縱軸式掘進機總體設計及截割部設計0前言煤礦掘進是煤炭生產(chǎn)和建設的基礎工程。近年來，我國煤礦掘進機械化得到了迅速的發(fā)展，裝備水平也有很大的提高，在自主創(chuàng)新能力上也有長足的進步。煤炭工業(yè)是我國國民經(jīng)濟的主要支柱產(chǎn)業(yè)。在未來50年內(nèi)，煤炭仍是主要的能源和戰(zhàn)略物質，具有不可替代性，是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的保證。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，以及國加入WTO后，煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的步伐也在加快。目前，國內(nèi)掘進機發(fā)展水平相對落后，巷道掘進成為煤礦發(fā)展的一個瓶頸，制約著煤炭工業(yè)的發(fā)展。各國早期研制的懸臂式掘進機都是以煤炭為作業(yè)對象，機重在13-17噸之間、切割功率在30KW左右的輕型機，代表機型是前蘇聯(lián)的ЛК-3型掘進機。中期產(chǎn)品主要是用于切割煤系地層中的各種煤巖的中型掘進機，機重在25噸左右、切割功率50-100KW，可切巖石硬度系數(shù)f 6，如英國的MKA-2400型、奧地利的AM-50型、日本的S100型等。近期產(chǎn)品主要是以煤系地層中的中硬度巖石為作業(yè)對象的重型機，一般機重40-80噸、切割功率150-200KW、可切巖石硬度系數(shù)f8，如英國的LH-1300型、奧地利的AM-75 型、日本的S200M 型掘進機等。我國的掘進機技術開發(fā)工作始于1965年，最初是仿前蘇聯(lián)的ЛК-3型掘進機，1979年后，先后從日本、奧地利、英國、美國、西德、原蘇聯(lián)、匈牙利引進了多種型號的掘進機，通過引進日本MRH-5100-41型、奧地利AM-50等型掘進機的制造技術和先進加工設備，并進行技術轉化，到1989年底，我國已自行研制成功了AM50、ELM-55、EMIA-30、EL-90 、5100等6種8個型號的掘進機，使我國中小型掘進機不再依賴進口。此后，我國又開始了重型掘進機技術開發(fā)和研制工作。1999年，煤科總院太原分院開發(fā)出了EBJ-160型掘進機，2001年，佳木斯煤機廠又完成了從日本引進S200M型掘進機的消化吸收、國產(chǎn)化任務。經(jīng)過幾代人的不懈努力，截止到目前為止，我國掘進機的開發(fā)研究在輕型及中重型上己其本達到國際先進水平，但在重型掘進機的研究上，與一些發(fā)達國家的產(chǎn)品還存在著一定的差距。11 設計要求及目的設計用途：設計符合要求的縱軸式懸臂掘進機與截割部設計?；疽螅?)最大掘高 4.5m；2)最大掘寬 5.6m；3)巷道坡度 ±16°；4) 機高 M 小于 2M，機重大于 45； 5)能夠在煤層、半煤層下施工，切割煤巖最大單向抗壓強度可達 100Mpa，可切割性能指標適用切割煤巖硬度，普氏系數(shù) f 小于等于 8，巖石的研磨系數(shù)小于等于 Mg15?？v軸式掘進機總體設計及截割部設計22 總體方案設計懸臂式掘進機主要由截割、行走、裝運、裝載四大機構和液壓、水路、電氣三大系統(tǒng)組成，并通過主體部將各執(zhí)行機構有機的組合于一體。總體方案設計主要是進行掘進機的選型和總體參數(shù)的確定。2.1 機型的選定及主要部件的結構形式的確定2.1.1 機型的選定掘進機的發(fā)展方向是定型化、系列化、并向“大斷面” 、 “高硬度”發(fā)展，掘進機的性能、外形、結構和重量應能很好地適應煤巖的性質和巷道的尺寸。根據(jù)任務書的要求，按行業(yè)標準 MT138～1995《懸臂式掘進機的型式與參數(shù)》 ，MT238.3-2006《懸臂式掘進機|第 3 部分| 通用技術條件》選定機型類別。要考慮的掘進機用途有：煤礦井下巷道的掘進、其他行業(yè)的工程作業(yè)，要考慮掘進機的工作條件：切割煤層巷、半煤層巷，煤巖的單向抗壓強度(或普氏系數(shù) f 值)及巖石的腐蝕系數(shù)。特輕、輕型掘進機以掘進煤巷為主，它的特點應突出經(jīng)濟、靈活、方便，在截割巷道斷面尺寸方面有較大的適應性。中型掘進機以掘進半煤巖巷道為主，在截割巖石硬度方面適應性較強，但機器設計不宜過于笨重和龐大，在使用時有較大的覆蓋面。重型掘進機是具有更高切割能力的掘進機，應用范圍更加廣泛。根據(jù)設計的要求和目的，機型選擇重型?；緟?shù)應當符合表格的規(guī)定。表 2-1 掘進機型式的基本參數(shù) [6]Tab.2-1 Table of the basic parameters of roadheader models機型技術參數(shù) 單位特輕 輕 中 重 超重切割煤巖最大單向抗拉強度MPa 40?5060?810?