋转变化，从在相遇点刚开始啮合时的，逐渐减小到0，再逐渐增加到。链轮继续旋转时，另一个轮齿在相遇点与链条啮合，链条的速度就随这个新的相遇点轮齿的运动而变化。据此，式（3-25）中的变化范围为式中为一个链节所对应的链轮的圆心角。图3-3 链传动的速度分析由此可知，即使链轮的角速度不变，链条的瞬时速度也是变化的，其速度特性如公式（3-25）所示，速度变化的周期为链轮旋转一个。链条速度变化曲线日图图3-3b，链速的变化范围 由于链速的变化，链条运动中就有加速度，链条运动的加速度为 （3-26）链条运动的加速度也随角变化，其变化范围为加速度变化曲线见图图3-3b。可以看出，链条在相遇点啮合开始时的加速度最大，随链轮旋转，加速度逐渐减到0，然后达到最大负值，到另一个链轮啮合时，链条运行的加速度，由最大负值突变到正最大值。加速度变化周期也是链轮旋转一个角所需时间。最大加速度的绝对值为 （3-27）由链轮的几何关系得 （3-28）将式（3-28）代入式（3-27）得 （3-29）式中 链条最大加速度；链轮旋转的角速度；链节距；R链轮分度圆半径。有以上分析可知链条是作变加速运动的。有加速度就有惯性力，因此，链条在运动中，不仅受静负荷，还受有动负荷，并且是周期性动负荷。加速度为正，惯性力的方向相反，动负荷使链条的张力增加；加速度为负，惯性力的方向与运行方向相同，动负荷使链条的张力减小。由图3-3b可以看到，后一个轮齿开始啮合的瞬间，链条的加速度从-增到+，在这瞬间的加速度为2。如果参与这一加速度运动的质量为M，则链条所受的动负荷为2M。由于这一负荷是瞬间施加的，按力学原理，突加载荷在链条中产生的应力大一倍。这样，链条所受的动负荷应按4M计。考虑到这个变化瞬间，后一个轮齿啮合之前的加速度为，其惯性力与链条运动方向相同，因此，链条实际所受的最大动负荷按下式计算 （3-30）实际上，链条不是刚体，在张力作用下它有变形。刮板输送机用的圆环链，其刚度视不同规格为（26）N。作为弹性体的链条，链轮传给它的牵引力，不能同时作用在整条链子上，而有一定的传播速度，也不是整条链子都是一个相同的加速度，参与加速度运动的质量也不是整条链子及所带的负载。因此，式（3-30）只可用在链子很短的情况。对于弹性链，只要不在共振条件下运行，链条所受的最大动负荷，比用此式计算的要小。输送机的刮板链，在承载后被煤埋在槽内，沿槽底滑动运行，由于其工作条件复杂多变，虽已进行了许多研究，还不能准确的计算出其动负荷。所以目前近似的按静负荷的20%计算。则动负荷为3.3.4 总运行阻力综上可得总运行阻力为3.4 电动机功率P驱动轴上的功率为： （3-31）为传动装置效率，取0.8则计算得 考虑到采区的电压降以及难以准确计算的额外阻力，实际配备的电动机功率应比增加15%20%的备用量。则电动机功率又考虑有时可能倾角大于10度或其他原因使工作阻力偏大，固选择电动机功率为7.5KW。3.5 圆环链的选择计算圆环链在工作时受拉伸和弯曲，环内应力状况复杂，理论计算较困难。因此，圆环链通常按最大牵引力选择，即：单链牵引时 （3-32）双链牵引时 （3-33）式中 圆环链的最小破断负荷，N； 双链牵引时的不均匀系数，一般取； 安全系数，采煤机用的圆环链，可取； 刮板输送机用的圆环链，取。由式（3-32）得 （3-34）取 则 查表选择圆环链为 B级3.6 刮板链的安全系数安全系数是链条破断拉力与最大张力之比。则刮板链的安全系数为单链 （3-35）式中 n链条的安全系数，一般n3.5查得则 4 传动系统刮板输送机的传动系统比较简单，其传动原理图如图4-1。图4-1 传动原理图1-电动机；2-减速器；3-机头链轮；4-机尾链轮 5 结构设计刮板输送机的基本组成如图5-1所示。装有刮板的链条2，围绕驱动链轮1接成封闭圆环。刮板链置于上、下溜槽3和4中，将刮板链连续循环运行，装入溜槽中的物料，被刮板链拖拉，在槽内滑动运行到一端卸下。