气动锚杆钻机说明书

河北工程大学毕业设计 I 摘要 目前 国内生产的锚杆钻机无论从技术上还是质量上都落后于某些发达国家 所以对锚 杆钻机的理论研究尚需进一步深化 钻机的质量需进一步提高 本文全面 系统 深入地分析了气动锚杆钻机的工作原理 齿轮马达运动的特性 对气动锚杆钻机组成元件进行设计分析 提出气动锚杆钻机设计的基本思路和方法 并 对气动锚杆钻机的回转部分进行了详细的设计校核 利用 PROE 对其进行建模和仿真 本文根据流体力学和气压传动原理 分析了齿轮式气动马达的结构和特点 本文还 分析了气动式锚杆钻机产生噪声 油雾的机理 探讨了消除噪声和油雾的途径和方法 研制了具有消除排气油雾和减小噪声双重功能的多机理除油雾消音器 消音器性能良好 能很好地满足设计要求和使用要求 关键词 气动锚杆钻机 齿轮马达 回转部分 强度校核 消音器 支腿 操纵臂 建 模 仿真 河北工程大学毕业设计 II ABSTRACT At present the domestic production of the jumbolter no matter from technology and quality are behind some developed countries so the jumbolter to the study of the theory of the pending further deepening the quality of the drilling rig to further improve This paper system a further study on the working principle of the jumbolter pneumatic gear motor sports characteristics the jumbolter to pneumatic components design analysis it puts forward the jumbolter pneumatic design basic idea and method and the jumbolter to pneumatic rotating parts of detailed design respectively Using PROE the modeling and simulation In this paper according to the principle of fluid mechanics and pneumatic transmission this paper analyzes the gear type structure and characteristics of the pneumatic motor this paper also analyzes the pneumatic type the jumbolter to produce noise the mechanism of oil mist and probes into the oil mist eliminate noise and the way and the method developed with dispels exhaust oil mist and reduce the noise of the double function mechanism in addition to more oil mist muffler muffler performance is good can well meet the design requirement and the use requirement Key words Pneumatic anchor rig Gear motor Rotary body Strength check Muffler outrigger Manipulating arm modeling simulation 河北工程大学毕业设计 III 目录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1 锚杆钻机简介 1 1 1 锚杆支护的作用及意义 1 1 2 锚杆钻机的发展与现状 1 1 3 我国煤矿用锚杆钻孔设备存在的主要技术问题 2 1 4 本课题研究的主要内容 4 第二章 气动锚杆钻机总体方案的研究与设计 5 2 1 设计方案的确定 5 2 1 1 推进方案的确定 5 2 1 2 动力机构方案的确定 6 2 1 3 操纵机构方案的确定 8 2 2 工作原理 9 2 3 性能参数指标 10 第三章 气动锚杆钻机的结构设计 10 3 1 整体结构及参数的确定 10 3 2 回转部分的设计及强度计算 11 3 2 1 减速机构设计 11 3 2 2 气动马达的参数确定 33 3 2 3 消声器的设计 35 3 3 支腿部件设计 35 3 3 1 结构设计 35 3 3 2 支腿材料的分析与选择 36 3 3 3 支腿的结构设计 37 3 4 操纵臂设计 37 3 5 整机结构 37 第四章 PROE 建模及仿真 38 4 1 PRO ENGINEER软件简介 38 4 2 PRO ENGINEER软件主要特性 38 4 3 PRO E 建模 39 4 4 PRO E 装配 51 4 4 PRO E 仿真 55 河北工程大学毕业设计 IV 第五章 气动锚杆钻机使用维护说明 59 5 1 适用范围及型号定义 59 5 1 1 适用范围简介 59 5 1 2 型号定义 59 5 2 性能参数 60 5 3 使用条件 60 5 3 1 压缩空气 60 5 3 2 冲洗水 61 5 3 3 润滑 61 5 4 作业前检查 61 5 5 钻锚杆孔作业 62 5 6 搅拌和安装锚杆作业 62 5 7 作业之后 62 5 8 其他操作注意事项 62 第六章 结束语 63 参考文献 64 致谢 65 河北工程大学毕业设计 1 第一章 绪论 1 锚杆钻机简介 