1、掘進機截割部減速器的優化設計 10摘 要減速器是掘進機截割部的一個重要組成部分，其結構形式、運轉情況等各方面的性能指標將會通過影響截割頭的運轉而直接影響掘進機的采掘效率、生產能力及機體的穩定性等。由于掘進機的工作空間一般比較狹小，要求掘進機的工作機構應該在保證工作性能及使用要求的前提下使結構尺寸最小。因此，有必要對掘進機截割部減速器進行以體積最小為目標的參數優化，使得在保證掘進機使用性能及安全性能的前提下，使減速器的體積最小。行星齒輪傳動與普通定軸齒輪傳動相比較，具有體積小、質量輕、傳動比大、承載能力大以及傳動平穩和傳動效率高等優點，其在起重運輸、工程機械、冶金礦山等行業均獲得了廣泛的應用。本

2、文是基于上述特點對減速器進行結構設計，首先通過比較各種類型的行星齒輪的特點，確定采用NGW 二級行星齒輪減速器；其次根據相應的輸入功率、輸出速度、傳動比等進行齒輪傳動設計與減速器整體的結構設計。關鍵詞：掘進機，減速器，行星齒輪，結構設計 ABSTRACTReducer is an important component of the cutting part of a road header. The structure and functioning and other aspects of performance index of the cutting reducer will dire

3、ctly affect the extraction efficiency、production capacity and the stability of the roadheader by the operation of the cutting head. Because roadheader's working space is Relatively small，therefore，should make the structure of the roadheader's working part smallest under the premise of guaran

4、tee the performance and use requirements. Therefore, the smallest target parameter optimization of EBZ135 roadheader's cutting reducer is necessary to make the minimum volume of the roadheader under the premise of guarantee the safety performance index of the roadheader. Compared with common fix

5、ed axis gear, planetary gear transmission has small size, small quality, big transmission ratio, large carrying capacity, smooth transmission and high transmission efficiency.So planetary gear drive in the lifting and transportation、engineering machinery、metallurgical and other industrial sectors ar

6、e received a wide range of applications. The design is based on these features of planetary gear for structure design. First, adopt the scheme through comparing various types of planetary gears characteristics and determine to use NGW two planetary gear reducer, Secondly, according to the correspond

7、ing input power、output speed and speed give the design of gear transmission and whole structure.Key words: road header, reducer, planetary gear, structure design目 錄1 緒論11.1掘進機國內外發展現狀11.1.1國外掘進設備研究技術現狀及發展趨勢11.1.2國內掘進機的發展歷史及現狀21.1.3現代掘進機的發展趨勢21.2行星齒輪傳動技術41.2.1行星齒輪傳動技術定義41.2.2國內外研究動態51.3論文選題目的及意義62 MAT

8、LAB優化設計概述72.1 MATLAB軟件介紹72.2 優化設計方法概述83 掘進機截割部減速器的優化123.1 減速器優化設計的數學模型123.1.1設計變量的選取123.1.2目標函數的建立123.1.3約束條件的確定133.2 減速器的優化與結果分析303.2.1減速器的優化303.2.2優化結果的分析314 結論33參考文獻34致 謝351 緒論1.1掘進機國內外發展現狀1.1.1國外掘進設備研究技術現狀及發展趨勢第一臺懸臂式掘進機是在1949年由匈牙利的科學家發明的1，經過幾十年的改進和發展，現在世界上掘進機的使用數量已超過幾千臺。有超過10多個國家、20多家公司和廠商從事懸臂式掘

9、進機設計研究和制造，主要國家是：奧地利、英國、德國、日本、美國等。早在五十年代，前蘇聯就試制了振動沖擊式掘進機的樣機，試驗結果表明利用此方法提高了生產效率及降低比能耗。直到1990年，俄羅斯圖拉工學院開始研制慣性沖擊式掘進機，并在一些掘進機上進行試驗，結果證明在提高破巖能力、生產效率及降低比能耗的同時機器運行仍平穩。對于國外掘進設備可分為兩類：一類是歐洲國家普遍使用的懸臂式掘進機，它適應范圍廣，但掘進、支護不能平行作業，掘進效率低；另一類是以美國和澳大利亞為代表的連續采煤機和掘錨機組，可實現煤巷的快速掘進，掘進效率高2。目前，國外掘進設備技術研究現狀主要可表現為：(1) 半煤巖巷道掘進機普遍推

