气动锚杆钻机新版说明书.doc

摘要
现在，中国生产锚杆钻机不管从技术上还是质量上全部落后于一些发达国家，所以对锚杆钻机理论研究尚需深入深化，钻机质量需深入提升。
本文全方面、系统、深入地分析了气动锚杆钻机工作原理、齿轮马达运动特征，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基础思绪和方法，并对气动锚杆钻机回转部分进行了具体设计校核，利用PROE对其进行建模和仿真。
本文依据流体力学和气压传动原理，分析了齿轮式气动马达结构和特点，本文还分析了气动式锚杆钻机产生噪声、油雾机理，探讨了消除噪声和油雾路径和方法，研制了含有消除排气油雾和减小噪声双重功效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

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

目录
摘要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1锚杆钻机介绍 1
1.1锚杆支护作用及意义 1
1.2锚杆钻机发展和现实状况 1
1.3中国煤矿用锚杆钻孔设备存在关键技术问题 2
1.4本课题研究关键内容 4
第二章 气动锚杆钻机总体方案研究和设计 5
2.1设计方案确实定 5
2.1.1推进方案确实定 5
2.1.2动力机构方案确实定 6
2.1.3操纵机构方案确实定 8
2.2工作原理 9
2.3性能参数指标 10
第三章 气动锚杆钻机结构设计 10
3.1整体结构及参数确实定 10
3.2回转部分设计及强度计算 11
3.2.1减速机构设计 11
3.2.2气动马达参数确定 33
3.2.3消声器设计 35
3.3支腿部件设计 35
3.3.1结构设计 35
3.3.2支腿材料分析和选择 36
3.3.3支腿结构设计 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软件介绍 38
4.2 Pro/Engineer软件关键特征 38
4.3 Pro/E建模 39
4.4 Pro/E装配 51
4.4 Pro/E仿真 55
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适用范围介绍 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作业前检验 61
5.5钻锚杆孔作业 62
5.6搅拌和安装锚杆作业 62
5.7作业以后 62
5.8其它操作注意事项 62
第六章 结束语 63
参考文件： 64
致谢 65

