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要全套設(shè)計(jì)請(qǐng)聯(lián)系QQ174320523 各專業(yè)都有目錄TOC\h\z\t"目錄1,1,目錄2,2,目錄3,3"1緒論 I軸:對(duì)于=2\*ROMANII軸:4.2行走箱傳動(dòng)齒輪嚙合參數(shù)及校核計(jì)算設(shè)計(jì)項(xiàng)目及說(shuō)明結(jié)果選擇齒輪材料,確定許用應(yīng)力查相關(guān)手冊(cè),選小齒輪18Cr2Ni4WA滲碳淬火大齒輪18Cr2Ni4WA滲碳淬火許用接觸應(yīng)力,查相關(guān)公式為接觸疲勞極限為:齒輪壽命接觸強(qiáng)度壽命系數(shù),應(yīng)力循環(huán)次數(shù)由公式查相關(guān)圖表,得和接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)則許用彎曲應(yīng)力由《齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表2-56彎曲疲勞極限應(yīng)力修正系數(shù)彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)相對(duì)齒根圓角表面狀況系數(shù)彎曲強(qiáng)度尺寸系數(shù)彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算確定齒輪傳動(dòng)精度等級(jí),按公式估取圓周速度,參照相關(guān)圖表,選取小輪分度圓直徑,由公式N/mm2N/mm2hN/mm2N/mm2N/mm2N/mm2N/mm2N/mm2N/mm2Ⅱ公差組8級(jí)齒寬系數(shù)查表,按齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱布置小齒輪(變位齒輪)齒數(shù)大齒輪(變位齒輪)齒數(shù)齒數(shù)比傳動(dòng)比誤差最小變位系數(shù),則變?yōu)橄禂?shù),小輪轉(zhuǎn)矩載荷系數(shù)——使用系數(shù)——————齒向載荷分布系數(shù)載荷系數(shù)合適Nmm材料彈性系數(shù)查表節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)查圖表重合度系數(shù)故×齒輪模數(shù)圓整小輪分度圓直徑圓周速度標(biāo)準(zhǔn)中心距齒寬mm大輪齒寬小輪齒寬(3)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核由公式齒形系數(shù)查表小輪mmmmmmm/s與估取相近mmmmmm大輪應(yīng)力修正系數(shù)查表小輪大輪重合度重合度系數(shù)故(4)齒輪安全系數(shù)(5)齒輪其它主要尺寸計(jì)算大輪分度圓直徑根圓直徑頂圓直徑基圓直徑(6)齒輪膠合承載能力計(jì)算1)膠合承載能力計(jì)算的安全系數(shù)最小安全系數(shù)群中等膠合危險(xiǎn)2)實(shí)驗(yàn)齒輪的本體溫度和積分平均溫升式中:——FZG膠合載荷級(jí)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)齒輪的小齒輪轉(zhuǎn)矩,——潤(rùn)滑油在40度時(shí)的名義運(yùn)動(dòng)粘度,——潤(rùn)滑劑系數(shù)所以N/mm2N/mm2齒根彎曲強(qiáng)度滿足滿足mmmmmmmmmm=1003)嚙入系數(shù)嚙入系數(shù)是考慮滑動(dòng)速度較大的從動(dòng)齒輪齒頂嚙入沖擊載荷的影響的系數(shù),可用嚙入重合度與嚙合重合度之比的函數(shù)來(lái)表示。驅(qū)動(dòng)方式為小齒輪驅(qū)動(dòng)大齒輪則,由《齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表2-108取得4)齒頂修正系數(shù)是一個(gè)相對(duì)的齒頂修緣系數(shù),它取決于相對(duì)于因彈性變形引起的有效齒頂修緣量的齒頂實(shí)際修緣量。值可根據(jù)齒頂重合度和中的最大值和計(jì)算用齒頂修緣量查取。對(duì)與低精度齒輪,規(guī)定等于1.5)重合度系數(shù)重合度系數(shù)是將假定載荷全部作用于小齒輪齒頂時(shí)的局部瞬時(shí)溫升折算成沿嚙合線的積分平均溫升的系數(shù)。由于,,6)相對(duì)焊合系數(shù)相對(duì)焊合系數(shù)是考慮熱處理或表面處理對(duì)膠合積分溫度影響的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性系數(shù)。它是一個(gè)相對(duì)值,由不同材料及表面處理的實(shí)驗(yàn)齒輪與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)齒輪進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)得出,其值可由下式計(jì)算,即式中由《齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè)》表2-111取得7)壓力角系數(shù)壓力角系數(shù)是用以考慮將分度圓上的載荷與切線速度轉(zhuǎn)換到節(jié)圓上系數(shù)。對(duì)于法向壓力角為20度的齒輪,作為近似考慮,其壓力角系數(shù)可近似取為8)熱閃系數(shù)熱閃系數(shù)是考慮材料特性和兩輪在嚙合點(diǎn)處沿齒廓切線方向速度的影響的系數(shù),反映小輪和大輪的材料特性對(duì)閃溫的影響。=式中:、——小輪、大輪材料的泊松比;、——小輪、大輪材料的彈性模量;——嚙合線上的參數(shù);、——小輪、大輪材料的熱嚙系數(shù);——任意角。當(dāng)大、小齒輪的彈性模量、泊松比、熱接觸系數(shù)相同時(shí),可用以下簡(jiǎn)化公式計(jì)算,即其中熱嚙系數(shù)對(duì)于表面硬化鋼,熱導(dǎo)率,單位的比熱容,彈性模量及泊松比,其熱閃系數(shù)可取為9)跑合系數(shù)式中,,充分跑合;,新加工的。10)平均摩擦系數(shù)式中:——節(jié)點(diǎn)線速度的和;——端面嚙合角;——油溫下的動(dòng)力黏度;——節(jié)點(diǎn)處曲率半徑,——齒數(shù)比;——壓力角;——基圓螺旋角;——單位齒輪載荷,——使用系數(shù);——?jiǎng)虞d系數(shù);——膠合承載能力計(jì)算的齒向載荷系數(shù),;——膠合承載能力計(jì)算的齒間載荷系數(shù),;——分度圓上名義切向載荷;——齒寬,取小輪或大輪的較小值;——粗糙度系數(shù),——算術(shù)平均粗糙度;、——小輪與大輪在加工過(guò)的新齒面上測(cè)量的齒面粗糙度值;——潤(rùn)滑劑系數(shù)。由以上各式得11)小輪齒頂?shù)拈W溫式中——平均摩擦因數(shù);——熱閃系數(shù);——小齒齒頂系數(shù);——壓力角系數(shù);——膠合承載能力計(jì)算的螺旋線系數(shù);——單位齒寬載荷;——分度圓線速度;——中心距;——跑合系數(shù);——嚙入系數(shù);——齒頂修緣系數(shù)。12)小輪齒頂幾何系數(shù)式中——小齒輪頂圓直徑;——小齒輪基圓直徑。13)本體溫度式中——工作溫度;——加權(quán)系數(shù),取——嚙合系數(shù);——同時(shí)嚙合的齒輪的數(shù)量;——潤(rùn)滑方式系數(shù),用來(lái)考慮潤(rùn)滑方式對(duì)傳熱的影響,有實(shí)驗(yàn)得出:噴油潤(rùn)滑油浴潤(rùn)滑對(duì)于將齒輪浸沒(méi)油中。——積分平均溫升,是指齒面各嚙合點(diǎn)時(shí)溫升沿嚙合線的積分平均值,——重合度系數(shù)所以14)積分溫度15)膠合溫度16)安全系數(shù)取滿足膠合承載能力要求4.3行走輪校核計(jì)算擺線齒介紹擺線齒輪的齒形是由外擺線和內(nèi)擺線組成的,齒頂部分為外擺線,齒根部分為內(nèi)擺線。外擺線是一滾動(dòng)圓沿固定圓的外圓周做純滾動(dòng)時(shí),滾動(dòng)圓上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,內(nèi)擺線是一滾動(dòng)圓沿固定圓的內(nèi)圓周做純滾動(dòng)時(shí),滾動(dòng)圓上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡(圖4-2)。內(nèi)擺線可以是曲線,也可以是直線。當(dāng)滾動(dòng)圓直徑等于固定圓半徑時(shí),內(nèi)擺線即成為一條徑向直線。在形成擺線過(guò)程中的滾動(dòng)圓稱為生成圓,固定圓稱為基圓?;鶊A既是擺線齒輪的分度圓,也是擺線齒輪的節(jié)圓。在擺線嚙合中,為了保證傳動(dòng)比恒定,一個(gè)齒輪的齒頂外擺線生成圓直徑必須等于另一個(gè)齒輪的齒根內(nèi)擺線生成圓直徑。但是,對(duì)單個(gè)齒輪來(lái)說(shuō),構(gòu)成其齒形的內(nèi)外擺線的生成圓直徑可以是任意的。擺線齒輪傳動(dòng)具有如下特點(diǎn):(1)能實(shí)現(xiàn)定傳動(dòng)比的傳動(dòng)。(2)嚙合齒廓為內(nèi)外擺線凸凹接觸,故接觸面積大,接觸應(yīng)力小。(3)齒面磨損小,磨損比較均勻。(4)嚙合線為一弧線,故嚙合線長(zhǎng),重合度大,傳動(dòng)平穩(wěn)。(5)在節(jié)點(diǎn)處嚙合時(shí),無(wú)徑向分壓力,故對(duì)軸承作用力小。圖4-2擺線滾動(dòng)圓運(yùn)動(dòng)軌跡(6)擺線齒輪的最少齒數(shù)小,可到6齒,可實(shí)現(xiàn)較大傳動(dòng)比。(7)擺線齒輪傳動(dòng)無(wú)可分性,即中心距不能改變,否則,將導(dǎo)致兩個(gè)內(nèi)擺線或兩個(gè)外擺線嚙合,結(jié)果會(huì)使傳動(dòng)比發(fā)生改變。(8)擺線齒輪的齒根強(qiáng)度較弱。(9)擺線齒輪的傳動(dòng)效率較高。