1 1 锚杆支护的作用及意义 锚杆支护作为地下工程的一种新型的支护型式 目前已成为欧美和澳大利亚等先进 采煤国家煤矿井下的主要支护方式 美国煤矿房柱式开采几乎全部采用锚杆支护 长壁 开采的巷道 80 采用锚杆支护 澳大利亚 90 的煤矿巷道采用锚杆支护 50 年代末 锚杆支护就在我国少数煤矿得到利用 但是由于对其认识不足 特别是 缺乏对其支护机理的全面认识 在煤矿的应用始终得不到推广 七十年代以后 在引进 国外先进的采煤和掘进设备的同时 又片面强调了欧洲 美国的采煤模式 把钢架支护 作为煤矿的主要方向加以推广 八十年代起 人们对锚杆支护有了重新认识 开始在煤 层顶板比较稳定的巷道中使用 如七台河 大同 双鸭山等矿区 继而逐步在地质条件 比较复杂的煤矿也得到了应用 如在新汉 徐州等矿区巷道围岩稳定性较差的地方 在龙 口 平庄等矿区 三软 条件下顺槽的锚杆支护和锚梁网支护等 至今 几乎在全国各 大矿区都不同程度地应用了锚杆支护技术 煤矿巷道锚杆支护技术在改善支护效果 降低支护成本 加快成巷的速度 减少辅 助运输量 减轻劳动强度 提高巷道断面利用率等方面有着十分突出的优越性 对我国 煤矿的技术进步和经济意义是十分巨大的 原煤炭工业部于 1996 年将煤巷锚杆支护技术列为 九五 五大科技攻关项目之一 攻关内容包括锚杆支护机理的研究 锚杆设计方法 锚杆材料 监测仪器 支护工艺 快速掘进和锚杆钻机等六个方面 我国锚杆钻机的发展较晚 虽然从六十年代就开始了研制 但一直处于缓慢发展和 低水平重复的阶段 至今为止 尚无比较完善的锚杆钻机设计理论 因此 研究适应我 国煤矿的新型 高效 结实可靠 使用方便 维修简单的锚杆钻机 是我国锚杆支护技 术中急待解决的问题 1 2 锚杆钻机的发展与现状 从结构型式上 锚杆钻机可以分成台车型 机载型和单体型三大类 由于台车型锚 杆钻机 亦称锚杆钻车 和机载锚杆钻机具有功率大 钻孔能力强 功能齐全 适应范围 河北工程大学毕业设计 2 广 可自带动力 操作安全等优点 所以在国外应用较多 如瑞典 Alas Copco 公司 芬 兰 Tamrock 公司以及法国 SECOMA 公司生产的锚杆钻车 但这两类锚杆钻机操作复杂 维 护成本高 一次投资成本也大 因而在国内使用较少 目前在巷道锚杆支护中 大量采 用的是单体锚杆钻机 它具有结构简单 使用方便 移动灵活 适合手工操作等优点 从机型结构上分 单体锚杆钻机可分为架柱式 手持式和支腿式三种 架柱式锚杆钻机 机身固定在巷道顶 底板与侧帮之间 由推力装置将钻机沿导轨推进 实现钻孔 这种 架柱式锚杆钻机整机重量较手持式锚杆钻机和支腿式锚杆钻机大 操作不方便 如国内 MZ 系列液压锚杆钻机 国外美国 VITOR 公司生产的液压钻机等 手持式锚杆钻机与支腿 式不同 它没有推进系统 适于煤巷侧壁的使用 如 澳大利亚 CRAM 公司 眼镜王蛇公 司生产的帮锚杆钻机 国内煤科总院研制的 ZQS 50 帮锚杆钻机 支腿式 手扶 锚杆钻机是目前煤矿中锚杆钻机应用的主流 这种钻机使用的灵活性 优于架柱式 按动力上进行分有电动 液压和气动三种型式 电动锚杆钻机的回转钻削直接由电动机驱动 不需要二次能量转换 设备效率高 但受电机重量的限制 一般输出功率较小 2 3KW 支腿的推进需要采用另外动力源 且电机容易受潮 故障率高 同时也不很安全 故目前实际应用较少 液压支腿式锚杆钻机带有分体的专用液压站 由它提供的动力液驱动回转切削用的 液压马达和推进用的液压油缸 操作系统通过液压阀组实现对转速 扭矩和推进力的控 制 这种钻机输出功率大 但主机重量较重 效率较低 维修相对困难 气动锚杆钻机是目前国内外大力发展的一种机型 应用前景非常广泛 最初 井下 曾使用气动凿岩机来钻凿锚杆孔 但由于打顶眼困难 钻孔质量差 钻进速度低 劳动 强度大 因而专用的气动锚杆钻机便受到人们的重视 国内在八十年代中期开始采用叶片式气马达 如 ZQM 系列 M10 系列 目前这两种系 列都停止生产 九十年代后期生产的 MFC300 活塞式气动锚杆钻机 由于故障率高 维修 困难 也慢慢退出市场 而齿轮式马达结构简单 制造成本较低 加之性能控制相对稳 定 故障率较低 操作 维护和维修也相对简单 因而在我国得到大力发展 1 3 我国煤矿用锚杆钻孔设备存在的主要技术问题 1 开发的品种多 但性能适宜 可靠性高的产品不多 目前我国已开发了 40 多种型号的锚杆钻机 但适于井下使用且可靠性较好的只有 3 4 种产品 当前正式投入使用的仅占已开发产品总数的 10 左右 目前锚杆钻机技术发展 状况有以下基本特点 河北工程大学毕业设计 3 1 单体气动回转式锚杆钻机是锚杆钻机产品的主流 在齿轮式 柱塞式和叶片式三种 类型气马达中 叶片式马达已基本淘汰 齿轮式马达与柱塞式马达在扭矩转速特性 不 同气压下的性能 噪声特性 机重 对润滑的要求与抗污染等方面各有优缺点 在不同 使用条件下都有各自的市场 总的来说 国产气动锚杆钻机的水平在逐步提高 齿轮气 马达式锚杆钻机已基本能代替进口产品 但玻璃钢支腿等部分的可靠性应进一步提高 柱塞马达式锚杆钻机尚处于小批量生产阶段 尚需进一步考核 2 液压锚杆钻机输出的扭矩高于气动锚杆钻机 在某些场合下应用较好 与掘进机配 套是较优越的工作方式 从目前已正式投入使用的支腿式液压锚杆钻机来看 钻机输出 扭矩仍然偏低 液压系统容易发热 由于以矿物油为工作介质 在煤矿井下使用中存在 安全隐患 3 电动锚杆钻机的输出特性较差 钻孔速度较低 电机可靠性及防水性能存在严重问 题 尚无良好的推进方式 因此 尽管已鉴定了多种电动锚杆钻机 但近期尚难大量用 于井下锚杆支护 2 锚杆钻机产品制造 使用管理不规范 很多产品难以在井下连续使用 锚杆钻机的可靠性与产品设计 制造 使用等因素有关 目前来说 锚杆钻机实际 利用率不高的主要原因是产品本身的可靠性问题 但使用中存在的问题也不容忽视 1 锚杆钻机产品可靠性不高主要来自产品设计不成熟与加工质量不高 有的锚杆钻机 因性能盲目改进 参数确定不合理 从投产起在井下工作无力 产品性能提高缓慢 有 些产品的生产过程无可靠的质量保证体系 