第一章 绪论
1锚杆钻机介绍
1.1锚杆支护作用及意义
锚杆支护作为地下工程一个新型支护型式，现在已成为欧美和澳大利亚等优异采煤国家煤矿井下关键支护方法。美国煤矿房柱式开采几乎全部采取锚杆支护，长壁开采巷道80%采取锚杆支护，澳大利亚90%煤矿巷道采取锚杆支护。
50年代末，锚杆支护就在中国少数煤矿得到利用，不过因为对其认识不足，尤其是缺乏对其支护机理全方面认识，在煤矿应用一直得不到推广。七十年代以后，在引进国外优异采煤和掘进设备同时，又片面强调了欧洲、美国采煤模式，把钢架支护作为煤矿关键方向加以推广。八十年代起，大家对锚杆支护有了重新认识，开始在煤层顶板比较稳定巷道中使用，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地方;在龙口、平庄等矿区“三软”条件下顺槽锚杆支护和锚梁网支护等。至今，几乎在全国各大矿区全部不一样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，加紧成巷速度，降低辅助运输量，减轻劳动强度，提升巷道断面利用率等方面有着十分突出优越性，对中国煤矿技术进步和经济意义是十分巨大。
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，攻关内容包含锚杆支护机理研究、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。
中国锚杆钻机发展较晚，即使从六十年代就开始了研制，但一直处于缓慢发展和低水平反复阶段。至今为止，尚无比较完善锚杆钻机设计理论。所以，研究适应中国煤矿新型、高效、坚固可靠、使用方便、维修简单锚杆钻机，是中国锚杆支护技术中急待处理问题。
1.2锚杆钻机发展和现实状况
从结构型式上，锚杆钻机能够分成台车型、机载型和单体型三大类。因为台车型锚杆钻机(亦称锚杆钻车)和机载锚杆钻机含有功率大、钻孔能力强、功效齐全、适应范围广、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企业、芬兰Tamrock企业和法国SECOMA企业生产锚杆钻车。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，所以在中国使用较少。现在在巷道锚杆支护中，大量采取是单体锚杆钻机。它含有结构简单、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、底板和侧帮之间，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，如中国MZ系列液压锚杆钻机，国外美国VITOR企业生产液压钻机等。手持式锚杆钻机和支腿式不一样，它没有推进系统，适于煤巷侧壁使用，如:澳大利亚CRAM企业、眼镜王蛇企业生产帮锚杆钻机，中国煤科总院研制ZQS-50帮锚杆钻机。
支腿式(手扶)锚杆钻机是现在煤矿中锚杆钻机应用主流，这种钻机使用灵活性优于架柱式，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。但受电机重量限制，通常输出功率较小(2-3KW )，支腿推进需要采取另外动力源，且电机轻易受潮，故障率高，同时也不很安全，故现在实际应用较少。
液压支腿式锚杆钻机带有分体专用液压站，由它提供动力液驱动回转切削用液压马达和推进用液压油缸，操作系统经过液压阀组实现对转速、扭矩和推进力控制，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。
气动锚杆钻机是现在中国外大力发展一个机型，应用前景很广泛。最初，井下曾使用气动凿岩机来钻凿锚杆孔，但因为打顶眼困难、钻孔质量差、钻进速度低、劳动强度大，所以专用气动锚杆钻机便受到大家重视。
