毕业设计（论文）-纵轴式掘进机总体设计及截割部设计.doc

目 录前言11 设计要求及目的22 总体方案设计32.1 机型的选定及主要部件的结构形式的确定32.1.1 机型的选定32.1.2 各部件的结构型式的确定42.2 总体参数确定82.2.1 机器外形尺寸82.2.2 重量估算82.2.3 机器可掘断面92.2.4 截割机构技术参数的初步确定112.2.5 装运机构参数确定152.2.6 行走履带技术参数的确定与连接162.2.7 喷雾系统的参数182.2.8 生产率182.3 掘进机的传动系统222.4 总体布置图232.5 总体参数总结243悬臂式掘进机截割机构方案设计263.4截割速度方案设计363.5传动方案设计373.5.1工况特点及要求373.5.2传动类型的设计373.6伸缩部方案确定384截割部减速机构设计404.1电机选择404.1.1截割速度404.1.2截割功率404.1.3选择电机404.2截割减速器结构设计414.2.1传动比的分配424.2.2 各轴功率、转速和转矩的计算424.2.3 齿轮部分设计435技术经济性分析556 结论56致 谢57参考文献58全套图纸加扣3012250582 前言煤矿掘进是煤炭生产和建设的基础工程。近年来，我国煤矿掘进机械化得到了迅速的发展，装备水平也有很大的提高，在自主创新能力上也有长足的进步。煤炭工业是我国国民经济的主要支柱产业。在未来50年内，煤炭仍是主要的能源和战略物质，具有不可替代性，是国民经济和社会发展的保证。随着国民经济的快速发展，以及国加入WTO后，煤炭工业现代化的步伐也在加快。目前，国内掘进机发展水平相对落后，巷道掘进成为煤矿发展的一个瓶颈，制约着煤炭工业的发展。各国早期研制的悬臂式掘进机都是以煤炭为作业对象，机重在13-17吨之间、切割功率在30KW左右的轻型机，代表机型是前苏联的-3型掘进机。中期产品主要是用于切割煤系地层中的各种煤岩的中型掘进机，机重在25吨左右、切割功率50-100KW，可切岩石硬度系数f6，如英国的MKA-2400型、奥地利的AM-50型、日本的S100型等。近期产品主要是以煤系地层中的中硬度岩石为作业对象的重型机，一般机重40-80吨、切割功率150-200KW、可切岩石硬度系数f8，如英国的LH-1300型、奥地利的AM-75型、日本的S200M型掘进机等。我国的掘进机技术开发工作始于1965年，最初是仿前苏联的-3型掘进机，1979年后，先后从日本、奥地利、英国、美国、西德、原苏联、匈牙利引进了多种型号的掘进机，通过引进日本MRH-5100-41型、奥地利AM-50等型掘进机的制造技术和先进加工设备，并进行技术转化，到1989年底，我国已自行研制成功了AM50、ELM-55、EMIA-30、EL-90、5100等6种8个型号的掘进机，使我国中小型掘进机不再依赖进口。此后，我国又开始了重型掘进机技术开发和研制工作。1999年，煤科总院太原分院开发出了EBJ-160型掘进机，2001年，佳木斯煤机厂又完成了从日本引进S200M型掘进机的消化吸收、国产化任务。经过几代人的不懈努力，截止到目前为止，我国掘进机的开发研究在轻型及中重型上己其本达到国际先进水平，但在重型掘进机的研究上，与一些发达国家的产品还存在着一定的差距。1 设计要求及目的设计用途：设计符合要求的纵轴式悬臂掘进机与截割部设计。基本要求：1)最大掘高4.5m；2)最大掘宽5.6m；3)巷道坡度16；4) 机高M 小于2M，机重大于45； 5)能够在煤层、半煤层下施工，切割煤岩最大单向抗压强度可达100Mpa，可切割性能指标适用切割煤岩硬度，普氏系数f小于等于8，岩石的研磨系数小于等于Mg15。2 总体方案设计悬臂式掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三大系统组成，并通过主体部将各执行机构有机的组合于一体。总体方案设计主要是进行掘进机的选型和总体参数的确定。2.1 机型的选定及主要部件的结构形式的确定2.1.1 机型的选定掘进机的发展方向是定型化、系列化、并向“大断面”、“高硬度”发展，掘进机的性能、外形、结构和重量应能很好地适应煤岩的性质和巷道的尺寸。根据任务书的要求，按行业标准MT1381995悬臂式掘进机的型式与参数，MT238.3-2006悬臂式掘进机|第3部分|通用技术条件选定机型类别。