（机械设计及理论专业论文）ebz160型掘进机内伸缩臂参数优化设计.pdf

摘要 捅要 目前，部分断面掘进机在我国矿业生产中得到了广泛应用，论文简要介绍了 掘进机国内外发展概况及其在我国的应用情况，分析了我国掘进机伸缩臂的研究 设计水平。指出了截割头内伸缩臂研究的意义。 本文以e b z 1 6 0 部分断面掘进机为例，介绍了其主要结构、基本参数、工作 原理，分析了内伸缩截割臂的结构和工作原理。通过对伸缩截割臂运动和力学的 分析，得到了其不同工况下的数学模型。 利用s o l i d w o r k s 软件对掘进机伸缩截割臂的截割头主轴、花键套、伸缩内筒、 伸缩外筒、伸缩保护筒和浮动密封架进行三维建模，并完成装配，再使用 s i m u l a t i o n 软件对装配体进行有限元分析，对主要零件的分析结果进行处理，得 到其应力和位移。结果发现，e b z 1 6 0 型掘进机内伸缩臂整体受力和变形均匀， 无明显突变现象，但伸缩外筒和伸缩内筒变形较大，磨损严重，这与其实际工作 情况相符。比较各影响因素对伸缩内筒和伸缩外筒变形的影响度的大小。指出，外 部载荷对其影响最大，伸缩量影响次之。提出，应根据不同的煤岩硬度采取不同 的截割速度，这样能较好的保护伸缩臂和保证生产效率。 图5 9表l参4 4 关键词：掘进机伸缩臂磨损s o l i d w o r k s 有限元分析参数优化 分类号：( 1 2 ) ：t h 4 2 1 5 安徽理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，p a r t i a l s i z et u n n e l i n gm a c h i n e sa l eu s e dw i d e l yi nm i n i n gp r o d u c t i o n i no u rc o u n t r y t h ep a p e ri n t o d u e e st h ed o m s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n t s u r v e yo ft h e r o a d h e a d e re x p a n s i o ni n t e r n a lc u t t i n ga n n ，a n dp o i n t so u tt h es i g n i f i c a n c eo f t h es t u d y i nt h i s p a p e r , p a r t i a l s i z et u n n e l i n gm a c h i n e o fe b z 16 0i sm a d ea sa l l e x a m p l e i n t r o d u c e d t h em a c h i n eo nt h em a i ns 仃u c t u r e ，b a s i c p a r a m e t e r , w o r k i n g p r i n c i p l e a n a l y s i st h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ee x p a n s i o ni n t e r a n lc u t t i n g a l t n a f e rt h ea n a l y s i so ft h ek i n e m a t i c sa n dm e c h a n i c sa b o u tt h ee x p a n s i o nc u t t i n g a r m ，w ec a nf i n dt h em a t h e m a t i cm o d e lu n d e rt h et i p i c a lw o r k i n gc o n d i t i o n e r e c tt h et h r e e - d i m e n s i o nm o d e lf o rt h ee x p a n s i o np r o t e c t i v ec a n i s t e r , e x p a n s i o n e x t e r n a l c a n i s t e r , e x p a n s i o n i n t e r n a l c a n s i t e r , f l o a t i n ga i r p r o o ff r a m e ，c u t t i n gh e a d s p i n d l et h r o u g ht h es o f t w a r es o l i d w o r k s ，t h e n ，s e tt h e mu p ，t h ef i n i t ea n a l y s i so nt h e e x p a n s i o nc u t t i n ga l t nt h r o u g ht h es o f t w a r es i m u l a t i o n t h r o u g ht h ef i n i t ea n a