中国在八十年代中期开始采取叶片式气马达，如ZQM系列，M10系列，现在这两种系列全部停止生产。九十年代后期生产MFC300活塞式气动锚杆钻机，因为故障率高，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，所以在中国得到大力发展。
1.3中国煤矿用锚杆钻孔设备存在关键技术问题
1. 开发品种多，但性能适宜、可靠性高产品不多
现在中国已开发了40多个型号锚杆钻机，但适于井下使用且可靠性很好只有3-4种产品，目前正式投入使用仅占已开发产品总数10%左右。现在锚杆钻机技术发展情况有以下基础特点:
（1）单体气动回转式锚杆钻机是锚杆钻机产品主流，在齿轮式、柱塞式和叶片式三种类型气马达中，叶片式马达已基础淘汰，齿轮式马达和柱塞式马达在扭矩转速特征、不一样气压下性能、噪声特征、机重、对润滑要求和抗污染等方面各有优缺点，在不一样使用条件下全部有各自市场，总来说，国产气动锚杆钻机水平在逐步提升，齿轮气马达式锚杆钻机已基础能替换进口产品，但玻璃钢支腿等部分可靠性应深入提升，柱塞马达式锚杆钻机尚处于小批量生产阶段，尚需深入考评。
（2）液压锚杆钻机输出扭矩高于气动锚杆钻机，在一些场所下应用很好，和掘进机配套是较优越工作方法，从现在已正式投入使用支腿式液压锚杆钻机来看，钻机输出扭矩仍然偏低，液压系统轻易发烧。因为以矿物油为工作介质，在煤矿井下使用中存在安全隐患。
（3）电动锚杆钻机输出特征较差，钻孔速度较低，电机可靠性及防水性能存在严重问题，尚无良好推进方法。所以，尽管已判定了多个电动锚杆钻机，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
锚杆钻机可靠性和产品设计、制造、使用等原因相关，现在来说，锚杆钻机实际利用率不高关键原因是产品本身可靠性问题，但使用中存在问题也不容忽略。
（1）锚杆钻机产品可靠性不高关键来自产品设计不成熟和加工质量不高，有锚杆钻机因性能盲目改善，参数确定不合理，从投产起在井下工作无力，产品性能提升缓慢，有些产品生产过程无可靠质量确保体系，部件质量无法确保，又缺乏必需检测手段，产品性能和质量无法控制，自然影响井下长久使用，多年来，煤炭系统正式判定锚杆钻机有23种型号，但在煤矿井下正式使用只有2-3种，其关键原因是结果质量不高又没有做技术判定后后续工作。
（2）锚杆钻机和钻具产品管理问题严重，伪劣产品进入市场有可乘之机，锚杆钻机和钻含有一定技术含量，但结构并不十分复杂，大家看好煤矿锚杆支护量大面广市场，有些人受经济利益驱动，不按国家和煤炭行业标准生产，产品性能和可靠性低劣，使煤矿无法正常使用，有厂家虽已批量生产锚杆钻机和钻具，但采取不正当手段推销产品，对销售产品不负质量责任，煤矿用户常常不知道有哪些技术标准和锚杆钻机、钻含相关，盲目相信厂家“广告”，采取未经技术判定和法定检验产品，或购置不合格产品，致使企业遭受无须要损失。
（3）钻头是回转式锚杆孔钻进设备关键钻具，钻头型式、国产硬质合金片性能，影响钻头应用范围，现在，一般硬质合金岩石钻头关键适适用于页岩、砂页岩及部分砂岩磨蚀性不高砂岩，寿命为30m左右-高于常规钻头价格50%国产优质合金钻头，能够钻进抗压强度60-80MPa中等磨蚀性岩石，寿命可达25-30m，然而，相当多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本课题研究关键内容
本设计力图开发一个适合煤矿掘进用新型锚杆钻机，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。在设计中要严格实施国家煤炭行业相关规程、要求和技术标准，确保设计符合质量要求。
本课题整个研究内容分以下多个方面:
（1）气动锚杆钻机总体方案研究和设计；
（2）气动锚杆钻机结构设计；
（3）气动锚杆钻机使用维护说明；