生產(chǎn)能力 煤， 3/min0.6 0.8 — — —3煤夾矸， 3/min0.35 0.4 0.5 0.6 0.6切割機構功率 kW 5?7590～200 150?2適應工作最大坡度(絕對值)不小于(°) 16?166?6?可掘巷道斷面 ㎡ 5～12 6～16 7～20 8～28 10～32機重(不包括轉載機)t 20?250?0?2.1.2 各部件的結構型式的確定2.1.2.1 切割機構切割機構主要由切割頭，水冷電動機，減速器，伸縮機構和回轉臺等組成，具有破碎煤巖功能的機構。(1)切割頭的選擇切割頭裝有截齒，用語破碎煤巖的部件。切割頭主要由截割頭體、齒座、螺旋葉片、截齒、噴嘴及筋板等構成；螺旋葉片焊在切割頭體上，沿螺旋線并按截線間距排列齒座和截齒?？v軸式掘進機切割頭的形狀通常有圓柱形、圓錐形、圓錐圓柱形幾種。圓錐形切割頭有利于鉆進工作面，也能保證切割出來的巷道表面較平整，保證巷道坡度，也不會給支護工作帶來麻煩 [5]。所以選擇圓錐形切割頭。(2)切割電動機切割電機為外水冷式，且機體為焊接結構，前端與行星減速器相聯(lián)，后端聯(lián)接回轉臺。電機輸出力矩，通過花鍵套傳遞給減速器，再由花鍵套傳到主軸，主軸通過內(nèi)花套鍵與截割頭相聯(lián)，把力(矩)傳遞到割頭上，截割頭以此方式進行工作。切割電機的選擇在根據(jù)工作條件選取，而且應當符合行業(yè)標準 MT477-1996《YBU 系列掘進機用隔爆型三相異步電動機》 。(3)行星減速器縱軸式掘進機總體設計及截割部設計4主要由箱體、減速齒輪、二級行星輪架、輸入、輸出軸構成。太陽輪與行星輪相嚙合，此行星輪通過兩個軸承裝在星輪軸上，兩端裝有孔用彈性擋圈，星輪裝在第一級行星架相應的軸孔內(nèi)，內(nèi)輪與箱體組成一體并與行星輪嚙合帶動第一級行星架，實現(xiàn)第一級減速 [7]。第二級的太陽輪與第一級行星架為漸開縣花鍵聯(lián)結，太陽輪與第二行星輪嚙合，此行星輪裝在第二級的輪軸，此輪軸裝在第二級行星架相應軸孔內(nèi)。這里內(nèi)輪與減速器殼體組成一體與行星輪嚙合，此星輪不僅自轉還繞太陽輪公轉，從而實現(xiàn)第二級減速器。圖 2-1 EBZ200E 掘進機的截割部行星減速器結構Fig.2-1 EBZ200E roadheader in Jiamusi Coal Mine Machinery Co. Ltd.(4)伸縮機構伸縮機構有內(nèi)伸縮式和外伸縮式。內(nèi)伸縮式結構緊湊、尺寸小、伸縮靈活方便，因此采用內(nèi)伸縮式。伸縮機構由保護筒，伸縮內(nèi)、外筒，花鍵套，密封座，主軸，軸承，隔套，旋轉密封、油封等構成。位于截割頭和二級行星減速器之間，通過花鍵聯(lián)接使主軸旋轉運動，帶動截割頭旋轉，通過油缸伸縮帶動伸縮部實現(xiàn)伸縮 [5]。圖 2-2 懸臂伸縮原理圖Fig.2-2 The fig of the cantilever flex5(a)外伸縮式 (b)內(nèi)伸縮式1 懸臂；2 減速器；3 電動機；4 伸縮油缸；5 滑架；6 花鍵主軸；7 內(nèi)套；8 聯(lián)軸器；9 外套(5)回轉臺的設計要求 [5]1)回轉裝置反映在切割頭上的回轉力和回轉速度要滿足切割工作要求；2)回轉臺要能夠承受機器工作時的各種載荷反力的作用，要有足夠的剛度；3)與懸臂配合，所具有的回轉角度要滿足掘進端面的要求；4)結構緊湊、運轉平穩(wěn)，工作可靠。同時回轉臺的設計要符合中國煤炭行業(yè)標 MT475-1996《懸臂式掘進機回轉支承型式基本參數(shù)和技術要求》 。2.1.2.2 裝運機構裝載機構機構由鏟板部分與中間刮板輸送機等組成。由 2 臺液壓馬達，直接驅動鏈輪，帶動刮板鏈組實現(xiàn)物料運輸 [5]。(1)鏟板部鏟板部分由耙裝部、減速器、耙爪等組成。裝載部實現(xiàn)采掘下煤礦等接受采集，經(jīng)過中間輸送機，把煤礦輸送到后續(xù)的輸送帶上。鏟板部有雙環(huán)形刮板鏈式，螺旋式裝載式，蟹爪式裝載式，星輪式等。由于星輪式裝載式結構簡單，工作可靠，外尺寸小，因此選星輪式裝載方式 [8]。耙裝部機構采用弧形三齒星輪式，有左右兩個，對稱布置。 (2)中間刮板運輸機輸送機構，采用刮板鏈式輸送機，一般由機尾向機頭方向傾斜向上布置。輸送機構由以機頭軸為主動軸時，由設置在機頭的液壓馬達或電機，通過減速器裝置驅動機頭軸運轉。這樣機構復雜?？梢栽O置機尾為主動軸，由設置在機尾的驅動裝置，帶動刮板鏈式輸送機工作，簡化結構?？v軸式掘進機總體設計及截割部設計6采用雙邊鏈運輸型式，底板呈直線形，保證運輸順暢，提高溜槽及刮板使用壽命。采用兩個液壓馬達直接驅動鏈輪，帶動刮板鏈組實現(xiàn)物料運輸?？梢赃m當提高龍門，減少一運運輸過程中大塊物料卡阻 [9]。