要考虑的掘进机用途有：煤矿井下巷道的掘进、其他行业的工程作业，要考虑掘进机的工作条件：切割煤层巷、半煤层巷，煤岩的单向抗压强度(或普氏系数f值)及岩石的腐蚀系数。特轻、轻型掘进机以掘进煤巷为主，它的特点应突出经济、灵活、方便，在截割巷道断面尺寸方面有较大的适应性。中型掘进机以掘进半煤岩巷道为主，在截割岩石硬度方面适应性较强，但机器设计不宜过于笨重和庞大，在使用时有较大的覆盖面。重型掘进机是具有更高切割能力的掘进机，应用范围更加广泛。根据设计的要求和目的，机型选择重型。基本参数应当符合表格的规定。表2-1 掘进机型式的基本参数6Tab.2-1 Table of the basic parameters of roadheader models技术参数单位机型特轻轻中重超重切割煤岩最大单向抗拉强度MPa生产能力煤，0.60.8煤夹矸，0.350.40.50.60.6切割机构功率kW90200适应工作最大坡度(绝对值)不小于()可掘巷道断面5126167208281032机重(不包括转载机)t2.1.2 各部件的结构型式的确定2.1.2.1 切割机构切割机构主要由切割头，水冷电动机，减速器，伸缩机构和回转台等组成，具有破碎煤岩功能的机构。(1)切割头的选择切割头装有截齿，用语破碎煤岩的部件。切割头主要由截割头体、齿座、螺旋叶片、截齿、喷嘴及筋板等构成；螺旋叶片焊在切割头体上，沿螺旋线并按截线间距排列齿座和截齿。纵轴式掘进机切割头的形状通常有圆柱形、圆锥形、圆锥圆柱形几种。圆锥形切割头有利于钻进工作面，也能保证切割出来的巷道表面较平整，保证巷道坡度，也不会给支护工作带来麻烦5。所以选择圆锥形切割头。(2)切割电动机切割电机为外水冷式，且机体为焊接结构，前端与行星减速器相联，后端联接回转台。电机输出力矩，通过花键套传递给减速器，再由花键套传到主轴，主轴通过内花套键与截割头相联，把力(矩)传递到割头上，截割头以此方式进行工作。切割电机的选择在根据工作条件选取，而且应当符合行业标准MT477-1996YBU系列掘进机用隔爆型三相异步电动机。(3)行星减速器主要由箱体、减速齿轮、二级行星轮架、输入、输出轴构成。太阳轮与行星轮相啮合，此行星轮通过两个轴承装在星轮轴上，两端装有孔用弹性挡圈，星轮装在第一级行星架相应的轴孔内，内轮与箱体组成一体并与行星轮啮合带动第一级行星架，实现第一级减速7。第二级的太阳轮与第一级行星架为渐开县花键联结，太阳轮与第二行星轮啮合，此行星轮装在第二级的轮轴，此轮轴装在第二级行星架相应轴孔内。这里内轮与减速器壳体组成一体与行星轮啮合，此星轮不仅自转还绕太阳轮公转，从而实现第二级减速器。图2-1 EBZ200E掘进机的截割部行星减速器结构Fig.2-1 EBZ200E roadheader in Jiamusi Coal Mine Machinery Co. Ltd.(4)伸缩机构伸缩机构有内伸缩式和外伸缩式。内伸缩式结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活方便，因此采用内伸缩式。伸缩机构由保护筒，伸缩内、外筒，花键套，密封座，主轴，轴承，隔套，旋转密封、油封等构成。位于截割头和二级行星减速器之间，通过花键联接使主轴旋转运动，带动截割头旋转，通过油缸伸缩带动伸缩部实现伸缩5。图2-2 悬臂伸缩原理图Fig.2-2 The fig of the cantilever flex(a)外伸缩式 (b)内伸缩式1 悬臂；2 减速器；3 电动机；4 伸缩油缸；5 滑架；6 花键主轴；7 内套；8 联轴器；9 外套 (5)回转台的设计要求51)回转装置反映在切割头上的回转力和回转速度要满足切割工作要求；2)回转台要能够承受机器工作时的各种载荷反力的作用，要有足够的刚度；3)与悬臂配合，所具有的回转角度要满足掘进端面的要求；4)结构紧凑、运转平稳，工作可靠。同时回转台的设计要符合中国煤炭行业标MT475-1996悬臂式掘进机回转支承型式基本参数和技术要求。2.1.2.2 装运机构装载机构机构由铲板部分与中间刮板输送机等组成。由2台液压马达，直接驱动链轮，带动刮板链组实现物料运输5。(1)铲板部铲板部分由耙装部、减速器、耙爪等组成。装载部实现采掘下煤矿等接受采集，经过中间输送机，把煤矿输送到后续的输送带上。