l y s i sw e c a nf i n dt h a tt h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o no fc u t t i n ga r i na l ee v e n n oa b r u p tc h a n g e t h e d e s i g no fc u t t i n ga 1 1 t li sr e a s o n a b l e b u tt h ed i s p l a c e m e n ta b o u tt h ee x p a n s i o ne x t e r n a l c a n i s t e ra n de x p a n s i o ni n t e n a lc a n s i t e ri st o og r e a t t h i si si n l i n ew i t ht h e i ra c t u a l w o r k f a c t o r sw e r ec o m p a r e dw i t h i nt h ee x p a n s i o ne x t e r n a l c a n i s t e ra n de x p a n s i o n i n t e n a lc a n i s t e rd e f o r m a t i o nd e g r e eo fs i z e p o i n to u tt h a ti ti sg r e a t e s ti m p a c to nt h e e x t e r n a ll o a d p r o p o s e ds h o u l db eb a s e do nt h eh a r d n e s so fc o a lo fd i f f e r e n tc u t t i n g s p e e d st o d i f f e r e n t t h i sc a l lb eb e t t e r p r o t e c t e dt h ec u t t i n ga r ma n dt oe n s u r e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c y f i g u r e5 9 t a b l e1r e f e r e n c e4 4 k e y w o r d s ：r o a d h e a d e rc u t t i n ga r m w e a la n dt e a rs o l i d w o r k s f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i so p t i m i z ep a r a m e t e r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 4 21 5 i i 引言 引言 悬臂式掘进机是煤矿井下巷道施工的主要掘进设备。我国于1 9 6 2 年开始掘进 机的研制工作，经过几十年的发展，我国在悬臂式掘进机的设计、生产、使用等 方面都有了较大发展，并开始走向了国际市场。但与国外相比，我国在掘进机的 设计、开发阶段还存在不小差距。目前，我们的设计理念、设计手段、制造工艺、 检测实验等方面相对都比较落后。 随着掘进机的迅速发展，国内专家、学者从多方面、多角度对掘进机进行了 研究。陈淑莲针对悬臂式掘进机切割头运动特性进行过研究，并分别推导和建立 横截割头和纵截割头刀齿尖的运动方程，分析了其运动特性。黄艳等研究了悬臂 掘进机断面的成型过程与成型原理，建立了断面成型控制的数学模型，分析了横 轴式截割头刀齿的运动轨迹、速度和加速度以及在截割过程中，截割头的摆动力 与摆动速度的变化规律，并从保证截割头功率或截割力充分发挥的原则出发，导 出了截割力与摆动力合理匹配关系数的一般范围，从而为液压摆动机构的设计提 供了理论依据。 从现在掌握的情况来看，目前针对掘进机内伸缩的研究相对较少；中国煤炭 研究总院太原研究院的杨春海，就掘进机的内伸缩臂的机构的改进进行过研究。 然而内伸缩式掘进机在使用时，往往位子伸缩内筒和伸缩外筒的地方磨损严重， 易损坏。本论文主要是利用有限元分析方法检验该区域是否存在较大变形，寻找 其影响因素，并适当进行优化，以改善使用特性。 安徽理：t = 大学硕士学位论文 1绪论 掘进机械主要用于矿山及地下工程中的巷道掘进。同传统的钻爆法相比、采 用掘进机作业，具有掘进速度快、巷道成型和稳定性好、瓦斯突出少、利于支护、 工程量小、劳动强度低、生产安全等优点。 悬臂式掘进机是煤矿井下巷道施工的主要掘进设备，根据截割头与截割臂的 结构形式，掘进机可分为两类：纵轴式掘进机和横轴式掘进机。纵轴式掘进机是 一种部分断面巷道掘进机，在工作时，截割头的旋转轴线与截割臂轴线重合，这 种掘进机向工作面方向推进时，不受任何限制，就可达到截割深度，因此，钻进 效率较高，尤其在煤巷掘进中使用较为经济，如图1 ( a ) 所示。横轴式掘进机主要 由截割头、工作臂、装碴铲板、回转台、驾驶室、中间输送机、行走机构、液压 系统、电气系统和喷雾降尘系统等组成。