采煤机滚筒测量装置设计

1、中文题目：采煤机滚筒测量装置设计外文题目：DESIGN OF SHEARER DRUM MEASURING DEVICE毕业设计（论文）共 60 页（其中：外文文献及译文22页） 图纸共4张 完成日期 2015年6月 答辩日期 2015年6月摘要滚筒是采煤机截割煤、运输煤的关键部分，其消耗的功率占采煤机装机功率的80%90%，而采煤机滚筒的参数直接影响煤炭生产的块煤率、装煤效率及粉尘浓度等各项指标，进而影响煤矿的经济效益和工作面工人的生命安全。因而必须设计相应的装置来测量采煤机的螺旋滚筒。采煤机滚筒的结构参数包括滚筒的直径、筒毂直径、螺旋叶片的头数、螺旋叶片的螺旋角以及截齿的安装尺寸与数量等，

2、这些参数对煤块率、装煤效率等都有着不同程度的影响。本文对采煤机滚筒的结构、各个参数的影响进行了综合阐述，对测量螺旋滚筒参数的原理进行了研究，论述了螺旋滚筒两种定位方式的利弊；分析了测量装置各部件间的联接结构和总体布置。本次设计参考中华人民共和国煤炭行业标准MT/T 321-2004中对螺旋滚筒专用测量装置的要求，所设计的测量装置不仅可以帮助滚筒生产厂家测量滚筒的直径、宽度、截齿的位姿等参数，还能在煤矿在选购采煤机时作为检测工具，检验所选滚筒的各项数据是否达标。关键词：采煤机；螺旋滚筒；测量装置；截齿位姿Abstract Is a key part of the drum of the shea

3、rer cutting coal, coal transportation, the consumption of power for shearer installed power machine of 80% to 90%, and the parameters of shearer drum directly affect coal production of lump coal rate, loading efficiency and dust concentration and other indicators, thereby affecting the safety of coa

4、l mine economic benefits and working face workers. Therefore, the corresponding device must be designed to measure the screw roller of the shearer. Effects of different degrees of helix angle of the structural parameters of the shearer drum comprises a roller diameter, hub tube diameter, spiral blad

5、e number of heads, a spiral blade and cutter installation size and quantity, these parameters of coal rate and loading efficiency. This paper of shearer drum structure, the various parameters were comprehensively expounded, principle of measuring parameters of spiral roller were studied, discusses t

6、he pros and cons of spiral drum two kinds of location methods; analysis of the measuring device among the components of the connection structure and overall arrangement. Reference to the design of the peoples Republic of China coal industry standard MT / T 321-2004 of spiral drum and special measuri

7、ng device requirements, designed measuring device can not only help the pose of the drum manufacturer measuring drum diameter, width of cutting teeth and etc. parameters, but also in the coal mine in the purchase of shearer as tools to detect and validated whether the standard and the data of the dr

8、um.Keywords: coal mining machine；spiral drum；measuring device；position and position of cutter目录绪论11 采煤机螺旋滚筒及其参数21.1 螺旋滚筒的结构21.2 采煤机滚筒的分类和型号命名31.2.1分类31.2.2滚筒直径和宽度的尺寸系列31.2.3采煤机型号的命名41.3螺旋滚筒参数41.3.1 滚筒的直径与宽度41.3.2 截齿的概述51.3.3 截齿配置61.3.4 其他参数91.4小结92 采煤机滚筒参数的影响102.1 滚筒的结构参数对块煤率的影响102.2 滚筒的结构参数对装煤效率的影响

9、102.3 滚筒的结构参数对粉尘爆炸率的影响112.4 滚筒的结构参数对工作面温升的影响122.5小结123 采煤机滚筒测量装置的原理方案设计143.1测量滚筒直径的方法原理143.1.1滚筒直径的测量143.1.2叶片直径的测量143.1.3筒毂直径的测量143.2测量滚筒宽度的方法原理153.2.1滚筒宽度的测量153.2.2叶片导程的测量153.2.3端盘宽度153.3绘制滚筒截齿配置图的方法原理163.4 测量齿座定位角的方法原理163.5 测量叶片外缘升角的方法测量173.6 测量截齿位姿的方法原理173.6.1 测量截齿齿尖B点的位置183.6.2测量截齿上C、D两点的位置183.