铲板部有双环形刮板链式，螺旋式装载式，蟹爪式装载式，星轮式等。由于星轮式装载式结构简单，工作可靠，外尺寸小，因此选星轮式装载方式8。耙装部机构采用弧形三齿星轮式，有左右两个，对称布置。 (2)中间刮板运输机输送机构，采用刮板链式输送机，一般由机尾向机头方向倾斜向上布置。输送机构由以机头轴为主动轴时，由设置在机头的液压马达或电机，通过减速器装置驱动机头轴运转。这样机构复杂。可以设置机尾为主动轴，由设置在机尾的驱动装置，带动刮板链式输送机工作，简化结构。采用双边链运输型式，底板呈直线形，保证运输顺畅，提高溜槽及刮板使用寿命。采用两个液压马达直接驱动链轮，带动刮板链组实现物料运输。可以适当提高龙门，减少一运运输过程中大块物料卡阻9。2.1.2.3 转载机转载机大多采用胶带输送机的形式。胶带转载机构的传动方式有三种5，1、由油马达直接或通过减速器驱动机尾主动卷筒；2、有电动卷筒驱动主动卷筒旋转。3、有电动机通过减速器驱动主动卷筒旋转。为了实现巷道掘进机胶带转运机构卸载端上下调高和左右摆动，以使运转的煤岩能够准确地卸如矿车或转载机中，可以在转运机构的机尾安装在掘进机尾部的回转台托架上，通过人力或者回转油缸，使整个转运机构的机尾绕回转台中心摆动一定的角度。这样输送机转座与掘进机体主机架相连接，转座可以围绕立轴左右、上下摆动左右。设置由一台水平油缸推动。装载机后架的下部装1个升降油缸，起支撑转载机的作用，也用来调节转载机的卸载高度。2.1.2.4 行走机构实现形式及驱动方式行走机构有迈步式、导轨式和履带式等几种。履带式行走机构可在底板不平或者松软的条件下工作，不需要修路等，牵引力大，机动性能好，工作可靠，调动灵活和对底板适应性好等特点10。采用履带式行走机构。履带式行走机构的驱动方式有两种：电动机和液压马达。由于液压回路的种种优点，选取液压马达驱动。2.1.2.5 冷却喷雾系统通常掘进机的除尘方式分为喷雾式和抽出式两种。采用喷雾式除尘，用喷嘴把具有一定压力的水高度扩散，使其雾化，使粉尘附在雾状水粒表面沉淀下来，以达到灭尘效果。采用内喷雾形式，在切割头上装设喷嘴，对着截齿喷射9。2.1.2.6 电控系统电控系统包括动力部分、控制部分和检测部分，电控系统必须按照煤矿井下防爆要求设计、制造、检测，必须符合GB3836-2000标准中的有关规定和要求。为了提高掘进机在作业时的安全性，操作的灵活性以及机械传动部分的故障诊断及监控功能，从实用角度考虑，装设必要的离机遥控装置、测控压力、温度、液位及关键部位的故障诊断装置11。2.2 总体参数确定根据以上设计思想及设计结果进行掘进机的总体参数确定。掘进机的总体参数，是指主要性能参数。它表示了掘进机特性的指标。掘进机的总体参数有：机重、外形尺寸、可掘断面、生产率、截深、摆动速度、切割力等5。2.2.1 机器外形尺寸根据掘进机工作环境和要求，考虑到巷道的断面和空间约束，机器高度越低越好，同时要满足行业标准，一般小断面掘进高度在1.7m以下，大断面掘进机应低于2m。中、重型机高度1.62m，特轻型、轻型机高度1.41.6m。机器固定部分的长度控制在7m左右。机长的推荐值为：轻型机长m，中型机长m，重型机长m，对应的宽度分别为，12。结合设计要求和工作情况掘进机的外形尺寸(长宽高)= 8.72.81.8(不含转载机长度)。2.2.2 重量估算整机自重是掘进机的一个重要参数。机重太轻， 工作稳定性下降， 摆动截割时会发生摆尾现象、截割效率下降，截齿损耗率增加；机重太重，机动性差，转向灵活性下降。一般它的自重可按2-1估算11 (2-1)式中： 截割机构功率，kW；截割头平均截割速度，m/s； 也可参照现有掘进机用类比法来确定，机重(t)与截割功率(kW)之比为0.250.4。2.2.3 机器可掘断面机器的规格和重量主要取却于巷道断面的大小。悬臂式掘进机掘进断面的大小，决定于悬臂的长度和回转角度。2.2.3.1 悬臂的长度和回转角度的确定根据上文的结构选择，伸缩机构类型采用内伸缩式。(1)伸缩量。伸缩量要大于或等于截深，考虑伸缩部的结构和机器工作的稳定性，悬臂伸缩量一般为500600mm5，选取550mm。(2)悬臂长度和摆角一般情况下，巷道的形状和规格确定后，按照巷道和最大高度和上下宽度，结合垂直摆动的中心高度，可以初步确定悬臂的长度和摆角。最大掘高4.5m，上摆角，下摆角，取水平摆角=。