部件质量无法保证 又缺乏必要的检测手段 产品性能与质量无法控制 自然影响井下长期使用 近年来 煤炭系统正式鉴定的锚杆 钻机有 23 种型号 但在煤矿井下正式使用的只有 2 3 种 其主要原因是成果质量不高又 没有做技术鉴定后的后续工作 2 锚杆钻机与钻具的产品管理问题严重 伪劣产品进入市场有可乘之机 锚杆钻机与 钻具有一定技术含量 但结构并不十分复杂 很多人看好煤矿锚杆支护量大面广的市场 有些人受经济利益驱动 不按国家与煤炭行业标准生产 产品性能与可靠性低劣 使煤 矿无法正常使用 有的厂家虽已批量生产锚杆钻机与钻具 但采取不正当手段推销产品 对销售的产品不负质量责任 煤矿用户常常不知道有哪些技术标准与锚杆钻机 钻具有 关 盲目相信厂家的 广告 采用未经技术鉴定与法定检验的产品 或购买不合格产品 致使企业遭受不必要的损失 河北工程大学毕业设计 4 3 钻头是回转式锚杆孔钻进设备的重要钻具 钻头型式 国产硬质合金片的性能 影 响钻头的应用范围 目前 普通硬质合金的岩石钻头主要适用于页岩 砂页岩及部分砂 岩磨蚀性不高的砂岩 寿命为 30m 左右 高于常规钻头价格 50 的国产优质合金钻头 可 以钻进抗压强度 60 80MPa 的中等磨蚀性岩石 寿命可达 25 30m 然而 相当多的生产厂 家因受经济利益驱动 不按标准要求组织生产 硬质合金质量低劣 工艺技术不高 产 品寿命只有 10 20m 甚至是 5 10m 1 4 本课题研究的主要内容 本设计力图开发一种适合煤矿掘进用的新型锚杆钻机 要求结构简单 操作简便 重量轻 移动方便 适应性强 便于运输和安装 在设计中要严格执行国家煤炭行业相 关规程 规定和技术标准 确保设计符合质量要求 本课题整个研究内容分以下几个方面 1 气动锚杆钻机总体方案的研究与设计 2 气动锚杆钻机的结构设计 3 气动锚杆钻机使用维护说明 河北工程大学毕业设计 5 第二章 气动锚杆钻机总体方案的研究与设计 2 1 设计方案的确定 2 1 1 推进方案的确定 一 气缸的选择 气动执行元件与液压执行元件相比 具有如下的特点 l 气动执行元件的运动速度快 工作压力低 适用于低输出力的场合 能正常工 作的环境温度范围宽 一般可在 35 一 80 有的甚至可达 200 的环境下正常工作 2 相对机械运动来说 气动执行元件的结构简单 制造成本低 维修方便 便干调 节其输出力和速度的快慢 另外 其安装方式 运动方向和执行元件的数目 又可根据 机械装置的要求由设计者自由选择 特别是制造技术的发展 气动执行元件已向模块化 标准化发展 借助于计算机数据传输技术发展起来的气动阀 使气动系统的接线大大简 化 这就为简化整机结构设计和控制提供了有利条件 二 气缸结构和安装方式的选择 气缸的种类很多 一般按压缩空气作用在活塞面上的方向 结构特征和安装方式来 分类 按压缩空气作用在活塞面上的方向可以分为单作用气缸 双作用气缸和特殊气缸 等 按结构特征则可以分为柱塞式 活塞式 薄膜式 套筒式等 按安装方式的不同则可 以分为固定式 轴销式等 结合要设计的气动支腿式帮锚杆钻机的推进机构对运动和结 构的要求 选择单作用套筒式 即伸缩式 气缸 工作时气缸的一端固定 另一端自由 伸缩式气缸与其他类型的气缸相比 具有如下的优点 l 伸缩气缸工作时行程可以相当长 不工作时整个缸的长度可以缩的较短 2 伸缩缸逐个伸出时 有效工作面积逐渐减少 因此 当进气量相同时 外伸速度 逐次增大 当负载恒定时 气缸的工作压力逐次提高 3 单作用伸缩缸的外伸依靠气压 内缩依靠自重或负载的作用 因此 多用于垂直 放置的场合 缸筒的安装由内到外为三 二 一级 外缸筒二各缸筒的外导向部分装有密封圈 防止气体泄漏 内 外导向套均与各级缸筒加工成一体 当一级缸筒上升到全部伸出时 一级缸筒的外导向部分与外缸筒的内导向部分相遇 带动二级缸筒上升 三级缸筒的上 升同理 河北工程大学毕业设计 6 2 1 2 动力机构方案的确定 一 马达的选择 气马达是把压缩空气的压力能转换成连续回转运动的机械能的气动执行元件 气马 达与油马达相比 其具有油马达所没有的特点 即气马达在长时间的满载工作时 温升较 低 一般使用的 4 8kg 每平方厘米的低压输气管也比高压油管便宜 经济性比油马达有 优势 使用费用较低 由于空气的可压缩性与气马达的工作转速随负载而降低 气马达和电动机相比 有 如下的特点 1 工作安全 适用于恶劣的工作环境 在易燃 高温 振动 潮湿及粉尘等不利 条件下都正常工作 在具有爆炸性瓦斯的工作场所 无引起爆炸的危险 同时不受震动 与高温的影响 2 可以无级调速 只要控制进气阀的开闭程度即控制气体流量就能调节马达的功 率 3 有过载保护作用 不会因过载而发生烧毁二过载时气马达会降低速度或停车 当过载减少时即能重新正常运转 4 能够实现正反转 气马达回转部分惯性矩小 所以能快速启动和停止 只要改 变进排气的方向 就能实现输出轴的正转和反转的转换 5 具有高的起动力矩 可以直接负载起动 起动 停止迅速 6 满载连续运行 由于压缩空气的绝热膨胀的冷却作用 能降低滑动摩擦部分的 发热 因此气马达可在高温环境中使用 在长时间满载连续运行时 其温升较小 7 功率范围及转速范围较宽 气马达功率小到几百瓦 大到几万瓦 转速可以从 0 25000r min 或更高 8 操纵方便 维修简单 9 功率较低 除此之外汽马达得到正确良好润滑后 它可在 2 次检修期间实际运转 2500 3000h 根据其性能来看气马达应用于以下场合 需要安全 无级调速 经常改变旋转方向 起动频繁以及防爆 负载起动 有过载可能的场合 当要求多种速度运转 瞬时起动和 制动或可能经常发生失速和过负载的情况时采用气马达要比别的类似设备价格便宜 维 护简单 因此气马达广泛应用于矿山机械中 基于以上气马达与油马达及电动机相比所具有的各种优点 在本产品的设计中选用 了气马达 河北工程大学毕业设计 7 马达按结构形式可分为叶片式 活塞式和齿轮式 3 类 其性能 特点比较如表 2 1 根据表 2 1 中性能比较 本产品采用了齿轮式气马达 这是由于齿轮式气马达与其 