10、6.3测量截齿的姿态193.6.4计算单位向量与截齿位姿193.7小结194 采煤机滚筒测量装置的结构方案设计214.1测量装置的定位方案设计214.2径向直尺与轴向直尺的结构设计234.3径向直尺与轴向直尺联接结构方案设计234.4轴向直尺与游标的联接结构设计244.5游标与深度尺的联接结构设计254.6小结255 测量装置的使用维护265.1测量装置使用使的注意事项265.2测量装置的保养规范265.3小结266结论28致谢29参考文献30附录A31附录B43绪论作为采煤机的工作机构，螺旋滚筒的参数直接影响了煤炭生产的块煤率、装煤效率、粉尘浓度及工作面的温升，从而影响煤矿的经济效益及工作面

11、工人的身体健康、生命安全等。因此，在采煤机滚筒的生产制造中需要专用的滚筒测量装置来对滚筒的主要尺寸及齿座定位角进行检查。根据我国煤炭行业标准MT/T 321-2004中的要求，滚筒测量装置能够测量滚筒的直径、截割宽度、截线、截线距、齿座定位角、叶片外缘升角及端盘齿落差等参数。本文主要论述了滚筒测量装置各部件的测量原理及各部件间的联接方式。测量装置主要由径向直尺、轴向直尺和游标等部件组成，能实现测量滚筒直径、宽度、截齿配置的功能。1 采煤机螺旋滚筒及其参数滚筒式采煤机的截割部一般包括割煤滚筒、摇臂、固定减速箱等工作机构（不同的机型其截割部的组成不尽相同，如多电机驱动的电牵引采煤机）。割煤滚筒承担

12、截煤和装煤的任务，是采煤机截割部的重要部件之一。一个完善的割煤滚筒应满足以下要求： （1）能适应不同的煤层和有关地质条件； （2）能充分的利用煤壁的压张效应，降低能耗，提高块煤率，减少煤尘； （3）能装煤和自动开口，滚筒的落煤和装煤能力协调一致； （4）载荷均匀分布，机械效率高； （5）零部件稳定可靠，主要失效形式是齿座和叶片开焊、齿座磨损、叶片和端盘变形等； （6）结构简单，工作可靠，截齿装拆、维修方便，不易丢失。滚筒最佳截割性能指标：截割比能耗小、生产率高、块煤率高、煤尘小、装煤效率高、运转平稳、使用寿命长、不引燃瓦斯。截割比能耗的大小决定着其它指标，因为截割能耗小伴随着煤的块度大、煤尘小

13、、生产率高。截割滚筒在性能最佳条件下，工作可靠性也是非常重要的，直接影响着生产率的提高。1.1 螺旋滚筒的结构 螺旋滚筒是目前采煤机使用最广泛的截割机构。这种工作机构简单，工作可靠，但截煤的块度小，煤尘较多。螺旋滚筒的基本结构如图1-1所示，在螺旋叶片的顶端及端盘周边上装有许多截齿，轮毂与滚筒轴固定在一起。滚筒转动时截齿截割和剥落煤体，螺旋叶片将碎煤运至滚筒的采空侧，装入输送机。大多数采煤机采用焊接滚筒，一般用2030mm厚的45Mn或16Mn钢板锻压成螺旋叶片，再和齿座、轮毂、筒毂等焊接而成。若采用铸造滚筒，则齿座是在加工后焊到叶片上的。端盘位于滚筒靠煤壁一侧，一般为厚钢板热压成型或铸造加工

14、，上边焊装有齿座。端盘截齿截线距较小，一般应为叶片部分平均截线距的一半。端盘的厚度约为4050mm(大直径强力滚筒端盘的厚度约为6070mm)，倾角为1030。为防止端盘与煤壁相碰，端盘边缘的截齿向煤壁一侧倾斜。端盘与筒毂、叶片焊成一体。在叶片上和端盘上齿座的旁边装有内喷雾用的内喷嘴。为使端盘与煤壁间的碎煤能及时的排出，在端盘板上还开有排煤孔，甚至取消端盘。DyDg D图1-1采煤机螺旋滚筒Fig.1-1Shearer spiral drum1.2 采煤机滚筒的分类和型号命名1.2.1 分类（1）按叶片旋向可分为：左旋滚筒和右旋滚筒。（2）按滚筒安装截齿形状可分为：扁形截齿滚筒和锥形截齿滚筒。