由几何关系可以得出，在最大掘宽5.6m下，悬臂长为： (2-2)即悬臂长为3950mm(为垂直回转中心至水平回转中心的距离，取650mm)。回转中心高： (2-3) (2-4)即mm尽量降低重心，取H=1600mm。根据几何关系确定上摆角和下摆角。既上摆角，下摆角。2.2.3.2 机器可掘断面参数的确定5最大宽度(当悬臂在水平位置摆动时)： (2-5)，；上部宽度(当悬臂在上极限位置左右摆动时)： (2-6)， 下部宽度(当悬臂在下部位置左右摆动时)： (2-7)，上摆高度： (2-8)下摆高度： (2-9)卧底深度： (2-10)， 巷道高度： (2-11)可掘最大断面： (2-12)上式中： 切割头前端至垂直回转中心的距离；垂直回转中心至水平回转中心的距离；水平回转时，悬臂的摆角；垂直回转的上摆角；截割到巷道底面时，垂直回转的下摆角；卧底时，悬臂垂直回转的最大下摆角，可根据卧底深度来定，一般可取 mm，这里取200 mm。2.2.4 截割机构技术参数的初步确定2.2.4.1截割头转速及其功率的初步确定掘进机的动力源都采用交流电动机。截割机构功率大小，在实际设计中一般采用类比法，再结合掘进机的一些个性因素及经验来确定。截齿必须具有的一定的截割速度和足够的截割力，才能实现对煤岩的有效破碎。显然在一定的功率下，适当降低截割速度(或转速)，将使截割力矩和截割力相应增加，有利于截割较硬的煤岩。同时，还可以降低截割头上的动载荷，减少截齿的磨损和粉尘。通常，在煤和软岩中，可取，截割头转速为30100。对于中硬岩，可选，对于砂岩和石灰岩，平均截割速度=0.60.8 ，最高=0.91 ，截割头转速为204011。目前市场上绝大多数掘进双速掘进机的截割速度为23r/min和46r/min，这两种截割速度被认为是截割硬岩和煤岩的经济截割速度，所以本次设计的岩巷掘进机截割转速也设定为46r/min。结合行业标准MT477-1996YBU系列掘进机用隔爆型三相异步电动机选择，确定截割功率为200kW。2.2.4.2 切割头的有关参数的确定5(1)切割头长度切割头长度的大小影响工作循环时间，它的选择还与煤岩性质有关。纵轴式掘进机切割头长度应略大于截深。目前，纵轴式掘进机切割头的长度一般为500700 mm。大功率的掘进机可以在1000 mm左右。根据设计要求，确定本掘进机为中型掘进机，选择切割头的长度为780 mm。(2)切割头直径切割头直径影响切割力和工作循环时间。当切割头的功率和转速一定时，切割头的直径将决定切割头的切向切割力。切割头直径过大，将使切向切割力降低，如果切割力小于切割阻力，就不能完成切割任务。目前，纵轴式掘进机切割头的直径一般为600900 mm。大功率的掘进机可以在1000 mm以上。这里选择切割头的平均直径为800 mm。(3)切割头锥角对于纵轴式掘进机的圆锥形切割头，为了获得比较平整的巷道顶、底板或者侧壁，还应结合悬臂长度、回转中心的位置来确定切割头的锥角。设切割头的半锥角为，悬臂水平摆角为，上下摆角分别为、。按几何关系，要保证巷道的顶、底板、侧壁平整，应使。显然对于确定的掘进机，其切割头的半锥角是定值。掘进机的水平摆角通常为。这样锥形切割头的锥角确定在之间。本掘进机设计结合同类掘进机运用情况，选取。(4)螺旋头数和升角螺旋头数一般为两头和三头。这里选择两头旋转叶片。有关参数在结构设计中确定。(5)切割速度和摆角速度截割功率一定时，切割速度决定切割力矩和切割力的大小。切割力矩为： (2-13)平均切割力： (2-14)平均单齿切割力： (2-15)式中： 为切割头平均直径，m； 为切割头转速，r/min； 为切割力矩， 平均切割力，N；平均单齿切割力，N；同时工作齿数，可取总齿数的一半。悬臂式掘进机所能达到的最大截割能力总是与其截齿的截割速度有关。截割速度的选取一般取决于被截割岩石的特性， 在15m/s之间选取。对研磨性的硬岩石， 最大截割速度要受到截齿磨损的限制。例如，截割石英含量为30%40%，抗压强度为100120MPa的砂岩时，最佳的截割速度为1.52m/s。对易于截割的岩石(例如白垩和煤)，最大截割速度会受到粉尘浓度的限制。对煤炭一般选用45m/s。根据本设计要求，确定截割速度2.0m/s。考虑到掘进机对煤岩特性应具有一定的适应范围，通常在较软的半煤岩中，可以选合理的工作摆动速度，在较硬的半煤岩中可以取，对于中硬煤岩石，摆动速度不宜过大，取11。