輪齒受力分析圖4-3為直齒圓柱齒輪受力情況,轉(zhuǎn)矩T1由主動(dòng)齒輪傳給從動(dòng)齒輪。若忽略齒面間的摩擦力,輪齒間法向力Fn的方向始終沿嚙合線。圖4-3輪齒受力分析圖沿嚙合線作用在齒面上的法向載荷Fn垂直于齒面,為了計(jì)算方便,將法向載荷Fn在節(jié)點(diǎn)P處分解為兩個(gè)相互垂直的力,即一個(gè)行走輪的有效牽引力Ft和上抬力Fr,如上圖所示。并由此可得:式中:T——行走電機(jī)最終傳到行走輪上的轉(zhuǎn)矩,N·m;d——擺線行走輪的節(jié)圓直徑,m;α——嚙合角(壓力角)。行走輪和銷齒接觸應(yīng)力分析計(jì)算接觸問(wèn)題最先是由赫茲(Hertz)解決的,他得出了兩個(gè)接觸體之間由于法向力引起接觸表面的應(yīng)力和變形。常用的赫茲接觸應(yīng)力計(jì)算公式式中,、——材料的彈性模量;、——材料的泊松比;L——接觸長(zhǎng)度;、——曲率半徑;由赫茲(Hertz)公式化簡(jiǎn)可得齒輪接觸應(yīng)力計(jì)算公式:式中——沿齒寬單位長(zhǎng)度上的載荷,N/mm——兩嚙合齒在嚙合點(diǎn)處的綜合曲率半徑,mm——材料彈性影響系數(shù)由式可知,輪齒接觸應(yīng)力的大小與接觸點(diǎn)處齒廓曲率半徑的大小有關(guān),且與綜合曲率半徑成反比。擺線齒輪節(jié)圓以內(nèi)為內(nèi)擺線,節(jié)圓以外為外擺線,曲率半徑分別為:式中、——外、內(nèi)擺線的曲率半徑,mm、——外內(nèi)擺線的發(fā)生圓半徑,mm——擺線齒輪的分度圓半徑,mm、——外、內(nèi)擺線的發(fā)生參數(shù),rad擺線齒嚙合時(shí)一齒之齒根內(nèi)擺線發(fā)生圓半徑必與另一外擺線發(fā)生圓半徑相等或反之。由擺線齒輪齒廓曲線的生成可知,擺線發(fā)生參數(shù)在動(dòng)力傳動(dòng)用齒輪中不會(huì)大于,在整個(gè)嚙合區(qū)內(nèi),以節(jié)點(diǎn)嚙合時(shí)的綜合曲率半徑為最小,按Hertz公式,其接觸應(yīng)力最大,按理論應(yīng)由其決定擺線齒輪的接觸強(qiáng)度,但由于節(jié)點(diǎn)處的齒廓曲率半徑為零,已完全不符合Hertz公式的假設(shè)條件。綜合曲率半徑亦為零,Hertz公式不能給出確定的值。因此,擺線齒輪的接觸強(qiáng)度難以用Hertz公式求解。有限元分析計(jì)算行走輪和銷齒接觸應(yīng)力有限元法是解決非赫茲型接觸問(wèn)題的有效手段。比較而言,有限元法消除了模型中的一些條件限制,如對(duì)接觸形狀和尺寸等無(wú)原則性的限制等。另外,有限元法已發(fā)展成為一種成熟的解決工程問(wèn)題的數(shù)值方法。Pro/E中的Mechanica分析模塊是Pro/E最主要的分析模塊之一,是集靜態(tài)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)分析與一體的有限元模塊,能夠模擬真實(shí)環(huán)境為模型施加約束及載荷,測(cè)算模型的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等參數(shù),實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、翹曲、疲勞、頻率、振動(dòng)等多種分析。使用界面及操作風(fēng)格與其他常用模塊十分相近,對(duì)于Pro/E使用者來(lái)說(shuō)容易上手,另外Mechanica的集成工作模式能夠直接調(diào)用建模參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,這是其他分析軟件無(wú)法做到的。擺線齒輪由于轉(zhuǎn)動(dòng)嚙合的各個(gè)位置接觸應(yīng)力不同,且內(nèi)擺線和外擺線相連處奇點(diǎn)的接觸應(yīng)力從理論上講是最大的,所以取行走輪正好轉(zhuǎn)到其奇點(diǎn)與銷排銷齒嚙合時(shí)建立模型。(如圖4-4)圖4-4接觸模型Pro/E有限元分析的大體步驟如下:(1)建立模型;(2)劃分網(wǎng)格;(3)定義模型材料;(4)定義接觸面;(5)給定必須的邊界條件;(6)設(shè)定載荷;(7)建立分析/研究;(8)獲取結(jié)果下面分別比較詳細(xì)的說(shuō)明這些步驟。建好模型后,打開(kāi)應(yīng)用程序菜單中的Mechanica分析模塊,然后為模型劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分時(shí),除了兩個(gè)接觸面外,其它地方的網(wǎng)格在滿足網(wǎng)格劃分要求的前提下盡量劃分的少一點(diǎn),Pro/E可以自動(dòng)劃分網(wǎng)格,劃分后的網(wǎng)格圖如圖4-5所示。劃分好網(wǎng)格后,創(chuàng)建接觸對(duì):必須認(rèn)識(shí)到,模型在變形期間哪些地方可能發(fā)生接觸,識(shí)別出潛在的接觸面,通過(guò)目標(biāo)單元和接觸單元來(lái)定義它們。Pro/E可以通過(guò)連接功能自動(dòng)檢測(cè)接觸面。圖4-5網(wǎng)格模型劃分網(wǎng)格劃分AutoGEMSummaryEntitiesCreated:Beam:0Edge:345Tri:0Face:423Quad:0Face-FaceLink:0Tetra:168Edge-FaceLink:0Wedge:0Brick:0給定模型材質(zhì)后給模型施加約束和載荷,為了模擬實(shí)際工況,約束銷排銷齒各個(gè)方向的自由度,即固定銷排銷齒,行走輪在柱坐標(biāo)系下約束其徑向自由度和軸向自由度,不約束其周向自由度,即行走輪只能繞其中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)。載荷加在行走輪和銷齒接觸面相對(duì)的另一面的幾行節(jié)點(diǎn)的柱坐標(biāo)系的周向上。知道扭矩T和節(jié)圓半徑可以求得加在行走輪上的載荷為226682.5N,加好載荷及約束的模型如圖4-6所示。圖4-6加上約束和載荷的有限元模型圖4-7診斷對(duì)話框一切設(shè)置好以后打開(kāi)Mechanica分析研究對(duì)話框,建立靜態(tài)分析模型Analysis1,然后運(yùn)行分析模塊,運(yùn)行界面如圖Pro/E4.0增加了錯(cuò)誤診斷分析對(duì)話框,可以對(duì)分析過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤明確指出錯(cuò)誤原因,以便針對(duì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行修改,假如出錯(cuò)將得不到運(yùn)行結(jié)果。診斷對(duì)話框如圖4-7所示,由圖4-8可以知道沒(méi)有出現(xiàn)錯(cuò)誤,運(yùn)行過(guò)程一切正常,得到運(yùn)行結(jié)果。圖4-8運(yùn)行對(duì)話框觀察分析結(jié)果如下組圖所示圖4-9輪齒應(yīng)力云圖圖4-10輪齒應(yīng)變?cè)茍D圖4-11銷齒應(yīng)力云圖圖4-12銷齒應(yīng)變?cè)茍D分析計(jì)算結(jié)果整理如表4-1所示:表4-1行走輪銷齒接觸最大應(yīng)力/MPa1224最大變形/mm有限元法計(jì)算出的應(yīng)力為VonMises應(yīng)力,其定義為:式中:、、——分別為第一、二、三主應(yīng)力。其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度校核理論是第四強(qiáng)度理論,即:式中:——材料許用應(yīng)力;——材料的極限應(yīng)力;——安全系數(shù)。對(duì)18Cr2Ni4WA這種材料,=1270MPa,取安全系數(shù)為1.25時(shí),由上式可得其許用應(yīng)力為=1016MPa。接觸部位齒輪輪齒的應(yīng)力分布如圖4-13所示(圖中單位均為千克力和毫米,均為MISES應(yīng)力)。由應(yīng)力圖可見(jiàn),最大應(yīng)力位于靠近接觸位置的邊緣,達(dá)到1218MPa,實(shí)際中不可能存在這么大的應(yīng)力,它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般碳鋼的屈服極限,表明其已經(jīng)進(jìn)入塑性變形階段。除了接觸部位以外,大部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都比較小,即使在被認(rèn)為彎矩較大的輪齒根部,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限,處于彈性變形階段。因此可以判斷,接觸力對(duì)齒根的彎矩不是齒輪齒根斷裂的原因。而位于接觸位置的輪齒邊緣,由于高應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形,在反復(fù)接觸載荷作用下,必然會(huì)產(chǎn)生裂紋,并不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致輪齒斷裂。而要找到輪齒齒根發(fā)生斷裂其根本原因,則需要對(duì)齒軌接觸作進(jìn)一步的分析。圖4-13應(yīng)變圖綜合以上分析計(jì)算結(jié)果可得如下結(jié)論:(1)赫茲公式算法求出的接觸應(yīng)力不是很適合行走輪和銷齒這種接觸類型的計(jì)算。(2)最大應(yīng)力位于靠近接觸位置的邊緣,其數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)材料的屈服極限,已經(jīng)進(jìn)入塑性變形階段??梢灶A(yù)見(jiàn),在輪齒的邊緣將產(chǎn)生裂紋,并且不斷的擴(kuò)展,導(dǎo)致最終發(fā)生輪齒斷裂。(3)除了接觸區(qū)域外,大部分結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都比較小,輪齒根部的應(yīng)力也比較小,這表明接觸力對(duì)齒根的彎矩不是導(dǎo)致輪齒斷裂的直接原因。但在齒根產(chǎn)生裂紋后,可能會(huì)加速裂紋的擴(kuò)展。(4)采煤機(jī)行走輪所受的最大接觸應(yīng)力均已超過(guò)材料的許用應(yīng)力([σ]=1016MPa),這是在銷齒末修成鼓型且工況理想的情況下得出的數(shù)據(jù),但實(shí)際中的銷齒是修成鼓型的且理想工況較少,所以行走輪和銷齒所受的接觸應(yīng)力勢(shì)必要比上面求出的數(shù)據(jù)要大。而過(guò)大的接觸應(yīng)力肯定會(huì)引起材料的塑性變形及加劇行走輪和銷齒嚙合的磨損。(5)齒軌間接觸力中,縱向、橫向摩擦力相對(duì)較小,法向力在接觸力中起主導(dǎo)作用。由于齒軌間比較大的法向力作用,必然導(dǎo)致接觸表面的疲勞磨損。(6)行走輪由于接觸而引起的應(yīng)變都不是很大。

