矮机身中型掘进机设计(截割部、主体部)毕业设计说明书

第1页摘要本论文对矮机身中型掘进机的性能特点及其在煤矿巷道掘进中的应用做了简要介绍。阐述了国内外掘进机的发展现状和目前的发展趋势。根据任务书的要求对掘进机的整机进行了设计和论证，并着重对截割部和主体部的结构和零件进行了设计和校核。掘进机截割部主要由截割电动机、截割机构减速器、截割头和悬臂梁组成。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。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。主体部位于机体的中部，是以厚钢板为主材焊接而成，包括实现截割部运动的回转台。主体方案设计主要是掘进机设计的一个关键环节。关键词：矮机身掘进机；设计；截割部；主体部第2页ABSTRACTThispapergivesabriefintroductiontotheLowbodyofmedium-tforitscharacteristicsandapplicationinthecoalmine.Describedthecurrentstatusandthemaindirectionsofdevelopmentoftunnellernowdays.Accordingtotherequirementsofthemissionstatementdesignandverifiythewholemachineandfocusonthedesignandverificationforthepartsofcuttingandmainstructure.Thecuttingpartmainlycomposedofthecuttingmotor,gear,thecuttingheadandcantilever.Thecuttingpartistheunitwhichdirectlycuttingthecoal.Thestructuretype,cuttingabilityandfunctioningdirectlyaffecttheproductioncapacity,drivingefficiencyandstabilityofthemachine.,anditisameasureofperformanceofthemainfactorsandindicators.Thetunnellerismainlycomposedofcutting,walking,shipping,loadingpartsandhydraulic,water,electricalsystem.Andconnectbythepartofmainstructure.Itislocatedinthemiddleofthemainbodyandisweldedthickbysteelplate.Includingthemovementtableunit.Itisakeylinktodesignthemainstructurepart.Keywords：Lowbodytunneller;design;cuttingunit;themaindepartment第3页目录1绪论11.1课题研究背景及意义11.2掘进机简介11.3国内外研究现状21.3.1国外掘进机发展现状21.3.2国内掘进机发展现状21.4掘进机发展趋势31.4.1国内掘进机的主要发展趋势31.4.2国内掘进机急需解决的关键技术42总体方案设计42.1总体参数确定42.1.1机器外形尺寸及机型设计42.1.2重量估算62.1.3机器可掘断面72.2主要部分的结构形式的确定82.2.1截割机构82.2.2铲板部112.2.3行走部112.2.4主体部122.2.5液压系统132.2.6水系统142.2.7电控系统143主要部分技术参数的确定153.1截割头转速及其功率的初步确定153.1.1切割头有关参数的确定153.1.2电动机选择173.2回转台参数确定18第4页3.3喷雾系统参数183.4生产率193.5主要技术参数194掘进机截割部方案设计214.1截割部组成214.2截割头截齿设计224.2.1截齿类型选择224.2.2截齿排列参数选择234.2.3截齿的安装234.2.4掘进机截割电动机功率计算验证244.3截割减速器设计264.3.1传动结构设计264.3.2减速器零件设计26结论45参考文献46翻译部分英文原文48中文译文58致谢66第5页1绪论1.1课题研究背景及意义煤层顶、底板岩石之间的垂直距离称煤层厚度。按照国家有关技术政策，根据煤种、产状、开采方式和地区煤炭资源供需情况，以及地理条件规定的可采厚度下限，称最低可采厚度。达到可采厚度的煤层称可采煤层。煤层厚度分级一般分为：薄煤层，小于或等于1.3米；中厚煤层，1.33.5米；厚煤层,大于3.5米。厚度超过8米的称为特厚煤层。