根据本设计要求，确定摆动速度为1.4。(6)最大扭矩最大扭矩的确定公式为： (2-16)式中： 切割最大扭矩；切割硬度f=6的岩石时候，切割头平均扭矩。，；式中：切割头平均直径，m；切割头长度，m；当量载荷因数。具体数据在结构设计中确定。(7)牵引力切割头回转时，必须具有足够的的牵引力，以便切割头在摆动方向能有效地切入煤壁，保证切割工作的正常进行。切割头平均直径处牵引力为牵引力一般为3060kN5。具体参数在结构设计中确定。2.2.4.3 电动机的选择悬臂式掘进机切割头功率一般在=30200kW之间，差别比较大。切割电机功率估算公式为：， (2-17)式中： 切割头每秒转数；为工作机构传动效率，可以取0.8；作用在切割头旋转轴的切割阻力矩，通过如下式子计算：式中： 作用在一个齿上的切割阻力，N；每条截线上的齿数；切割头上的总截线条数；切割头平均直径，m。根据行业标准MT477-1996YBU系列掘进机用隔爆型三相异步电动机选择，确定截割功率为200kw，额定电压AC1140 /660 V，转速1500rpm表 2-2电动机的基本参数13Tab.2-2 The basic parameters of motor forms功率/kW效率/%功率因数/堵转转矩堵转电流最小转矩最大转矩冷却水流量/额定转矩额定电流额定转矩额定转矩200920.852.06.51.22.61.3图2-3 EBZ200E掘进机的截割电机外形14Fig.2-3 EBZ200E roadheader in Jiamusi Coal Mine Machinery Co. Ltd.2.2.4.4 回转台的布置及参数确定切割臂的上升、下降和左右回转台由装在其上的各油缸来实现。回转台主要由回转油缸、回转座、连接臂、回转架、升降油缸等部件构成。回转座上装有交叉轴承，即可承受径向载荷，又可以承受轴向载荷。连接臂的左端用螺栓与切割臂固定在一起。工作时，切割臂随连接臂助于升降油缸可以在垂直方向上升和下降足够的角度；切割臂随回转台油缸可以在水平方向左右各摆动33。回转台中心高在1600mm。回转台直径取1600mm根据煤炭行业标准MT475-1996悬臂式掘进机回转支承型式基本参数和技术要求，选取回转支承结构型式为01系列单排四点接触球式。具体尺寸在结构设计中确定。2.2.5 装运机构参数确定耙装部机构采用弧形三齿星轮式，有左右两个，对称布置。装载机构耙爪的转速一般为2548r/min11，原动机为2台液压马达，工作时交错耙抓。转速取28 r/min。铲煤板的倾斜角一般为，它的宽度应该比履带外宽大0.61.2m，下降最低位置不应小于卧底深度，上升最大高度应到达350400mm。根据上文确定的原则，输送机形式：边双链刮板式，刮板链规格： 1864圆环链，输送机槽宽：500mm，龙门高度：360mm。图2-4 EBZ200E掘进机的双边刮板输送机14Fig.2-4 EBZ200E roadheader in Jiamusi Coal Mine Machinery Co., Ltd.2.2.6 行走履带技术参数的确定与连接行走履带技术参数的确定要符合煤炭行业标准MT/T577-1996悬臂式掘进机履带机构型式与参数的规定。2.2.6.1 行走履带驱动方式及系统参数的确定履带机构驱动装置所需要的最小功率应能满足掘进机在最大设计坡度上作业、爬坡、转弯等工况的要求；最大功率应小于在水平路面履带打滑时的功率。履带机构驱动装置为液压马达。液压系统马达回路额定压力应符合下表的规定：表2-3 液压系统回路额定压力系列15Tab.2-3 Table of hydraulic pressure system circuit rated series6.310.012.516.020.025.0单位：Mpa结合目前我们同类同功率型号的掘进机，做类比，我们选择液压回路额定压力16.0MPa。2.2.6.2 履带的接地长度、行驶宽度和履带宽度的确定5这些参数取决于地面的允许比压、转向性能、坡度横向的稳定性等。