因此,為了最終解決齒軌疲勞及斷裂問(wèn)題,一方面應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)齒軌模型進(jìn)行彈塑性接觸計(jì)算,以得到更準(zhǔn)確的應(yīng)力分布,同時(shí)進(jìn)一步分析外載荷條件與接觸應(yīng)力變化關(guān)系。另一方面,根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)齒輪和銷軌的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以減小齒軌間的接觸應(yīng)力。4.4行走輪彎曲強(qiáng)度分析計(jì)算齒根彎曲強(qiáng)度有限元分析計(jì)算齒輪在受力時(shí),齒根所受的彎矩最大,因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。對(duì)于普通共軛傳動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)齒輪,當(dāng)齒輪在齒頂處嚙合時(shí),處于雙對(duì)齒嚙合區(qū),此時(shí)彎矩的力臂雖然最大,但力并不是最大,因此彎矩并不是最大。根據(jù)分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點(diǎn)位于單對(duì)齒嚙合區(qū)最高點(diǎn)時(shí)。但對(duì)于行走輪而言,它和銷齒處于單齒嚙合狀態(tài),再加上其制造精度相對(duì)較低及使用環(huán)境非常惡劣,實(shí)際上在齒頂處嚙合時(shí)是最不利的工況。鑒于此,通常按全部載荷作用于齒頂來(lái)計(jì)算齒根的彎曲強(qiáng)度。同時(shí),采用這種算法,輪齒的彎曲強(qiáng)度比較富裕,這也符合煤礦機(jī)械的設(shè)計(jì)校核要求。采煤機(jī)行走輪采用擺線,尺寸參數(shù)已在上面章節(jié)中算出。齒輪的材料采用18Cr2Ni4WA,其材料屬性為:彈性模量E≈2.02e11Pa,泊松比μ≈0.273。載荷分兩種情況加:第一種情況,將額定載荷加在行走輪齒頂圓的切線方向(如圖4-14),屬于純彎曲;第二種情況,將額定載荷加在行走輪相應(yīng)齒形齒廓的最高點(diǎn)壓力角方向上(如圖4-15),屬于既受彎矩又受壓力。圖4-14切線方向圖4-15壓力角方向建模時(shí)忽略了圓角等幾何要素,將行走輪處理成固支連續(xù)體:即將兩側(cè)和底面圓弧邊界上的所有節(jié)點(diǎn)施加固定約束。這樣的處理從整體看與主動(dòng)輪上裝一摩擦離合器,從動(dòng)輪上載荷超過(guò)某一極限值,離合器打滑時(shí)的情形相似,可以認(rèn)為是合理的。齒輪計(jì)算模型邊界范圍的劃分對(duì)有限元的計(jì)算結(jié)果毫無(wú)疑問(wèn)是有影響的。理想而又可靠的邊界范圍是包括一對(duì)齒輪在內(nèi)的全部齒輪體。考慮到各方面因素這樣做是不現(xiàn)實(shí)的,因此要進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。國(guó)外一些科研機(jī)構(gòu)已對(duì)此作了大量研究,在這些著述中,雖然他們大多數(shù)研究的出發(fā)點(diǎn)都是圣維南定理,結(jié)論卻有較大差異。對(duì)連續(xù)體推薦取式中m為齒輪模數(shù),如圖4-16所示。實(shí)踐證明,這樣的處理結(jié)果對(duì)一般參數(shù)的齒輪傳動(dòng)是合適的,對(duì)重載大模數(shù)齒輪傳動(dòng)卻不盡合理,因其齒數(shù)少,一般為8~13??紤]行走輪的實(shí)際結(jié)構(gòu)形式參照文獻(xiàn)【2.3】,模型的邊界范圍取為:式中如4-17圖。圖4-16邊界模型圖4-17實(shí)際模型二維圖Mechanica有限元法計(jì)算出的應(yīng)力為VonMises應(yīng)力,其定義為:式中:、、——分別為第一、二、三主應(yīng)力。其對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度校核理論是第四強(qiáng)度理論,即:式中:——材料許用應(yīng)力;——材料的極限應(yīng)力;——安全系數(shù)。對(duì)18Cr2Ni4WA這種材料,=1270MPa,取安全系數(shù)為1.25時(shí),由上式可得其許用應(yīng)力為=1016MPa。下圖為應(yīng)力、應(yīng)變、矢量位移圖。圖4-18切線方向應(yīng)力云圖圖4-19切線方向應(yīng)變?cè)茍D圖4-20壓力角方向應(yīng)力云圖圖4-21壓力角方向應(yīng)變?cè)茍D圖4-22切線方向矢量位移圖圖4-23壓力角方向矢量位移圖齒根圓弧邊緣受力圖表如下表4-2,4-3所示:圖表4-2切線方向圖表4-3壓力角方向經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算,結(jié)果總結(jié)如下表4-4所示:表4-4載荷方向齒根最大壓應(yīng)力(MPa)齒根最大拉應(yīng)力(MPa)齒頂最大位移(mm)切線方向壓力角方向行走輪彎曲應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析(1)由分析云圖可以看出,按兩種方向加額定載荷,齒根危險(xiǎn)截面位置幾乎不變,受壓區(qū)域的大應(yīng)力范圍大于受拉區(qū)域。(2)由分析計(jì)算結(jié)果可知,額定載荷下的應(yīng)力值都小于所用材料的許用應(yīng)力1016MPa,滿足靜強(qiáng)度要求。由于行走輪通常情況下轉(zhuǎn)速較低,所以沒(méi)有考慮其彎曲疲勞強(qiáng)度。(3)通過(guò)應(yīng)力分析圖表可以知道齒根圓弧受力最大的位置,根據(jù)此分析結(jié)果可以制定相應(yīng)的齒根滲炭、滲氮及噴丸處理的工藝參數(shù),可達(dá)到強(qiáng)化齒根的目的。4.5行走箱內(nèi)軸的設(shè)計(jì)花鍵軸的設(shè)計(jì)與校核(1)軸設(shè)計(jì)參數(shù)(2)初步估算軸的直徑,查表取A=98取155mm(3)花鍵設(shè)計(jì)計(jì)算花鍵材料軸材料選調(diào)質(zhì)處理,花鍵模數(shù)??;齒數(shù)取;漸開(kāi)線齒形,平根,壓力角為30度。分度圓直徑基圓直徑內(nèi)花鍵大徑基本尺寸:內(nèi)花鍵小徑基本尺寸:;外花鍵大徑基本值:;外花鍵小徑基本值:;花鍵強(qiáng)度驗(yàn)算:靜連接式中,——齒間載荷分配不均勻系數(shù),一般取0.7;——花鍵齒數(shù);——花鍵齒側(cè)面的工作高度,mm。對(duì)矩形花鍵,其中D和d分別為花鍵軸的外徑和內(nèi)徑,c為齒頂?shù)牡箞A半徑,對(duì)漸開(kāi)線花鍵h=m,其中m為模數(shù);——花鍵的平均直徑,mm。對(duì)矩形花鍵,對(duì)漸開(kāi)線花鍵,其中d為分度圓直徑;——齒的工作長(zhǎng)度,mm;許用擠壓應(yīng)力為120~220MPa不均勻系數(shù)強(qiáng)度合格。心軸的設(shè)計(jì)與校核(1)軸上所受力的計(jì)算行走輪有效牽引力和上抬力如圖4-24圖4-24輪齒受力圖式中:T——行走電機(jī)最終傳到行走輪上的轉(zhuǎn)矩,N·m;d——擺線行走輪的節(jié)圓直徑,m;α——嚙合角(壓力角)。(2)根據(jù)軸的機(jī)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖,根據(jù)軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖作出軸的彎矩圖和當(dāng)量彎矩圖,如圖4-25所示,由于軸上套有軸承軸上的扭矩忽略不計(jì)。圖4-25彎矩圖由計(jì)算得(3)按彎扭合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度空心軸式中:——軸的直徑,mm——軸在計(jì)算截面所受載荷,——空心軸內(nèi)徑與外徑之比,——許用應(yīng)力,固定心軸:載荷平穩(wěn)=;載荷變化=,轉(zhuǎn)動(dòng)心軸:=、、——軸的許用彎曲應(yīng)力,,按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查表6-1-1。軸的材料為,淬火滲碳。查相關(guān)資料得,則取,=180,所以取=110當(dāng)量彎矩該軸滿足強(qiáng)度要求(4)疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核式中:——材料的彎曲疲勞極限,——軸在計(jì)算截面上的彎矩,——軸在計(jì)算截面的抗彎模數(shù),?!趶?qiáng)度的許用安全系數(shù),見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-1-23,取——從標(biāo)準(zhǔn)試件的疲勞極限到零件的疲勞極限的換算系數(shù),軸上配合零件邊緣的值見(jiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表6-1-27——彎曲時(shí)平均應(yīng)力折合為應(yīng)力幅的等效系數(shù),其值如下:低碳鋼中碳鋼合金鋼所以(5)心軸的靜強(qiáng)度校核危險(xiǎn)截面的安全系數(shù)校核公式為:式中:、——軸計(jì)算截面上所受的最大彎矩和扭矩,、——軸計(jì)算截面的抗彎和抗扭截面模數(shù),——材料的屈服極限,——靜強(qiáng)度的許用安全系數(shù),其值如下,如果軸的損壞會(huì)引起嚴(yán)重事故,值應(yīng)適當(dāng)加大,從表4-5取=2.0。表4-55~~~~~鑄造軸~