15、（3）按叶片头数分：二头螺旋滚筒、 三头螺旋滚筒、 四头螺旋滚筒和其他头数螺旋滚筒。（4）按滚筒连接方式可分为：锥轴连接滚筒、方轴连接滚筒、锥盘连接滚筒和其他连接方式滚筒。1.2.2 滚筒直径和宽度的尺寸系列（1）滚筒直径应符合MT/T84中滚筒直径系列的规定。 目前采煤机滚筒直径已经系列化，分别为0.6m、0.65m、0.7m、0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.25m、1.4m、1.6m、1.8m、2.0m、2.3m、2.6m。（2）截割宽度应根据截深确定，截割宽度不小于截深。截深应符合MT/T84中截深系列的规定，应取值分别为500mm，600mm（主要应用于普采工作面），630

16、mm，800mm，1000mm，1200mm。1.2.3 采煤机型号的命名滚筒的型号命名见图1-2。25431 图1-2采煤机型号Fig.1-2Shearer model 1-滚筒：T 2-叶片旋向：左旋-Z；右旋-Y 3-安装截齿形状：扁平截齿-B 锥形截齿-Z 4-滚筒直径D/截深/叶片头数 5-滚筒连接方式：锥轴连接-Z 方轴连接-F 锥盘连接-P 其他连接-Q注：滚筒直径D和截深的计量单位为毫米（mm）。 示例：直径为1800mm，截深为800mm，左旋、四头螺旋、扁形截齿、方轴连接的滚筒命名为：TZB 1800/800/4F。1.3 螺旋滚筒参数1.3.1 滚筒的直径与宽度 （1）滚

17、筒直径：滚筒围绕其轴线转动时，叶片截齿齿尖所形成的轨迹圆柱面的直径。如图1所示，滚筒的3个直径是指滚筒直径（截齿齿尖的直径直径）、螺旋叶片外缘直径及筒毂直径。其中，滚筒直径是指滚筒上截齿齿尖处的直径，目前，滚筒直径已成系列。筒毂直径越大，则滚筒内容纳碎煤的空间越小，碎煤在滚筒内循环和重复破碎的可能性越大。在满足筒毂安装轴承和传动齿轮的条件下，应保持叶片直径与筒毂直径适当的比例。对于的大直径滚筒，；对于的小直径，。 （2）滚筒截割宽度：滚筒两端最外边缘截齿齿尖的轴向距离。如图1所示，滚筒宽度为端盘宽度和叶片导程之和，应等于或大于采煤机的截深。滚筒的宽度一般为0.60.8m。对于较薄的煤层，为了提

18、高采煤机的生产率，滚筒的宽度可为0.81.0m；对于较厚的煤层，为了改善顶板的支护强度，滚筒宽度可取0.5m。1.3.2 截齿的概述截齿装在螺旋滚筒上，是采煤机上截煤的刀具。由于煤质软硬不同和煤层所含夹矸情况，截齿截煤时受力就有所不同，采用的截齿几何形状和尺寸就应有区别，对制造所用的材料和工艺也有相应的要求。对截齿的基本要求是:强度高，耐磨性好，截割比能耗低，能适应较多的煤层条件，在齿座上安装可靠，易于拆装。目前，采煤用的截齿主要有扁形截齿和镐形截齿两种。扁形截齿的刀体是沿滚筒的半径方向安装的，故常称其为径向截齿，如图1-3所示。这种截齿适用于截割各种硬度的煤，包括坚硬煤和粘性煤，使用较多。其

19、刀体呈矩形。镐形截齿的刀体安装方向接近于滚筒的切线，又称为切向截齿。这种截齿一般在脆性煤和节理发达的煤层中具有较好的截割性能。工作时，截齿在截割阻力作用下可在齿 座内回转，达到自动磨锐截齿的效果。其截齿形状及固定方式如图3所示。镐形截齿的下部为圆柱形，上部为圆锥形（或带有扁刃）。将截齿插入齿座后，只要在尾部环槽内装入弹簧圈即可固定。图1-3 镐形截齿 1-硬质合金头 2-碳化钨合金头Fig.1-3Conical bits 1-Carbide-tipped 2-Tungsten carbide图1-4镐形截齿的固定方式 1-镐形截齿 2-齿座 3-弹簧圈Fig.1-4Fixation of co