在工作时，截割头截齿按空间螺旋线运 动。向工作面推进时，由于受两半球截割头中间的传动箱所限，每次进刀的深度 较小，须作大量左右摆动，才能达到截深。横轴式掘进机截割头呈圆形，截割后 在两侧巷道上出现与截割头形状相等的弧形台阶。截割较硬煤岩时的振动明显低 于纵轴式掘进机，稳定性能好。如a m - 5 0 、e b z - 7 5 等型掘进机属此机型，如图1 ( b ) 所示。 ( a ) 纵轴式掘进机( b ) 横轴式掘进机 图1 掘进机的图形 f i g 1p i c t u r eo fr o a d h e a d e r 1 1 掘进机的国内外研究 2 1 绪论 1 1 1 我国掘进机发展情况 我国于1 9 6 2 年开始掘进机的研制工作，最初是仿前苏联产品，机身轻，功率 小，性能差，未广泛应用。2 0 世纪6 0 年代初期到7 0 年代末，这一阶段主要是以 引进国外掘进机为主，也定型生产了几种机型，在引进的同时进行消化、吸收， 为我国悬臂式掘进机的第二阶段的发展打下了良好的技术基础。这一阶段掘进机 的主要特点是：使用范围越来越广，切割能力逐步提高，有切割夹岩和过断层的 能力。 2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代末，我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并 逐步地实现了国产化，其典型的代表是与奥地利、日本合作生产的a m 5 0 型及 s 1 0 0 型，这两种机型现已成为国内市场主导产品。其后，国产掘进机研制步伐也 在加快，我国自行设计制造了几种悬臂式掘进机，先后研制了e l 一9 0 ，e l m b 。5 5 ， e b j 6 5 4 8 ，e l m b ，e m i a 3 0 ，e m s 7 5 ，e l 9 0 ，e b j 1 3 2 ，e b j - 1 6 0 ，m r h s 1 0 0 一4 1 ， e b h 1 3 2 ，a m 5 0 e j 7 0 等机型。这一阶段悬臂式掘进机的特点是：可靠性较高， 已能适应我国煤巷掘进的需要；半煤岩巷的掘进技术已达到相当的水平。 由2 0 世纪8 0 年代末至今，重型机型大批出现，悬臂式掘进机的设计与制造 水平已相当先进，可以根据矿井生产的不同要求实现部分个性化设计，这一阶段 的代表机型较多，主要有e b j 型，e l 型及e b h 型。这一阶段悬臂式掘进机的特点 是：设计水平较为先进，可靠性大幅提高，功能更加完善，功率更大，一些高新 技术已用于机组的自动化控制并逐步发展到全岩巷的掘进。经过几十年的发展， 我国悬臂式掘进机的设计、生产、使用进人了一个较高的水平，并开始走向了国 际市场。 目i ； 我国掘进机设计开发与制造也存在一些急需解决的问题，首先是产品设 计理念、设计手段相对落后。无论是研究院所还是制造厂，更多重视追求应用技 术，轻视基础理论的研究。其次是产品制造工艺、检测实验手段、加工设备相对 落后。还有就是主要产品的核心技术并没有完全掌握，我国掘进机的开发主要是 引进、跟踪仿制，缺少创新和自主的知识产权，如液压阀的核心技术靠外国公司 提供。最后是产品使用寿命、可靠性相对进口产品较差，对产品的可靠性和工艺 研究不够。国内技术攻关只侧重于设计结构研究，很少进行可靠性理论、工艺方 法研究。主机用原材料、关键部件如轴承、密封、机电、电气元件、液压元部件 等，在使用寿命和可靠性上都存在较大的差距。这些问题严重影响了产品的可靠 性和使用寿命，需要国内掘进机研究生产厂家在今后的工作中不断探索攻关加以 一3 安徽理：j ：大学硕士学位论文 解决【1 】【2 1 。 1 1 2 国外掘进机发展情况 在全世界范围内，自第二次世界大战以来的几十年，新的理论和新技术被应 用到掘进机的设计、制造和使用之中，使矿山掘进机械有了巨大的进步。劳动者 的劳动强度大大减轻，生产效率得到大幅度提高。 目前，国外掘进机的型式趋于系列化和多样化。截割头的功率5 0 - 4 0 0k w ， 机重最轻的有十几吨，最重的可达1 6 0 吨。国外新型掘进机均配备有完善的工况 监测和故障诊断系统，从而可早期发现故障，快速排除故障，大大减少停机时间。 有些重型掘进机还可配置自动控制系统，可以使机器的生产率提高3 0 左右，还 可以保证切割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当引起的尖峰负荷，从而延 长机器的使用寿命约2 0 。此外，一些发达国家的掘进机电控系统，除完成常规 的控制以外，还具有遥控、程控功能，增设掘进断面自动控制和掘进定向功能， 使掘进机按预定方案作业，大大提高了其自动化程度和掘进效率。 总的看来，近些年来国外悬臂式掘进机的发展与研究情况主要体现在以下几 个方面： 1 切割功率能力稳定提高，机器的可靠性高。据报道，日本成功地使用t m 6 0 k 型掘进机掘进全岩巷引水隧道，截割抗压强度高达1 7 0 2 0 0m p a 的岩石，目前最 大的w a v 4 0 8 型掘进机重达1 6 0t ，切割功率可达4 0 8k w ，定位切割断面面积可 达8 7 5m 2 。