10、廣隨著開采深度的加大及薄煤層開采的需要，切割煤巖的硬度及半煤巖巷道的掘進量增長，已研制的EBJ-132, EBH-132, EBJ-160等幾種掘進機能夠勝任半煤巖巷道掘進。半煤巖巷道掘進機適用機型重量約45-90t，切割巖石抗壓強度不大于80MPa為宜。EBJ-160在切割局部硬巖時，出現強烈振動，應以60-70t重的機型為主，可以使機器的振動減輕，機器零件壽命延長，總體經濟效果好。(2) 機器的可靠性高以先進的制造技術為基礎，從原材料質量到零部件的加工精度都能嚴格控制，又有優越的國際協作條件，選購外協件的范圍寬廣，有效的保證了主機的質量水平。此外，近年來廣泛的采用了可靠性技術，其突出表現為

11、簡化機械結構、采用將額設計。在齒輪傳動、機械聯接及液壓傳動方面盡量減少串聯系統，有的地方以嵌裝式結構代替螺栓組結構。既簡化了結構，又提高了可靠性。(3) 采用機電一體化技術國外新型掘進機均配各有完善的工況監測和故障診斷系統。從而可早期發現故障，快速排出故障，大大減少停機時間。有些重型掘進機還可配置自動控制系統，可以使機器的生產率提高30%左右，還可以保證切割機構的負載平穩，避免由于人工操作不當引起的尖峰負荷，從而延長機器的使用壽命約20%。隨著礦山機械工業的發展，掘進機作為一種常用機械產品，其性能不斷改進提高，國外掘進機的主要發展趨勢：1)以增加機重、提高截割功率和截割硬度為前提，發展矮型機，

12、提高產品工作時的穩定性，也適用于低矮的巷道掘進工作；2)應用新技術對部件進行優化設計，提高其工作的可靠性，形成模塊化設計，完善其自動控制系統，對工況進行監測以及故障診斷等；3)主要部件系列化。在掘進機的開發過程中只改變主機結構，而不改變其基本部件，并對其他部件進行組件設計，例如對于工作部件可以根據工作要求安裝橫軸式或者縱軸式截割頭；4)中、重型化。目前世界上權威的生產廠家主要產品正從輕型逐漸向中、重型發展，截割功率在40350kw之間，甚至達到400kW，機重達到40t；5)多元化破巖方式。包括機械截割破巖、沖擊破巖，以及新開發的水力掘進技術等方式3。1.1.2國內掘進機的發展歷史及現狀我國對

13、于掘進機研制是從1965年對HK-3型掘進機的仿制開始，之后經過設計、制造、使用三個單位結合進行多種小型掘進機研制。并定型生產了幾種掘進機。1975年第一臺液壓傳動煤巷掘進機ELMA通過技鑒定并小批量生產4。1979年開始,我國從英國、奧地利、日本、前蘇聯、德國、美國等國家大規模的引進設備，據不完全統計，截至1985年共引進16個品種188臺，對我國煤礦掘進煤和半煤巖巷道起到重要作用5。特別是通過AM50和S100的技術引進、國內外合作生產、消化吸收等方式，提高了設計、工藝制造水平。“八五”后期，我國又研制4050噸級重型掘進機。目前，我國掘進機技術已躍上了一個新的臺階，總體水平已接近國外同行

14、。在產品的開發方面，掘進機的切割功率從30kW提高到160kW，機重從13t上升到53t，切割對象從煤擴展到半煤巖，并逐步形成了煤及半煤巖掘進兩大系列、十多個品種。尤其是在“八五”后期至“九五”初期研制成功的EBJ系列半煤巖掘進機，其技術性能達到并部分超過了某些進口的同類產品，具有良好的性能價格比。國內掘進機的主要發展趨勢：1)適用范圍越來越廣，根據掘進機截割硬度的增加與截割斷面的加大，要求掘進機的適用范圍擴大；2)新的掘進機截割技術的發展；3)自動控制技術的迅速發展，表現為：智能監測、全功能遙控、推進方向監控、記憶截割、預報型故障診斷、數據遠程傳輸等方面；4)工程中操作的可靠性不斷提高；5)