行驶宽度按略小： (2-18) (2-19)履带机构履带板宽度：表2-4 履带板宽度系列15Tab.2-4 Table of the width of crawler mechanism series250300370400450500520550600650单位：mm结合煤炭行业标准MT/T577-1996悬臂式掘进机履带机构型式与参数的规定(如表)，取履带板宽度：450mm，行驶宽度2800mm，履带接地长度3300mm。2.2.6.3 驱动轮直径采用后轮驱动，掘进机使用重量为(kg)，则驱动轮直径(mm)经验公式：5 (2-20)取=1100kg，=460mm2.2.6.4 履带节距缩小履带节距(mm)可以减少行驶速度的不均匀性；增大节距，可以改善接地比压的分布。一般取节距，(kg)为转载机的有效重量16。取节距=120mm。2.2.6.5 履带机构公称接地比压的计算与确定公称接地比压由下式计算： 17 (2-21)式中： 公称接地比压，MPa； 履带机构所属掘进机的重量，N； 单边履带机构的履带链宽度，mm； 单边履带机构的接地长度，mm。履带机构的公称接地比压为0.14MPa。2.2.6.6 履带机构的行走速度一般设计有工作和调动两种速度。工作速度一般为25m/min，调动速度一般为1015m/min18。能实现快速调动和慢速作业的需要，行走机构用液压马达驱动，实现010m/min的无级调速。工作速度为05m/min。2.2.6.7 履带传动的连接方式与履带机构张紧结构型式有滑动和滚动两种连接方式，滑动式结构简单，内阻较大，对特轻型、轻型、中型掘进机推荐采用滑动式结构型式。滚动式运行阻力较小，履带架底部与履带链相接接触面磨损小。重型和特重型掘进机推荐采用这种结构形式。在履带架底部装设的支重轮，每个承载力应不小于机重的50%，间距一般为履带板节距的1.5倍19。履带机构张紧行程应大于履带链节距的一半。具体参数在结构设计中确定。2.2.7 喷雾系统的参数外喷雾系统，喷嘴设置在截割机构悬臂的前端，水压为1.5MPa。内喷雾系统的喷嘴装置设在截割头截齿座的后面。内喷雾系统的压力不低于4MPa。对截割硬岩石的情况下，应适当提高水压和水量。同时内外喷雾系统总水量不得超过掘进机实际生产能力的68%，否则造成工作面煤泥积水现象18。2.2.8 生产率掘进机的生产率包括截割生产率、装载生产率和运输生产率，它们之间存在一定的关系。(1)截割生产率截割生产率即机器的生产率，它又分为理论生产率、技术生产率和实际生产率。掘进机的理论生产率为20： (2-22)或者 式中：掘进机理论生产率，； 掘进机理论生产率，； 煤岩松散系数，一般取=1.5；截割头的横截面积，；截割头横向摆动速度，；煤岩的容重，。技术生产率是指掘进机在给定条件下连续工作一小时获得的最大生产率，可按下式确定： (2-23)或 若用进尺速度表示，则为： (2-24)式中： 技术生产率，； 技术生产率，； 进尺速度，m/h；截割头沿工作面移动所破碎煤岩的厚度，m；截割头截入工作面的深度，m；巷道的毛断面积，；掘进机工作不连续系数，即掘进机纯截割时间与总循环时间的比值。 式中：因更换截齿或掘进调动等原因使掘进机停歇的时间，min； 可靠性系数，一般取K=0.90.8； 每个工作循环的工作机构行程，m，可按下式确定： 式中：巷道顶宽，m； 巷道底宽，m； 截割头直径，m； 巷道高度，m；实际生产率是指掘进机在一般工作时间内的实际平均生产率。要考虑司机操纵机器和工作面实际情况造成的一些不可避免的时间损失等。(2)中间输送机生产率中间输送机的最大生产能力为： (2-25)式中： 生产率，； 装满系数。依使用条件，如输送机倾角、煤岩硬度、块度、温度及溜槽结构定，一般取=0.950.9； 链速，； 输送机断面，由下式确定： 式中：输送机槽宽，m； 输送机有效高度，m；货载堆积角，即高于槽帮煤岩的安息角。 。(3)装载机生产率胶带式装载机的输送能力按下式计算： (2-26)式中：胶带输送能力，； K断面系数； 带速，； C倾角系数； B带宽，m；掘进机的设计以截割生产率为依据，而装载、输送、装载的生产能力应稍高于截割生产率，要满足以下关系： (2-27)过高或过低都会影响设备的协调工作。本掘进机设定的装载效率为230，在做结构设计的时候以此为依据，所以装载机的效率可以是230。由此满足式(2-27)，掘进机工作协调。