中型掘进机是我国目前井下用量最大的一种掘进机中型掘进机机重小于50t，主要用于煤岩硬度60MPa的煤巷及半煤岩掘进，机型以EBJ一120TP、EBZ150等机型为主，与重型掘进机相比具有机身矮、重心低、结构紧凑、可靠性高、操作简单和维护方便的特点。随着我国煤炭采掘业的不断发展，中厚煤层所占比例逐年减少，地质条件复杂的薄煤层开采逐渐成为煤炭行业的主攻方向。据悉，我国重点煤矿薄煤层的产煤量几乎占总产煤量的50%，而传统的薄煤层炮掘效率一直很低，由于一般的煤矿掘进机因高度问题而无法进入，开采效率一直困扰着我国煤炭事业的发展。因此调整掘进机相关参数，充分利用矮机身掘进机体积小，重量轻，装卸方便等特点，使其适应薄煤层煤矿的工作情况。矮机身中型掘进机主要解决薄煤层中巷道快速掘进问题，其中应解决元部件可靠性、截割稳定性、行走准确性和控制系统的安全性等几个关键问题，提高国产掘进机在薄煤层的破岩能力和整机性能，这可以提升国产掘进机在我国掘进机研制领域的主导地位提高薄煤层巷道掘进的工作效率，逐步结束薄煤层掘进机依赖进口的历史。因此具有重要的意义。1.2掘进机简介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。我国于1962年开始掘进机的研制工作，最初是模仿前苏联的产品，机身轻、功率小、性能差，因而未能被广泛的应用。八十年代我国与国外公司合作制造了AM50及S100型掘进机，这两种机型现已成为国内市场的主导产品;同时，国内掘进机的研制步伐也在加快，先后研制了EBJ-132,EBJ-160,ELMB-55,EBH-132,EJ-70等各种机型。纵轴式掘进机是一种部分断面隧道掘进机，在工作时，它的截割臂可以上下及左右自由摆动，能截割任意断面形状的隧道，并且可以前进、倒退及转向，截割下来的石碴由装碴和输送机构送到机器尾部，装到有轨小车或自卸汽车上运送到洞外，纵轴式掘进机主要由截割装置、截割臂、回转台及输送装置等组成。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，横轴式掘进机在工作时，其截第6页割臂可以作上下及左右摆动，由于纵轴式掘进机在工作中良好的截割性能、整机调运灵活及可截割不同巷道面等优点，故在煤矿及隧道等工程中得到了广泛的应用。掘进机实物如下图所示。图1.1横轴式掘进机图1.2纵轴式掘进机1.3国内外研究现状1.3.1国外掘进机发展现状国外先进掘进机广泛用于硬度低于f8的半煤岩采掘巷道的掘进，并扩大到岩巷。最近的重型机不移位截割断面达到35-42，多数机型能在纵向横向的斜坡上工作，2m168截割功率300kW，机重100t以上，切割岩石硬度可达到f12。国外新推出的掘进机可以实现推进方向和断面监控、电机功率自动调节、离机遥控操作及工况监测和故障诊断等机电一体化功能，机电一体化已成为掘进机发展趋势。掘进机主机可以配套机载锚杆钻臂系统、支护系统以及除尘系统等，掘进机多功能一体化也是一种发展趋势。近10年来，掘进机已向综合机组发展，并已显示出卓越的高产高效功能，发展日新月异。1.3.2国内掘进机发展现状我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂是掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘进机。我国掘进机研究始于20世纪60年代主要经历了引进、消化吸收和自主研制3个阶段。20世纪60年代，以30-50KW的小功率掘进机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。80年代初期，我国淮南煤机厂（先重组为凯胜重工）引进了奥地利奥钢联公司AM50型掘进机，佳木斯煤机厂（先隶属于国际煤机）引进了日本三井三池制作所S-100型掘进机，通过对国外先进技术的引进，消化，吸收，推动了我国综掘机械化的发展。但当时引进的掘进机技术属于70年代的水平，设备功率小，机重轻，破岩能力低及可靠性差，仅适合在条件较好的煤巷中使用，加之国产机制造缺陷，在使用中暴露了很多问题。2O世纪90年代以来是我国掘进机的自主研发阶段，也是我国掘进机最为快速的一个阶段。这一阶段我国中型掘进机发展日趋成熟，重型掘进机大批出现，掘进机的设计及第7页加工制造水平已比较先进，已能够独立研制截割硬度f8，机重60t左右，截割功率160220kW的重型掘进机，并且具备了根据矿井条件实现个性化设计的能力，形成了多个系列的产品，EBJ(Z)系列、S系列、EBZ系歹U型掘进机。经过近30年的消化吸收和自主研发，目前，我国已形成年产1000余台的掘进机加工制造能力，研制生产了20多种型号的掘进机，其截割功率从30KW到200KW，初步形成系列化产品。但还应该看到与国际先进水平相比，国内掘进机在破岩能力、适应性及可靠性方面还存在一定的差距。