图5-1 刮板输送机的基本组成 1-尾部链轮；2-刮板链；3-上溜槽；4-下溜槽；5-驱动链轮 5.1 驱动装置位置的确定驱动装置应该设置在使牵引力构件的最大张力为最小，且所需张紧力最小的位置。有牵引构件的运输机械，驱动装置是通过牵引构件传递牵引力，以克服各种运行阻力 使机器运行。阻力愈大，牵引构件的张力增加也大。由于连续运输机械的运行阻力是沿途分布的，因而牵引构件的张力沿运行方向逐渐增加。牵引构件在各点的张力，用“逐点计算法”计算。逐点计算法，是计算牵引构件在运行时，其各点张力的方法。逐点计算法的规则是：牵引构件某一点上的张力，等于沿其运行方向后一点的张力与这两点间的运行阻力之和。用公式表达为 （5-1）式中 、分别为牵引构件上前后两点的张力；前后两点间的运行阻力。用逐点计算法求算牵引构件个点上的张力，可以从任意点开始，依次分别绕进和绕出驱动装置的相遇点和分离点进行。由于连续运行的运输机械对牵引构件的最小张力往往有一定的要求，所以，计算各点张力时，通常是从牵引构件的最小张力点开始。牵引构件运行时，最小张力点的位置，依运动方向、驱动装置和安装倾角的不同而异，在给定的工作条件下，按逐点计算规则，经比较确定。本次设计，向上运输物料，驱动装置在上端，最简单的线路如图图5-2示，用逐点计算法求各点张力的方法如下。图5-2 用逐点计算法求张力图 沿牵引构件的运行方向，将直线和曲线段的变换点逐点编号。据逐点计算法的规则，可写出下列各式。 （5-2） （5-3） （5-4）式中 、分别为牵引构件在各点的张力；空行程段（以后称空段）的运行阻力；承载段（以后称重段）的运行阻力；绕经上端曲线23的阻力。最小张力点的位置，按图5-2的条件，当倾角不大，0时，可以看出 （5-5）驱动装置的位置，对牵引构件的张力有影响。设置驱动装置的位置，如果没有其他条件限制，例如，供电是否方便；有无便于安装和维护的合适空间等，应该设置在使牵引力构件的最大张力为最小，且所需张紧力最小的位置。在不同位置时，牵引构件的最大张力可作如图图5-3的比较：图5-3 驱动装置位置不同的比较 按图a的位置时，最小张力在1点，设其张力值为，据逐点计算法的规则得 （5-6） （5-7）整理得 （5-8） （5-9）按图b的位置时，最小张力在点，其张力值也为，据逐点计算法的规则得 （5-10） （5-11）整理得 （5-12） （5-13）比较公式（5-9）和（5-13），因，得。由此可以看出，驱动装置按图a的位置安装，牵引构件的最大张力较小。因此，驱动装置位置布置如图a所示。5.2 刮板输送机结构的基本要求刮板输送机，按工作需要，对其结构有如下要求：a. 能用于左或右工作面；b. 各部件便于在井下拆装和运输；c. 同一型号的部件安装尺寸和连接尺寸应保证相同，同类部件应保证通用互换；d. 刮板链安装后，在正、反方向都能顺利运行；e. 有紧链装置，且操作方便、安装可靠；f. 能不拆卸用机械推移。为此，应具有便于安装推移装置的连接点；g. 要有足够的强度、刚度和耐磨性；h. 从端部卸载的刮板输送机，机头架应有足够的卸载高度，防止空股刮板链返程带回煤；i. 一般应有上链器。上链器是供刮板链在下槽脱出时通过它返回槽内的装置；j. 用于机械采煤的工作面刮板输送机，机头架的外廓尺寸和结构形式，应便于采煤机自开切口；k. 用于机械采煤的工作面刮板输送机，应结合技术上的需要，能装设下列部分或全部附属部件：1) 采煤机的导向装置；2) 铲煤机；3) 挡煤板；4) 无链牵引采煤机的齿规；5) 放置电缆、水管、乳化液管路的槽或支座；6) 在机头部和机尾部，能安装采煤机外牵引的传动装置、牵引链的固定安装或刨煤机的传动装置和控制保护装置；l. 用于综采工作面的刮板输送机，相关的外廓尺寸与采煤机和液压支架相配；m. 刮板输送机，沿倾斜铺设，在工作中有下滑可能时，应有防滑锚固装置。5.3 机头部机头部由机头架、链轮、减速器、盲轴、联轴器和电动机组成。是将电动机的动力传递给刮板链的装置。23