斗轮取料机中的斗轮部件设计开题报告

上海工程技术大学毕业设计（论文） 斗轮取料机中的斗轮部件设计毕业设计开题报告学 院机械工程学院专 业机械设计制造及其自动化（现代装备与控制工程）班级学号学 生指导教师 题 目斗轮取料机中的斗轮部件设计1 综述1.1题目来源 本课题来源于无锡开源机床集团有限公司，是无心磨床设计项目下的子课题之一。1.2目的意义 课题的目的是设计外圆无心磨床上导轮架机构部分，并满足相关的技术指标要求。由于工件运动是由磨轮、导轮共同控制的，工件的质量、工件运动的稳定性、均匀性，不仅取决于机床运动传动链，还与工件、导轮及托板的实际情况以及采用的导轮质量、磨削用量和磨削工艺参数有关。课题对研究和开发各种其他类型的无心磨床结构有一定的参考价值。1.3课题涉及领域的国内外进展现状和前沿情况1.3.1国外发展概况世界上研究和开发斗轮机械最早的国家是德国，研究始于19世纪30年代，第一台斗轮机于19世纪80年代问世。到目前世界上最大的斗轮取料机回转半径为59m，生产能力为9600th，由奥地利钢铁联合公司制造。世界上研究和开发斗轮机械最早的国家是德国，而且目前仍处于领先地位，学者们对斗轮挖掘机的研究做了大量工作，德国学者Scheier D研究了斗轮挖掘机的切削阻力系数和切削力系数与岩石性质之间的关系，Bergen G用振动模拟系统求出了斗轮挖掘机的动态附加应力和共振转速，Feder D等对斗轮挖掘机进行了振动计算，并用实验验证了计算结果的正确性，May A则对斗轮挖掘机斗齿装置、测挖掘力的方法进行了研究。原苏联的别洛口诺依等对斗轮挖掘机斗轮驱动系统的动载荷进行了分析，给出了动载荷的经验公式，丘特诺夫斯基则研究了斗轮挖掘机工作装置的振动对切削参数的影响，国内对斗轮挖掘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载荷谱的编制、斗轮斗唇形状改变、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。对斗轮机整体结构强度、刚度、可靠性的分析和动、静态力学性能的测试这方面的研究还不多。目前在斗轮机设计领域还没有公认的设计规范可以遵循，技术要求都是取自相似设备的设计标准和研究结果。图1斗轮堆取料机1.3.2国内发展概况 国内对斗轮机的研究起步较晚，1960年，从国外引进的第一批斗轮机是我国对斗轮机应用、研究和开发工作的开始，第一台型号为DQ5030的斗轮堆取料机由哈尔滨重型机械厂于1970年研制成功。进入20世纪80年代随着电力工业和钢铁工业的发展，在电力部门的使用数量有很大提高，并目在港口上的使用量剧增。20世纪90年代国内斗轮堆取料机的事业向着更多、应用更广的方向发展。随着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。近年还出现了斗轮卸船机，主要用于港口卸船作业。目前我国生产的斗轮机数量，按保守估计国内堆取料机有2000台以上，堆取料能力在300-6000th范围内。经过几十年的发展，我国斗轮堆取料机的研究水平有了较大提高，但同发达国家相比仍有明显差距，其控制技术仅基于可编程控制器(PLC)为核心的单机控制，作业水平也仅限于单机手动式。现在我国斗轮堆取料机已经从最初的研究阶段转向发展阶段，向更高的产品质量和设计水平迈进。 斗轮堆取料机的应用在我国起步较晚，最早的斗轮堆取料机设计可以追溯到1966年。当时国内部分钢厂、码头急需使用此类设备，为满足当时的社会需要我国开发了第一代斗轮堆取料机。这标志着我国己具有制造大型散料输送机械的能力。20世纪80年代，由于电力和钢铁工业的发展，斗轮堆取料机发展迅猛，在电力部门、港口使用量剧增。20世纪90年代，国内斗轮堆取料机已经向更广的方向发展。在钢铁企业、电厂、各大港口到处都可以看到斗轮堆取料机。但是国内的设计和研究水平有限，为了缩短与国际先进国家的差距，采取进口和合作制造的方式。进口和引进的国家有日本、美国、德国、奥地利、意大利等国家。国内生产的第一台用于高寒地区的斗轮堆取料机是DQLl600160035，目前正运行于内蒙古的霍林河矿区。