2.1.2.3 轉載機轉載機大多采用膠帶輸送機的形式。膠帶轉載機構的傳動方式有三種 [5]，1、由油馬達直接或通過減速器驅動機尾主動卷筒；2、有電動卷筒驅動主動卷筒旋轉。3、有電動機通過減速器驅動主動卷筒旋轉。為了實現(xiàn)巷道掘進機膠帶轉運機構卸載端上下調(diào)高和左右擺動，以使運轉的煤巖能夠準確地卸如礦車或轉載機中，可以在轉運機構的機尾安裝在掘進機尾部的回轉臺托架上，通過人力或者回轉油缸，使整個轉運機構的機尾繞回轉臺中心擺動一定的角度。這樣輸送機轉座與掘進機體主機架相連接，轉座可以圍繞立軸左右、上下擺動 左?20右。設置由一臺水平油缸推動。裝載機后架的下部裝 1 個升降油缸，起支撐轉載機的作用，也用來調(diào)節(jié)轉載機的卸載高度。2.1.2.4 行走機構實現(xiàn)形式及驅動方式行走機構有邁步式、導軌式和履帶式等幾種。履帶式行走機構可在底板不平或者松軟的條件下工作，不需要修路等，牽引力大，機動性能好，工作可靠，調(diào)動靈活和對底板適應性好等特點 [10]。采用履帶式行走機構。履帶式行走機構的驅動方式有兩種：電動機和液壓馬達。由于液壓回路的種種優(yōu)點，選取液壓馬達驅動。2.1.2.5 冷卻噴霧系統(tǒng)通常掘進機的除塵方式分為噴霧式和抽出式兩種。采用噴霧式除塵，用噴嘴把具有一定壓力的水高度擴散，使其霧化，使粉塵附在霧狀水粒表面沉淀下來，以達到滅塵效果。采用內(nèi)噴霧形式，在切割頭上裝設噴嘴，對著截齒噴射 [9]。72.1.2.6 電控系統(tǒng)電控系統(tǒng)包括動力部分、控制部分和檢測部分，電控系統(tǒng)必須按照煤礦井下防爆要求設計、制造、檢測，必須符合 GB3836-2000 標準中的有關規(guī)定和要求。為了提高掘進機在作業(yè)時的安全性，操作的靈活性以及機械傳動部分的故障診斷及監(jiān)控功能，從實用角度考慮，裝設必要的離機遙控裝置、測控壓力、溫度、液位及關鍵部位的故障診斷裝置 [11]。2.2 總體參數(shù)確定根據(jù)以上設計思想及設計結果進行掘進機的總體參數(shù)確定。掘進機的總體參數(shù)，是指主要性能參數(shù)。它表示了掘進機特性的指標。掘進機的總體參數(shù)有：機重、外形尺寸、可掘斷面、生產(chǎn)率、截深、擺動速度、切割力等 [5]。2.2.1 機器外形尺寸根據(jù)掘進機工作環(huán)境和要求，考慮到巷道的斷面和空間約束，機器高度越低越好，同時要滿足行業(yè)標準，一般小斷面掘進高度在 1.7m 以下，大斷面掘進機應低于 2m。中、重型機高度 1.6～2m，特輕型、輕型機高度 1.4～1.6m。機器固定部分的長度控制在 7m左右。機長的推薦值為：輕型機長 m，中型機長 m，重型機長 m，對應的寬度5.7?5.8?10?分別為 ， ， [12]。m6.1?5.23結合設計要求和工作情況掘進機的外形尺寸(長×寬×高)= 8.7×2.8×1.8(不含轉載機長度)。2.2.2 重量估算整機自重是掘進機的一個重要參數(shù)。機重太輕， 工作穩(wěn)定性下降， 擺動截割時會發(fā)生擺尾現(xiàn)象、截割效率下降，截齒損耗率增加；機重太重，機動性差，轉向靈活性下降。一般它的自重可按2-1估算[11] (2-1))4/(30jVNG?縱軸式掘進機總體設計及截割部設計8式中： —截割機構功率，kW；0N—截割頭平均截割速度， m/s； jV也可參照現(xiàn)有掘進機用類比法來確定，機重(t)與截割功率(kW) 之比為0.25～0.4。tG50?2.2.3 機器可掘斷面機器的規(guī)格和重量主要取卻于巷道斷面的大小。懸臂式掘進機掘進斷面的大小，決定于懸臂的長度和回轉角度。2.2.3.1 懸臂的長度和回轉角度的確定根據(jù)上文的結構選擇，伸縮機構類型采用內(nèi)伸縮式。(1)伸縮量。伸縮量要大于或等于截深，考慮伸縮部的結構和機器工作的穩(wěn)定性，懸臂伸縮量一般為 500~600mm[5]，選取 550mm。(2)懸臂長度和擺角一般情況下，巷道的形狀和規(guī)格確定后，按照巷道和最大高度和上下寬度，結合垂直擺動的中心高度，可以初步確定懸臂的長度和擺角。最大掘高 4.5m，上擺角 ，下擺角 ，取水平擺角 = 。?451???352????3由幾何關系可以得出，在最大掘寬 5.6m 下，懸臂長為：(2-2)maL39503sin/280????即懸臂長為 3950mm( 為垂直回轉中心 至水平回轉中心 的距離，取 650mm)。a1O2O回轉中心高：(2-3)H.2583sin5.4????(2-4)??4i.0即 mm 盡量降低重心，取 H=1600mm。0.138?H9根據(jù)幾何關系確定上擺角和下擺角。既上擺角 ，下擺角 。??321???28?2.2.3.2 機器可掘斷面參數(shù)的確定 [5]最大寬度(當懸臂在水平位置擺動時)：(2-5)?sin)(201maxLB??