第二章 气动锚杆钻机总体方案研究和设计
2.1设计方案确实定
2.1.1推进方案确实定
一、气缸选择
气动实施元件和液压实施元件相比，含有以下特点:
(l）气动实施元件运动速度快，工作压力低，适适用于低输出力场所。能正常工作环境温度范围宽，通常可在35℃一+80℃(有甚至可达+200℃环境下正常工作)。
(2)相对机械运动来说，气动实施元件结构简单，制造成本低，维修方便，便干调整其输出力和速度快慢。另外，其安装方法、运动方向和实施元件数目，又可依据机械装置要求由设计者自由选择。尤其是制造技术发展，气动实施元件已向模块化、标准化发展。借助于计算机数据传输技术发展起来气动阀，使气动系统接线大大简化。这就为简化整机结构设计和控制提供了有利条件。
二、气缸结构和安装方法选择
气缸种类很多，通常按压缩空气作用在活塞面上方向、结构特征和安装方法来分类。按压缩空气作用在活塞面上方向能够分为单作用气缸、双作用气缸和特殊气缸等;按结构特征则能够分为柱塞式、活塞式、薄膜式、套筒式等;按安装方法不一样则能够分为固定式、轴销式等。结合要设计气动支腿式帮锚杆钻机推进机构对运动和结构要求，选择单作用套筒式(即伸缩式)气缸，工作时气缸一端固定，另一端自由。
伸缩式气缸和其它类型气缸相比，含有以下优点:
(l)伸缩气缸工作时行程能够相当长，不工作时整个缸长度能够缩较短;
(2)伸缩缸逐一伸出时，有效工作面积逐步降低。所以，当进气量相同时，外伸速度逐次增大，当负载恒定时，气缸工作压力逐次提升;
(3)单作用伸缩缸外伸依靠气压，内缩依靠自重或负载作用。所以，多用于垂直放置场所。
缸筒安装由内到外为三、二、一级，外缸筒二各缸筒外导向部分装有密封圈，预防气体泄漏。内、外导向套均和各级缸筒加工成一体。当一级缸筒上升到全部伸出时，一级缸筒外导向部分和外缸筒内导向部分相遇，带动二级缸筒上升，三级缸筒上升同理。
2.1.2动力机构方案确实定
一、马达选择
气马达是把压缩空气压力能转换成连续回转运动机械能气动实施元件。气马达和油马达相比，其含有油马达所没有特点:即气马达在长时间满载工作时，温升较低。通常使用4-8kg每平方厘米低压输气管也比高压油管廉价，经济性比油马达有优势，使用费用较低。
因为空气可压缩性和气马达工作转速随负载而降低。气马达和电动机相比，有以下特点:
（1）工作安全，适适用于恶劣工作环境。在易燃、高温、振动、潮湿及粉尘等不利条件下全部正常工作。在含有爆炸性瓦斯工作场所，无引发爆炸危险，同时不受震动和高温影响；
（2）能够无级调速。只要控制进气阀开闭程度即控制气体流量就能调整马达功率；
（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，当过载降低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，所以能快速开启和停止。只要改变进排气方向，就能实现输出轴正转和反转转换；
（5）含有高起动力矩，能够直接负载起动，起动、停止快速；
（6）满载连续运行，因为压缩空气绝热膨胀冷却作用，能降低滑动摩擦部分发烧，所以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，转速能够从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。
依据其性能来看气马达应用于以下场所:需要安全、无级调速、常常改变旋转方向、起动频繁和防爆、负载起动、有过载可能场所。当要求多个速度运转、瞬时起动和制动或可能常常发生失速和过负载情况时采取气马达要比别类似设备价格廉价，维护简单。所以气马达广泛应用于矿山机械中。
基于以上气马达和油马达及电动机相比所含有多种优点，在本产品设计中选择了气马达。
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。
依据表2-1中性能比较，本产品采取了齿轮式气马达。这是因为齿轮式气马达和其它类型气马达相比，含有体积小、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，很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、传动系统方案确实定
传动系统方案图2-1所表示，动力由马达齿轮3输入，经过减速箱后，由主轴6将动力传输给钻杆。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。减速箱采取同轴线式，即输入轴和输出轴轴线在同一直线上。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、消声器选择
噪声是众所周知公害之一。它损害人听觉，影响人健康和工作，严重时还会造成多种意外事故。所以噪声问题已日益引发重视并把它作为改善劳动条件和保护环境关键内容之一。
使用消声器消除噪声关键方法是吸声。吸声使用吸声材料，如玻璃棉、矿渣棉等装饰在容器内壁，或敷设在管道内壁上，将噪声吸收一部分，从而达成降低噪声目标。
本产品使用阻性消声器是利用在气流通道内表面多孔吸声材料来吸收声能。其结构简单，能在较宽高频范围内消声，尤其是对刺耳高频声波有突出消声作用，但对低频消声效果较差。
2.1.3操纵机构方案确实定
一、气阀和水阀选择
（1）开关方法选择
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，全部采取了人力控制阀。在单体式气动锚杆钻机中通常见人力控制阀直接操纵气动实施元件。
水阀和气腿阀全部采取了拨动式开关。这是因为拨动式开关操纵方法含有定位性能即操作力除去后仍能保持阀工作状态不变。而这2个阀在工作开始之前需要打开，以进气和进水，不过在工作过程中需要稳压，拨动式手动阀能很好处理这个问题。其阀芯结构基础上和机控阀相同。
马达进气阀开关采取了压柄式。能够依据工作需要，控制进气量大小。
（2）控制阀原理选择
气腿阀原理图图2-2采取二位三通阀，手动换位，弹簧复位形式，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。
主气阀原理图图2-2采取二位二通阀，手动换位，弹簧复位形式。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。
气腿排气阀采取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，达成提升生产效率目标。
二、油雾器选择
气动系统中所用很多元件和装置全部有运动部分。为使其能正常工作，需要进行润滑。然而，以压缩空气为动力源气动元件运动部分全部组成密封气室，不能用一般方法注油，只能用某种特殊方法将油注入气流带到需要润滑部位。所以，必需在空气管路中设置特殊功效元件，使一般液态油滴雾化成细微油雾进入高压气，随气流输入到运动部位。油雾器就是这么一个特殊给油装置。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部件，达成润滑目标。
使用油雾器有以下优点:①油雾可输送到任何有气流地方，且润滑均匀稳定。②气路一接通就开始润滑，气路断开就停止供油。③能够同时对多个元件进行润滑。
油雾器关键特征参数有流量特征和起雾流量2个参数，她们是选择油雾器关键依据。流量特征是指压力降流量特征，即油雾器进口压力在要求值时，其输出空气流量和出口侧压力降之间关系;起雾流量是指进口压力在要求值、润滑油在正常工作油位，滴油量每分钟5滴时流过空气流量。对于一定进口压力而言，起雾流量越低说明油雾器在小流量工作时润滑油雾化性能越好。
2.2工作原理
图2-2所表示， 压缩空气经过滤器、注油器、滤网J进入操纵臂部件阀块。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。手动调整各阀开启量，即可调整转速，推力或水量。