15、多種功能的集成，即機載臨時支護系統、主機集成機載錨鉆系統、機載除塵系統等，通過多功能集成以達到安全高效生產的目標7。當前，我國掘進機的設計研究工作主要面臨三項任務：一是深入消化吸收引進產品技術，產品的國產化不僅僅是圖紙的轉化，制造工藝的工廠化，更重要的是對引進產品在設計思想、設計方法、設計技術的消化；二是加強基礎研究工作，主要指巖石可切割性和分類研究，整機和主要關鍵部件的設計理論與方法研究；三是對現有國產化機型進行設計改進，提高使用可靠性和開機率。1.1.3現代掘進機的發展趨勢分析國內外懸臂式掘進機近期產品，可知現代掘進機技術發展趨勢是：改善切割技術、提高對硬巖切割能力、采用現代控制技術、實現

16、遠程控制和遙控操作、研制掘錨機組，是巷道快速掘進的發展方向8。(1) 提高對硬巖切割能力從國內外懸臂式掘進機產品發展過程可以看出，早期產品是適應切割煤和軟巖的輕型設備。70年代后期，人們在機械和液壓兩方面做了大量研究工作，出現了切割半煤巖的中重型設備，近期多數掘進機可切割巖石強度達70-100MPa9，如德國普拉待公司研制的E200型重型掘進機10，機重達110噸，可切割巖石強度為70-124MPa，最大達206MPa。可見增加機重、加大切割功率，改進切割技術，是提高硬巖切割能力的必然發展趨勢。為了是適應切割硬巖，在增加機器自重的同時，新機型都實行緊湊化設計，努力降低機器高度，減少機器振動，提

17、高工作穩定性。如奧地利AM65型和德國ET110型11，機高都低于1.5m，并采用寬履帶，減少對地比壓，增強爬坡能力。在機身前、后部位裝設油缸式穩定器，使機器切割硬巖時牢固定位，減輕振動。(2) 發展自動控制技術懸臂式掘進機自動控制技術是國外80年代以來重點主攻目標之一12。包含以下內容：推進方向控制、斷面輪廓尺寸控制、切割功率自動調節控制、機器運行狀況監測和故障診斷、離機遙控操作技術。德國艾柯夫公司研制的微機輪廓和導向及機器運行狀況監測系統13，其持點是用激光導向。由掘進機后面巷道頂部懸掛一個激光發生器，用棱柱水晶體將激光束分裂為兩個互相垂直面，激光接收器有三條攝像晶體管線，可在600 mm

18、寬的激光束面上捕捉激射光，井將信號輸入計算機進行處理，控制掘進機標準位置的平行偏差和推進方向上的角度偏差。這套系統于1983年開始在ET-160和ET-110掘進機上使用。日本三并三他公司研制了切割功率自動調節系統14，美國礦業局移植機器人技術，研制具有視覺和某些智力功能的導向系統等。機器正常運行監控和故障診斷系統是任何掘進機都需要的，對重型機更是必需的。掘進機的監控程序，可早期鑒別技術故障，必要時發出指令停止運轉。主要功能是：對各電機負荷電流和溫升的顯示檢測及示警保護；液壓系統的油壓、油溫、泊位、污染及過濾裝置工況檢測及保護；高壓水和冷卻水系統的檢測與保護等。總之，控制技術發展日新月異，為實