20、nical bits 1-Conical bits 2-Adapters 3-Coil1.3.3 截齿配置螺旋滚筒上截齿的排列规律称为截齿配置。基本要求是：截割煤块多，煤尘少，截割的比能耗小，滚筒受力比较均衡，所受的载荷变动较小，机器的运行稳定。截齿的配置情况可以用截齿配置图来表示。截齿配置图表示了截齿在工作机构形成表面上的坐标位置，螺旋图1-5 双头螺旋截齿配置图Fig.1-5Configuration diagramof double helix picks滚筒工作机构的截齿配置图是滚筒上齿尖所在圆柱面上的展开图，如图1-5所示。图中，水平线称为截线，是齿尖的运动轨迹；相邻的两条截线之间的

21、距离称为截线距，竖线表示截齿的位置坐标。 （1）端盘上截齿的配置端盘贴近煤壁工作，用来切出整齐的煤壁，为叶片的工作开出自由面，并防止滚筒端面与煤壁摩擦。煤壁处煤的压张程度差，而且处于半封闭截割条件，因此工作条件恶劣，所以端盘上的截齿密度大，截线距小。端盘上的截距都是靠调节齿座倾角来获得的，向煤壁倾斜时用“+”号，向采空区倾斜时用“-”号。截齿向两侧倾斜，可以抵消作用在滚筒上的侧向力，安装的平均截线距应为叶片部分的平均截距的一半。端盘上的截线条数通常为47，端盘每条截线上的截齿数为个（为叶片上每条截线上的截齿数目）；贴近煤壁的截线上截齿可以更多，以减少截齿的磨损。截齿沿圆周方向均匀分布，以减小滚

22、筒上的扭矩脉动。端盘上的截齿一般分为24组，每组由0，-5，+35，+20，+3510个齿组成。端盘截割宽度一般为70130mm，最大倾角的截齿应伸出端面3050mm。 （2）叶片上的截齿配置叶片上截齿的截距一般为3265mm，对硬、韧性煤，可小于此值，但是太小则煤太碎，截割比能耗增大；对脆性煤使用切向截齿时，可大于此值。叶片上每条截线上的截齿数=13，可根据螺旋头数选取。为使滚筒上的载荷均匀分布，两相邻截齿沿圆周分布的角度（或距离）应该相等。根据每条截线上截齿数与叶片头数的比值不同，截齿在叶片上的配置方式可分为顺序配置、交错配置、混合配置和不等截线距四种。顺序配置：截割煤时截齿一个跟着一个，

23、每个截齿截割的煤体呈单向裸露，因此截齿上受到的侧向力较大，此时，叶片头数与同一截线上的截齿数相等，这种配置方式使用得最为普遍，适用于硬煤；交错配置：截煤时，每个相邻的超前开出半个切削厚度的煤体上工作，因此截割条件好，截齿不受侧向力。一般双头螺旋和四头螺旋叶片可用这种配置方式，这种配置方式适用于脆性煤；混合配置：不同叶片上的截线组成一条与叶片螺旋方向相反的螺旋线，其切削端面接近交错配置，但有侧向力，三头螺旋叶片在截脆性煤时可用这种配置，叶片上，没3个截齿按顺序配置组成一组，而组与组之间按交错配置，所形成的切削厚度不等，而且边缘齿数加多，因此切削厚度小，其余截线上截齿截出接近交错配置的断面。不等截

24、线距配置：前3种叶片上的截齿配置均采用等截线距，因此截齿沿圆周分布均匀，螺旋叶片的升角是保持不变的，截煤效果不理想。而理想的截线距应从煤壁向外逐渐加大，即采用不等截线距，这种配置方式的截齿沿圆周均匀分布，叶片升角由煤壁向外逐渐加大，装煤效果好，但叶片的制造较难。在不等截线距配置情况下，如果采用等升角叶片，势必会使截齿沿圆周分布不均匀，进而导致载荷的变化较大。1.3.4螺旋升角如下图所示。 (a) (b) (c) 图1-6 叶片螺旋升角及头数Fig.1-6Blade helix angle and count单头螺旋叶片及其展开后的形状如图2a、b所示。和分别表示螺旋叶片的外径和内径，为螺旋叶片

25、的导程。不同直径上的螺旋升角不同，螺旋叶片的外缘升角和内缘升角分别为和。显然，螺旋叶片在外缘的升角小于内缘的升角，即小于。螺旋升角的大小直接影响滚筒的装煤效果。升角较大时，排煤能力强，装煤速度快，但升角过大会使煤抛到溜槽的采空一侧；升角过小，煤在螺旋叶片内循环，造成煤的重复破碎。国内外对螺旋升角曾进行过大量的试验，我国一般认为。时装煤效果较好。对于双头螺旋叶片（图2c），螺旋升角为 （1-1）式中 -螺旋头数； -螺距。螺距的大小应保证煤从滚筒中顺利排出，一般为0.250.4m。螺旋叶片头数主要是按截割参数的要求确定的。直径1250mm的滚筒一般用单头，1400mm的滚筒可用双头或三头，160