， ， ， ；6.5max?4501ma65?3?上部寬度(當懸臂在上極限位置左右擺動時)：(2-6)??sin)co(2101LB?， 8.4??32下部寬度(當懸臂在下部位置左右擺動時)：(2-7)??sin)co(220aLB?，m.5??8上擺高度： (2-101siH8) 4.201?下擺高度： (2-9)sin?LmH.02臥底深度： (2-)sin(i230???Lh10)， m20?03巷道高度： (2-H5.4201??11)可掘最大斷面： (2-12)2max01max012max02[()()]3.62SBBH??縱軸式掘進機總體設計及截割部設計10上式中： —切割頭前端至垂直回轉中心 的距離；01L1O—垂直回轉中心 至水平回轉中心 的距離；a12—水平回轉時，懸臂的擺角；?—垂直回轉的上擺角；1?—截割到巷道底面時，垂直回轉的下擺角；2—臥底時，懸臂垂直回轉的最大下擺角，可根據(jù)臥底深度來定，一般3可取 mm，這里取 200 mm。30~10?h2.2.4 截割機構技術參數(shù)的初步確定2.2.4.1 截割頭轉速及其功率的初步確定掘進機的動力源都采用交流電動機。截割機構功率大小，在實際設計中一般采用類比法，再結合掘進機的一些個性因素及經(jīng)驗來確定。截齒必須具有的一定的截割速度和足夠的截割力，才能實現(xiàn)對煤巖的有效破碎。顯然在一定的功率下，適當降低截割速度(或轉速)，將使截割力矩和截割力相應增加，有利于截割較硬的煤巖。同時，還可以降低截割頭上的動載荷，減少截齒的磨損和粉塵。通常，在煤和軟巖中，可取 ，截割頭轉速為 30~100 。對于中硬巖，m/s0.3~2?jV/minr可選 ，對于砂巖和石灰?guī)r，平均截割速度 =0.6~0.8 ，最高m/s6.1~80?jV jV/s=0.9~1 ，截割頭轉速為 20~40 [11]。目前市場上絕大多數(shù)掘進雙速掘進機的截j/ /inr割速度為 23r/min 和 46r/min，這兩種截割速度被認為是截割硬巖和煤巖的經(jīng)濟截割速度，所以本次設計的巖巷掘進機截割轉速也設定為 46r/min。結合行業(yè)標準 MT477-1996YBU 系列掘進機用隔爆型三相異步電動機選擇，確定截割功率為 200kW。2.2.4.2 切割頭的有關參數(shù)的確定 [5]11(1)切割頭長度切割頭長度的大小影響工作循環(huán)時間，它的選擇還與煤巖性質有關?？v軸式掘進機切割頭長度應略大于截深。目前，縱軸式掘進機切割頭的長度一般為 500~700 mm。大功率的掘進機可以在 1000 mm 左右。根據(jù)設計要求，確定本掘進機為中型掘進機，選擇切割頭的長度為 780 mm。(2)切割頭直徑切割頭直徑影響切割力和工作循環(huán)時間。當切割頭的功率和轉速一定時，切割頭的直徑將決定切割頭的切向切割力。切割頭直徑過大，將使切向切割力降低，如果切割力小于切割阻力，就不能完成切割任務。目前，縱軸式掘進機切割頭的直徑一般為 600~900 mm。大功率的掘進機可以在 1000 mm 以上。這里選擇切割頭的平均直徑為 800 mm。(3)切割頭錐角對于縱軸式掘進機的圓錐形切割頭，為了獲得比較平整的巷道頂、底板或者側壁，還應結合懸臂長度、回轉中心的位置來確定切割頭的錐角。設切割頭的半錐角為 ，懸臂水平擺角為 ，上下擺角分別為 、 。按幾何關系，??1?2要保證巷道的頂、底板、側壁平整，應使 。顯然對于確定的掘進機，其切???21割頭的半錐角 是定值。掘進機的水平擺角通常為 。這樣錐形切割頭的錐角確定?50~3在 之間。?50~3本掘進機設計結合同類掘進機運用情況，選取 。?4(4)螺旋頭數(shù)和升角螺旋頭數(shù)一般為兩頭和三頭。這里選擇兩頭旋轉葉片。有關參數(shù)在結構設計中確定。(5)切割速度和擺角速度截割功率一定時，切割速度決定切割力矩和切割力的大小?？v軸式掘進機總體設計及截割部設計12切割力矩為： (2-13)3012??nNMC?平均切割力： (2-14)/DPcc平均單齒切割力： (2-15)mCZ1式中： —為切割頭平均直徑，m；0D—為切割頭轉速， r/min；n—為切割力矩，CMN?—平均切割力，N；P—平均單齒切割力，N；C1—同時工作齒數(shù)，可取總齒數(shù)的一半。mZ懸臂式掘進機所能達到的最大截割能力總是與其截齒的截割速度有關。截割速度的選取一般取決于被截割巖石的特性， 在 1～5m/s 之間選取。對研磨性的硬巖石， 最大截割速度要受到截齒磨損的限制。例如，截割石英含量為 30%～40%，抗壓強度為100～120MPa 的砂巖時，最佳的截割速度為 1.5～ 2m/s。對易于截割的巖石(例如白堊和煤)，最大截割速度會受到粉塵濃度的限制。對煤炭一般選用 4～5m/s。根據(jù)本設計要求，確定截割速度 2.0m/s?？