以先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加工精度都能进 行严格的控制，又有优越的国际协作条件，选购外购范围宽广，有效地保证了主 机的质量水平。此外，近年来广泛采用了可靠性技术，其突出表现为简化机械结 构，在齿轮传动、机械联接及液压传动方面尽量减少串联系统，有的地方以嵌装 式结构代替螺栓组结构，既简化了结构，又大大提高了整机的可靠性。 2 配套设备多样化。为充分发挥掘进机效能，各国都十分重视综掘( 掘锚一体化) 作业线配套设备的研究。为缩短支护时间，在中间稳定顶板条件下，常用机载锚 杆钻机支护，为使掘进机与支护平行作业，运用超前液压支架或自带盾牌掩护支 架。在后配套运输方面，通常采用桥式、带式转载机，后配带式输送机，有条件 时设置活动煤仓。 3 采用机电一体化技术。国外新型掘进机均配有完善的工况检测和故障诊断系 统，从而可以在早期发现机器故障，并快速排除故障，大大缩短了机器的停机时 间，生产率相应大幅度提高；这样还可以保证切割机构的负载平稳，从而延长机 - 4 1 绪论 器的使用寿命。部分新型掘进机可实现推进方向监控、截割路线循环程序控制、 切割断面轮廓尺寸监控。 4 研究探索新的截割技术，如高压水射流掘进机的研制、冲击振动式截割机具的 研制等。 3 1 1 4 1 5 】 1 2 悬臂式掘进机发展的趋势 纵观国内和国外悬臂式掘进机的发展情况，各国都在技术方面进行创新，未 来的发展趋向如下： 1 重型化、大功率。随着采煤机械化程度的提高和巷道断面的不断扩大，掘进 机面对越来越硬和研磨性更强的岩石，单向抗压强度超过1 7 0 m p a 。因此，开发研 制高功率、大质量的重型硬岩掘进机尤为迫切。目前，国外许多重型掘进机截割 功率达到2 0 0 3 0 0 k w ，最高可达5 0 0 k w 。而我国重型掘进机尚处于发展阶段，截割 功率目前己达2 0 0 k w 。越来越高的截割功率虽然可提供给截割头巨大的截割力， 但使机器的振动进一步加剧，对生产率、机器的寿命和日常保养都将产生不利影 响。随之而来的是机器的重量将越来越大，以增加稳定性。 2 掘、钻、锚一体化。研制集掘、钻、锚为一体的采掘锚综合机组，以实现快 速掘进的同时又能打眼安装锚杆，支护顶板、侧帮，实现掘进、支护平行作业， 解决掘进机利用率低的问题。因此，掘、钻、锚一体化是实现巷道快速掘进，满 足高产、高效工作面发展需要的重要技术途径。 3 喷雾降尘设备随机化。目前，掘进机大多设有内、外喷雾装置，但对呼吸性 粉尘降尘效果差，喷嘴堵塞严重。因此，对现有机型设置机载降尘设备，强化外 喷雾的使用效果，将会使掘进机在工作时的粉尘浓度大大降低。 4 智能化、自动化。配置激光导向系统、计算机断面控制系统和遥控系统，以 降低对操作人员的反应要求，提高生产效率和生产能力。 5 矮型化。在加大机重、截割功率和提高截割硬度的前提下，注重发展机身较 低的机型，以易于井下运输和适用于掘进中、小断面巷道，同时也为配置其他辅 助设备( 锚杆安装机、辅助工作平台等) 带来了方便。 6 附件化。保留必要的截、装、运、行主要组成功能，将降尘、辅助支护等装 置以附件形式出现。这样，可根据需要选择装配各种附加件，给设计、制造、使 用都带来方便。 7 装载运输装置亦采用可伸缩型结构，保证机器的机动性和适应性。液压系统 逐步趋于完善、可靠。 5 安徽理工大学硕士学位论文 1 3 我国煤矿主力机型简介 我国掘进机技术经过了4 0 多年的发展，取得了较大的进步。但和西方发达国 家相比，仍存在较大的差别。目前，我国煤矿广泛应用的机型有以下几种。 1 a m 5 0 、s 1 0 0 型掘进机 a m 5 0 、s 10 0 型悬臂式掘进机是2 0 世纪8 0 年代我国以技贸合作方式引进生 产的中硬煤层巷道掘进机。设备集截割、装运和行走为一体，采用了多种新结构、 新技术，具备截割夹矸煤巷的能力，截割功率均为1 0 0 1 c w ，截割断面积8 , - - , 1 8 m 2 ， 机重约2 0 t ，a m 5 0 为横向截割头、s 1 0 0 型掘进机为纵向截割头，截割面积皆较 小，但单刀截割力较大，能截割较硬的岩石，适应多种地质条件。这两种机型都 有体积小、质量轻、安装移动灵活等特点。其配套设备为q z p 1 6 0 型转载机、 s s j 6 0 0 型可伸缩带式输送机，实现国产化后已在全国累计推广2 0 0 多台。a m 5 0 、 s 一1 0 0 型掘进机均为国外上世纪7 0 年代的产品，设备功率小，机身轻、破岩能力 低及电控装备可靠性差，仅适合条件较好的煤或半煤岩巷道中使用。 2 e b j 1 3 2 ，e b j 1 2 0 型掘进机 针对a m 5 0 ，s 1 0 0 型掘进机在使用中暴露出的截割能力小，稳定性和工作可 靠性较差等问题，我国自行研制开发了e b j 一1 3 2 ，e b j 1 2 0 t p 型掘进机。这些新 产品具有以下技术特点：1 ) 机身矮、重心低、结构紧凑、可靠性高、操作简单、 维护方便，适合于中等断面巷道掘进；2 ) 采用小直径截割头，单刀截割力大，截 齿布置合理，破岩过断能力强，截割振动小，工作稳定性好；3 ) 液压、电气系统 功能先进，可靠性好。 