26、0mm的滚筒可用三头或四头。1.3.4 其他参数 齿座定位角：齿座对称面和垂直于滚筒轴线平面间夹角。端盘齿落差：端盘各截线截齿齿尖回转半径与滚筒名义半径的差值。1.4 小结 本章主要阐述了采煤机螺旋滚筒的直径、宽度等参数的概念，并着重介绍了滚筒截齿的配置方式及叶片螺旋升角，确定滚筒的参数是测量各项参数的先要条件。2 测量采煤机滚筒参数的意义采煤机滚筒的结构参数包括滚筒的直径、筒毂直径、螺旋叶片的头数、螺旋叶片的螺旋角以及截齿的安装尺寸与数量等，这些参数对煤块率、装煤效率等都有着不同程度的影响。2.1 滚筒的结构参数对块煤率的影响 （1）叶片螺旋角。叶片螺旋角通常指叶片外径处的螺旋角，螺旋角是影

27、响滚筒装煤的决定性因素。一般来说，螺旋角越大，排煤的能力也越大，但螺旋角过大时，容易引起煤尘粉碎。而螺旋角过小时，叶片的排煤能力小，煤在螺旋叶片内循环，会造成煤的重复破碎，使块煤率降低。 （2）滚筒截齿的排列方式对块煤率有着较大的影响。采用交错排列截齿的滚筒特点是相邻截线上的截齿不在同一螺旋叶片上，后螺旋叶片上的截齿偏高于前螺旋叶片上截齿截线，沿两个截齿的空档进行截割并且每个截齿的截割均属于浅封闭式截割。在进刀方向上截割，两相邻的截槽已先截出，形成的截槽两侧对称，切屑厚度大。因此具有提高块煤率，降低粉尘的优势。对于顺序排列截齿的滚筒，特点是螺旋叶片上的截齿沿前螺旋叶片上的截齿轨迹进行重复截割。

28、通过实验分析和实际使用证明，交错排列截齿的螺旋滚筒产生的块煤率高于顺序排列截齿的螺旋滚筒的块煤率。 （3）滚筒截齿的安装尺寸、数量与煤的块度大小有较大的关系。对于截割性能好的煤层，截齿的安装数量一般按610个/n安装，反之则应按1016个/n安装。截齿的安装尺寸则应根据脆性煤和粘性煤的性能来选取，由实验可知截距与截割深度的比值，脆性煤在22.5；粘性煤在的1.52的范围时，落煤效果较好。若比值过大，相邻两截齿间会有较大的残留煤柱，它将会与无截割能力的齿座和叶片相碰，使齿座螺旋叶片过早磨损，降低滚筒的使用寿命，同时采煤比能耗会猛增。比值过小则会减小块煤率，使煤尘增多，不利于生产。2.2 滚筒的结

29、构参数对装煤效率的影响 （1）滚筒直径和筒毂直径滚筒直径越大，越有利于降低临界转速，提高装煤效果，但直径过大时，会增加能耗，减小煤的块度。筒毂直径的大小决定叶片高度，筒毂直径越大，叶片高度就越小，叶片间的煤流有效空间就越小，容易出现煤流饱和，发生堵塞现象。（2）螺旋叶片的升角 螺旋升角是指螺旋线的切线与垂直于螺旋轴心平面的夹角。其计算式为 （2-1）式中 L-螺旋导程; D-叶片直径; z-叶片头数; S-螺距。 螺旋叶片装煤过程的实质是把破碎在叶片之间的煤块沿着轴向推入输送机，若有一块煤落在叶片的任意处，当滚筒转动时，叶片带动煤块沿轴向移动，其移动速度 （2-2） 式中 n-滚筒转速。由上式