如最大載荷只能近似求得及應(yīng)力無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算時(shí),上述之值應(yīng)增大20~50%。如果校核計(jì)算結(jié)果表明安全系數(shù)太低,可通過(guò)增大軸徑尺寸及改用較好的材料等措施,以提高軸的靜強(qiáng)度安全系數(shù)。滿足要求4.6行走箱各軸承的設(shè)計(jì)校核計(jì)算滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)校核概述滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)器中廣泛應(yīng)用的部件之一,常用的滾動(dòng)軸承大多已經(jīng)標(biāo)注化,并由專業(yè)工廠大量制造。設(shè)計(jì)中主要解決軸承的正確選用問(wèn)題。按軸承所能承受的外載荷不同,滾動(dòng)軸承可以分為向心軸承、推力軸承和向心推力軸承三大類。按滾動(dòng)體的形狀,滾動(dòng)軸承可分為球軸承和滾子軸承。按自動(dòng)調(diào)心性能,軸承可分為調(diào)心軸承和非調(diào)心軸承。設(shè)計(jì)滾動(dòng)軸承部件時(shí),首先是選擇滾動(dòng)軸承的類型,應(yīng)考慮軸承的工作條件。各類軸承的特點(diǎn)、價(jià)格等因素。一般選擇滾動(dòng)軸承類型時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題主要有:軸承所受的載荷(1)載荷的大小載荷較輕或中等載荷時(shí),可選用球軸承;載荷較大時(shí)選用滾子軸承。(2)載荷的方向當(dāng)徑向載荷與軸向載荷聯(lián)合作用時(shí),也可選用向心軸承和推力軸承聯(lián)合使用,以分別承受徑向載荷和軸向載荷。(3)載荷的性質(zhì)承受徑向載荷沖擊時(shí),宜選用螺旋滾子軸承或圓錐滾子軸承。2)載荷的轉(zhuǎn)速通常,轉(zhuǎn)速較高,載荷較小或要求旋轉(zhuǎn)精度較大時(shí),宜選用球軸承;轉(zhuǎn)速較低,載荷較大或有沖擊載荷時(shí)宜選用滾子軸承。推力軸承的極限轉(zhuǎn)速很低。工作轉(zhuǎn)速較高時(shí),若軸向負(fù)荷不十分大,可采用角接觸球軸承承受軸向負(fù)荷。3)調(diào)心性能的要求當(dāng)軸承的內(nèi)外圈軸線有較大的相對(duì)轉(zhuǎn)角時(shí),應(yīng)采用調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承。4)安裝和拆卸當(dāng)軸承座沒(méi)有剖分面而必須沿軸向安裝和拆卸軸承部件是,應(yīng)優(yōu)先選用內(nèi)外圈可分離的軸承(如圓柱滾子)、滾針軸承、圓錐滾子軸承)。當(dāng)軸承在長(zhǎng)軸上安裝時(shí),為了便于裝拆,可以選用其內(nèi)圈孔為1:12的圓錐孔的軸承。5)經(jīng)濟(jì)性的要求一般來(lái)說(shuō),深溝球軸承價(jià)格最低,滾子軸承比球軸承價(jià)格高。軸承精度越高,則價(jià)格越高。選擇軸承時(shí),必須詳細(xì)了解各類軸承的價(jià)格,在滿足使用要求的前提下,盡可能地降低成本。滾動(dòng)軸承的常見(jiàn)失效形式主要有以下幾種:1)疲勞點(diǎn)蝕在正常使用條件下,滾動(dòng)體與套圈在相互接觸的表層內(nèi)產(chǎn)生脈動(dòng)循環(huán)接觸應(yīng)力,經(jīng)過(guò)一定的次數(shù)循環(huán)后,此應(yīng)力就導(dǎo)致零件前表層形成圍觀裂縫,圍觀裂紋被滲入其中的潤(rùn)滑油擠裂而引起點(diǎn)蝕,這是滾動(dòng)軸承常見(jiàn)的失效形式。2)塑性變形在過(guò)大的靜負(fù)荷或沖擊負(fù)荷作用下,滾動(dòng)體或套圈滾道上出現(xiàn)不均勻的塑性變形凹坑,這種情況多發(fā)生在轉(zhuǎn)速極低或擺動(dòng)的軸承。3)磨損滾動(dòng)軸承在密封件不可靠以及多塵的運(yùn)轉(zhuǎn)條件下工作時(shí),易發(fā)生磨粒磨損。轉(zhuǎn)速越高磨損越嚴(yán)重。4)裂紋和斷裂由于材料缺陷和熱處理不當(dāng),配合過(guò)盈量大或軸承組合設(shè)計(jì)不當(dāng)而引起應(yīng)力集中,及不正常的安裝、拆卸操作等,會(huì)使座圈或保持架出現(xiàn)裂紋甚至斷裂。對(duì)于中速運(yùn)轉(zhuǎn)的軸承,其主要的失效形式是疲勞點(diǎn)蝕,應(yīng)按疲勞壽命進(jìn)行校核計(jì)算。對(duì)于高速軸承,由于發(fā)熱大,常產(chǎn)生過(guò)度磨損和燒傷,為避免軸承產(chǎn)生失效,除保證軸承疲勞壽命之外,還應(yīng)限制其轉(zhuǎn)速不超過(guò)極限值。對(duì)于不轉(zhuǎn)動(dòng)或轉(zhuǎn)速極低的軸承,其主要的失效形式是產(chǎn)生過(guò)大的塑性變形,應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度的校核計(jì)算。采煤機(jī)屬于24小時(shí)連續(xù)工作的礦山機(jī)械,所以選用圓柱滾子軸承壽命一般為5000h左右?;ㄦI軸上軸承校核1)計(jì)算花鍵軸上軸承所承受的力軸向載荷徑向載荷(1)水平支反力N,N(2)垂直支反力N,N(3)合成支反力合力為NN2)計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷軸承1型號(hào)為圓柱滾子軸承42136,其額定動(dòng)載荷為N,額定靜載荷N軸承工作時(shí)有中等沖擊,載荷系數(shù)取故當(dāng)量動(dòng)載荷N軸承2型號(hào)為圓柱滾子軸承42136,其額定載荷為,軸承工作時(shí)有中等沖擊,載荷系數(shù)取故當(dāng)量動(dòng)載荷N3)計(jì)算軸承壽命軸承壽命為工作時(shí),軸承的溫度不高,溫度系數(shù)壽命系數(shù),滾子軸承故所以軸承合格心軸軸承校核軸向載荷徑向載荷(1)水平支反力N,N(2)垂直支反力N,N(3)合成支反力合力為NN由于每處放相同的兩個(gè)軸承則NN2)計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷軸承3型號(hào)為無(wú)內(nèi)圈圓柱滾子軸承292318E,其額定動(dòng)載荷為N,額定靜載荷N軸承工作時(shí)有中等沖擊,載荷系數(shù)取故當(dāng)量動(dòng)載荷N軸承4型號(hào)為無(wú)內(nèi)圈圓柱滾子軸承292318E,其額定動(dòng)載荷為N,額定靜載荷N軸承工作時(shí)有中等沖擊,載荷系數(shù)取故當(dāng)量動(dòng)載荷N3)計(jì)算軸承壽命軸承壽命為工作時(shí),軸承的溫度不高,溫度系數(shù)壽命系數(shù),滾子軸承故所以軸承合格4.7提高采煤機(jī)軸承使用壽命的措施軸承是采煤機(jī)重要的基礎(chǔ)元部件,其作用是支承傳動(dòng)軸和軸上零件,使軸保持在確定的工作位置,保證軸的旋轉(zhuǎn)精度并減小軸與軸承之間的摩擦及磨損。軸承的可靠性和使用壽命對(duì)采煤機(jī)正常工作影響很大。近年來(lái),采煤機(jī)使用中,由于軸承失效引起的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)故障增多,甚至由于軸承的早期損壞造成減速箱內(nèi)齒輪打牙,軸卡死,迫使采煤機(jī)解體上井檢修,給生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p失。因此,如何提高軸承的使用壽命已成為采煤機(jī)工作可靠性和實(shí)現(xiàn)綜采工作面高產(chǎn)、高效急需解決的一個(gè)問(wèn)題。提高采煤機(jī)軸承使用壽命的若干措施如下:(1)改進(jìn)軸提高計(jì)壽命采煤機(jī)軸承的一般設(shè)計(jì)壽命都低于5000h(齒輪設(shè)計(jì)壽命),有的只有1000~2000h,而國(guó)外則高達(dá)10000~20000h,可見(jiàn)差距之大。在采煤機(jī)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)重要軸承可用進(jìn)口產(chǎn)品,一般應(yīng)優(yōu)先采用改進(jìn)后的加強(qiáng)型的軸承。如,圓柱滾子軸承,用E型比原先增大滾子直徑、長(zhǎng)度和數(shù)量以及采用對(duì)數(shù)母線變曲率凸度滾子,實(shí)現(xiàn)沿滾子軸向接觸應(yīng)力合理分布。這些措施使軸承額定動(dòng)負(fù)荷比舊軸承平均提高40%~50%,軸承計(jì)算壽命相應(yīng)提高2.1~2.9倍(如4261oE比42610額定動(dòng)負(fù)荷約提高37%,計(jì)算壽命提高1.8倍)。又如,調(diào)心滾子軸承用對(duì)稱型取代非對(duì)稱型,改內(nèi)圈中擋邊為活動(dòng),從而改善滾子引導(dǎo)和應(yīng)力分布及滾子與內(nèi)外滾道的吻合率,使額定動(dòng)負(fù)荷能力平均提高25%-~2.1倍(如55610比361。額定動(dòng)負(fù)荷約提高30%,計(jì)算壽命提高1.4倍)。(2)搖臂支承采用專用的滑動(dòng)軸承采煤機(jī)調(diào)高時(shí),搖臂回轉(zhuǎn)速度很慢,但要承受很大徑向和軸向沖擊載荷。