表1.1国内外掘进机成熟技术对比表项目国外国内l总体参数截割功率：300KW；装机功率：555KW；截割功率：220KW；装机功率：350KW；机重：120t；截割断面：5.8m8.8m机重：60t；截割断面：5.1m6.8m截割机构纵轴式、横轴式可伸缩截割机构纵轴式可伸缩截割机构截齿真空热处理，喷涂强化，经济截割硬度f12真空热处理，经济截割硬度f8装运机构电机、液压马达牵引；蟹爪、星轮式液压牵引马达、星轮式润滑方式集中自动润滑手工润滑，手动集中润滑除尘方式外喷雾加除尘系统，除尘效果好内、外喷雾，除尘效果差自动控制技术全功能遥控；截割断面监视；记忆截割故障在线监测与诊断；数据远程传输全功能遥控1.4掘进机的发展趋势今后，掘进技术仍然会在钻爆破岩掘进、悬臂式掘进、连续采煤机、掘锚联合机组以及全断面掘进机五个方向持续发展。在硬度较低的全岩巷道和半煤岩巷道，悬臂式掘进机会得到大力发展，逐步成为主要的掘进方式；在一些条件适宜的煤巷掘进中，掘进效率最高的连续采煤机和掘锚联合机组将会得到推广应用。1.4.1国内掘进机的主要发展趋势：1）适用范围不断扩大由于掘进机截割硬度与截割断面不断加大，扩展了掘进机的适用范围。2）自动控制技术发展迅速。主要表现为：推进方向监控、全功能遥控、智能监测、预报型故障诊断、记忆截割、数据远程传输等；3）不断探索新的截割技术，尤其是全岩巷岩石截割技术的研究为了实现较强的截割能力，现代掘进机的截割功率不断增大，截割速度逐渐降低。现代中重型悬臂是掘进机截割功率120-3KW，个别机型打到400KW。截割头转速一般为20-50r/min，截割速度1-2m/s，部分机型降低到1m/s以下。经济截割强度100-120MPa，最大可达140MPa。4）多功能一体化第8页即掘进机主机集成机载锚钻系统、机载临时支护系统、机载除尘系统等通过多功能集成达到提高单机成巷速度和安全生产的目标：5）工作可靠性不断提高由于地质条件复杂多变，使掘进进在工作时承受交变的冲击载荷，且磨损和腐蚀严重。而井下的环境恶劣，空间狭小，检修不便，因此要求通过完善的设计、高质量的制造、合理的使用和良好的维护来提高其可靠性。6）掘进装备的综合配套能力进一步加强7）研究试验手段更趋完善1.4.2国内掘进机急需解决的关键技术1）要积极开展掘进机的基础试验和研究建立适合我国煤矿地质条件的截割载荷谱形成完整的设计依据并在此基础上开展动力学仿真分析计算提高掘进机的可靠性和寿命。2）要以掘进机基础元件为重点，要解决好的特重型、大功率、快速掘进等核心技术研发工作，实现轴承、密封、电器元件、液压元部件等基础件长寿命提高掘进机的经济切割硬度以及全功能遥控、智能监测、预报型故障诊断、断面监视、记忆截割、数据远程传输等机电一体化功能。3）要积极开展机载锚杆钻臂系统、临时支护系统以及除尘系统的多功能集成技术研究通过多功能的集成达到提高单机成巷速度和安全生产的目标。4）要开展复杂条件下的巷道综合除尘系统的研究。改变传统的喷雾除尘方式。显著改善掘进巷道的作业环境，维护工人的身心健康。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总体参数的确定2.1.1机器外形尺寸及机型设计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。1）机型的选定第9页根据掘进机的用途，是用于煤矿井下巷道的掘进还是用于其他行业的工程作业，掘进机的工作条件是用于截割煤巷还是半煤岩巷，煤岩的单向抗压强度(或普氏系数f值)及岩石的磨蚀系数。同时应对照行标MT138-1995悬臂式掘进机的型式与参数，按其截割煤岩的最大单向抗压强度，选定机型的类别。悬臂式掘进机分类悬臂式掘进机根据其工作原理、结构和用途的不同有多种分类方法，常见的有以下几种：（1）根据经济截割岩石硬度的不同分类：1.煤巷掘进机：经济截割岩石硬度f5；2.半煤岩掘进机：经济截割岩石硬度6f8；3.岩巷掘进机：经济截割岩石硬度f9。（2）根据适用巷道断面大小的不同分类1.小断面掘进机：适用巷道断面7；2m2.中断面掘进机：适用巷道断面720；3.大断面掘进机：适用巷道断面20。（3）根据整机重量的不同分类1.轻型掘进机：整机质量20t；2.中型掘进机：整机质量2060t；3.重型掘进机：整机质量60t。（4）根据工作机构的运动形式不同分类可分为纵轴式和横轴式、摆动式和摇臂式。（5）根据截割机构的不同分类可分为截链式、截盘式、滚筒式和钻削式。（6）根据破碎原理的不同分类可分为截割式、冲击镐式、滚压式和高压水射流失。（7）根据传动方式的不同分类1.机械传动掘进机：除液压缸外全部采用机械传动；2.液压传动掘进机：除截割机械外全部采用液压传动。（8）根据行走机构的不同分类可分为轮轨式、液压迈步式、履带行走式和掩护盾式。设计掘进机为矮机身中型掘进机，主要面对的是薄煤层。薄煤层的定义为地下开采时厚度1.3m以下的煤层；露天开采时厚度3.5m以下的煤层。