3 e b j 1 6 0 型半煤岩巷道掘进机 e b j 1 6 0 型半煤岩巷道掘进机是国家“八五”科技攻关重点项目产品。该机采 用多种先进的结构设计，整体布置合理，工作可靠，具有生产能力大，截割硬度 高，调动速度快、工作稳定性好、截齿消耗低等特点，其整机综合指标达到9 0 年代先进水平。e b j 1 6 0 型重型掘进机不但适用于煤和半煤岩综采工作面巷道掘 进，也适用于类似条件下的工程隧道掘进。目前该机已经批量生产，并出口俄罗 斯，同时也在河南、四川等铁路隧道工程上推广使用【6 】【7 】【8 】【9 1 。 1 4 掘进机内伸缩臂研究的意义 近几年，随着我国采煤技术装备与矿井配套设施的快速发展，使得矿井生产 能力和自动化程度大幅提高，人们对其性能也提出了越来越高的要求。截割臂是 6 1 绪论 掘进机的工作机构，它的稳定性、可靠性直接影响着整机性能。【1 o 】【1 1 1 掘进机性能的好坏不仅仅取决于各构件的单独性能，而且在很大程度上取决 于构件匹配情况。截割头和内伸缩臂是掘进机的重要构件，其不合理匹配，就无 法发挥出各自的性能。合理匹配，对掘进效率、使用寿命和降低能耗等有着重要 意义。1 1 2 j ”】掘进机截割臂在设计时，其匹配状况并不能令人满意。首先根据设计 者的经验进行设计、试制、试验，然后通过试验结果的对比，修改设计方案，再 试制、试验，如此反复，才能得到一种较好的设计方案。这种设计方法耗资大、 周期长。因此，设计者因受时间和经费所限往往简单地采用参照法决定参数匹配， 其结果虽然能满足基本性能要求，但没有充分发挥其性能指标。因此，为了提高 设计质量，缩短研制周期，在设计阶段采用计算机模拟计算，优化参数，提高掘 进机整机性能是极其必要的。 本课题是针对e b z 1 6 0 型掘进机内伸缩截割臂，采用理论与有限元分析相结 合的方法，分析其内伸缩臂工作性能，并对其参数进行优化设计，这对于提高掘 进机的工作性能和整机寿命具有重要意义 1 5 论文的主要研究内容 根据课题的要求，在课题的研究过程中主要开展以下几方面的工作： 1 e b z1 6 0 型内伸缩式掘进机的工作原理、结构特点和工作过程。 2 内伸缩机构的运动和力学分析，建立内伸缩臂力学模型； 3 用s o l i d w o r k s 对内伸缩臂主要零件进行三维实体建模，并完成截割臂的装 配，利用s o l i d w o r k ss i m u l a t i o n 对内伸缩臂装配体做有限元分析； 4 逐个分析各零件的分析结果，研究影响伸缩内筒和伸缩外筒变形的因素，寻 找优化方案； 5 优化前后性能比较。 安徽理i t 大学硕+ 学位论文 2e b z 16 0 型掘进机基本结构和技术参数 e b z 1 6 0 型悬臂式掘进机是集切割、装载、运输、行走于一体的巷道综合掘 进设备，可用于切割任意形状断面的煤及半煤岩巷道，也可用于条件相近的其它 矿山及工程隧道掘进。定位切割时，其最大切割高度为4 3 5 米，最大切割宽度为 6 6 4 米。该机采用了电机和液压混合传动方式，操作简便、可靠，运行平稳。机 器配有高压内喷雾，可有效地抑制切割产生的粉尘和火花，提高工作环境的安全 性。该机可切割煤岩的单向抗压强度为8 0 l o o m p a ，可在1 6 。坡上作业。该机 后配套转载、运输设备应优先选用桥式胶带转载机和可伸缩式带式输送机或刮板 输送机，转载搭接长度1 2 米。 2 1 e b z 1 6 0 型掘进机主要结构和工作原理 2 1 1e b z 1 6 0 型掘进机主要结构 本机主要有切割、行走、装运三大机构和液压、水路及电气三大系统组成， 由机器传动机构和液压执行元件实现所规定的动作，进而完成机器的作业过程。 图2 为机器传动系统刚14 1 。 l 234567 8 图2 机械传动系统图 f i g 2p i c t u r eo f m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n 1 一截割头2 一工作臂3 一截割减速器4 装载机构5 一刮板运输机构 6 一行走减速器7 行走机构8 一行走马达9 一运输减速器1 0 一装运马达 1 l 一风冷马达1 2 一油泵电动机1 3 一三联泵1 4 一回转工作台 1 5 一装载减速器1 6 一切割电动机 一8 2e b z 一1 6 0 型掘进机基本结构和技术参数 2 1 2 工作原理 履带带动机身向前运动，到达工作区域，将铲板和后支腿放下支稳，电机带 动截割头转动，截割臂回转油缸带动截割臂左右摆动，截割臂伸降油缸带动截割 臂上下运动，截割头伸缩油缸可以使掘进机在不移动机身的情况下使截割头向前 进给截割煤岩。截割工作前，首先对截割断面前的底部进行截割清理，尽量平整， 不至于因为铲板下部堆积的煤岩，造成铲板落不到底影响卧底。掏窝槽时，缩回 截割头，开动行走，机器沿巷道轴心向前至欲截割处，落下铲板、后支撑。伸出 截割头开始切深，同时做微量左右摆动，减少截割阻力。窝槽掏好后，应缩回截 割头，抬起铲板、后支撑，重新移机至截割处，再将铲板和后支撑放下，使机器 稍微抬起，提高机器稳定性。 2 1 3e b z 1 6 0 型掘进机内伸缩臂 内伸缩式悬臂的结构见图3 ，它主要有花键套8 ，伸缩内筒7 、伸缩外筒6 ， 伸缩保护筒9 ，截割头主轴l 以及轴承、挡圈等组成。