他类型的气马达相比 具有体积小 重量轻 结构简单 对气源质量要求低 耐冲击及 惯性小等优点 非常适合应用于矿山机械 表 2 1 齿轮式 柱塞式 叶片式 3 种气马达性能特点比较 二 传动系统方案的确定 传动系统方案如图 2 1 所示 动力由马达齿轮 3 输入 经过减速箱后 由主轴 6 将 动力传递给钻杆 传动路线为 马达齿轮 3 马达输出齿轮 4 初级被动齿轮 2 齿轮轴 l 次级被动齿轮 5 主轴 6 减速箱采用同轴线式 即输入轴与输出轴的轴线在同一直 线上 这种型式减速箱箱体长度小 结构紧凑 图 2 1 减速器传动系统图 三 消声器的选择 噪声是众所周知的公害之一 它损害人的听觉 影响人的健康和工作 严重时还会 河北工程大学毕业设计 8 造成各种意外事故 所以噪声问题已日益引起重视并把它作为改善劳动条件和保护环境 的重要内容之一 使用消声器消除噪声的主要措施是吸声 吸声使用吸声材料 如玻璃棉 矿渣棉等 装饰在容器的内壁 或敷设在管道的内壁上 将噪声吸收一部分 从而达到降低噪声的 目的 本产品使用的阻性消声器是利用在气流通道内表面的多孔吸声材料来吸收声能 其 结构简单 能在较宽的高频范围内消声 特别是对刺耳的高频声波有突出的消声作用 但对低频的消声效果较差 2 1 3 操纵机构方案的确定 一 气阀和水阀的选择 1 开关方式的选择 该气动支腿式锚杆钻机有 l 个主气阀 l 个气腿阀和 l 个水阀 都采用了人力控制阀 在单体式气动锚杆钻机中一般用人力控制阀直接操纵气动执行元件 水阀和气腿阀都采用了拨动式开关 这是因为拨动式开关的操纵方式具有定位性能 即操作力除去后仍能保持阀的工作状态不变 而这 2 个阀在工作开始之前需要打开 以 进气和进水 但是在工作过程中需要稳压 拨动式手动阀能很好的解决这个问题 其阀 芯结构基本上和机控阀相同 马达进气阀开关采用了压柄式 可以根据工作需要 控制进气量的大小 2 控制阀原理的选择 气腿阀原理图如图 2 2 采用二位三通阀 手动换位 弹簧复位的形式 P 口接高压气 T 口接大气 A 口接气腿气路 左位机能接通 P T 口 高压气排入大气 右位机能接通 P A 口 高压气进入气腿气路 主气阀原理图如图 2 2 采用二位二通阀 手动换位 弹簧复位的形式 P 口接高压气 A 口接马达气路 左位机能将两口断开 高压气无法进入马达气路 右位机能接通两口 高压气进入马达气路 水阀原理同主气阀 P 口接水接头 A 口接冷却水水路 气腿的排气阀采用快速排气阀二快速排气阀安装在靠近气腿气缸排气口 使气缸快 速排气 达到提高生产效率的目的 二 油雾器的选择 气动系统中所用的许多元件和装置都有运动部分 为使其能正常的工作 需要进行 河北工程大学毕业设计 9 润滑 然而 以压缩空气为动力源的气动元件运动部分都构成密封的气室 不能用普通 的方法注油 只能用某种特殊的方法将油注入气流带到需要润滑的部位 因此 必须在 空气管路中设置特殊功能的元件 使普通的液态油滴雾化成细微的油雾进入高压气 随 气流输入到运动部位 油雾器就是这样一种特殊的给油装置 当压缩空气流过时 它将 润滑油喷射成雾状 随压缩空气一起流进需要润滑的部件 达到润滑的目的 使用油雾器有以下优点 油雾可输送到任何有气流的地方 且润滑均匀稳定 气 路一接通就开始润滑 气路断开就停止供油 可以同时对多个元件进行润滑 油雾器的主要特性参数有流量特性和起雾流量 2 个参数 他们是选用油雾器的主要 依据 流量特性是指压力降流量特性 即油雾器的进口压力在规定值时 其输出空气的 流量与出口侧的压力降之间的关系 起雾流量是指进口压力在规定值 润滑油在正常工作 油位 滴油量每分钟 5 滴时流过的空气流量 对于一定的进口压力而言 起雾流量越低 说明油雾器在小流量工作时润滑油的雾化性能越好 2 2 工作原理 如图 2 2 所示 压缩空气经过滤器 注油器 滤网 J 进入操纵臂部件的阀块 手压 扳机 开启马达控制阀 压缩空气驱动齿轮式气马达 输出齿轮经两级减速 带动主轴 顺时针方向旋转 转动旋钮开启气腿控制阀 压缩空气经快速排气阀进入气腿上腔 气 腿伸长 当关闭气腿控制阀 气腿上腔余气即从快速排气阀放空 气腿靠钻机重力回落 转动旋钮开启水控制阀 冲洗水即经滤网 水阀 水套 主轴内孔进入钻杆 冲洗钻孔 手动调节各阀的开启量 即可调节转速 推力或水量 图 2 2 气动锚杆钻机工作原理图 河北工程大学毕业设计 10 2 3 性能参数指标 根据我国煤矿井下巷道和地下工程实际情况 要求气动锚杆钻机既可钻顶板锚杆孔 也可钻顶板锚索孔 还可以作为树脂药卷类的锚杆 锚索搅拌和安装设备 不再需要其 它辅助设备 实行螺母一次性旋紧 达到一次性初锚预紧力的要求 确定气动锚杆钻机 的输出参数为 最大功率 1 0 3 OKW 最大功率时转矩 50N M 最大功率时转速 230 250r min 推进力 6 8KN 上述气动锚杆钻机性能参数 既能满足现场的使用要求 又能最大限度地利用钻机 的功率 并尽可能地降低钻机的重量 改善煤巷支护的劳动条件 第三章 气动锚杆钻机的结构设计 3 1 整体结构及参数的确定 气动锚杆钻机由回转切削机构 推进机构和操作机构三大部分组成 回转切削机构由回转器总成 消声器总成 护圈总成三部分组成 包括马达 齿轮 箱 超越轴承 主轴 水套 消声器等零部件 推进机构包括支腿 固定套两大部件 支腿部分由三级气缸组成 通过固定套与回 转机构连接 气缸下部装有顶锥 作业时顶锥顶住地面 支腿气缸及固定套均由非金属 材料制成 强度高 重量轻 耐腐蚀 阻然 抗静电 操纵部分由阀体 操纵杆两大总成组成 包括注油器 三通阀 操纵杆 手把架等 零部件 三通与固定套连接 通过操纵开关 水 气旋扭控制马达阀 水阀 支腿气阀 根据我国煤矿煤巷锚杆支护的大部分巷道顶板岩石硬度为 f 5 锚杆钻孔直径为 28 30mm 确定该气动锚杆钻机的输出参数为 额定压力 0 5MPa 额定转速 240r min 额定转矩 50N m 最大负载转矩 120N m 推进力 6 2kN 河北工程大学毕业设计 11 该气动煤帮锚杆钻机适用于矿山企业 