纵轴式掘进机是一种部分断面隧道掘进机，在工作时，它的截割臂可以上下及左右自由摆动，能截割任意断面形状的隧道，并且可以前进、倒退及转向，截割下来的石碴由装碴和输送机构送到机器尾部，装到有轨小车或自卸汽车上运送到洞外，纵轴式掘进机主要由截割装置、截割臂、回转台及输送装置等组成。由于截割头是埋在被切煤岩中工作，且转速低，因而产尘量较少。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、第10页行走机构、液压系统、电气系统和喷雾降尘系统等组成，横轴式掘进机在工作时，其截割臂可以作上下及左右摆动，由于纵轴式掘进机在工作中良好的截割性能、整机调运灵活及可截割不同巷道面等优点，故在煤矿及隧道等工程中得到了广泛的应用。但横轴式掘进机掏槽时，截割头需做短幅摆动，以截割位于两半截割头中间部分的煤岩，因而使得操作较复杂。且不被煤岩体所包埋，因而产尘较多。掘进机主要机构：悬臂式掘进机要同时实现将煤岩从矿体分离；装载运出及其本身的行走调动和喷雾灭尘等功能。它主要由截割机构、装载机构、机架及回转台、行走机构、液压系统、电器系统、冷却除尘系统及机器的操作控制与保护等部分组成综上所述，机型选取纵轴式悬臂型掘进机。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5.71012分别为，12。具体参数应符合下表规定。m6.15.23表2.1掘进机型式的基本参数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MPa40506080100生产能力煤3/min0.60.8煤夹矸，3/i0.350.40.50.60.6切割机构功率kW507590200150200适应工作最大坡度(绝对值)不小于()1616161616可掘巷道断面5126167208281032机重t2025080结合设计要求和工作情况掘进机的外形尺寸(长宽高)=9.52.81.5(不含转载机长度)。2.1.2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，摆动截割时会第11页发生摆尾现象、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,爬坡角度区间减小。一般它的自重可按下式估算：（2-1）)4/(30jVNG式中：截割机构功率，kW；0N截割头平均截割速度，m/s；jV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。估算后可得出设计重量。35Gt2.1.3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。1)悬臂的长度和回转角度的确定一般情况下，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4m，上摆角，下摆角，取水平摆角=。4513523由几何关系可以得出，在最大掘宽5.25m下，悬臂长为：(2-2)80/sin04Lam即悬臂长为3450mm(为垂直回转中心至水平回转中心的距离，取650mm)。a回转中心高：(2-3)40sin35294.H(2-4)i即mm尽量降低重心，取H=1500mm。0.138H根据几何关系确定上摆角和下摆角。既上摆角，下摆角。1422312）机器可掘断面参数的确定最大宽度(当悬臂在水平位置摆动时)：(2-5)sin)(201maxLB，；ax5.4ma6503上部宽度(当悬臂在上极限位置左右摆动时)：(2-6)sin)co(2101LB，8.432下部宽度(当悬臂在下部位置左右摆动时)：第12页(2-7)sin)co(220aLB，m.58上摆高度：(2-8)101siH4.2下摆高度：(2-9)0sinLmH1.2卧底深度：(2-10)sin(i230Lh，20巷道高度：(2-11)0124Hm可掘最大断面：(2-12)2maxax012max02()()1.4SBHB上式中：切割头前端至垂直回转中心的距离；01LO垂直回转中心至水平回转中心的距离；a12水平回转时，悬臂的摆角；垂直回转的上摆角；1截割到巷道底面时，垂直回转的下摆角；2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3取mm，这里取180mm。3010h2.2主要部分的结构形式的确定2.2.1截割机构切割机构主要由截割头，水冷电动机，减速器，伸缩机构和悬臂梁等组成，具有破碎煤岩功能的机构。1）截割头的选择截割头是装有截齿，用于破碎煤岩的部件。切割头主要由截割头体、齿座、螺旋叶片、第13页图2-1掘进机总图截齿、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。所以选择圆锥形切割头。