一般采煤機(jī)多用調(diào)心滾子軸承和短圓柱滾子軸承,使用中發(fā)現(xiàn)軸承早期損壞,造成機(jī)殼變形,滾子散落進(jìn)入機(jī)殼,將齒輪擠壞。目前解決辦法是采用向心關(guān)節(jié)球軸承和三層復(fù)合材料制成的滑動(dòng)軸承。(3)研制礦用重載軸承軸承用高碳鉻錳軸承鋼材料,經(jīng)整體淬火處理,表面硬度高,,要求HRC60~64。但對(duì)缺口敏感,在應(yīng)力集中處受沖擊載荷易發(fā)生疲勞裂紋。如用低碳合金鋼(如,17CrNIMo6,20CrZNi4A,等)滲碳、悴火,表面硬度也可達(dá)HRC58~62,心部硬度約達(dá)HRC46左右。這種軸承既能耐磨損,有足夠的表面強(qiáng)度;又有高的心部強(qiáng)度、韌性。因而,能抗沖擊,適用于制造大型滾子軸承。對(duì)于采煤機(jī)滾筒軸和搖臂軸軸承采用這種新材料、新工藝可大大提高其抗沖擊性能,從而延長(zhǎng)了使用壽命。為了進(jìn)一步提高現(xiàn)有軸承的承截能力,可用真空脫氣鋼和電渣重熔鋼取代常用的電爐軸承鋼,使鋼材中偏析、夾渣、硫化物及氫、氧含量減小,組織和硬度均勻,改善了塑性、韌性,從而提高了疲勞強(qiáng)度(見(jiàn)表4-6)。表4-6材質(zhì)動(dòng)負(fù)荷能力提高率(%)調(diào)心滾子軸承圓柱滾子軸承圓錐滾子軸承真空脫氣鋼151010電渣重熔鋼20-506020-50(4)改進(jìn)軸承的潤(rùn)滑和密封軸承工作時(shí),滾動(dòng)體與滾道,保持架和內(nèi)外圈及滾動(dòng)體都有摩擦,潤(rùn)滑劑可減小磨損,特別在滾動(dòng)體和滾道之間形成油膜,可減小接觸應(yīng)力,降低溫度,從而延長(zhǎng)軸承壽命。采煤機(jī)軸承潤(rùn)滑用油,一般為N220,N32。極壓工業(yè)齒輪油,多采用油池飛濺或飛濺加循環(huán)聯(lián)合潤(rùn)滑方式。主要存在問(wèn)題是密封不可靠,造成油大量泄漏,外部煤粉、灰塵不斷浸入,軸承磨損加劇,軸承潤(rùn)滑不良,甚至缺油使表面過(guò)熱燒傷。目前解決采煤機(jī)主要部位密封的措施有:1)高速軸油封通過(guò)改進(jìn)密封材料、結(jié)構(gòu),以提高其使用壽命;2)搖臂回轉(zhuǎn)軸承用油脂(2*銼基脂)潤(rùn)滑并用油封把它與固定箱油池隔開(kāi);3)對(duì)低速軸(如,滾筒軸、行走輪軸,等)采用端面浮動(dòng)油封。通過(guò)0形圈彈性變形產(chǎn)生端面比壓,使二浮動(dòng)環(huán)靠緊并傳遞扭矩,補(bǔ)償磨損。該油封對(duì)振動(dòng)、沖擊及軸向徑向偏斜不敏感,特別適用于低速(2m/s以下)、有煤粉泥漿條件下的軸承密封。(5)嚴(yán)格訂貨驗(yàn)收、確保軸承制造質(zhì)量軸承本身的質(zhì)量是影響其安裝性能和使用壽命的重要因素。如,有的軸承內(nèi)外徑尺寸超差不能與軸和殼孔正確的配合,有的軸承游隙過(guò)大,安裝后徑向、軸向竄動(dòng)量大。也還發(fā)現(xiàn)軸承材料有偏析、夾渣,硬度低,組織不合格,有微裂紋等缺陷,造成軸承過(guò)早損壞。當(dāng)前國(guó)內(nèi)軸承廠家繁多,質(zhì)量相差大而且不穩(wěn)定。因此,在訂貨時(shí)要選好廠家,通過(guò)嚴(yán)格驗(yàn)收并進(jìn)行質(zhì)量跟蹤和檢測(cè),以保證軸承的質(zhì)量要求。(6)提高軸承組件的制造和安裝質(zhì)量既使軸承本身精度高,質(zhì)量?jī)?yōu),但由于其組件的制造和安裝誤差及間隙調(diào)整不當(dāng),仍會(huì)使軸運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn),產(chǎn)生附加載荷,影響軸承的正常使用。1)安裝軸承的軸和殼孔直徑超差,改變了軸承正確的配合要求。過(guò)盈量大,使徑向間隙變小,內(nèi)圈產(chǎn)生拉一應(yīng)力。負(fù)過(guò)盈(間隙),使徑向游隙變大,組件剛性降低并引起套圈滑動(dòng)。2)殼體孔橢圓形或錐形誤差,使套圈滾道變形。當(dāng)滾動(dòng)體通過(guò)時(shí),滾道小直徑區(qū)內(nèi)經(jīng)受壓力顯著增大。因而引起這一區(qū)域內(nèi)滾道表面過(guò)早磨損和疲勞破壞?!?度)。對(duì)圈柱滾子軸承,滾子軸承容許偏角小(2′~4′),對(duì)軸和殼孔同軸度要求高。4)軸承安裝中,必須調(diào)整軸向間隙達(dá)到設(shè)計(jì)要求。特別對(duì)圓柱滾子軸承,如軸向間隙小,內(nèi)圈移動(dòng)受阻,當(dāng)受到?jīng)_擊載荷時(shí)易發(fā)生擋邊撞裂。在潤(rùn)滑不充分時(shí),也會(huì)導(dǎo)致軸承燒傷。采煤機(jī)各傳動(dòng)箱裝后都要進(jìn)行空車跑合和加載試運(yùn)轉(zhuǎn),檢查溫升、運(yùn)轉(zhuǎn)噪音及空載功率,以考核齒輪和軸承安裝質(zhì)量。(7)加強(qiáng)軸承使用中的維護(hù)和保養(yǎng)良好的維護(hù)和保養(yǎng),可使軸承處于最佳工作狀況,有利軸承壽命的提高。采煤機(jī)用軸承在安裝前的儲(chǔ)運(yùn)中要保持完好的包裝,不受碰撞并防止浸水而生銹。在使用中,要特別注意潤(rùn)滑油量和油質(zhì)。具體要求做到:1)要經(jīng)常檢查油位,加足油;2)要避免不同型號(hào)油混用;3)掃蓋和加油時(shí),要防止煤塵,水等雜質(zhì)進(jìn)入,以防油質(zhì)破壞,加劇摩擦面的磨粒磨損和銹蝕。如發(fā)現(xiàn)油臟,應(yīng)及時(shí)放油并進(jìn)行清洗再加新油。在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間,出現(xiàn)異常噪音、振動(dòng),這往往是由于螺栓(母)松動(dòng)或軸承本身磨損引起軸承間隙加大,而使軸和齒輪發(fā)生軸向竄動(dòng)或撞擊,要及時(shí)扭緊螺栓(母)和重新調(diào)整間隙。使用軸承故障檢查儀,可測(cè)出撞擊大小程度、磨損和潤(rùn)滑狀況,加強(qiáng)對(duì)軸承工作的監(jiān)視,有助于及時(shí)并準(zhǔn)確判斷和處理故障。4.8螺栓的校核計(jì)算行走輪上螺栓的校核計(jì)算受旋轉(zhuǎn)力矩T作用的螺栓組聯(lián)接:其中,,得螺栓受剪切應(yīng)力和擠壓應(yīng)力作用,聯(lián)接的主要失效形式為螺栓桿和孔壁間壓潰或螺栓桿被剪斷。其強(qiáng)度條件為:式中,——螺栓所受的工作剪力,N;——螺栓抗剪面直徑,mm;——螺栓抗剪面數(shù)目;——螺栓桿與孔壁接觸受壓的最小軸向長(zhǎng)度,mm;——螺栓材料的許用剪切應(yīng)力,;——螺栓材料和被聯(lián)接件中弱者的許用擠壓應(yīng)力,。式中,、——螺栓許用安全系數(shù)。取,滿足要求4.9導(dǎo)向滑靴的受力分析導(dǎo)向滑靴的材料為ZG25CrMnSiMo,在相應(yīng)的熱處理工藝下其σb=1175MPa,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求取安全系數(shù)為2,所以[σ]=587.5MPa。假設(shè)采煤機(jī)勻速前進(jìn),采煤傾斜角度為零度,受力平均分配在在四個(gè)滑靴上,行走齒輪上受的力和滑靴上的看作一個(gè)整體。導(dǎo)向滑靴的簡(jiǎn)圖如下圖4-26所示,A、B、C、D四個(gè)面為滑靴在運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力面,其中A面為內(nèi)側(cè)下表面、B面為內(nèi)側(cè)左表面、C面為內(nèi)側(cè)上表面、D面為內(nèi)側(cè)右表面。圖4-26導(dǎo)向滑靴簡(jiǎn)體導(dǎo)向滑靴四個(gè)面中在使用狀態(tài)下只能是兩個(gè)面在受力:(1)當(dāng)左導(dǎo)向滑靴的Y值為負(fù)、Z為正時(shí),表明下表面A面受向下的壓力和向后的摩擦力,同時(shí)右表面D面受向右的壓力和向后的摩擦力,即A面和D面同時(shí)受力;對(duì)應(yīng)的右導(dǎo)向滑靴的Y值為正、Z值為負(fù),表明上表面C面受向上的支持力和向后的摩擦力,同時(shí)左表面B面受向左的壓力和向后的摩擦力,即C面和B面同時(shí)受力。對(duì)整個(gè)采煤機(jī)來(lái)講,從采空側(cè)來(lái)看,此種狀態(tài)下采煤機(jī)前端被抬起、后端被壓下去,前端被推向煤壁側(cè)、后端被推向采空側(cè);(2)而當(dāng)左導(dǎo)向滑靴的Y值為正、Z為正時(shí),表明上表面C面受向上的支持力和向后的摩擦力,同時(shí)右表面D面受向右的壓力和向后的摩擦力,即C面和D面同時(shí)受力;對(duì)應(yīng)的右導(dǎo)向滑靴的Y值為負(fù)、Z值為負(fù),表明下表面A面受向下的壓力和向后的摩擦力,同時(shí)左表面B面受向左的壓力和向后的摩擦力,即C面和B面同時(shí)受力。對(duì)整個(gè)采煤機(jī)來(lái)講,從采空側(cè)來(lái)看,此種狀態(tài)下采煤機(jī)前端被壓下去、后端被抬起,前端被推向煤壁側(cè)、后端被推向采空側(cè);(3)當(dāng)左導(dǎo)向滑靴的Y值為正、Z為負(fù)時(shí),表明上表面C面受向上的支持力和向后的摩擦力,同時(shí)左表面B面受向左的壓力和向后的摩擦力,即C面和B面同時(shí)受力;對(duì)應(yīng)的右導(dǎo)向滑靴的Y值為負(fù)、Z值為正,表明下表面A面受向下的壓力和向后的摩擦力,同時(shí)右表面D面受向右的壓力和向后的摩擦力,即A面和D面同時(shí)受力。對(duì)整個(gè)采煤機(jī)來(lái)講,從采空側(cè)來(lái)看,此種狀態(tài)下采煤機(jī)前端被壓下去、后端被抬起,前端被推向采空側(cè)、后端被推向煤壁側(cè)。