特别是巷道岩石硬度 f4 的 巷道高度 1 6 米 3 6 米的锚杆支护的岩巷 半煤巷 煤巷的临时支护和永久支护 它主要完成钻孔 安装锚杆 搅拌药卷 紧固螺母等项工作 3 2 回转部分的设计及强度计算 回转切削机构是气动锚杆钻机的核心 它由气动马达 减速机构 消音器三部分组 成 它的输出是转矩与转速 是由气动马达的输出特性决定的 3 2 1 减速机构设计 减速机构采用齿轮传动 传动效率 941 079 081 减速比为9603 709 2 6342 1 17 45 451072zi23 51 一 各轴运动和动力参数计算 一 计算各轴转速 min 2406r min 385 72131 r 09485 714 2 计算各轴功率 KWnTp25 140591950166 P37 821 KW91093267 河北工程大学毕业设计 12 3 计算各轴转矩 mNT 506 mNi 4 1623941 501 T 7627 将以上计算参数整理成表 轴名 P KW T N m n r min 传动比 效率 轴 6 1 25 50 240 轴 1 1 33 16 444 773 385 3 231 0 941 轴 7 1 39 3 171 4187 079 5 4 0 9603 表 3 1 4 齿轮强度校核 1 次级被动齿轮 5 与齿轮轴 1 轮齿的校核 1 齿轮的类型 材料 精度等级及主要尺寸 该减速机构选用直齿圆柱齿轮传动 精度等级都为 8 级 齿轮 5 材料为 40Cr 调质 硬度为 250HBS 齿轮轴 1 轮齿材料为 40Cr 齿面淬火 硬度为 47HRC 主要尺寸如表 3 2 齿轮 5 齿轮轴 1 齿数 42 z31 z 模数 75 1 m 齿宽 182b 21b 变位系数 0 x 403 x 齿数比 231 412 zu 分度圆直径 5735 12 mzd 75 213751 mzd 节圆直径 2 40683u12 0683314 8 ua 河北工程大学毕业设计 13 齿宽系数 245 073182 db 92 075211 db 啮合角 07 2cos8 41arc a 表 3 2 2 齿面接触强度的校核 因为两啮合齿轮的齿面接触强度相等所以只校核一个齿轮即可 1 计算齿面接触强度 1 计算圆周速度 smvnd 936 01602453 710652 2 计算载荷系数 根据 8 级精度 由书 1 图 10 8 查得动载荷系数 05 1 KV 直齿sm 93 0 轮 1KFH 由表 10 2 得使用系数 KA 由书 1 表 10 4 用插值法查得 8 级精度 小齿轮相对支撑非对称布置时 04H 由 57 4938 hb 04 1 H 查书 1 图 10 13 得 06 1 F 故载荷系数为2 KHVAK 3 由书 1 表 10 6 查得材料的弹性影响系数 MPaZE819 查书 2 图 32 1 13 得 35 2 HZ MPaudKTEHH 8 5691835 2724050 13 2 计算接触疲劳许用应力 1 由书 1 图 10 21d e 按齿面硬度查得齿轮轴 1 的接触疲劳强度极限 H10lim 齿轮 5 的接触疲劳强度极限 MPaH605lim 河北工程大学毕业设计 14 2 计算应力循环次数 911 10678 30821485 736060 LnNhj 9 915 1 uN 3 由书 1 图 10 19 选取接触疲劳寿命系数 01KHN 705HN 4 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 得1 S MPaSHHN 909 01lim11 HNK582675lim55 因 故符合接触强度要求 15HH 3 齿根弯曲强度校核 1 计算齿根弯曲强度 23ZmYKTdSaFF 1 计算载荷系数 2 1065 1 KFVA 2 齿轮轴 1 由书 2 图 32 1 16 查得 则FSaFY 4 FSYMPaZmKTdSaFF 42 197375 192062231 3 齿轮 5 由书 1 表 10 5 查得 674 SaY FaY MPaZmKTdFF 97 208475 120632 2235 2 计算齿根弯曲许用应力 取 S 1 4 SFENF 河北工程大学毕业设计 15 1 齿轮轴 1 由书 1 表 10 18 查得 由书 1 图 10 20d 得9110678 N9 01 KFN 则MPaFE650 MPaSFENF 86 417 650911 满足要求 11FF 2 齿轮 5 由书 1 表 10 18 查得 由书 1 图 10 20 得95102 92 05 KFN 则MPaFE405 MPaSFENF 741 2954 10955 满足要求 55FF 二 齿轮 2 和齿轮轴 7 轮齿的校核 1 齿轮的类型 材料 精度等级及主要尺寸 该减速机构选用直齿圆柱齿轮传动 精度等级都为 8 级 齿轮 2 材料为 40Cr 调质 硬度为 250HBS 齿轮轴 7 轮齿材料为 40Cr 齿面淬火 硬度为 47HRC 主要尺寸如表 3 3 齿轮 2 齿轮轴 7 齿数 54 z10 z 模数 5 1 m 齿宽 182b 291b 变位系数 0 x 564 0 x 齿数比 4 5102 zu 分度圆直径 854 12 mzd 150 1 mzd 河北工程大学毕业设计 16 节圆直径 35 82154 u12 d 25 14 6 82 1 uad 齿宽系数 02 bd 9351 db 啮合角 439 20cos8 4ar a 表 3 3 2 齿面接触强度的校核 因为两啮合齿轮的齿面接触强度相等所以只校核一个齿轮即可 1 计算齿面接触强度 1 计算圆周速度 smvnd 34 1068573 821062 2 计算载荷系数 根据 8 级精度 由书 1 图 10 8 查得动载荷系数 直齿sm 34 16 VK 轮 1KFH 由表 10 2 得使用系数 KA 由书 1 表 10 4 用插值法查得 8 级精度 小齿轮相对支撑非对称布置时 02 H 由 查图 10 13 得 故载荷系数为7 