图2-2气动锚杆钻机工作原理图
2.3性能参数指标
依据中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，还能够作为树脂药卷类锚杆，锚索搅拌和安装设备，不再需要其它辅助设备，实施螺母一次性旋紧，达成一次性初锚预紧力要求。确定气动锚杆钻机输出参数为:
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，既能满足现场使用要求，又能最大程度地利用钻机功率，并尽可能地降低钻机重量，改善煤巷支护劳动条件。

第三章 气动锚杆钻机结构设计
3.1整体结构及参数确实定
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，包含马达、齿轮箱、超越轴承、主轴、水套、消声器等零部件。
推进机构包含支腿、固定套两大部件。支腿部分由三级气缸组成，经过固定套和回转机构连接，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，包含注油器、三通阀、操纵杆、手把架等零部件，三通和固定套连接，经过操纵开关、水、气旋扭控制马达阀、水阀、支腿气阀。
依据中国煤矿煤巷锚杆支护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
该气动煤帮锚杆钻机适适用于矿山企业，尤其是巷道岩石硬度≤f4、巷道高度1.6米—3.6 米锚杆支护岩巷、半煤巷、煤巷临时支护和永久支护。它关键完成钻孔、安装锚杆、搅拌药卷、紧固螺母等项工作。
3.2回转部分设计及强度计算
回转切削机构是气动锚杆钻机关键，它由气动马达、减速机构、消音器三部分组成。它输出是转矩和转速，是由气动马达输出特征决定。
3.2.1减速机构设计
减速机构采取齿轮传动，传动效率
，。减速比为1:17.45。

一、各轴运动和动力参数计算
（一）计算各轴转速

（二） 计算各轴功率

（三） 计算各轴转矩

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
3.231
0.941
轴1
1.33
16.444
773.385
轴7
1.39
3.171
4187.079
5.4
0.9603
表3-1
（四） 齿轮强度校核
（一） 次级被动齿轮5和齿轮轴1轮齿校核
1. 齿轮类型、材料、精度等级及关键尺寸
该减速机构选择直齿圆柱齿轮传动，精度等级全部为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。
关键尺寸如表3-2。

齿轮5
齿轮轴1
齿数

模数

齿宽

变位系数

齿数比

分度圆直径

节圆直径

齿宽系数

啮合角

表3-2
2.齿面接触强度校核
因为两啮合齿轮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：
2）计算载荷系数：
依据，8级精度。由书1图10-8查得动载荷系数，直齿轮：，由表10-2得使用系数；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部署时，。
由，查书1图10-13得。故载荷系数为

3)由书1表10-6查得材料弹性影响系数，
查书2图32.1-13得

（2） 计算接触疲惫许用应力
1)由书1图10-21d、e按齿面硬度查得齿轮轴1接触疲惫强度极限，齿轮5接触疲惫强度极限。
2)计算应力循环次数。

。
3)由书1图10-19选择接触疲惫寿命系数;。
4)计算接触疲惫许用应力。取失效概率为1%，安全系数，得；
。
因,故符合接触强度要求。
3.齿根弯曲强度校核
（1）计算齿根弯曲强度