2.3 掘进机的传动系统根据上文的设计和选型，确定的掘进机的传动系统图如下：图2-5 掘进机的传动系统Fig.2-5 The drive system of roadheader1内齿轮 2中心轮 3二级中心轮 4行星轮 5电动机 6、7圆锥齿轮 8链轮 9链轮轴 10内齿轮 11二级行星减速机 12齿轮 13油马达 14齿轮 15齿圈 16油马达 17、18涡轮蜗杆 19星轮2.4 总体布置图图2-6 掘进机的总体布置图Fig.2-6 The overall layout of roadheader1切割部；2装载部；3行走部；4液压系统；5电气系统；6转载部；7喷雾系统2.5 总体参数总结27根据设计的要求和目的，进行了掘进机的总体方案设计。这里确定了本掘进机的型号为EBZ200。这里大多运用到行业标准，以及各煤炭科学研究院所的研究成果和经验公式。为了保证实用性，在参数的选取上，尽量实现优化，现把各总体参数总结如下：1) 初步确定切割电机功率200kW；2) 截割头转速 46 ；3) 履带行走速度 05/10 ；4) 履带板宽 450mm；5) 行驶宽度 3000 mm；6)履带接地长度 3300mm；7)机 长 8.7 m；8)机 宽 2.8 m；9)机 高 1.8 m；10)最大掘高 4.5 m；11)最大掘宽 5.6 m；12)巷道坡度 16；13)水平回转时，悬臂的摆角；14)垂直回转的上摆角 ；15)截割到巷道底面时，垂直回转的下摆角 ；16)卧底时，悬臂垂直回转的最大下摆角 ；17)可掘最大断面 ； 18)悬臂长为 3950mm；19)伸缩部伸缩量 550mm；20)供电电源 AC1140V；辽宁工程技术大学毕业设计（论文）3悬臂式掘进机截割机构方案设计3.1截割部的组成掘进机截割部主要由截割电动机、截割机构减速器、截割头、悬臂筒组成。见图3-1.截割部是掘进机直接截割煤岩的装置，其结构型式、截割能力、运转情况直接影响掘进机的生产能力、掘进效率和机体的稳定性，是衡量掘进机性能的主要因素和指标。因此，工作部的设计是掘进机设计的关键。1 截割头 2 伸缩部 3 截割减速机 4 截割电机图3-1 纵轴式截割部Figure 3-1Vertical axis-type cutting unit图3-2截割头Figure 3-2Cutting head3.2 截割部电机及传动系统的选择切割电机的选择应根据工作条件选取，由设计要求可知，所设计的掘进机可截割硬度为小于85Mpa的中硬岩，查表2-1可知应该选取功率为200KW的截割电动机。电机动力经传动系统传向截割头进行截割，且机体为焊接结构，前端与行星减速器相联，后端联接回转台。电机输出力矩，通过花键套传递给减速器，再由花键套传到主轴，主轴通过内花套键与截割头相联，把力(矩)传递到割头上，截割头以此方式进行工作。3.3 截割头及截齿类型的选择截割头是掘进机的工作机构，主要功能是破碎和分离煤岩，是掘进机直接用来破碎煤岩的部件，是掘进机的关键部件。切割头装有截齿，用语破碎煤岩的部件。切割头主要由截割头体、齿座、螺旋叶片、截齿、喷嘴及筋板等构成；螺旋叶片焊在切割头体上，沿螺旋线并按截线间距排列齿座和截齿。纵轴式掘进机切割头的形状通常有圆柱形、圆锥形、圆锥圆柱形几种。圆锥形切割头有利于钻进工作面，也能保证切割出来的巷道表面较平整，保证巷道坡度，也不会给支护工作带来麻烦5。所以选择圆锥形切割头。3.3.1 截齿的设计（1）截齿类型的选择在截割头上安装扁齿（又称刀齿或径向齿）或镐齿（又称锥形齿或切向齿）。由于煤岩超硬即按原苏联根据接触强度值的大小把岩石分为六类中的中等坚固，选用镐齿。齿柄为圆锥体，插入齿座后，用U型销或环形钢丝固定。当截割煤岩时，齿能在齿座内自由转动，使齿尖磨损均匀，保持齿尖锐利。齿柄上有环形槽，用之以卡住齿。（2）截齿排列参数的确定每线齿数对于较硬的煤和硬岩，通常选用毎线一齿。否则，就会出现加深截槽的现象，即同一截线上的截齿只是加深由前一个截齿截出的截槽，而崩落的效果极为微弱。对于每线一齿，在排列上应使第i条截线上的截齿的圆周角与螺旋角头数和相邻截线上截齿的角度保持下列关系：。截线间距S它表征相邻截齿齿尖轨迹的距离，其值影响单个截齿载荷、受力大小、破碎效果和功率消耗。对纵轴式切割头选择截线间距时，尤其应考虑煤岩特性和水平摆动速度，因为截线间距在切割过程中发生变化，总之，确定截线间距时应全面考虑煤岩性质、截割厚度、牵引速度等因素。横切割头在摆动切割时，实际截割间距随摆动速度变化，而切深保持不变。