2）截割电动机截割电机为外水冷式，且机体为焊接结构，前端通过联轴器与行星减速器相联，后端联接回转台。电机输出力矩，通过联轴器传递给减速器，再由花键套传到主轴，主轴通过内花键与截割头相联，把力(矩)传递到割头上，截割头以此方式进行工作。切割电机的选择应根据工作条件选取，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、太阳轮、行星轮、内齿圈、行星轮架（转臂）、输入、输出轴构成。减速器传动过程是电动机输出轴通过联轴套驱动一级行星轮中的太阳轮转动，从而带动一级行星架及行星轮转动；一级行星架通过齿式联轴器带动二级太阳轮转动，使二级行星轮驱动二级行星架转动；二级行星架通过花键带动输出轴转动，输出轴又通过花键套与截割臂主轴相连，从而实现截割头旋转运动。第14页图2-2掘进机的截割部行星减速器结构4）悬臂伸缩装置煤巷掘进机的悬臂有不可伸缩和伸缩式两种。不可伸缩式悬臂的结构简单、尺寸小、重量轻，掏槽时是借助行走机构的推力使截割头钻入煤臂。因此需要频繁开动，且当钻入煤壁时阻力较大，履带容易打滑，磨损加剧。伸缩式悬臂则是借助悬臂的伸缩使截割头钻入煤壁，掏槽时无需开动履带，推进力也较大。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，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。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。但需要较长的花键轴，加工难度较大，结构也比较复杂。外伸缩悬臂主要由导轨架、工作臂和推进油缸组成。推进油缸的前端和工作臂相连，后端和导轨架相连。在其作用下，工作臂可相对导轨架进行伸缩运动。此种结构尺寸和移动重量较大，推进阻力大，不利于机器的工作稳定。考虑到结构复杂性和机器是工作的稳定性，选择使用不可伸缩方式。第15页图2-3悬臂内伸缩原理图1花键套；2内伸缩臂；3外伸缩套；4保护套；5定位螺钉；6主轴；7截割头；2.2.2装载部1）铲板部铲板部是由主铲板、侧铲板、铲板驱动装置、从动轮装置等组成。通过两个液压马达带动弧形三齿星轮，把截割下来的物料装到第一运输机内。铲板驱动装置是通过同一油路下的二个控制阀各自控制一个液压马达，对弧形三齿星轮进行驱动，并能够获得均衡的流量，确保星轮在平稳一致的条件下工作，提高工作效率，降低故障率。驱动装置见图2-4。图2-4铲板部2）第一运输机第一运输机位于机体中部，是边双链刮板式运输机。运输机分前溜槽、后溜槽。前、后溜槽用高强度螺栓联接，运输机前端通过插口与铲板和本体销轴相连，后端通过高强度螺栓固定在本体上。采用二个液压马达直接驱动链轮，带动刮板链组实现物料运输。张紧装置采用丝杠加弹簧缓冲的结构，对刮板链的松紧程度进行调整。2.2.3行走部行走部主要由定量液压马达、减速器、履带链、张紧轮组、张紧油缸、履带架等几部分组成。定量液压马达通过减速器及驱动轮带动履带链实现行走。支重形式采用滑动摩擦式。第16页图2-5左行走部行走减速机用高强度螺栓与履带架联接。履带架采用挂钩及一个竖平键与本体相联，用13个M30高强度螺栓紧固在主体的两侧。2.2.4主体部本体部位于机体的中部，是以厚钢板为主材焊接而成。本体的左侧装有液压系统的泵站，右侧装有操纵台，前面上部装有截割部，下面装有铲板部及第一运输机。在其左、右侧下部分别装有行走部,后部装有后支承部。图2-6主体部（包含行走部简图）1）后支承后支承的作用是减少在截割时机体的振动，提高工作稳定性并防止机体横向滑动，见图2-5。在后支承支架两边分别装有升降支承器，利用油缸实现支承。后支承支架用M24的高强度螺栓通过键与本体相联，后支承的后部与第二运输机联接。电控箱、泵站都固定在后支承支架上。第17页图2-7后支撑2)回转台的设计要求（1)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。2.2.5液压系统液压系统是由油缸（包括：截割头升降油缸、截割头回转油缸、铲板油缸、后支承油缸、履带张紧油缸）、马达（包括：行走、运输、内喷雾马达）、操纵台、泵站以及相互联接的油管等组成。1)行走马达驱动；2)星轮马达驱动；3)第一运输机马达驱动；4)内喷雾泵马达驱动；5)截割头的上、下、左、右、前、后移动；6)铲板的升降；7)后支承器的升降；8)履带的张紧；9)为锚杆机提供两个动力接口；泵站是由75KW电机驱动，组合变量油泵，通过油管和阀组，将压力油分别送到截割部、铲板部、第一运输机、行走部、后支承的各液压马达和油缸。本机共有11个油缸，截割头升降油缸2个、铲板升降油缸2个，截割头回转油缸2个，后支承器的升降油缸2个，以上油缸均设有安全型平衡阀,截割头伸缩油缸1个，履带张紧油缸2个。第18页图2-8液压系统图2.2.6水系统水系统分内、外喷雾水路。