截割头主轴l 的两端均有 花键，左端装截割头2 ，1 、2 用螺钉固定，右端与花键套8 的左端相配合，花键 套右端与减速器的输出轴相连，构成传动件间的伸缩机构。截割头轴1 有两个轴 承支承。轴向用挡圈3 紧固，并加以油封密封。上述机构均装在伸缩内筒7 内， 由伸缩内筒7 、伸缩外筒6 、伸缩保护筒9 构成支承件间的伸缩机构。伸缩外筒6 用螺栓与减速器箱壳相连，其左端与伸缩内筒7 用密封圈密封。伸缩内筒7 和伸 缩保护筒9 ，借助于伸缩油缸的动力，可与截割头主轴l 一起相对伸缩外筒6 和 花键套8 伸缩。为了防止伸缩内筒7 有相对转动，用导向块和螺钉将其固定在伸 缩保护筒9 上。 这种悬臂的结构尺寸小，移动部件的重量轻，移动阻力较小，利于机器的稳定。 但需有较长的花键轴，加工较难，结构也比较复杂【1 5 】【1 6 1 。 内伸缩截割机构传动方式如图4 ，首先是驱动电机通过联轴器将转动和扭矩 输送到齿轮减速器，齿轮减速器也是通过联轴器把运动和扭矩传递到截割头。截 割头通过一对伸缩油缸推进或后退来完成伸缩功能。 9 安徽理工大学硕士学位论文 1 一主轴2 一截割头3 一挡圈4 _ 轴承 5 轴套6 _ 一申缩外筒7 _ 一申缩内筒8 一花键套9 _ 一申缩保护筒 图3内伸缩悬臂的结构 f i g 3s 仃u c t u r eo fi n n e rt e l e s c o p i cc a n t i l e v e r 图4 内伸缩截割机构传动简图 f i g 4 s k e t c ho fi n n e rt e l e s c o p i cf r a m e w o r kt r a n s m i s s i o n l 一电机2 一联轴器3 一减速器4 伸缩油缸5 伸缩悬臂段6 _ 截割头 1 0 2e b z 16 0 型掘进机基本结构和技术参数 2 2 技术参数 2 2 1 主体 外形尺寸：长宽高 最大截割断面 最大截割高度 最大截割宽度 切割煤岩最大单向抗压强度 适应工作最大坡度 卧底深度 总质量 总功率 供电电压 供电频率 供水水压 2 2 2 切割结构 电动机型号 功率 转速 截割头形式 截割头直径 截割头转速 截割头最大伸缩距离 2 2 3 装运机构 液压马达型号 排量 工作压力 转速 装载型式 星轮转速 1 0 4 5 4 3 0 6 0 1 6 5 0 2 8 4 3 5 6 4 6 8 0 1 0 0 1 6 2 5 0 5 3 2 8 3 1 1 4 0 5 0 1 5 5 y b u s l6 0 1 6 0 1 4 8 l 纵轴式 1 1 2 0 2 7 5 5 0 k w r m i n n u n r m i n n 】m h 1 c 5 5 f m l r m n b r ( 2 台) 5 5 2 2 m l r 2 5 m p a 1 3 0 0r m i n 星轮 3 3 r m i n 坛) 1 矿 a 眦o m m 一t 删v r l 安徽理工人学硕士学位论文 装载铲板宽度 刮板输送机型式 输送能力 链速 溜槽宽度 龙门高度 2 2 4 行走机构 型式 行走速度 履带最大牵引力 履带板宽度 履带中心距 公称接地比压 2 2 5 液压系统 泵站功率 油泵电机转速 邮箱容积 切割臂升降油缸 缸径活塞杆直径 行程 切割臂回转油缸 缸径活塞杆直径 行程 截割头伸缩油缸 缸径活塞杆直径 行程 2 3 本章小结 3 5 0 0 边双链刮板式 3 0 0 0 9 2 6 3 0 3 5 0 履带式 0 0 6 4 2 x 2 8 0 6 5 0 2 2 5 0 o 1 3 9 0 1 4 8 0 6 0 0 2 0 0 1 1 0 5 5 9 2 0 0 1 1 0 8 8 0 1 2 5 8 0 5 5 0 n u n m 3 h m s n 1 i n i m k w r p m l n 】m n l m i i u n r 衄 n m l n l r n 本章主要是研究了e b z 一1 6 0 型掘进机的基本机构、技术参数和工作模式，分 析了内伸缩臂的结构和传动方式。这位后面进行运动学和力学分析提供了依据。 1 2 眺烈 一 3 截割臂运动和力学研究 3 截割臂运动和力学研究 在进行掘进工作前，履带带动机身向前运动，到达工作区域，将铲板和后支 撑放下支稳，电机带动截割头转动，截割臂回转油缸带动截割臂左右摆动，截割 臂伸降油缸带动截割臂上下运动，截割头伸缩油缸可以使掘进机在不移动机身的 情况下使截割头向前进给截割煤岩。截割工作前，首先对截割断面前的底部进行 截割清理，尽量平整，不至于因为铲板下部堆积的煤岩，造成铲板落不到底影响 卧底。掏窝槽时，缩回截割头，开动行走，机器沿巷道轴心向前至欲截割处，落 下铲板、后支撑。伸出截割头开始切深，同时做微量左右摆动，减少截割阻力， 截割深度可以根据不同煤岩确定。窝槽掏好后，应缩回截割头，抬起铲板、后支 撑，重新移机至截割处，再将铲板和后支撑放下，使机器稍微抬起，提高机器稳 定性。 工作机构的工作主要是由截割臂回转油缸、截割臂升降油缸和截割臂伸缩油 缸相互配合完成。