实验证明，被截下的煤岩量与截线间距和切深有关，过小的截线间距使煤岩过于粉碎，产生粉尘、单位能耗高、截割效率低。过大的间距则会在煤壁上保留棱边，也引起截割效率减少，正确的截线间距是切深的二倍，即。h-截齿切深，m；-牵引速度或摆动速度，m/min；n-切割头转速，r/min；-一条截线上的截齿数。具体选取时可以参照下表的经验值。表3-1 横切割头截割参数与矿物特性关系Table 3-1 the relation of transverse cutting head s cutting parameters and mineral characteristics矿物特性超硬材料硬材料中硬材料软材料单向抗压强度/Mpa8060-8030-6030牵引速度/（m/s）02-0403-04035-06065截线距/mm40-5050-6060-10070-120相邻镐齿间的最佳间距由式4-13知：s/d=tg s为两相邻截齿的中心距；d为直径；为断面倾斜着经过一时的计算值。时镐形截齿的圆锥角的一半。3.3.2 截齿的排列（1）截齿排列方式顺序式。截齿是一个挨一个进行截割的，形成的截槽两边不对称，截齿两侧受力不等。另外，这种布置方式，切削断面较小。其条件是：螺旋头数与毎线齿数之比为1.交叉式。截齿以一个间隔一个的次序进行截割的，形成两侧接近对称的截槽，可以保证截齿两侧受力基本平衡，切屑面积大，截割比能耗低。这种排列方式有利于降低截齿的侧向和截割比能耗。其条件是：螺旋头数与毎线齿数之比为2.图3-3 截齿排列方式Figure 3-3 pick arrangement way（2）截齿排列图图3-4 截齿排列Figure 3-4 pick arrangement左截割头的排列为右旋，右截割头的排列为左旋。这样，在工作时割落的煤岩抛向两个截割头的中间，改善了截割时的受力情况和装载效果。（3）截齿的安装截割角（又叫切削角）。截割角是截齿轴线与齿尖运动轨迹的切线之间的夹角。实验表明截割角在45-55之间时截割阻力最小。此范围内，截齿以较好的位置锲入岩石，它对切割头很重要。大的角虽然提高切削效率，但磨损比较严重，容易使齿尖变钝，以致无法切入矿物。当角很小时，所需进给力增大，容易使截齿超载，此时，截齿不仅轴线方向承受负荷，而且齿顶方向负荷较大，使进给力和切削力达到十分有效的使用效果，经德国矿冶技术有限公司试验分析，推荐最佳的截割角为46.图3-5 镐形齿的安装角度Figure 3-5 pickaxe shape cutting pick installment angle倾斜角。截齿按倾斜角安装，保证截齿在横向摆动截割时，沿合速度方向截入岩体。由于截割头横摆速度远远低于截割速度，因此，角很小。（）。为了使刀齿能磨损均匀，保持锐利的工作状态，以便降低截割阻力，根据实践和实验表明，截齿应向截割头横摆方向偏转8。这样，截齿的运动方向与进入岩体方向一致，也有助于截齿的自转。3.3.3掘进机截割头载荷计算当截割头的结构、几何尺寸以及截齿排列方式等都已确定，就应当进行截割头载荷计算，这是截割头设计的重要一步。截割头的载荷大小与煤岩性质、截齿结构尺寸、截齿布置参数等因素有关，而且随位置不同而变化。这是由于截割头工作时，煤岩的破碎是不连续的，每个截齿的截割阻力成周期性变化，因此截割头上的载荷是随时间变化的。通过截割头载荷计算可以求得截割头的各载荷曲线，由此得出载荷的最大值、最小值、平均值和摆动值以及载荷的合力作用点。这种确定截割头的载荷的方法比较科学、准确，便于对截割头的载荷和截割特性的研究。（1）切屑厚度的计算当截割头横向摆动截割时，在圆周范围内，每个截齿最大工作角度为180。如果顺着截割头旋转轴朝工作面方向看，截齿工作半周的切屑断面成月牙形。当每条截线上有两齿时，最大切屑厚度是在同一条截线相邻二齿相继截割而形成的。当每条截线上有一齿时，这个齿的切割深度即最大切屑厚度。确切的说，最大切屑厚度是指在横向在与巷道中线垂直方向的切屑断面厚度。截割头上第i个齿的最大切屑厚度himax应按下式计算：式中 vbi：第i个截齿横向摆动速度； i：第i个截齿截割头中心线的角度； n： 截割转速； m：同一条截线上截齿数。 在截割头工作过程中，n和m是不变化的，i的变化范围也不大，只有vbi有较明显的变化。在截割同一种煤岩时，靠近截割头小端处的截齿有较大的切屑厚度