5029 hb02 1 H 02 1 F 36 KFVAK 3 由书 1 表 10 6 查得材料的弹性影响系数 MPaZE8 19 查书 2 图 32 1 13 得 3 2 HZ MPaudKTEHH 9 2813 2812 0643133 2 计算接触疲劳许用应力 1 由书 1 图 10 21d e 按齿面硬度查得齿轮轴 1 的接触疲劳强度极限 H107lim 河北工程大学毕业设计 17 齿轮 5 的接触疲劳强度极限 MPaH602lim 2 计算应力循环次数 977 1062 3082179 4860 LnNhj 972 167 5063 uN 3 由书 1 图 10 19 选取接触疲劳寿命系数 87KHN02HN 4 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 得 1 S MPaSHHN 752 107lim77 HNK4692lim22 因 故符合接触强度要求 72HH 3 齿根弯曲强度校核 1 计算齿根弯曲强度 23ZmYKTdSaFF 1 计算载荷系数 301 16 1 KFVA 2 齿轮轴 7 由书 2 图 32 1 16 查得 则FSaFY 953 FSYMPaZmKTdSaFF 95 410 1372237 3 齿轮 2 由书 1 表 10 5 查得 2 1SaY34 FaY MPaZmKTdFF 23 75 12010623232 2 计算齿根弯曲许用应力 河北工程大学毕业设计 18 取 S 2 SFENFK 1 齿轮轴 7 由书 1 表 10 18 查得 由书 1 图 10 20d 得 971062 3 N83 07FN 则MPaFE6507 MPaSFENFK75 269083 77 满足要求 77FF 2 齿轮 2 由书 1 表 10 18 查得 由书 1 图 10 20 得 则 921067 N9 02 KFN MPaFE4502 MPaSFENFK542 满足要求 三 轴的设计 一 齿轮轴 1 的设计 1 轴上的参数 MNT 4 61 MNT 17 32 min 385 71rn KWP3 1 2 求作用在齿轮轴上的力 1 求齿轮轴轮齿上的力 因已知齿轮轴轮齿的节圆直径 则md068 231 07 2 NTFt 1451 tr 07 872tan7 45an1 2 求齿轮 4 上的力 因已知齿轮 4 的节圆直径 则md27 439 2 河北工程大学毕业设计 19 NNFdTt 738 4152 15370274 tr 69tan84an74 3 初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为 40Cr 根据书 1 表 15 3 选取 于是得104 A mmnpAd65 2385 70431min 4 轴的结构设计 1 拟定轴上零件的装配方案如图 3 1 图 3 1 2 根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 1 轴的最小直径显然是安装轴承处 轴承只受径向力 故初选深沟球轴承 为保证安全 使所选轴承内径比最小轴颈大 则选用 6203 深沟球轴承 其尺寸为 故取 左mmBDd124017 md175421 ml125421 端轴承外圈用减速壳体定位 取壳体直径为 36mm 内圈为轮齿定位 右端轴承外圈用轴 承座定位 取轴承座相应直径为 36mm 内圈用齿轮定位 2 2 3 处为轮齿 md283 ml213 3 取安装齿轮处轴段的直径 齿轮的右端与轴承内圈相互定位 故轴端等043 河北工程大学毕业设计 20 于轮毂宽度 取 ml2343 至此已初步确定了轴的各段直径和长度 3 轴上零件的周向定位 1 齿轮与轴的周向定位采用平键连接 按由书 1 表 6 1 查得平键截面 键槽用键槽铣刀加工 长为 18mm 同时为了保证齿轮与mmlhb146 轴配合有良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 78jsH 2 键的强度校核 键 轴和轮毂的材料都是钢 由书 1 中表 6 2 查得 许用挤压应力为 取 键的工作长度 MPap90 6 MPap70 键与轮毂键槽的接触高度mbLl2 6142 则 hk35 合适 83 192014 6031 pp MPakldT 键的标记为 键 C 6 6 14 GB T 1096 2003 4 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考书 1 表 15 2 选轴端倒角为 各处圆角半 45 1 径为 1mm 5 求轴上的载荷 首先根据轴结构图做出轴的计算简图 轴承的支撑点位置由手册中查出 a 值 对于 6203 型轴承 由手册查得 因此 作为简支梁的支撑跨距mBa621 根据轴的计算简图做出轴的弯矩和扭矩图如图 3 aL5628 总 2 从图中可以看出 C D 面是轴的危险截面 将计算结果列于 3 4 表 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F NNH237 946 1 52 NFNV256 431 72 河北工程大学毕业设计 21 弯矩 M mNH 915621 802 mNMV 24713 1 80592 总弯矩 M35741 扭矩 T mNT 164 表 3 4 6 按弯扭合成应力校核轴的强度 C 面 通常只校核危险截面强度 据上表数据 轴单向旋转 扭转切应力为脉动循环变应 力 取 轴的计算应力6 0 MPaWTMca 815 675 210 1640 8476 32122 前已选定轴的材料为 40Cr 由书 1 表 15 1 查得 MPa1 因此 安全 1 ca D 面 轴的计算应力 3232 467 mdtbW MPaWTMca 87 15467 2 10590 22 前已选定轴的材料为 40Cr 由书 1 表 15 1 查得 MPa01 因此 安全 1 ca 河北工程大学毕业设计 22 图 