【1 7 】 3 1 运动规律 截割臂具有上下、左右摆动和轴向顶进三种运动方式，其动力均来源于液压 油缸。【1 8 1 3 1 1 截割臂垂直升降速度 截割臂垂直摆动结构如图5 所示，主动件为活塞杆，液压油进入油缸，推动 活塞杆运动，带动截割臂垂直摆动。0 9 1 | 2 0 】 图5 截割臂上下摆动速度 f i g 5v e l o c i t yo fc u t t i n ga r mf l u c t u a t es w a y 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 截割臂向上摆动速度v 。 v 。= 半 ( 3 - 1 ) 4 0 q l 1 ，l2 等 r e d , 式中： 三截割臂长度，m m ； 厶升降油在截割臂上接点至截割臂终点长度，m m ； q 液压系统额定流量，l m i n ； d i 升降油缸内径，m m ； v 。升降油缸活塞推进速度，m m i n ； 口升降油缸活塞杆水平夹角，度。 截割臂向下摆动速度v d 圹半 p 2 ， 圹署 式中： v ，升降油缸活塞退回速度，m r a i n ： d ，于f 降油缸活塞杆直径，m m 。 3 1 2 截割臂水平摆动速度 截割臂水平摆动是由两个水平回转油缸一推一拉实现的，其工作原理如图6 所示。【2 1 删【2 3 】 1 4 3 截割臂运动和力学研究 式中： s ；m s 试口， 把( 3 3 ) 代a ( 3 - 4 ) 得： 图6 截割臂水平摆动速度 f i g 6v e l o c i t yo fc u t t i n ga r mf l u c t u a t es w a y q 2 再v 丽1 妒南 s i l l 肚；s i i l 矾s 7 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 式中： d 2 、d 2 水平回转油缸缸径和活塞杆直径，1 1 1 1 1 1 。 在稳定运行时，q + q = q o ，则： 、酽丝噜竽塑+ 一z c ( d 2 - d 2 ) 4 c s a 2 ，1 2 r s i n o t 由于刚性连接，一推一拉两个液压缸推动悬臂摆动的角速度必相等，即 c o l = 国2 = c o ，故： 因此，可得截割头摆动线速度： - 1 5 兰 垫 竺 。一 n 一 ，：一 _ 一 0 一 尺一 竺掭 一、d 如一s以上 q 一 二 安徽理工大学硕士学位论文 为计算分析方便，可简化为： v = 磊殛可4 q o i ( l 啊+ m 碉) ( 3 - 5 ) 3 1 3 截割臂轴向顶进速度 e b z 1 6 0 型掘进机轴向顶进时，主要是靠伸缩油缸来实现的，故： 驴等 ( 3 - 6 3 - 0 ) v ，= 寻i) 冗u ； 式中： v 伸缩臂轴向顶进速度，m m i n ； q 液压系统额定流量，l m i n ： 及伸缩油缸内径，m n l 。 3 2 力学研究 e b z 1 6 0 型掘进机在掘进巷道时，截割头首先钻进工作面一定深度，然后横 向摆动截割，达到巷道边界后，沿垂直方向截割一定高度，再水平摆动截割，如 此循环往复，直到完成全工作面的截割。 由此可见，其截割过程可分为纵向钻进、水平截割和垂直截割三种工作方式。 因此，对伸缩臂进行受力分析也应按照工作方式分别进行。 2 4 1 2 5 】【2 6 】 3 2 1 整机受力稳定性分析 掘进机工作时，上下摆动截割时，受力如图7 - a 所示，截割头受到的阻力分 别是上升阻力c 、下降阻力c ；左右摆动截割时，受力如图7 - b 所示，横向阻力 e ；纵向钻进时受力如图7 - c 所示，纵向阻力e 。掘进机工作时，截割头同时还 受到径向切割阻力e 的作用，其大小随截割条件的不同而不同，岩石越硬，截割 深度越深，c 就越大。c 的计算方法通常是通过电机输出的扭矩丁获的： 2 6 1 1 2 7 1 1 2 8 2 9 1 额定截割扭矩r ： 丁：9 5 5 _ n knm(3-7) 1 6 3 截割臂运动和力学研究 式中： 截割电机功率，k w ； 刀截割头转速，r m i n a 上下摆动截割b 左右摆动截割c 纵向钻进 图7 掘进机截割受力分析 f i g 7f o r c ea n a l y s i so fr o a d h e a d e rw o r k i n g 根据以上对掘进机工作时进行的受力分析，可以对e b z 1 6 0 型掘进机进行稳 定性分析。见图8 z f o l o 广。 x f z f z 图8 整机稳定性分析 f i g 8s t a b i l i t ya n a l y s i so f o v e r a l lu n i t 1 当截割头向上摆动，上升阻力f 。产生的倾翻力矩为m f s ，其大小为： m 府= e c 。s 口( 三c 。s 口+ 磊c - 万b + e ) + c s 试口。s i n t z + h ) 此时，掘进机在水平面上的静摩擦力为： f ：= 虹+ f s c o s 6 t ) 旺 式中： 1 7 - ( 3 8 ) ( 3 1 0 ) 安徽理丁大学硕士学位论文 掘进机与底板的附着系数。 由于上升角度口不太大，f 。