紤]到掘進機對煤巖特性應具有一定的適應范圍，通常在較軟的半煤巖中，可以選合理的工作擺動速度 ，在較硬的半煤巖中可以取 ，對于中3~2?bVm/in0.2~51m/in硬煤巖石，擺動速度不宜過大，取 [11]。5.1/i根據(jù)本設計要求，確定擺動速度為 1.4 。(6)最大扭矩最大扭矩的確定公式為：13(2-16)mnKM/max?式中： —切割最大扭矩；maxM—切割硬度 f=6 的巖石時候，切割頭平均扭矩。n， ；)/()17504( 3.0?VCLDVb???N?式中： —切割頭平均直徑，m；0D—切割頭長度，m；L—當量載荷因數(shù)。K具體數(shù)據(jù)在結構設計中確定。(7)牽引力切割頭回轉時，必須具有足夠的的牽引力，以便切割頭在擺動方向能有效地切入煤壁，保證切割工作的正常進行。切割頭平均直徑處牽引力為 牽引力一般為 30~60kN[5]。CsP)34.1~(?具體參數(shù)在結構設計中確定。2.2.4.3 電動機的選擇懸臂式掘進機切割頭功率一般在 =30~200kW 之間，差別比較大。切割電機功率估0N算公式為：， (2-17)kWnMNf),16/(0????式中： —切割頭每秒轉數(shù)；?n—為工作機構傳動效率，可以取 0.8；?—作用在切割頭旋轉軸的切割阻力矩， ，通過如下式子計算：f mN?cTkDPmzMP002???式中： —作用在一個齒上的切割阻力， N；—每條截線上的齒數(shù)；縱軸式掘進機總體設計及截割部設計14—切割頭上的總截線條數(shù)；P—切割頭平均直徑，m。0D根據(jù)行業(yè)標準 MT477-1996YBU 系列掘進機用隔爆型三相異步電動機選擇，確定截割功率為 200kw，額定電壓 AC1140 /660 V，轉速 1500rpm表 2-2 電動機的基本參數(shù) [13]Tab.2-2 The basic parameters of motor forms堵轉轉矩 堵轉電流 最小轉矩 最大轉矩功率/kW 效率 /%?功率因數(shù)/cos?額定轉矩 額定電流 額定轉矩 額定轉矩冷卻水流量/ 31mh??200 92 0.85 2.0 6.5 1.2 2.6 1.3圖 2-3 EBZ200E 掘進機的截割電機外形 [14]Fig.2-3 EBZ200E roadheader in Jiamusi Coal Mine Machinery Co. Ltd.2.2.4.4 回轉臺的布置及參數(shù)確定切割臂的上升、下降和左右回轉臺由裝在其上的各油缸來實現(xiàn)。回轉臺主要由回轉油缸、回轉座、連接臂、回轉架、升降油缸等部件構成。回轉座上裝有交叉軸承，即可承受徑向載荷，又可以承受軸向載荷。連接臂的左端用螺栓與切割臂固定在一起。工作時，切割臂隨連接臂助于升降油缸可以在垂直方向上升和下降足夠的角度；切割臂隨回轉臺油缸可以在水平方向左右各擺動 33°?；剞D臺中心高在 1600mm?；剞D臺直徑取 1600mm根據(jù)煤炭行業(yè)標準 MT475-1996《懸臂式掘進機回轉支承型式基本參數(shù)和技術要求》 ，15選取回轉支承結構型式為 01 系列——單排四點接觸球式。具體尺寸在結構設計中確定。2.2.5 裝運機構參數(shù)確定耙裝部機構采用弧形三齒星輪式，有左右兩個，對稱布置。裝載機構耙爪的轉速一般為 25～48r/min [11]，原動機為 2 臺液壓馬達，工作時交錯耙抓。轉速取 28 r/min。鏟煤板的傾斜角一般為 ，它的寬度應該比履帶外寬大 0.6～1.2m ，下降最低位置不應??5~21小于臥底深度，上升最大高度應到達 350～400mm。根據(jù)上文確定的原則，輸送機形式：邊雙鏈刮板式，刮板鏈規(guī)格： 18×64 圓環(huán)鏈，?輸送機槽寬：500mm，龍門高度：360mm。圖 2-4 EBZ200E 掘進機的雙邊刮板輸送機 [14]Fig.2-4 EBZ200E roadheader in Jiamusi Coal Mine Machinery Co., Ltd.2.2.6 行走履帶技術參數(shù)的確定與連接行走履帶技術參數(shù)的確定要符合煤炭行業(yè)標準 MT/T577-1996《懸臂式掘進機履帶機構型式與參數(shù)》的規(guī)定。2.2.6.1 行走履帶驅動方式及系統(tǒng)參數(shù)的確定履帶機構驅動裝置所需要的最小功率應能滿足掘進機在最大設計坡度上作業(yè)、爬坡、轉彎等工況的要求；最大功率應小于在水平路面履帶打滑時的功率。履帶機構驅動裝置為液壓馬達。液壓系統(tǒng)馬達回路額定壓力應符合下表的規(guī)定：表 2-3 液壓系統(tǒng)回路額定壓力系列 [15]縱軸式掘進機總體設計及截割部設計16Tab.2-3 Table of hydraulic pressure system circuit rated series6.3 10.0 12.5 16.0 20.0 25.0單位：Mpa結合目前我們同類同功率型號的掘進機，做類比，我們選擇液壓回路額定壓力16.0MPa。