已知采煤機(jī)整機(jī)總重和牽引力大小,可以利用pro/e中的有限元分析建立受力分析模型,模型分析步驟為:(1)建立模型;(2)劃分網(wǎng)格;(3)定義模型材料;(4)定義接觸面;(5)給定必須的邊界條件;(6)設(shè)定載荷;(7)建立分析/研究;(8)獲取結(jié)果劃分好網(wǎng)格以后,將導(dǎo)向滑靴上面銷軸孔的圓柱面完全固定(約束),再將計(jì)算所得載荷假設(shè)均布的加在導(dǎo)向滑靴的相應(yīng)內(nèi)側(cè)面上(假設(shè)摩擦力均布于受力的兩個(gè)面上)。進(jìn)行靜力分析計(jì)算,得應(yīng)力應(yīng)變圖如圖4-27,4-28:圖4-27導(dǎo)向滑靴應(yīng)力圖圖4-28導(dǎo)向滑靴應(yīng)變圖選擇導(dǎo)向滑靴銷軸孔的內(nèi)圓柱面進(jìn)行Graph分析,分析所得的應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果如圖表4-7,4-8:圖表4-7軸孔應(yīng)力分析圖表圖表4-8軸孔應(yīng)變分析圖表綜上分析可知,導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力為152.2Mpa,最大應(yīng)變位移為0.1493mm。導(dǎo)向滑靴的材料為ZG25CrMnSiMo,在相應(yīng)的熱處理工藝下其σb=1175MPa,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求取安全系數(shù)為2,[σ]=587.5MPa。所以滿足設(shè)計(jì)要求。4.10大功率采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的加工隨著大功率現(xiàn)代化采煤機(jī)的研制開(kāi)發(fā),行走部起導(dǎo)向及支撐作用的導(dǎo)向滑靴的尺寸逐漸加大,給導(dǎo)向滑靴的加工增加了困難。導(dǎo)向滑靴是采煤機(jī)的易損件,它的加工質(zhì)量的好壞直接影響了導(dǎo)向滑靴的使用壽命,影響井下生產(chǎn)的順利進(jìn)行。(1)導(dǎo)向滑靴的加工方法采煤機(jī)行走部的導(dǎo)向滑靴主要有整體式及分體式兩種,下面以本設(shè)計(jì)的電牽引采煤機(jī)的導(dǎo)向滑靴加工為例,介紹了大功率采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴應(yīng)用反變形法的加工方法,零件圖見(jiàn)下圖4-29:圖4-29導(dǎo)向滑靴零件圖(2)導(dǎo)向滑靴的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝性分析導(dǎo)向滑靴的材料是ZG35CrMnsi,熱處理要求為整體淬火,安裝行走輪組件的孔徑尺寸較大,兩行孔中間空檔距離大,尺寸為200。針對(duì)該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行工藝性分析:該零件的行孔及空檔在一次裝夾中加工完,其它加工面加工完后采用整體淬火,該導(dǎo)向滑靴的材料是鑄造合金鋼,這種材料的整體淬透性好,淬火即使采用變形小的油浴冷卻的情況下,淬火后的變形仍然很大,變形后的孔徑超差,兩行孔中間空檔距離不是變大就是變小,不能保證零件的加工精度。在現(xiàn)有的加工設(shè)備能力范圍內(nèi),經(jīng)過(guò)熱處理車間對(duì)該件進(jìn)行試驗(yàn)跟蹤,測(cè)定熱處理變形大小,根據(jù)熱處理變形量來(lái)確定孔徑加工的尺寸公差、空檔尺寸的公差,同時(shí)整體淬火之前焊兩根足夠強(qiáng)度的工藝筋,保證熱處理后的空檔尺寸,熱處理后再銑掉工藝筋。經(jīng)過(guò)對(duì)多批次零件的跟蹤、檢測(cè)、反復(fù)摸索熱處理變形規(guī)律,最終確定了加工方案,這種加工工藝方法是:①軸孔采用幢削加工方法,將尺寸公差由圖紙要求的0~~0.07mm范圍內(nèi)。②兩行孔中間空檔尺寸200的公差值由0-~0.1mm。(3)導(dǎo)向滑靴的加工工藝過(guò)程l)該零件材料是ZG35CrMnsi,采用鑄造方法,鑄后退火,消除鑄造應(yīng)力。2)照顧各加工面余量均勻,劃右側(cè)大平面線。3)按線找正,刨好右側(cè)大干面作為基準(zhǔn)。4)照顧各加工面余量均勻,劃左側(cè)面線及導(dǎo)向滑靴導(dǎo)向槽尺寸線。5)座右側(cè)太平面,按線找正,刨好左側(cè)面及導(dǎo)向槽。6)劃行孔線?!M好,空檔尺寸200mm按公差0~鏜好。8)領(lǐng)工藝筋,焊兩根工藝筋。9)熱處理淬火HRC>25。10)銑掉兩根工藝筋。11)涂防銹漆。4.11可調(diào)行走箱的概述圖4-30行走箱如圖4-30所示,行走箱包括殼體、軸承座、導(dǎo)向滑靴、花鍵軸、驅(qū)動(dòng)輪、齒軌輪組等,左右行走箱通用。此行走箱可調(diào),虛線部分為行走箱旋轉(zhuǎn)調(diào)整后的位置,可以達(dá)到調(diào)整機(jī)高度的作用。圖4-31和圖4-32分別為行走箱的三維裝配圖和透視圖。由于采用齒輪銷軌式無(wú)鏈牽引,故牽引力、制動(dòng)力較大,導(dǎo)向較可靠。圖4-31行走箱裝配圖圖4-32行走箱透視圖齒輪軌與導(dǎo)向滑靴同軸,且可以周向竄動(dòng),因此,采煤機(jī)對(duì)工作面底板起伏和輸送機(jī)彎曲的適應(yīng)性較好(輸送機(jī)可以垂直彎曲,水平彎曲),齒輪銷軌式無(wú)鏈牽引是目前國(guó)內(nèi)外使用較多的無(wú)鏈牽引形式之一。殼體是整體結(jié)構(gòu),剛性比較大。揭開(kāi)端蓋,可以裝拆連接驅(qū)動(dòng)輪和行星架的花鍵軸,這種結(jié)構(gòu)使?fàn)恳臋C(jī)械傳動(dòng)鍵具有離合功能,給安裝機(jī)器和處理事故帶來(lái)方便。拆掉軸承座,可以更換驅(qū)動(dòng)輪。抽掉軸,可以更換導(dǎo)向滑靴或齒軌輪組件。5采煤機(jī)的維護(hù)采煤機(jī)的正確維護(hù)與檢修,對(duì)提高機(jī)器工作可靠性和延長(zhǎng)使用壽命是非常重要的,檢修一般分日檢、周檢、季檢和大修。建立行之有效的規(guī)章制度制定日常維修計(jì)劃。填寫檢查修理記錄單。落實(shí)崗位責(zé)任制、質(zhì)量驗(yàn)收制、交接班制、以及制定檢修規(guī)程和操作規(guī)程等。采煤機(jī)在井下進(jìn)行維護(hù)和檢修時(shí),維修人員必須嚴(yán)格遵守井下安全操作規(guī)程。1、在維修現(xiàn)場(chǎng)必須做好有效支護(hù),保證維修人員安全。2、必須斷電并掛警示牌,并設(shè)有專人看管。3、鎖住運(yùn)輸機(jī)閉鎖旋鈕。4、禁止帶電開(kāi)啟所有防爆電氣設(shè)備蓋板。采煤機(jī)在井下進(jìn)行維護(hù)和檢修時(shí),維修人員必須嚴(yán)格遵守井下安全操作規(guī)程。1、在維修現(xiàn)場(chǎng)必須做好有效支護(hù),保證維修人員安全。2、必須斷電并掛警示牌,并設(shè)有專人看管。3、鎖住運(yùn)輸機(jī)閉鎖旋鈕。4、禁止帶電開(kāi)啟所有防爆電氣設(shè)備蓋板。日檢檢查所有聯(lián)接緊固件是否完整、緊固齊全,發(fā)現(xiàn)松動(dòng)要及時(shí)緊固。電纜、水管、油管有無(wú)擠壓和破損。各操作手把、按鈕動(dòng)作是否靈活可靠和準(zhǔn)確。各部油位是否符合要求,各潤(rùn)滑點(diǎn)應(yīng)按時(shí)注油。噴嘴有無(wú)堵塞或損壞,水過(guò)濾器是否堵塞,水量和壓力是否符合要求。截齒、齒座有無(wú)損壞和丟失,若有應(yīng)及時(shí)更換和補(bǔ)齊。導(dǎo)向滑靴磨損情況,如行走輪與銷軌的嚙合不正常,應(yīng)更換導(dǎo)向滑靴。各儀表是否完好并工作正常。各部運(yùn)轉(zhuǎn)有無(wú)異常音響、溫升和振動(dòng)。周檢檢查并清洗液壓傳動(dòng)粗過(guò)濾器。取樣化驗(yàn)各工作油液油質(zhì)是否符合要求。檢查和處理日檢不能處理的問(wèn)題,對(duì)整機(jī)的大致運(yùn)行情況做好記錄。檢查司機(jī)對(duì)采煤機(jī)的日常維護(hù)情況。季檢月檢除周檢內(nèi)容外,對(duì)周檢處理不了的問(wèn)題進(jìn)行維護(hù)和檢修,并對(duì)采煤機(jī)司機(jī)的日檢、周檢的工作進(jìn)行檢查。大修采煤機(jī)在采完一個(gè)工作面后應(yīng)升井大修,大修要求對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行解體清洗檢查,更換損壞或磨損嚴(yán)重的零件,測(cè)量齒輪嚙合間隙,對(duì)液壓元件應(yīng)按要求進(jìn)行維護(hù)和拆卸清洗并試驗(yàn)。電氣件的檢修更換時(shí)必要時(shí)做電氣試驗(yàn)。機(jī)器大修后,主要零部件要做性能試驗(yàn),檢測(cè)有關(guān)數(shù)據(jù),符合要求后方可下井??偨Y(jié)經(jīng)過(guò)開(kāi)學(xué)來(lái)幾個(gè)月的忙碌,我的畢業(yè)設(shè)計(jì)已接近尾聲。在這幾個(gè)月中為了做好畢業(yè)設(shè)計(jì),經(jīng)歷了查閱資料、擬定方案、外出實(shí)習(xí)、開(kāi)始設(shè)計(jì)等不同的階段,總的來(lái)說(shuō)也是忙忙碌碌,有所為的幾個(gè)月。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,經(jīng)常遇到不同的問(wèn)題,由于我所設(shè)計(jì)的部件總體上說(shuō)不算難,圖量也不大,但沒(méi)有前人做過(guò),所以可以借鑒的資料并不是很多,也經(jīng)常遇到問(wèn)題,但在自己努力的同時(shí)老師和同學(xué)都給予了很多幫助。我的設(shè)計(jì)內(nèi)容為可調(diào)行走箱的設(shè)計(jì),和一般使用中的采煤機(jī)相比創(chuàng)新點(diǎn)就是可調(diào)了,雖然采煤機(jī)的調(diào)高是由搖臂完成的,但行走箱調(diào)整的采煤機(jī)的整體高度,由此可以適應(yīng)不同的煤層。為了達(dá)到要求,擬定了幾種不同的設(shè)計(jì)方案,通過(guò)指導(dǎo)老師指點(diǎn)和查閱資料對(duì)不同方案進(jìn)行比較選取了一種相對(duì)合理的方案。畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程是對(duì)大學(xué)四年以來(lái)所學(xué)知識(shí)的一個(gè)綜合應(yīng)用的過(guò)程,它不但為我們提供了一個(gè)應(yīng)用以前所學(xué)知識(shí)的機(jī)會(huì),而且還給了我們動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。在這個(gè)過(guò)程中讓我們發(fā)現(xiàn)自身的不足,使自己能不斷去完善和提高自己的能力,學(xué)會(huì)了如何查閱資料去獲取自己所需要的信息,提高獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力。我相信這些對(duì)我們以后的工作學(xué)習(xí)都會(huì)有很大幫助。由于自己所學(xué)知識(shí)和能力有限,我的畢業(yè)設(shè)計(jì)中肯定會(huì)有許多不足之處。因此,懇請(qǐng)各位老師能給我批評(píng)指證!參考文獻(xiàn)[1]王振乾.滾筒采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及強(qiáng)度研究[碩士學(xué)位論文].煤炭科學(xué)總院,2007年7[2]李昌熙等..1988年[3]耿衛(wèi)東等.國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)無(wú)鏈牽引的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì).煤礦機(jī)電.2000(5)[4]劉春生等.采煤機(jī)牽引導(dǎo)向滑靴配合間隙設(shè)計(jì).煤礦機(jī)械.2005(10)[5]孫忠義.電牽引采煤機(jī)的研制、使用及發(fā)展前景.煤礦機(jī)電.2000(5)[6]周有強(qiáng).提高擺線針齒行星傳動(dòng)承載能力的探討-單擺線齒輪傳動(dòng)分析.中國(guó)礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào).1980(2):55-72.[7]楊生華.有限元法在計(jì)算齒根應(yīng)力和輪齒變形中的應(yīng)用.煤礦機(jī)電.1998(6)[8]張東升,杜長(zhǎng)龍,李輝.采煤機(jī)滾動(dòng)行走裝置的研究.煤礦機(jī)械.2005(3)[9]李占權(quán),趙宏梅,閆曉林等.采煤機(jī)行走部的設(shè)計(jì).煤炭技術(shù).2006年,第25卷(7):9-10.[10]董根深,杜長(zhǎng)龍,張東升.滾筒采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)探討.中州煤炭.2005(1)[11]劉春生.滾筒式采煤機(jī)理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)【M】.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2003[12]蔣廣玉.采煤機(jī)行走輪軸的改造.煤礦機(jī)械.2004(5)[13]王統(tǒng).有限元法對(duì)齒根部分應(yīng)力分布形態(tài)的研究.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào).1981(1)[14]李潤(rùn)芳等.直齒輪接觸有限元分析及齒輪熱變形.重慶大學(xué)學(xué)報(bào).1987(1)[15]魯建廣.關(guān)于提高采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率的探討.河北煤炭.1993(2)[16]沈利華.采煤機(jī)選型的若干問(wèn)題.煤礦機(jī)電.2009(1)[17]孫忠義.電牽引采煤機(jī)的研制、使用及發(fā)展前景.煤礦機(jī)電.2000(5)[18]馮巖竹等.采煤機(jī)行走輪失效分析.金屬熱處理.1998(6)[19]張雪峰等.MXA系列采煤機(jī)行走齒軌輪結(jié)構(gòu)改造.中州煤炭.2002(4)[20]李炳文,王啟光.礦山機(jī)械.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2007[21]劉鴻文.材料力學(xué)=1\*ROMANI.北京:高等教育出版社,2004[22]王洪欣.機(jī)械原理.南京:東南大學(xué)出版社,2005[23]程志紅.機(jī)械設(shè)計(jì).南京:東南大學(xué)出版社,2006[24]程志紅,唐大放.機(jī)械設(shè)計(jì)課程上機(jī)與設(shè)計(jì)南京:東南大學(xué)出版社,2006[25]甘永立.幾何量公差與檢測(cè).上海:上??茖W(xué)技術(shù)出版社,2005[26]王啟光,葉平.現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2005[27]成大先.第二卷/機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版).北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1999[28]成大先.第三卷/機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三版).北京:化學(xué)工業(yè)出版社.1999[29]唐俊編.Pro/ENGINEER中文野火版應(yīng)用教程.清華大學(xué)出版社.2004[30]朱孝錄.齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2005[31]NiemannG,WitterH,余夢(mèng)生等譯.機(jī)械零件(第二卷).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1989翻譯部分英文原文CoalFaceWirelessSensorNetworkPhysicalLayerDesignBasedOnUWBTechnologyAbstractInordertoguaranteethesafetyofcoalfaceproduction,itisnecessarytomonitorandsurveillancefaceShearer,scrapertransportplanes,hydraulicsupport,transportmachines,brokenmachinesetc.Atpresent,itisdifficultforthecabletransmissionmodetoadapttochangesintheworksiteofthecoalface.Transmissionlinesareoftendamagedandsnappedforvariousfactors,weusewirelesssensornetwork(WSN),whichisflexibletobeplacedandextensible,toresolvethisproblem.ThispaperdiscussthedesignoftheWSNtransceiverforcoalfacewithUWBtechnology.Thiskindoftransceiverhassomeusefuladvantagesuchaslowcost,lowpowerconsumption,simplestructure,easytoimplementthedesignofthehardware,noneedtoestimatethecoalfaceChannelcharacteristics.However,detectionefficiencyisslightlylower,buttheerrorratecanmeettherequirement.IntroductionCoalfacemustfacethecomplicatedgeologicalconditionsandpoorworkingconditions.Inordertoensurethesafetyofproductioninthecoalface,itisnecessarytomonitorreal-timethefaceShearer,scrapertransportmachine,hydraulicsupport,reprintmachine,brokenmachinesandotherlargeequipments.Inaddition,wemustmonitorthegroundpressure,gas,carbonmonoxide,dustandotherenvironmentalparameters.Atthesametime,mobilevoiceandimagecommunicationsisrequired.Atpresent,thesignalmonitoredandderivedfromthecoalfaceistransmittedbycable.Asthefaceismovingconstantlyandthegoingofthecoalminingprocess,allkindsoflarge-scaleironandsteelequipmentsinthecoalfaceneedtobeboostedcircularlyandcontinually.Theshapeofthespaceisconstantlychangingwiththechangeoftherelativepositionoftheequipments.Correspondingly,communicationincableisdifficulttobeapplicablewiththeworkingscenechanging,sotransmissionlinesisdamagedorsnappedfrequently,andthecoalfacemobilevoiceandimagecommunicationisimpossible.AlltheseissuescausemanylatenttroubletotheSafetyoftheproduction.Wethinkwirelesssensornetwork(WSN)isfeasibletoimplementmonitoringandsurveillancetothecoalface,forithassomeusefulcharactersofplacingflexibly,expandingsimply,movingeasilyandself-organization.WSNarchitectureinthecoalfaceThesensornetworksystemstructureoftheminingCoalfaceisshowninFigure1.InthisFigure,thesensornodessendtheinformationofacquistionthroughoneormorejumpstotheclusternode,thebasestation(sinknode)isresponsibleforthecollectionofdata,andtransmitthemtotaskmanagementnodethroughup-slotnetwork,taskmanagementNodeisresponsiblefortheintegratedprocessthedataandalsoissuedinstructiontosensornetworks.Thetunnelofcoalfaceisalimitedspace.Bracket,shearer,transportandotherlargemetalequipmentsarelayoutandcoal,rocksandothermediaisanon-uniformrestrictedspace,whichallmakethetransmissionchannelmorecomplex,fadingandmulti-pathphenomenamoreseriousinthetransmissionofwirelesssensornodessignal.Thesearedifferentfromsensornetworksontheground.Therefore,thedesignoftransceivernodeofitisparticularlyimportant.Atpresent,therearethreemaintechnologiesofthephysicallayerinwirelesssensornetworks:narrow-bandmodulationtechnology,spreadspectrumtechnologyandultra-wideband(UWB)technology.WhileUWBtechnologypossessessomeattractiveadvantagessuchaslowpowerspectrumdensity,low-complexitysystem,Lowsensitivitytothechannelfading,bettersecurityandsoon.Consideringtheadvantagesandthecharacteristicsofcoalfacenaturally,wehaveadoptedImpulseradioultra-wideband(IR-UWB)technology,andthereasonsarefollowed:1)UWBtechnologyconsumeslowerpowerandhaslowerpowerspectrum.Lowpowerconsumption,low-costandsmallsizearethemostimportantfeatureofwirelesssensornetworknodes.Narrow-bandmodulationtechnology,spreadspectrummodulationtechnologygenerallyusesinecarrier,IFandRFcircuitsexistinthesystems,soconsumingmorepowerthantheUWBtechnologywithnocarrier.Transmissionmediuminthecoalfaceisnon-uniform,whichleadingtomoretransmissionlossthanwirelesscommunicationssystemsontheground.Thereforelowpowerconsumptionbecomesparticularlyimportant.Inthecoalface,asWSNnodepresentszonaldistribution,nodesjustneedtocommunicatewithneighbor-nodes.TheWSNsystembasedonUWB,consuminglowertransmissionpower,canmeettherequirementsandavoidtheinterferencewitheachotherinthenarrow-bandcommunicationsnode.In addition,the lowpowerconsumptionandhighpenetratingpowerhelptodesignsafeequipmentandtransmitdisasterreliefsignal.2)Stronganti-interferenceability.Inthecoalface,electricalandmechanicalequipmenthasnarrowdistribution.Whenequipmentstartsorstop,electricalsparklemaycausealotofelectromagneticinterference.Sogoodanti-interferencecapabilityisstronglyrequiredinthewirelesscommunication.3)GoodAnti-interferencetomulti-pathability.Coalfacehassomeinherentcharacters,suchasnarrowspace,moretypesofmedia,amulti-pathintensivechannel,whileIR-UWBcanbeappliedtothiscomplicatedenvironmentwithitsadvantages:narrowPulsewidth,smallpulsedurationratio,highmulti-pathresolution,stronganti-multi-pathandfadingCapacity.4)Simplestructure.ThecharactersofIR-UWB,suchasnomodulationandup/downconversingfrequency,simpletransmitterstructure,lowerpowerconsumption,makeitmoreacceptable.Accordingtothecomplexityofthenodeandpowerconsumptionintoconsiderations,IR-UWBtechnologyisveryapplicabletothedesignofthewirelesssensornetworkphysicallayer.Therefore,comparedtonarrow-bandmodulationtechnology,spreadspectrumtechnology,thewirelesscommunicationsystembasedontheUWBtechnologypresentagoodperformanceontheenergyconsumption,robustness,anti-multi-pathandanti-noise,andsoon.ThemodulationofIR-UWBaremainlyPAM(OOK),PPMandBPM(Bi-PhaseModulation),butthepresenceoflinesspectruminPAMandPPMnotonlymakeultra-widebandpulsesignaldifficulttomeetacertainspectrumRequirements,butalsoreducethepowerutilization,therebyitincreasesenergyconsumption.SeveralIR-UWBsignalsinthefrequencyspectrumareshowninFigure2andFigure3.AsWSNsystemrequireslowpowerconsumption,PAMmodulationoftenuseOOKmethod,whichhassimplestructure.ButOOKhaspoorperformanceontheBER(BitErrorRate),anti-noiseperformanceofBPMmodulationsuchasanti-Jitternoiseisbetter.ISIwouldbeintensifiedifweadoptedPPMundertheconditionsofintensivemulti-pathenvironmentinthecoalface.Therefore,weuseBPMformsinthetransceiversystemofthecoalface.A.ThedesignoftransmittingsystemThetransmitterwhichadoptsBPMformsisshowninFigure4.Thesignaldistortion,interferenceandnoisebroughtbythespecialenvironmentincoalfaceneedencodedprotectionthroughchannelcodinginterweavemodule.Datarateoftheoriginalinformationislower,whichmakeitdifficulttomeettherequirementsofFCCintheabsenceofmodulation.Weneedtousespreadspectrumcodetransformth

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