的分力只s i n a 小于， 发生移动，故不予考虑。 由以上分析可知，要保证整机的稳定，则： m 尼面g b 即： 即整机在水平方向不会 只= 研= 焉再g b = 面 p 回转台转动中心到悬臂纵向摆动中心的距离，i l l 。 2 当截割头向下摆动截割时，下降阻力f 。产生的倾翻力矩m f x ： m 府= 只c 。s 口( 三c 。s 口+ 磊c + 万a + p + e s i n 口( l s i n a + h ) 2 藏g a 一砂 r = 面= 焉g 再a = 忑 lc 生 。1 8 ， ( 3 - 1 1 ) ， ( 3 1 5 ) 动 1 l i - - p p p 3 截割臂运动和力学研究 3 左右摆动截割时，横向阻力f h 的方向与截割头的摆动方向相反。由于悬臂不 是很长，摆角通常不大，且机器纵、横向尺寸差不多，所以，该力不会导致机器 横向倾翻，但可能使机身横向摆动，按最不利的条件考虑，其偏转力矩m f h 为： 【3 0 l m 厢= e p c o s + 茹) 6 ， 为保证机器稳定，则： m 砌g a( 3 1 7 ) 即： e _ 三c o s - i - e - i - 二二二 c o s 8 ( 3 - 1 8 ) 4 掘进机纵向钻进时，主要是靠伸缩机构推进，其大小与截割头受到的煤壁推进 阻力、掘进机与底板的摩擦阻力及伸缩油缸的推进力有关。掘进过程中，由于煤 壁硬度不同，推进阻力f z 也不是定值，为保证整机稳定，则 r le 怍 g c o s 口一譬唱m 口( 3 1 9 ) 万d 2 、 p _ 广 式中： g 一掘进机重量，k n ； p 伸缩油缸工作压力，a ： d 伸缩油缸缸径，m 1 1 1 。 3 2 2 内伸缩截割臂受力分析 掘进机工作时，不同的掘进方式，伸缩臂上受力情况也不一样。因此，对掘 进机伸缩臂上进行受力分析时，也应按照纵向钻进、水平截割和垂直截割三种方 式分别进行。 1 向上摆动时截割臂的受力分析 截割头向上摆动截割时，截割头受到上升阻力e 、纵向阻力t ，和径向切割 阻力b 作用，故伸缩臂受力如图9 所示，根据静力学平衡f = o 和m = o 建 立如下方程： 1 9 安徽理丁大学硕士学位论文 图9 截割臂上摆受力分析 f i g 9f o r c ea n a l y s i sc u t t i n ga l mu ps w a y f z s 只s i n a c o s p + 疋s i n f l + 2 f ! c o s y c o s f l + 2 r z 一巴c o s a e o s f l = 0 只s i n 口。s i n 一疋。c o s f l + 2 f i c o s y s i n f l + 2 r y 一兄c o s 口。s i n = o ( 3 - 2 0 ) 2 f , s i n y + 2 r z 只c o s c z g 6 一足s i n g = 0 只三+ g 6 厶c o s a 一2 f , 厶s i n ( y 一口) = o 式中： 只f 申缩臂上升时截割头的切向阻力，k n ； f 单个支撑油缸推进力，k n ； r r 单个支撑轴承x 向的支承力，k n ； 欠，单个支撑轴承y 向的支承力，k n ； r ，单个支撑轴承z 向的支承力，k n ； e ，：伸缩臂上升时的纵向阻力，k n ； g 。截割臂自重，k n ； 厶支承轴承到支承油缸接点的距离，m m ； 厶支承轴承到截割臂重心的距离，m m ； y 支承油缸的水平夹角，。 2 向下摆动时截割臂受力分析 截割头向下上摆动截割时，截割头受到下降阻力r 、纵向阻力p ，和径向切 割阻力已作用，故伸缩臂受力如图1 0 所示，根据静力学平衡e f = o 和m = o 建立如下方程： 2 0 z l l 3 截割臂运动和力学研究 图1 0 截割臂向下摆受力分析 f i g 10f o r c ea n a l y s i sc u t t i n ga l t f la d o w ns w a y i c s i n c r c o s f l 一疋e o s p 一2 e c o s y c 0 s 一疋c o s a 。c o s f l + 2 r x = 0 j e s m 们m + 疋s l n 一2 e 。c o s t s i n 一兄c o s 洲i n + 2 墨= o ( 3 - 2 1 ) l c c o s z g b 一2 f s i n ? 一兄s i n a + 2 r z = 0 【c 己一皖l 2 c , o s o f _ 一2 f 厶s i n ( r 一) = 0 式中： 疋伸缩臂下降时截割头的切向阻力，k n ； e 单个支撑油缸回缩力，k n 足伸缩臂下降时的纵向阻力，k n ； 3 左右摆动时截割臂受力分析 截割头左右摆动时，截割臂受力情况如图1 l 所示( 以向左摆动为例) ，根据 静力学平衡f = o 和m = o 建立如下方程： 图1 1 截割臂左右摆动受力分析 f i g 1 1f o r c ea n a l y s i sc u t t i n ga r mr i g h ta n dl e f ts w a y - 2 1 一 z l