19、現并下懸臂式掘進機自動控制、遙控開辟廣闊前景。(3) 發展掘進機組，實現巷道快速掘進80年代以來，綜采機械化裝備發展很快，單產效率迅速提高，美國、英國、德國等先進產煤國家，不斷涌現日產萬噸、2萬噸甚至3萬噸高產高效工作面15。要求采區巷道快速掘進，保持后退開采正常接續，目前懸臂式掘進機效率不能滿足快速掘進要求，必需研制一種新型高效快速掘進設備。用連續采煤機開掘煤巷，由于它具有橫向長滾筒、全寬巷道上下擺動割煤、裝運能力大、結構牢固、穩定性好等優點，生產能力比一般懸臂式掘進機要高。但由于沒有解決頂板支護機械化問題，仍需掘進幾米。停下來用其它方式支護頂板，因而并沒有真正“連續”。用連續采煤機開掘巷道

20、的作業方式15，其效率還不能滿足日產幾萬噸綜采工作面快速回采要求。原因就是不連續的間斷作業影響巷道掘進速度。多年來人們一直希望有一種真正連續掘進的機器，既能快速掘進割煤，又能同時支護頂板和側板，掘進與文護平行作業，一次成巷。于是出現了“掘錨機組”的新機型，作為與高產高效工作面的配套設備16，是一種理想作業方式，具有很好的發展前景，令人矚目。目前這種“掘進機組”已有幾個國家研制成功并投入使用，如美國的12CM30和12CM20B，奧地利的ABM20型，英國的KB型等。這些機器在一般中等地質條件下，沿煤層單巷掘進速度可達46m/h，每天掘進80120 m，真正實現了快速掘進。2 MATLAB優化設

21、計概述2.1 MATLAB軟件介紹MATLAB是一個包含眾多科學、工程計算的龐大系統，是目前世界上最流行的綜合高性能的數學計算工具軟件之一，已成為目前工程師、科研工作者和高校師生最易上手的編程語言、最廣泛掌握并進行高效研究與開發的首選軟件工具和環境。MATLAB是矩陣實驗室的簡稱，該軟件是由美國MathWorks公司出品的一款數學軟件，主要用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算等高級技術計算語言和交互式環境。MATLAB將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數值計算的眾多科學領

22、域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統非交互式程序設計語(如C、 Fortran)的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。MATLAB系統由MATLAB開發環境、MATLAB數學函數庫、MATLAB語言、MATLAB圖形處理系統和MATLAB應用程序接口(API)五大部分構成。其主要優勢和特點有以下幾方面：1)友好的工作平臺和編程環境；2)簡單易用的編程語言；3)強大的科學計算數據處理能力；4)出色的圖形處理能力；5)應用廣泛的模塊集合工具箱；6)實用的程序接口和發布平臺。一旦提到MATLAB的強大功能，就不得不提MATLAB所擁有的諸多面向不同領域的工具箱(MATLA

23、B Toolbox)，它包括：信號處理工具箱(Signal Processing Toolbox)、圖像處理工具箱(Image Processing Toolbox)、優化工具箱(Optimization Toolbox)、控制系統工具箱(Control System Toolbox)、非線性控制工具箱(Nonlinear Control Toolbox)等等。除了 MATLAB Toolbox之外，MATLAB還有其它幾個構成部分，如MATLAB Compiler. Simulink、 State flow. Real-time Workshop等。MATLAB提供了強大的優化工具箱(Opt

24、imization Toolbox)，可以求解許多工程實際問題。包括進行優化計算的大量函數和非常便于使用的GUI形式的優化工具。可分為兩類：通用型的功能型工具箱和專業型的領域型工具箱。功能型工具箱可以用于多學科，領域型工具箱只適用于其本專業，專業性很強。MATLAB優化工具箱可以很好的解決有約束條件下的非線性極小值(包括極大與極小值問題、目標逼近問題以及半無限極小值問題)、無約束條件下的非線性極小值、二次規劃、線性規劃曲線擬合、非線性最小二乘逼近、非線性系統方程(組)、約束條件下的線性最小二乘、復雜結構的大規模優化等方面的問題。MATLAB不僅對于傳統的優化算法能夠很好的實現，其中有的算法還提