30、可知，升角越大(或导程越大)，运煤速度也越高，即:升角越大，排煤越快，对装煤越有利；升角越小，排煤越慢，易造成滚筒堵塞。但升角越大，抛煤力越大，把大部分煤都甩至滚筒后面，装煤能力降低，能耗增大。试验表明，螺旋叶片外缘升角=827时装煤效果较好。 （3）螺旋叶片的导程和头数 导程是螺旋线旋转一周的轴向距离。若螺旋头数为z，则有L=zS。从运煤条件出发，当使滚筒转一圈时，螺旋叶片应能将煤推出一个叶片宽度B，即螺旋叶片的导程应不小于叶片宽度(L)。但在时，螺旋头数z必须满足，否则滚筒圆周上将有一部分没有叶片，使滚筒无法顺利装煤，当z=2时圆周上布满叶片，显然是合理的。2.3 滚筒的结构参数对粉尘爆炸

31、率的影响 有统计表明，近年我国煤矿事故死亡人数约为世界其他主要产煤国事故死亡总人数的4倍，是第二大产煤国-美国的100倍左右。研究发现，伤亡中的事故大多与工作面的粉尘有关，而粉尘主要是采煤机截割煤炭时产生的。采煤机螺旋滚筒截割过程中产生的粉尘约占整个采煤工作面粉尘的80%。螺旋滚筒作为采煤机落煤、装煤的工作机构，是截割产尘的主要根源，也是粉尘爆炸的诱因。滚筒的结构参数对粉尘爆炸率有着很大的影响。根据简化和假设，在分析大量粉尘检测数据的基础上，取采煤机的滚筒直径d，螺旋头数z，截线间距t，每线齿数i、牵引速度v、滚筒转速u为变量的工作面粉尘爆炸概率u的统计模型为 （2-3）由此数学模型模拟可得以

32、下结论：（1） 最大切屑厚度的影响：随着最大切屑厚度的增加，粉尘爆炸率呈现双曲线趋势下降。特别是最大切屑厚度在1030mm时，粉尘爆炸率随切屑厚度的增加而急剧下降。由此可见，增加切屑厚度能降低粉尘爆炸率，提高煤矿安全。（2）每条截线上截齿数的影响：随着每条截线上截齿数的增加，粉尘爆炸率呈线性增加。（3）截线距的影响：随着截线距的加大，粉尘爆炸率呈线性减小。 （4）滚筒转速的影响：随着滚筒转速增加，粉尘爆炸率呈线性增加。 （5）滚筒直径的影响：粉尘爆炸率随滚筒直径的增大而呈双曲线下降趋势。 （6）叶片头数的影响：在小于或等于2头时，粉尘爆炸率随叶片头数的增加而增加，但当超过2头后，粉尘爆炸率呈下

33、降趋势。2.4 滚筒的结构参数对工作面温升的影响 通过假设与简化，利用传热学、热辐射的理论，将机器工作消耗的功率转化为扩散热，按照采煤机工作时向工作面辐射功率的计算方法，并按每天工作8h，得到工作面温升T与采煤机主要设计参数关系的数学模型。 （2-4）（1）由数学模型模拟可知，工作面的温升随着滚筒直径的增加呈抛物线形上升，当滚筒直径D由0.4m增至1.0m时，工作面温度迅速增加(提高了0.2637)，当滚筒直径在1.52.5m范围内时，工作面的温度上升比较缓慢。（2） 随着滚筒宽度增加，工作面温升接近线性增大。亦即加大滚筒宽度将使工作面温升增大。这是因为采煤机截深的增加要求加大机器截割功率，使

34、采煤机向工作面辐射的热量增多，导致工作面温度增加。 （3）随着滚筒转速的增加，采煤工作面的温升呈抛物线形增加。由此可见，适当降低滚筒转速可降低工作面的温度。2.5小结 本章主要阐述了各项采煤机滚筒参数的影响，指出了测量滚筒参数对各项生产指标的影响，论证了滚筒参数的重要性。3 采煤机滚筒测量装置的方案设计方案设计是机械系统设计的核心环节，是保证机械设计的水平和质量的重要阶段。方案设计是创造性思维过程，其主要工作内容一般包括：研究给定的设计任务，构思实现功能的原理和方法，选择工艺原理，引进技术系统，分析结构布局，拟定设计方案并进行设计方案评价，确定能实现最佳目标的设计方案。本次方案设计的主要任务为