1) 计算载荷系数

2) 齿轮轴1
由书2图32.1-16查得。则

3）齿轮5
由书1表10-5查得，

（2）计算齿根弯曲许用应力
取S=1.4
1） 齿轮轴1
由书1表10-18查得；由书1图10-20d得则

，满足要求。
2） 齿轮5
由书1表10-18查得；由书1图10-20得则

，满足要求。
（二） 齿轮2和齿轮轴7轮齿校核
1. 齿轮类型、材料、精度等级及关键尺寸
该减速机构选择直齿圆柱齿轮传动，精度等级全部为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。
关键尺寸如表3-3。

齿轮2
齿轮轴7
齿数

模数

齿宽

变位系数

齿数比

分度圆直径

节圆直径

齿宽系数

啮合角

表3-3
2.齿面接触强度校核
因为两啮合齿轮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：
2）计算载荷系数：
依据，8级精度。由书1图10-8查得动载荷系数，直齿轮：，由表10-2得使用系数；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部署时，。
由，查图10-13得。故载荷系数为
3) 由书1表10-6查得材料弹性影响系数，
查书2图32.1-13得

(2) 计算接触疲惫许用应力
1) 由书1图10-21d、e按齿面硬度查得齿轮轴1接触疲惫强度极限，齿轮5接触疲惫强度极限。
2) 计算应力循环次数。

。
3) 由书1图10-19选择接触疲惫寿命系数;。
4)计算接触疲惫许用应力。取失效概率为1%，安全系数，得；
。
因,故符合接触强度要求。
3.齿根弯曲强度校核
（1）计算齿根弯曲强度

1) 计算载荷系数

2) 齿轮轴7
由书2图32.1-16查得。则

3）齿轮2
由书1表10-5查得，

（2）计算齿根弯曲许用应力
取S=2
1) 齿轮轴7
由书1表10-18查得；由书1图10-20d得则

，满足要求。
2) 齿轮2
由书1表10-18查得；由书1图10-20得则

，满足要求。
三．轴设计
（一）齿轮轴1设计
1.轴上参数

2.求作用在齿轮轴上力
（1）求齿轮轴轮齿上力
因已知齿轮轴轮齿节圆直径，，则

（2）求齿轮4上力
因已知齿轮4节圆直径，，则

3. 初步确定轴最小直径
选择轴材料为40Cr。依据书1表15-3选择于是得

4.轴结构设计
（1）确定轴上零件装配方案图3-1

图3-1
（2）依据轴向定位要求确定轴各段直径和长度。
1）轴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，为确保安全，使所选轴承内径比最小轴颈大，则选择6203深沟球轴承，其尺寸为。故取，，左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，取轴承座对应直径为36mm，内圈用齿轮定位。
2）2-3处为轮齿，，。
3）取安装齿轮处轴段直径，齿轮右端和轴承内圈相互定位，故轴端等于轮毂宽度，取。
至此已初步确定了轴各段直径和长度。
（3） 轴上零件周向定位
1)齿轮和轴周向定位采取平键连接，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，同时为了确保齿轮和轴配合有良好对中性，故选择齿轮轮毂和轴配合为；
2)键强度校核
键、轴和轮毂材料全部是钢，由书1中表6-2查得，许用挤压应力为。取，键工作长度，键和轮毂键槽接触高度。则：
（适宜）
键标识为：键C 6×6×14 GB/T 1096-

（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，各处圆角半径为1mm。
5.求轴上载荷
首先依据轴结构图做出轴计算简图。轴承支撑点位置由手册中查出a值，对于6203型轴承，由手册查得，所以，作为简支梁支撑跨距
。依据轴计算简图做出轴弯矩和扭矩图图3-2。从图中能够看出C、D面是轴危险截面，将计算结果列于3-4表