25、供了不止一個函數來求解，而且將一些現代優化算法也引入到工具箱中，例如模擬退火算法、遺傳算法等，在全局優化及近似優化方面取得了良好的效果。本文主要采用MATLAB7.0來進行課題的研究工作，MATLAB7.0是MATLAB軟件從1984年推出至今的第14個版本，相對于其它版本有了較大的改進和增補，在原有的基礎上又增加了許多新的功能。首先，MATLAB7.0新的用戶界面和開發環境可以使用戶更加方便的控制多個文件及圖形窗口。用戶也可以根據自己的使用習慣來自己定義桌面環境及添加自定義的快捷鍵。另外，新的文件I/O和外部應用程序接口支持更大的文本文件的讀入，并且可以進行向Excel中的HDF5格式文件執

26、行寫入操作。支持壓縮格式的MAT文件，使用戶在保存大量數據的同時可以節省較大的磁盤空間，并且讀寫的速度更快。還有其它一些新的功能，如支持COM用戶接口、服務器事件和VB腳本，可以基于簡單對象的訪問協議來訪問網頁服務器，可以在不用重啟MATLAB7.0的前提下使用Java add path函數來添加、刪除或重載Java類等，這些人性化的設計為用戶使用提供了更加便捷的通道。3掘進機截割部減速器的優化3.1兩級行星齒輪減速器優化設計的數學模型3.1.1設計變量的選取優化設計中選取的設計變量越多，可選擇的方案也越多，得出的方案也會越優秀，但優化求解會更加復雜。所以，為了優化設計問題的簡化，首先應滿足設

27、計要求，然后優先考慮對目標函數有較大影響的合適變量作為設計變量，影響小的變量作為設計常量。根據兩級行星齒輪減速器的傳動原理，本文選擇的設計變量為：X=x1,x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8 ,x9, x10T= b1, b2, m1, m2, T式中：m1、m2兩級齒輪模數； 、太陽輪的齒數； 、行星輪的齒數； 、內齒圈齒數； b1、b2齒寬。3.1.2目標函數的建立在掘進機械中，由于掘進機有限的工作空間極其工作機構預留空間的限制，使得減速器的安裝空間變得有限。因此，有必要在滿足減速器載荷要求的前提下，對減速器進行優化研究，在滿足其各項機械性能的前提下，減小其體積。行星齒輪

28、減速器的體積直接關系到其是否結構緊湊、降低成本,本文以行星減速器系統體積最小(重量最輕)為目標，對行星齒輪減速器的主要參數進行優化設計。精確計算齒輪與減速器系統的體積比較困難，而行星減速器的體積或質量可由太陽輪和所有行星輪的體積或質量之和決定，為了簡化優化問題，一般選取太陽輪和所有行星輪的體積或質量來代表減速器系統的體積或質量，并以此為目標函數，目標函數中以分度圓直徑和齒寬近似計算太陽輪、行星輪的體積。影響行星傳動機構體積的因素主要：有太陽輪的體積，行星輪的體積和內齒圈的體積。因此該機構的總體積的數學表達式可以表示為：V= +式中：、分別為高速級傳動的太陽輪、行星輪、內齒圈的體積和行星輪的個數

29、，、為低速級傳動的太陽輪、行星輪、內齒圈的體積和行星輪的個數。而齒輪的體積主要由齒輪模數(m)，齒數(z)、齒輪厚度(b)決定，因此，該機構總體積的數學表達式為：V=由設計變量可得，該機構總體積的目標函數為：= 其中、是3和6的離散變量，所以作為常數輸入。參考文獻1 李亞強. 行星減速器虛擬裝配與動力學研究特性D. 武漢：武漢理工大學. 20052 王洪欣,李木,劉秉忠.機械設計工程學.徐州：中國礦業大學出版社.20043 于娜. 多級圓柱齒輪減速器參數化設計D. 大連：大連鐵道學院. 20034 聞森炎，張守柱.EBZ200型掘進機使用維護說明.上海：煤炭科學研究總院上海分院.20055沈鴻.機械工程手冊.北京：機械工業出版社.19956胡宗武.非標準機械設備設計手冊.北京：機械工業出版社.20027馮之敬.機械制造工程原理.北京：清華大學出版社.19988 吳相憲.實用機械設計手冊.徐州：中國礦業大學出版社.20019 饒振綱.行星齒輪傳動設計.北京：化學工業出版社.20031