国内现在已开始了关于斗轮堆取料机自动控制方面的研究，控制水平已经达到20世纪70年代国际水平。另外，为了使斗轮堆取料机工作时更加稳定安全、可靠，在设计过程中引入计算机仿真技术，图象处理技术，故障检测技术等各种信息技术。这些技术的引用将使我国在斗轮堆取料机的设计和研发尽快赶上世界先进水平迈进。图2斗轮堆取料机模型1.斗轮臂架2.塔架3.起升油缸4.俯仰铰点5.配重悬臂6.回转大轴承7.门架1.3.3发展方向在过去的40年，发达国家斗轮堆取料机技术的发展，极大地促进了散料输送工业的发展。近年来，自动化和信息技术又推动了该产业的发展。 (1)理论生产率向大型化发展。斗轮堆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，它从开始时的每小时几十立方米发展到现在的每小时近20000。据悉，德国目前仍在开发有更大理论生产率的斗轮挖掘机。 (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；采用遥控遥现技术，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，并且尽可能少地受环境和操作人员水平的影响。1.4斗轮机构1.4.1斗轮机构驱动装置的形式和概况斗轮机构包括斗轮和斗轮驱动装置，作为挖取物料之用。斗轮驱动机构主要有：电机、减速器、制动器、液力联轴节、铲斗等组成。斗轮机构装于臂架的头部，斗轮是由电动机通过液力联轴节的减速机来驱动的。斗轮机构通过斗轮的旋转，配合堆取料机的行走、俯仰，逐层或按阶梯形方式分层取料。斗轮由胀圈与减速机输出轴联接。大扭矩的轴套联接的胀圈能够取代键槽联接。胀圈是不带键的而靠摩擦联接轴毂的一种装置，容易调整和拆卸，具有胀缩配合的所有优点。胀圈是通过径向压力在轴毂表面产生的摩擦力来传递扭矩和轴向负荷的。减速机齿轮为密封的油浴式润滑。 斗轮的驱动装置一般布置在斗轮的两侧。煤系堆取料机的斗轮安装在臂架前端部的右侧，铲斗底部敞开，与轮体内部相通，圆弧形导料板通过调整丝杠固定在臂架的端部。当取料机构工作时，通过电机、液力联轴节、减速箱，使斗轮转动，铲斗切入物料堆挖取物料，物料沿弧形导料板转动到卸料区，由于卸料区没有弧形导料板挡住物料，物料依靠自重卸到溜煤板上，最后落到皮带上，通过皮带的运转输送物料。1.4.2铲斗的组成铲斗用来直接挖取物料，并将挖取下来的物料运送到卸料处。通常情况下，斗轮体上装置的铲斗数目有6-12个，铲斗的容积为20-630d m3。煤系统堆取料机的铲斗数量为8只，铲斗的容积为2.5立方米。铲斗要有合理的形状，使挖取过程中的阻力最小。铲斗还要有足够的强度和耐磨性，保证工作过程安全可靠，使用寿命长，并能快速更换铲斗的磨损部分。图3铲斗的形状铲斗的种类很多，根据用途和挖取物料的不同，较常使用的有平口斗、斜口斗、带齿斗等。斗口形状有拱形，梯形、花瓣形等（图2-4-1）。铲斗由切割刃、斗唇、斗底和底座等组成。在铲斗的斗唇部分堆焊有斗箍 ，用以增加铲斗的钢性和强度。斗齿的作用是为了减少斗口的磨损，过去多用高锰钢斗齿以铆钉或高强度螺栓固定，现在改用铸钢（ZG55）或高强度合金调质钢，表面堆焊耐磨层，可大为提高斗齿的寿命。1.4.3斗轮的组成斗轮由斗轮体和铲斗组成，通常采用的斗轮直径为2-18m。根据生产能力的不同，直径大小也不同。斗轮按其结构型式可分为：有格式斗轮、无格式斗轮和半格式斗轮。1.4.3.1有格式斗轮有格式斗轮结构（如图2-4-2a）所示。铲斗1用螺栓固定在轮毂2上，每个铲斗有一个对应的卸料溜槽，它是由前后格板4和溜板3组成。溜板倾斜安装，由铲斗卸下来的物料经溜板3卸到斗轮一侧的胶带输送机上。为了防止铲斗内的物料在还没有到卸料位置时从卸料槽流出，在斗轮靠卸料一侧装有扇形档板5，斗轮旋转时档板5不动而挡住已装进铲斗及卸料溜槽的物料。有格式斗轮由于每个斗（如斗轮直径较小时，有时相邻两个斗）都有自己相应的卸料槽，物料滑移行程较短，因而适宜于挖掘中小块度坚硬的物料。