载荷
水平面H
垂直面V

支反力F

弯矩M

总弯矩

扭矩T

表3-4

6.按弯扭合成应力校核轴强度
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。轴计算应力

前已选定轴材料为40Cr，由书1表15-1查得
所以，安全。
D面：
轴计算应力

前已选定轴材料为40Cr，由书1表15-1查得
所以，安全。

图3-2轴弯矩扭矩图
7.正确校核轴疲惫强度
（1）判定危险截面：4面右侧。
（2）截面4右侧
抗弯截面系数
抗扭截面系数
截面4左侧弯矩为

截面4上扭矩为
截面上弯曲应力

截面上扭转切应力

轴材料为40Cr，由书1中表15-1查得，。
截面上因为轴肩而形成理论应力集中系数按书[1]附表3-2查取。因，经插值后可查得

又由附图3-1可得轴材料敏性系数为

故有效应力集中系数为

由附图3-2尺寸系数，由附图3-3扭转尺寸系数。
轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为。
轴未经表面强化处理，即，则综合系数为：

合金钢特征系数

所以轴在截面4右侧安全系数为：

故可知其安全。因无大瞬时过载及严重应力循环不对称性，故可略去静强度校核。
（二）齿轮轴7设计
1.轴上参数

2.求作用在齿轮轴上力
（1）求齿轮2上力
因已知齿轮轴轮齿节圆直径，，则

（2）求齿轮轴7轮齿上力
因已知轮齿7节圆直径，，则

3. 初步确定轴最小直径
选择轴材料为40Cr。依据书1表15-3选择于是得

4.轴结构设计
（1）确定轴上零件装配方案图3-3

图3-3
（2）依据轴向定位要求确定轴各段直径和长度。
1）轴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，为确保安全，使所选轴承内径比最小轴颈大，则选择6204深沟球轴承，其尺寸为。故取，取，为了便于轴承安装取左端轴承外圈用轴承座定位，内圈用轴用弹性挡圈定位。右端轴承内圈用轴用弹性挡圈定位，故，，，外圈用轴肩定位，取 。
2）4-7处安装齿轮，取，取。为使齿轮定位可靠，取，。
3）齿轮左端用套筒定位，套筒宽4mm，故取。
4）轴右端为轮齿，留有退刀槽，取。
至此已初步确定了轴各段直径和长度。
（3）轴上零件周向定位
1）齿轮和轴周向定位采取平键连接，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，同时为了确保齿轮和轴配合有良好对中性，故选择齿轮轮毂和轴配合为；
2）键强度校核
键、轴和轮毂材料全部是钢，由书1中表6-2查得，许用挤压应力为。取，键工作长度，键和轮毂键槽接触高度。则：
（适宜）
键标识为：键 8×7×56 GB/T 1096-
（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，各处圆角半径为1mm。
5.求轴上载荷
首先依据轴结构图做出轴计算简图。轴承支撑点位置由手册中查出a值，对于6203型轴承，由手册查得，所以，作为简支梁支撑跨距
。依据轴计算简图做出轴弯矩和扭矩图图3-4。从图中能够看出C面是轴危险截面，将计算结果列于3-5表

载荷
水平面H
垂直面V

支反力F

弯矩M

总弯矩

扭矩T

表3-5
6.按弯扭合成应力校核轴强度
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。轴计算应力

前已选定轴材料为40Cr，由书1表15-1查得
所以，安全。

图3-4弯矩扭矩图
7.正确校核轴疲惫强度
（1）判定危险截面：8面右侧。
（2）截面8右侧
抗弯截面系数
抗扭截面系数
截面4左侧弯矩为

截面4上扭矩为
截面上弯曲应力

截面上扭转切应力

轴材料为40Cr，由书1中表15-1查得，。
截面上因为轴肩而形成理论应力集中系数按书[1]附表3-2查取。因，经插值后可查得

又由附图3-1可得轴材料敏性系数为

故有效应力集中系数为

由附图3-2尺寸系数，由附图3-3扭转尺寸系数。
轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为。
轴未经表面强化处理，即，则综合系数为：

合金钢特征系数

所以轴在截面4右侧安全系数为：

故可知其