2.2.6.2 履帶的接地長度 、行駛寬度 和履帶寬度 的確定 [5]1l1b10b這些參數(shù)取決于地面的允許比壓、轉向性能、坡度橫向的穩(wěn)定性等。行駛寬度 按1b略?。?2-18)11)37.~0.(bl?(2-19)6b履帶機構履帶板寬度：表 2-4 履帶板寬度系列 [15]Tab.2-4 Table of the width of crawler mechanism series250 300 370 400 450 500 520 550 600 650單位：mm結合煤炭行業(yè)標準 MT/T577-1996《懸臂式掘進機履帶機構型式與參數(shù)》的規(guī)定(如表)，取履帶板寬度：450mm，行駛寬度 2800mm，履帶接地長度 3300mm。2.2.6.3 驅動輪直徑 1D采用后輪驅動，掘進機使用重量為 (kg)，則驅動輪直徑 (mm)經(jīng)驗公式：1m1D[5] (2-20)41)85~7(?取 =1100kg， =460mm1m12.2.6.4 履帶節(jié)距 jl縮小履帶節(jié)距 (mm)可以減少行駛速度的不均勻性；增大節(jié)距 ，可以改善接地比1jl 1jl17壓的分布。一般取節(jié)距 ， (kg)為轉載機的有效重量 [16]。取節(jié)距421)3~5.7(mlj?=120mm。1jl2.2.6.5 履帶機構公稱接地比壓的計算與確定公稱接地比壓由下式計算： LbGq02?[17] (2-21)式中： —公稱接地比壓， MPa；qG—履帶機構所屬掘進機的重量，N；01b—單邊履帶機構的履帶鏈寬度，mm；l—單邊履帶機構的接地長度， mm。履帶機構的公稱接地比壓為 0.14MPa。2.2.6.6 履帶機構的行走速度一般設計有工作和調(diào)動兩種速度。工作速度一般為 2～5m/min，調(diào)動速度一般為10～15m/min [18]。能實現(xiàn)快速調(diào)動和慢速作業(yè)的需要，行走機構用液壓馬達驅動，實現(xiàn) 0～10m/min 的無級調(diào)速。工作速度為 0～5m/min。2.2.6.7 履帶傳動的連接方式與履帶機構張緊結構型式有滑動和滾動兩種連接方式，滑動式結構簡單，內(nèi)阻較大，對特輕型、輕型、中型掘進機推薦采用滑動式結構型式。滾動式運行阻力較小，履帶架底部與履帶鏈相接接觸面磨損小。重型和特重型掘進機推薦采用這種結構形式。在履帶架底部裝設的支重輪，每個承載力應不小于機重的50%，間距一般為履帶板節(jié)距的1.5倍 [19]。履帶機構張緊行程應大于履帶鏈節(jié)距的一半。具體參數(shù)在結構設計中確定。2.2.7 噴霧系統(tǒng)的參數(shù)縱軸式掘進機總體設計及截割部設計18外噴霧系統(tǒng)，噴嘴設置在截割機構懸臂的前端，水壓為 1.5MPa。內(nèi)噴霧系統(tǒng)的噴嘴裝置設在截割頭截齒座的后面。內(nèi)噴霧系統(tǒng)的壓力不低于 4MPa。對截割硬巖石的情況下，應適當提高水壓和水量。同時內(nèi)外噴霧系統(tǒng)總水量不得超過掘進機實際生產(chǎn)能力的 6～8%，否則造成工作面煤泥積水現(xiàn)象 [18]。2.2.8 生產(chǎn)率掘進機的生產(chǎn)率包括截割生產(chǎn)率、裝載生產(chǎn)率和運輸生產(chǎn)率，它們之間存在一定的關系。(1)截割生產(chǎn)率截割生產(chǎn)率即機器的生產(chǎn)率，它又分為理論生產(chǎn)率、技術生產(chǎn)率和實際生產(chǎn)率。掘進機的理論生產(chǎn)率為 [20]： bTAVQ?60?(2-22)或者 r?式中： —掘進機理論生產(chǎn)率， ；TQhm/3?—掘進機理論生產(chǎn)率， ；t/?—煤巖松散系數(shù)，一般取 =1.5；?0A—截割頭的橫截面積，㎡；bV—截割頭橫向擺動速度， ；min/r—煤巖的容重， 。3/thAQbT /64.150.60????技術生產(chǎn)率是指掘進機在給定條件下連續(xù)工作一小時獲得的最大生產(chǎn)率，可按下式確定：19taeVKQ90? (2-23)或 r?若用進尺速度表示，則為： SaetL60? (2-24)式中： —技術生產(chǎn)率， ；Qhm/3?—技術生產(chǎn)率， ；tL—進尺速度，m/h；a—截割頭沿工作面移動所破碎煤巖的厚度，m；e—截割頭截入工作面的深度，m；S—巷道的毛斷面積，㎡；tK—掘進機工作不連續(xù)系數(shù)，即掘進機純截割時間與總循環(huán)時間的比值。 VLTt601??