由于物料与卸料槽滑动表面之间的摩擦力阻碍卸料，有格式斗轮卸料区间较小，其卸料角不超过7093，故而斗轮转速必须取得较低，否则物料来不及卸出。有格式斗轮的另一个缺点是斗轮工作表面很大，较容易粘结物料，清扫格子内表面比较困难，故有格式斗轮不适合于挖掘粘性物料。1.4.3.2无格式斗轮无格式斗轮结构（如图2-4-2b）所示，它是由铲斗1和轮毂2等组成的。在斗轮体中央固定有前导板6、侧导板7及后导板8构成的卸料槽。斗轮在工作时旋转，而中间卸料部分不动。中间部分除卸料槽外，在周围上还焊有与斗轮宽度相同的圆通形挡板9，使装满在铲斗中的物料不从开口部分流出，只有转到位置才能流出来卸装。工作时铲斗由下而上逐渐装满，由于固定不动的圆筒形挡板9挡住物料而不能外流，当铲斗转到卸料槽处，物料从斗口流出，落在卸料槽上，经溜槽到胶带输送机的漏斗里，被输送机运走。在无格式斗轮中，物料在重力的作用下脱离斗壁和斗底。当物料不粘附时，就能自由的从铲斗中卸出，不需要经过斗轮的内表面直接落入卸料装置，故而卸料区间大，卸料角达130。无格式斗轮的优点是斗速高，为有格式斗轮的1.51.2倍。同样尺寸和重量的斗轮，生产能力几乎可以提高相同的倍数，最适用于挖掘粘性物料，因此近10年来优先发展无格式斗轮。无格式斗轮的缺点是，卸料高度大，需要在斗轮内装设结构复杂的专用卸料装置。此外，无格式斗轮的铲斗装的过满时，会使物料在铲斗内压实，妨碍自由卸料。因此近期出现了半格式斗轮。1.4.3.3半格式斗轮半格式斗轮，如图（2-4-2c）所示。这种斗轮也是由铲斗1、轮毂2构成。中间有一个同无格式斗轮相似的中间转卸装置。这种结构是将轮毂2的高度增加，铲斗用螺栓固定在轮毂上。当铲斗挖取物料时，不但物料可以装在铲斗中，而且还可以装进环形框架构成的空间里，使铲斗装载物料的有效容积增大。在斗轮直径比较大的斗轮堆取料机中，采取半格式斗轮，可兼有有格式斗轮的优点。半格式斗轮铲斗的卸料同无格式斗轮一样，都在同一卸料槽中卸料，因此，这种结构在某种程度上结合了有格式斗轮的优点斗下空间和结构刚度较大，物料下落高度小，和无格式斗轮的优点卸料区间和可以提高斗轮的速度。所以这种斗轮是结构较为先进的一种。 2.方案论证2.1方案1采用一级伞齿轮和二级行星齿轮传动进行减速，因此，局部结构比较紧凑。但由于采用了电动机作用力，液力偶合器作联结部件，且伞齿轮传动副在啮合过程中因易发热升温而需要一台齿轮汞单独进行局部润滑，所以总体结构外形尺寸较大，总体质量也较大，达3.2t以上。2.2方案2采用内曲线径向柱塞式低速大转矩液压马达驱动斗轮，结构紧凑，总质量不到1.6t，约为方案1质量的一半。但由于输出轴与斗轮直接相连，故转速较低（）。而液压马达长期运转于低速区，其效率并非处于最佳值段，因而故障增多，维修困难，并且这类液压马达的成本昂贵。2.3方案3 综合方案1和方案2，采用高速小转矩液压马达加优化设计的二级行星齿轮减速器的结构形式。这种形式既能克服方案1外形尺寸较大、质量较大的缺点，又可克服方案2使用低速液压马达而存在的不足。通过提高液压马达的输出转速（），改善马达输出效率，从而选用普通型的重量轻、低成本液压马达。通过对行星齿轮减速器进行优化设计，使总体结构最紧凑，体积和质量最小。参考文献1 包起帆、张质文等.起重机设计手册M.北京：中国铁道出版社，1997.2 成大先.机械设计手册（第四版，第1，2，3，4，5卷）M .北京：化工工业出版社，2006.3 重型机械标准编写组.重型机械标准（第1，2，3，4卷）M .北京：中国标准出版社，1998.4 孙方，徐清波.堆取料机斗轮传动系统结构分析及改进J.煤矿机械，1998,(12)：3839.5 JB/T7328-94，工程机械加油机技术条件 S .6 JB/T4149-94，臂式斗堆取料机技术条件S.7 SD183-86，斗轮堆取料机技术条件S.8 张国号.取料机斗轮驱动机构的改造J.港口装卸，1998，（5）：1819.9 张绍濂.悬臂式斗轮取料机结构形势分析J.上海电力，1998，（1）：710.10 Purdum.T. 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