3 2 轴的弯矩扭矩图 河北工程大学毕业设计 23 7 精确校核轴的疲劳强度 1 判断危险截面 4 面的右侧 2 截面 4 右侧 抗弯截面系数 333 49171 0mdW 抗扭截面系数 6822T 截面 4 左侧的弯矩为 MNM 5419862 截面 4 上的扭矩为 T4 截面上的弯曲应力 MPaWMb 95 31892 截面上的扭转切应力 MPaWT735 69824 轴的材料为 40Cr 由书 1 中表 15 1 查得 B MPaMPa20 3511 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 按书 1 附表 3 2 查取 因 及 经插值后可查得 18 7 059 17 dDdr 25 1 9 又由附图 3 1 可得轴的材料的敏性系数为 80 7 0 qq 故有效应力集中系数为 203 1 25 1 1 1 k 78970 q 由附图 3 2 的尺寸系数 由附图 3 3 的扭转尺寸系数 河北工程大学毕业设计 24 轴按磨削加工 由附图 3 4 得表面质量系数为 94 0 轴未经表面强化处理 即 则综合系数为 1 q 72 1940178 kK 623 合金钢的特性系数 25 0 取3 0 2 15取 所以轴在截面 4 右侧的安全系数为 2 41086 4721351 maKS 17 7356 1 ma 18 172 4122 SSSca 故可知其安全 因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性 故可略去静强度校 核 二 齿轮轴 7 的设计 1 轴上的参数 MNT 1 37 min 4187rn KWP39 17 2 求作用在齿轮轴上的力 1 求齿轮 2 上的力 因已知齿轮轴轮齿的节圆直径 则md8 42 604 17 NNTFt 98231 河北工程大学毕业设计 25 NFtr 2 416017tan98 12an1 2 求齿轮轴 7 的轮齿上的力 因已知轮齿 7 的节圆直径 则md57 43 NNFTt 78 12 130274 tr 61439tan845an4 3 初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为 40Cr 根据书 1 表 15 3 选取 于是得0 A mnpAd8439 037min 4 轴的结构设计 1 拟定轴上零件的装配方案如图 3 3 图 3 3 2 根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 1 轴的最小直径显然是安装轴承处 轴承只受径向力 故初选深沟球轴承 为保证安全 使所选轴承内径比最小轴颈大 则选用 6204 深沟球轴承 其尺寸为 故取 取 为了mmBDd14720 md201943 m14l 8 河北工程大学毕业设计 26 便于轴承安装取 左端轴承外圈用轴承座定位 内圈用轴用弹mlmd3 5 19988 性挡圈定位 右端轴承内圈用轴用弹性挡圈定位 故 md7 18 1032 外圈用轴肩定位 取 l1 032 2 1 l4 87 2 4 7 处安装齿轮 取 取 为使齿轮定位可靠 取m565 mBl齿74 7654 4 dmd 3 64 3 齿轮左端用套筒定位 套筒宽 4mm 故取 1843 4 轴的右端为轮齿 留有退刀槽 取 mm29201 至此已初步确定了轴的各段直径和长度 3 轴上零件的周向定位 1 齿轮与轴的周向定位采用平键连接 按由书 1 表 6 1 查得平键截面 键槽用键槽铣刀加工 长为 56mm 同时为了保证齿轮与mmlhb5678 轴配合有良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 67jsH 2 键的强度校核 键 轴和轮毂的材料都是钢 由书 1 中表 6 2 查得 许用挤压应力为 MPap90 6 取 键的工作长度 键与轮毂键槽的接触高度 MPap70 mbLl4856 则 mhk5 35 合适 1 25483017 1023pp MPakldT 键的标记为 键 8 7 56 GB T 1096 2003 4 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考书 1 表 15 2 选轴端倒角为 各处圆角半 45 径为 1mm 5 求轴上的载荷 首先根据轴结构图做出轴的计算简图 轴承的支撑点位置由手册中查出 a 值 对于 6203 型轴承 由手册查得 因此 作为简支梁的支撑跨距mBa7214 根据轴的计算简图做出轴的弯矩和扭矩图如图 3 4 从图中可以看出 CmL8 河北工程大学毕业设计 27 面是轴的危险截面 将计算结果列于 3 5 表 载荷 水平面 H 垂直面 V 支反力 F NNH48 169 305 2 NFNV398 201 62 弯矩 M mH7mMV 2 总弯矩 NM 169 N 59670 扭矩 T mT3 表 3 5 6 按弯扭合成应力校核轴的强度 通常只校核危险截面强度 据上表数据 轴单向旋转 扭转切应力为脉动循环变应 力 取 轴的计算应力6 0 MPaWTMca 32 1201 376 59670 2122 前已选定轴的材料为 40Cr 由书 1 表 15 1 查得 71 因此 安全 1 ca 河北工程大学毕业设计 28 图 3 4 弯矩扭矩图 河北工程大学毕业设计 29 7 精确校核轴的疲劳强度 1 判断危险截面 8 面的右侧 2 截面 8 右侧 抗弯截面系数 333 49 71591 0mdW 抗扭截面系数 822T 截面 4 左侧的弯矩为 MNMM 974 481 2 1 截面 4 上的扭矩为 NT 370 截面上的弯曲应力 MPaWMb 529 14928 截面上的扭转切应力 MPaWT138 29148370 轴的材料为 40Cr 由书 1 中表 15 1 查得 B5 MPaMPa20 3511 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数 