式中： —因更換截齒或掘進調(diào)動等原因使掘進機停歇的時間，min；K—可靠性系數(shù)，一般取 K=0.9～0.8；L—每個工作循環(huán)的工作機構行程，m ，可按下式確定：)120(1???BH式中： —巷道頂寬，m；012—巷道底寬，m；0D—截割頭直徑，m；H—巷道高度，m ；實際生產(chǎn)率是指掘進機在一般工作時間內(nèi)的實際平均生產(chǎn)率。要考慮司機操縱機器和工作面實際情況造成的一些不可避免的時間損失等?？v軸式掘進機總體設計及截割部設計20(2)中間輸送機生產(chǎn)率中間輸送機的最大生產(chǎn)能力為： 206AVQts??(2-25)式中： —生產(chǎn)率， ；sQhm/3?—裝滿系數(shù)。依使用條件，如輸送機傾角、煤巖硬度、塊度、溫度及溜槽結構定，一般取 =0.95～0.9；tV—鏈速， ；in/20A—輸送機斷面，㎡，由下式確定：22tan41?Bh?? 式中： —輸送機槽寬，m；2h—輸送機有效高度，m；?—貨載堆積角，即高于槽幫煤巖的安息角。 2220tan41?BhA??219.010t5.365m??。hAVQts/5 19.06.630??(3)裝載機生產(chǎn)率膠帶式裝載機的輸送能力按下式計算： CVKBQdd260?(2-26)式中： —膠帶輸送能力， ；dQhm/321K—斷面系數(shù)；dV—帶速， ；min/C—傾角系數(shù)；B—帶寬，m； CVKBQdd260?hm/596.09.8.32??掘進機的設計以截割生產(chǎn)率為依據(jù)，而裝載、輸送、裝載的生產(chǎn)能力應稍高于截割生產(chǎn)率，要滿足以下關系： dSZTQ?(2-27)過高或過低都會影響設備的協(xié)調(diào)工作。本掘進機設定的裝載效率為 230 ，在做結構設計的時候以此為依據(jù)，所以裝載hm/3機的效率可以是 230 。由此滿足式(2-27)，掘進機工作協(xié)調(diào)。h/32.3 掘進機的傳動系統(tǒng)根據(jù)上文的設計和選型，確定的掘進機的傳動系統(tǒng)圖如下：縱軸式掘進機總體設計及截割部設計227 8 9 10 11 1217 18191 2 3 4 5 613161415圖 2-5 掘進機的傳動系統(tǒng)Fig.2-5 The drive system of roadheader1—內(nèi)齒輪 2—中心輪 3—二級中心輪 4—行星輪 5—電動機 6、7—圓錐齒輪 8—鏈輪 9—鏈輪軸 10—內(nèi)齒輪 11—二級行星減速機 12—齒輪 13—油馬達 14—齒輪 15—齒圈 16—油馬達 17、18—渦輪蝸桿 19—星輪2.4 總體布置圖231234567圖 2-6 掘進機的總體布置圖Fig.2-6 The overall layout of roadheader1—切割部；2—裝載部；3—行走部；4—液壓系統(tǒng)；5—電氣系統(tǒng)；6—轉載部；7—噴霧系統(tǒng)2.5 總體參數(shù)總結縱軸式掘進機總體設計及截割部設計24根據(jù)設計的要求和目的，進行了掘進機的總體方案設計。這里確定了本掘進機的型號為 EBZ200。這里大多運用到行業(yè)標準，以及各煤炭科學研究院所的研究成果和經(jīng)驗公式。為了保證實用性，在參數(shù)的選取上，盡量實現(xiàn)優(yōu)化，現(xiàn)把各總體參數(shù)總結如下：1) 初步確定切割電機功率 200kW ；2) 截割頭轉速 46 ；min/r3) 履帶行走速度 0～5/10 ；4) 履帶板寬 450mm；5) 行駛寬度 3000 mm；6)履帶接地長度 3300mm；7)機 長 8.7 m；8)機 寬 2.8 m；9)機 高 1.8 m；10)最大掘高 4.5 m；11)最大掘寬 5.6 m；12)巷道坡度 ±16°；13)水平回轉時，懸臂的擺角 ；?3??14)垂直回轉的上擺角 ；?21?15)截割到巷道底面時，垂直回轉的下擺角 ；?28??16)臥底時，懸臂垂直回轉的最大下擺角 ；?30??17)可掘最大斷面 ； 2max6.3S?18)懸臂長為 3950mm；19)伸縮部伸縮量 550mm；20)供電電源 AC1140V；縱軸式掘進機總體設計及截割部設計03 懸臂式掘進機截割機構方案設計3.1 截割部的組成掘進機截割部主要由截割電動機、截割機構減速器、截割頭、懸臂筒組成。見圖 3-1.截割部是掘進機直接截割煤巖的裝置，其結構型式、截割能力、運轉情況直接影響掘進機的生產(chǎn)能力、掘進效率和機體的穩(wěn)定性，是衡量掘進機性能的主要因素和指標。因此，工作部的設計是掘進機設計的關鍵。