外来水经一级过滤后分为二路，第一路经进水直接通往喷水架，由雾状喷嘴喷出，第二路经二级过滤、减压、冷却（冷却液压系统用油）再分为二路，一路经截割电机（冷却电机）后引射器喷出。另一分路经水泵加压（3MPa）后，由截割头内喷出，起到冷却截齿及灭尘作用。2.27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。第19页3主要部分技术参数的初步确定3.1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30-100。对于中硬岩，m/s0.32jV/minr可选，对于砂岩和石灰岩，平均截割速度=0.6-0.8，最高m/s6.180jVjV/s=0.9-1，截割头转速为20-40。目前市场上绝大多数掘进双速掘进机的截j/inr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110kW。3.1.1切割头的有关参数的确定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500-700mm。大功率的掘进机可以在1000mm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660mm。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600-900mm。大功率的掘进机可以在1000mm以上。这里选择切割头的平均直径为700mm。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，12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21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503在之间。503第20页本掘进机设计结合同类掘进机运用情况，选取。454)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：(3-1)3012nNMC平均切割力：(3-2)/DPcc平均单齿切割力：(3-3)mCZ1式中：为切割头平均直径，m；0为切割头转速，r/min；n为切割力矩，CMN平均切割力，N；P平均单齿切割力，N；C1同时工作齿数，可取总齿数的一半。mZ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32bVm/in0.251m/in硬煤岩石，摆动速度不宜过大，取。5.1/i根据本设计要求，确定摆动速度为1.5。n6)最大扭矩最大扭矩的确定公式为：(3-4)mnKM/max式中：切割最大扭矩；maxM第21页切割硬度f=6的岩石时候，切割头平均扭矩。nM，；(3-5)/()17504(3.0VCLDVbmN式中：切割头平均直径，m；0D切割头长度，m；L当量载荷因数。K7)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30-60kN。CsP)34.1(具体参数在结构设计中确定。3.1.2电动机的选择悬臂式掘进机切割头功率一般在=30-200kW之间，差别比较大。切割电机功率估0N算公式为：，(3-6)kWnMNf),16/(0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：fMmN(3-7)cTkDPmzP002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；P切割头平均直径，m。0D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110kw，额定电压AC1140/660V，转速1460r/min第22页表3-1电动机参数堵转转矩堵转电流最小转矩最大转矩功率/kW效率/%功率因数/cos额定转矩额定电流额定转矩额定转矩冷却水流量/31mh110920.852.06.51.22.61.1电动机在下列条件下，应能按额定运行:1）海拔不超过1000m；2）环境空气温度不超过400C；3）空气相对湿度不大95(在25时)；4）冷却水进水温度不超过300C；5）冷却水工作压力不超过3MPa；6）冷却水流量不小于表2的规定；3.2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。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11系列单排交叉滚子式。单排交叉滚子式选型计算:(3-8)(2.05)arsFf(3-9)sMf式中:回转支撑当量中心轴向力（N）；410回转支承的当量倾覆力矩（N）；回转支承静态空况下的安全系数，1.75。