按书 1 附表 3 2 查取 因 及 经插值后可查得 487 159 0 519 dDdr 75 1 96 又由附图 3 1 可得轴的材料的敏性系数为 80 7 0 qq 故有效应力集中系数为 608 1 75 1 1 1 k 3990 q 由附图 3 2 的尺寸系数 由附图 3 3 的扭转尺寸系数 河北工程大学毕业设计 30 轴按磨削加工 由附图 3 4 得表面质量系数为 94 0 轴未经表面强化处理 即 则综合系数为 1 q 803 194073 kK 672168 合金钢的特性系数 25 0 取3 0 2 15取 所以轴在截面 4 右侧的安全系数为 72 150529 18031 maKS 12 04 38 671 ma 5 154 121047 522 SSSca 故可知其安全 因无大的瞬时过载及严重的应力循环不对称性 故可略去静强度校 核 因为输入轴和轴 7 结构相似 故不必再校核 三 输出轴 6 的设计 1 轴上的参数 MNT 506 min 2406rn KWP25 16 2 初步确定轴的最小直径 选取轴的材料为 40Cr 根据书 1 表 15 3 选取 于是得15A mnpd204 336min 河北工程大学毕业设计 31 4 轴的结构设计 1 拟定轴上零件的装配方案如图 3 5 图 3 5 2 根据轴向定位要求确定轴的各段直径和长度 1 由于 最小轴颈为装轴承处 初选 6205 深沟球轴承 md20min 取 mBD155 mlmd15 2566 2 6 7 为装齿轮处 齿轮右端用弹性挡圈定位 l4 24776 取 387m l87 39898 3 4 5 装超越轴承 防止钻杆反转 mlm5 245 4 4 3 4 装轴承 初选 6206 型深沟球轴承 d38043 mmBDd16230 5 在距左轴端 31mm 处钻一 7 5 的孔 通水气 左端螺纹 21mm M30 1 5 因钻头底部 需需插入左轴端 故左轴端应钻出相应的孔 使钻头可正常安装 孔径为 19mm 3 轴上零件的周向定位 1 齿轮与轴的周向定位采用平键连接 按由书 1 表 6 1 查得平键截面 键槽用键槽铣刀加工 长为 25mm 同时为了保证齿轮与mmlhb278 河北工程大学毕业设计 32 轴配合有良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 78jsH 2 键的强度校核 键 轴和轮毂的材料都是钢 由书 1 中表 6 2 查得 取 键的工作长度 MPap90 键与轮毂键槽的接触高度 mbLl482 mhk5 375 则 合适 8241305036 pp MPakldT 键的标记为 键 8 7 22 GB T 1096 2003 4 确定轴上圆角和倒角尺寸 参考书 1 表 15 2 选轴端倒角为 各处圆角半 45 1 径为 0 5mm 四 轴承的校核 预期寿命 hLh 1403082 一 6204 型深沟球轴承的校核 查手册得 6204 型深沟球轴承 NCr1280NFFNHNVr 70 148 169 3 2221 因只受径向力 取 5 pf NfPrp 257051 验算 6204 轴承的寿命 hth LPCnL 63636 10 25689 41870 01 故所选轴承可满足寿命要求 二 6203 型深沟球轴承的校核 查手册得 6203 型深沟球轴承 NCr9580 1 下端 6203 型 NFFNHNVr 8 32 75 6 47 31 222 河北工程大学毕业设计 33 因只受径向力 取 8 1 pf NFfPrp 84 5238 1 验算 6203 轴承的寿命 hth LPCnL 731 84 5290 3 760 6013 故所选轴承可满足寿命要求 2 上端 6203 型 NFFNHNVr 104237 94654322121 因只受径向力 取 pffPrp 810 验算 6203 轴承的寿命 hth LPCnL 1972 2485 3 7560 601 33 故所选轴承可满足寿命要求 3 2 2 气动马达的参数确定 一 气动马达的输出主参数 小功率气动马达的输出转速比较高 一般在最大功率下的转速要达到 4000 6000 r min 由前面确定的该气动锚杆钻机最大功率时的输出转速为 240 r min 最大功率时 转矩为 50N M 由减速机构中确定的减速比为 l 17 45 并考虑到减速机构的传动效率 为 0 904 则气动马达的输出参数为 最大输出转矩 MNiTm 173904 517 最大功率下转速 min 82rnm 最大功率 河北工程大学毕业设计 34 KWnTPmm 39 19504817 3 理论转矩 MNTm 68125 073 理论功率 KWPm625 039 取气马达的总效率 不同类型气马达效率的取值见下表 表 3 6 二 气动马达的输入参数 由于在煤矿井下气路铺设较长 经过管道压力损耗后 一般气动设备压力为不超过 0 6MPa 根据 煤矿用锚杆钻机通用技术条件 有关规定 气动设备标准验收气压 P1 为 0 5MPa 在 0 5 MPa 压力下 气动设备的耗气量计算为折算到常温 20 0C 标准大气压下 的气体流量 耗气量 Q 为 29312 TPznVQm 式中 V1 一一马达齿轮啮合之间密封容积 Z 一一马达齿轮齿数 P2 一一绝对压力 MPa T1 一一绝对温度 根据马达齿轮直径 齿顶高 齿根圆近似计算 马达齿轮啮合之间密封容积以及马 达齿轮模数 m 5 5 齿数 Z 9 压力角 a 20 齿顶高 h l 可以近似计算 35107 mV 把压缩空气折算到常温 293K 绝对压力 P2 为 1MPa 时理论耗气量 Q 河北工程大学毕业设计 35 为 min 8 3292931 05 057Q 考虑漏损 余隙容积和进气节流压降的影响 实际耗气量为 746 84 3Qe 为确保回转切削机构尺寸不致过大 传递平稳 经过多次设计验证 选择马达齿轮 模数 m 5 5 齿数 Z 9 压力角 a 20 3 2 3 消声器的设计 为了降低锚杆钻机气