1 截割頭 2 伸縮部 3 截割減速機 4 截割電機圖 3-1 縱軸式截割部Figure 3-1Vertical axis-type cutting unit圖 3-2 截割頭遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文）1Figure 3-2Cutting head?3.2 截割部電機及傳動系統(tǒng)的選擇切割電機的選擇應根據(jù)工作條件選取，由設計要求可知，所設計的掘進機可截割硬度為小于 85Mpa 的中硬巖，查表 2-1 可知應該選取功率為 200KW 的截割電動機。電機動力經(jīng)傳動系統(tǒng)傳向截割頭進行截割，且機體為焊接結構，前端與行星減速器相聯(lián)，后端聯(lián)接回轉臺。電機輸出力矩，通過花鍵套傳遞給減速器，再由花鍵套傳到主軸，主軸通過內(nèi)花套鍵與截割頭相聯(lián)，把力(矩)傳遞到割頭上，截割頭以此方式進行工作。?3.3 截割頭及截齒類型的選擇截割頭是掘進機的工作機構，主要功能是破碎和分離煤巖，是掘進機直接用來破碎煤巖的部件，是掘進機的關鍵部件。切割頭裝有截齒，用語破碎煤巖的部件。切割頭主要由截割頭體、齒座、螺旋葉片、截齒、噴嘴及筋板等構成；螺旋葉片焊在切割頭體上，沿螺旋線并按截線間距排列齒座和截齒。縱軸式掘進機切割頭的形狀通常有圓柱形、圓錐形、圓錐圓柱形幾種。圓錐形切割頭有利于鉆進工作面，也能保證切割出來的巷道表面較平整，保證巷道坡度，也不會給支護工作帶來麻煩 [5]。所以選擇圓錐形切割頭。?3.3.1 截齒的設計（1）截齒類型的選擇在截割頭上安裝扁齒（又稱刀齒或徑向齒）或鎬齒（又稱錐形齒或切向齒） 。由于煤巖超硬即按原蘇聯(lián)根據(jù)接觸強度值的大小把巖石分為六類中的中等堅固，選用鎬齒。齒柄為圓錐體，插入齒座后，用 U 型銷或環(huán)形鋼絲固定。當截割煤巖時，齒能在齒座內(nèi)自由轉動，使齒尖磨損均勻，保持齒尖銳利。齒柄上有環(huán)形槽，用之以卡住齒。（2）截齒排列參數(shù)的確定①每線齒數(shù)對于較硬的煤和硬巖，通常選用毎線一齒。否則，就會出現(xiàn)加深截槽的現(xiàn)象，即同一截線上的截齒只是加深由前一個截齒截出的截槽，而崩落的效果極為微弱。對于每線一齒，在排列上應使第 i 條截線上的截齒的圓周角 與螺旋角頭數(shù) 和相鄰截線上截齒i?0m的角度 保持下列關系： 。21?i?01)(36miii ????②截線間距 S它表征相鄰截齒齒尖軌跡的距離，其值影響單個截齒載荷、受力大小、破碎效果和縱軸式掘進機總體設計及截割部設計2功率消耗。對縱軸式切割頭選擇截線間距時，尤其應考慮煤巖特性和水平擺動速度，因為截線間距在切割過程中發(fā)生變化，總之，確定截線間距時應全面考慮煤巖性質、截割厚度、牽引速度等因素。橫切割頭在擺動切割時，實際截割間距隨擺動速度變化，而切深保持不變。實驗證明，被截下的煤巖量與截線間距和切深有關，過小的截線間距使煤巖過于粉碎，產(chǎn)生粉塵、單位能耗高、截割效率低。過大的間距則會在煤壁上保留棱邊，也引起截割效率減少，正確的截線間距是切深的二倍，即 。{h -截齒切snZvhS/2'?'深，m； -牽引速度或擺動速度，m/min；n-切割頭轉速，r/min； -一條截線上的截齒sv數(shù)。具體選取時可以參照下表的經(jīng)驗值。表 3-1 橫切割頭截割參數(shù)與礦物特性關系Table 3-1 the relation of transverse cutting head ‘s cutting parameters and mineral characteristics礦物特性 超硬材料 硬材料 中硬材料 軟材料單向抗壓強度/Mpa ＞80 60-80 30-60 ＜30牽引速度/（m/s） 0．2-0．4 0．3-0．4 0．35-0．6 0．65截線距/mm 40-50 50-60 60-100 70-120③相鄰鎬齒間的最佳間距由 式 4-13 知：s/d=tg ]8[ ?s 為兩相鄰截齒的中心距；d 為直徑； 為斷面傾斜著經(jīng)過一 時的計算值。 時鎬???形截齒的圓錐角的一半。?3.3.2 截齒的排列（1）截齒排列方式①順序式。截齒是一個挨一個進行截割的，形成的截槽兩邊不對稱，截齒兩側受力不等。另外，這種布置方式，切削斷面較小。其條件是：螺旋頭數(shù)與毎線齒數(shù)之比為 1.②交叉式。截齒以一個間隔一個的次序進行截割的，形成兩側接近對稱的截槽，可以保證截齒兩側受力基本平衡，切屑面積大，截割比能耗低。這種排列方式有利于降低截齒的側向和截割比能耗。其條件是：螺旋頭數(shù)與毎線齒數(shù)之比為 2.遼寧工程技術大學畢業(yè)設計（論文）3圖 3-3 截齒排列方式Figure 3-3 pick arrangement way（2）截齒排列圖圖 3-4 截齒排列Figure 3-4 pick arrangement左截割頭的排列為右旋，右截割頭的排列為左旋。這樣，在工作時割落的煤巖拋向兩個截割頭的中間，改善了截割時的受力情況和裝載效果。（3）截齒的安裝①截割角 α（又叫切削角） 。截割角是截齒軸線與齒尖運動軌跡的切線之間的夾角。