35、测量装置的功能原理设计，所设计的采煤机滚筒测量装置需要实现测量滚筒直径，滚筒宽度，截齿位姿的功能。对于安装在摇臂上的滚筒和放置在水平平台上（端盘朝上）的滚筒，测量的原理方法相同，下文将以安装在要摇臂上的滚筒为例进行分析。3.1 测量滚筒直径的方法原理3.1.1 滚筒直径的测量 若要测量滚筒的直径，首先应确定滚筒的轴心，任取端盘的一个同心圆，在圆周上任取三点连接成三角形，三角形三边的垂直平分线的交点即为端盘的轴心。将直尺沿径向放置，测量轴心到截齿的距离，即为滚筒截齿的回转半径；旋转直尺，分别测量轴心到其他各个截齿的距离，即为回转半径，。个回转半径的平均值即为滚筒的名义半径，则滚筒直径。 端盘各截

36、齿齿尖回转半径与滚筒名义半径的差值即为端盘齿落差。3.1.2 叶片直径的测量叶片直径的直接测量比较困难，可以先测量端盘截齿齿尖与螺旋叶片顶部的径向距离，叶片半径即为滚筒半径与该径向距离的差值。滚筒直径由上文所阐述的方法测量，在此不再赘述。测量径向距离时，将直尺沿轴向放置，使直尺与端盘截齿齿尖靠齐，用深度尺测量直尺到叶片顶部的距离即为。转动直尺，测量端盘其他截齿与叶片顶部的径向距离，。其平均值即为径向距离。则滚筒的叶片直径。3.1.3 筒毂直径的测量筒毂直径的直接测量比较困难，可以先测量端盘截齿齿尖与筒毂外壳的径向距离，筒毂半径即为滚筒半径与该径向距离的差值。滚筒直径由上文所阐述的方法测量，在此

37、不再赘述。测量径向距离时，将直尺沿轴向放置，使直尺与端盘截齿齿尖靠齐，用深度尺测量直尺到筒毂外壳的距离即为。转动直尺，测量端盘其他截齿与叶片顶部的径向距离，。其平均值即为径向距离。则滚筒的筒毂直径 （3-1）3.2 测量滚筒宽度的方法原理因为滚筒宽度为端盘宽度和叶片导程之和，所以只要测量出任意两个宽度，即可计算出第三个宽度。由于正常情况下滚筒宽度与叶片导程要比端盘宽度要大得多，测量时会更加精确，所以通常会直接测量滚筒宽度与叶片导程，在通过公式 （3-2）计算得到端盘宽度。但有时为了分析测量误差，也会直接测量端盘宽度的大小。3.2.1 滚筒宽度的测量将直尺沿轴向放置，用直尺测量端盘截齿的齿尖到滚

38、筒底部的距离即为滚筒的宽度；将直尺沿轴线转动，分别测量端盘其他最外侧截齿齿尖到滚筒底部的距离，即为滚筒的宽度，。个滚筒宽度的平均值即为滚筒的宽度。3.2.2 叶片导程的测量在端盘底部任取个对称的点作为测量点。将直尺沿轴向放置，用直尺测量第一个测量点到滚筒底部的轴向距离，即为滚筒螺旋叶片导程；将直尺沿轴线转动，分别测量其他测量点到滚筒底部的轴向距离，即为叶片导程，。个叶片导程的平均值即为滚筒的叶片导程。3.2.3 端盘宽度仍然采用测量叶片导程时选取的个测量点。将直尺沿轴向放置，用直尺测量端盘截齿齿尖到第一个测量点的轴向距离，即为滚筒端盘宽度；将直尺沿轴线转动，分别测量其他测量点到相应端盘截齿齿尖

39、的轴向距离，即为端盘宽度，。个端盘宽度的平均值即为滚筒的端盘宽度。3.3 绘制滚筒截齿配置图的方法原理 绘制滚筒截齿配置图需要测量确定每个截齿齿尖的位置。图3-1滚筒截齿配置图Fig.3-1Drum Pick configuration diagram 以滚筒顶部的母线为起点，截齿齿尖的位置由径向直尺转动的角度和截齿在轴向上与端盘的距离确定。相邻两个截齿齿间的轴向距离即为滚筒的截线距。分别测量每个齿尖的位置，并将其在配置图中标出，连接同一条螺旋叶片的截齿齿尖，绘出截线，即可得到滚筒截齿的配置图。图中的水平线为截线，是截齿齿尖的运动轨迹；相邻两条截线之间的距离便是滚筒的截线距。3.4 测量齿座定