sf3.3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。第23页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。3.4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：（3-bTAVQ6010）或者Tr式中：掘进机理论生产率，；Thm/3掘进机理论生产率，；Qt煤岩松散系数，一般取=1.5；截割头的横截面积，；0A截割头横向摆动速度，；bVmin/煤岩的容重，。r3/t3601.50.67.5/TbQAh2)装载机生产率装载机的生产力应大于截割机构的生产能力，这是确定装载机构技术参数的先决条件。设计时装载机构生产能力按截割机构生产能力的1.0-1.1倍考虑为宜。则装载机的生产率为31.6754.2/ZTQmh3.5主要技术参数掘进机总体参数机长：9.5m机宽：2.8m机高:1.5m截割卧底深度：240mm第24页总功率：180kW可经济截割煤岩硬度：60MPa可掘巷道断面：18-21.5m2最大可掘高度：4m最大可掘宽度：5.25m适应巷道坡度：16机器供电电压：660/1140V截割部电动机：型号：YBUS2-110功率：110KW转速：1460r/min截割头：转速：46r/min截齿：圆锥形最大摆动角度：上：42下：31左右各39装载部装载形式三爪转盘装运能力180m3/h铲板宽度2.5m/2.8m铲板卧底250mm铲板抬起360mm转盘转速30r/min刮板输送机运输形式边双链刮板槽宽510mm龙门高度390mm链速0.93m/s锚链规格1864mm张紧形式黄油缸张紧行走部行走形式履带式(液压马达分别驱动)行走速度工作3m/min调动6m/min接地长度2.46m制动形式摩擦离合器履带板宽度500mm张紧形式黄油缸张紧液压系统系统额定压力：油缸回路16MPa第25页行走回路16MPa装载回路14Mpa输送机回路14Mpa转载机回路10MPa锚杆钻机回路10MPa系统总流量：450L/min泵站电动机：型号YB250M-4功率55kW转速1470r/min泵站三联齿轮泵流量50/50/40ml/r泵站双联齿轮泵流量63/40ml/r锚杆泵站电动机：型号YB160L-4功率15kW转速1470r/min锚杆泵站双联齿轮泵流量32/32ml/r油箱：有效容积610L冷却方式板翅式水冷却器油缸数量：8个喷雾冷却系统灭尘形式内喷雾、外喷雾供水压力3MPa外喷雾压力1.5MPa流量63L/min冷却部件切割电动机、油箱电气系统供电电压660/1140V总功率190kW隔爆形式隔爆兼本质安全型控制箱隔爆型4.掘进机截割部方案设计4.1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、悬臂梁组成。见图4-1.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。因此截割部的设计是掘进机设计的关键。第26页图4-1截割部图4-2截割头1-齿座2-截齿4.2截割头截齿的设计4.2.1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。第27页4.2.2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i0m的角度保持下列关系：21i（4-1）01)(36miii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，snZvS/2m；-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。svs具体选取时可以参照下表的经验值。表4-1切割头截割参数与矿物特性关系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=tgs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。4.2.3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.倾斜角。截齿按倾斜角安装，保证截齿在横向摆动截割时，沿合速度方向截入第28页岩体。由于截割头横摆速度远远低于截割速度，因此，角很小。（）。为jbVarctg/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。4.2.4截割电动机功率计算验证当截割头的结构、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