40、位角的方法原理齿座定位角是齿座对称面和垂直于滚筒轴线平面间夹角，在测量齿座定位角时可以先测量其余角即齿座对称面与竖直轴面的夹角，再转化为齿座定位角。以滚筒顶部的截齿为例，将游标移动至截齿齿座上方一侧（游标的托架与竖直轴面平行），转动量角器手轮使量角器紧贴齿座一侧，从量角器指示板中读出角度；将游标移动至截齿齿座另一侧，转动量角器手轮使量角器紧贴齿座，从量角器指示板中读出角度，齿座定位角 （3-3）同理可测任一截齿的齿座定位角。3.5 测量叶片外缘升角的方法测量叶片外缘升角是叶片外缘展开线与垂直滚筒轴线平面的夹角，计算公式： （3-4）式中 -叶片导程； -叶片直径。 叶片导程和叶片直径的测量方法

41、在前文中已提及，在此不再赘述。3.6 测量截齿位姿的方法原理描述截齿相对于基础坐标系的位姿的途径是描述与截齿固联的坐标系相对于基础坐标系的位姿。如图，设截齿轴线与齿座底部端面的交点为A点，截齿齿尖为B点，齿座上有C、D两点，且有AC垂直于AD。以端盘轴心为坐标原点，以滚筒轴线为轴，以竖直方向为轴，以径向为轴建立基础坐标系，轴、轴、轴的单位向量分别为、。记向量的单位向量为,向量的单位向量为,向量的单位向量为，以A点为坐标原点，向量为为基础，建立编号为A的坐标系。则截齿的位姿就是坐标系相对于基础坐标系的位姿。测量时需要径向直尺、轴向直尺、游标、量角器与深度尺。测量时需要径向直尺、轴向直尺、游标、量

42、角器与深度尺。初始时径向直尺与轴重合，轴向直尺在平面内，游标套装在轴向直尺上且与量角器相连，深度尺联接在游标上。3.6.1 测量截齿齿尖B点的位置转动径向直尺使其与截齿齿尖在同一平面内，移动轴向直尺使直尺紧靠截齿齿尖，将径向直尺的读数记作，转动的角度记作，轴向直尺的读数即为截齿在轴上的坐标，记作。则截齿齿尖在基础坐标系中的位置为。3.6.2 测量截齿上C、D两点的位置转动径向直尺使其与C点在同一平面内，移动轴向直尺上的游标使深度尺靠在C点上，将径向直尺的读数记作，转动的角度记作，轴向直尺的读数即为截齿在轴上的坐标，记作，深度尺的读数为,则C点在直径方向上的距离，C点在基础坐标系中的位置为。转动

43、径向直尺使其与D点在同一平面内，移动轴向直尺上的游标使深度尺靠在D点上，将径向直尺的读数记作，转动的角度记作，轴向直尺的读数即为截齿在轴上的坐标，记作，深度尺的读数为,则D点在直径方向上的距离，D点在基础坐标系中的位置为。图3-2截齿上的测量点Fig.3-2The measuring poin on the pick3.6.3 测量截齿的姿态首先用直尺测量向量的模长，记作。将基础坐标系平移至A点，建立以A点为坐标原点，竖直方向为轴的坐标系，且有轴平行于轴，轴平行于轴。用量角器测量截齿的齿座定位角（齿座对称面和垂直于滚筒轴线平面间夹角），记作，则为向量在平面内的投影与轴的夹角。再用游标测量截齿仰

44、角，记作，则为向量与轴的夹角的余角，则向量，的单位向量。3.6.4 计算单位向量与截齿位姿向量 （3-5）向量的模长（3-6）向量的单位向量（3-7）向量（3-8）向量的模长（3-9）向量的单位向量（3-10）由以上向量可计算截齿的位姿 （3-11）3.7小结 本章主要论述了测量装置的两种定位方式的利弊，以及测量各项滚筒三个直径、三个宽度及截齿位姿等参数的方法原理。4 采煤机滚筒测量装置的结构方案设计测量滚筒的参数需要定位装置、径向直尺、轴向直尺、游标、量角器和深度尺。定位装置的功能是确定滚筒轴线的位置，径向直尺与定位装置联接，且可绕定位装置转动，轴向直尺与径向直尺联接，上边套有游标，游标上有

45、量角器与深度尺。测量装置的结构方案设计的目的在于确定测量装置的总体布局和各个装置的联接方式。4.1 测量装置的定位方案设计如果要测量滚筒的参数，必须先将测量尺定位于滚筒的轴线上。定位的方法有多种。方案一：采用底座联接定位器、定位杆的定位方式图4-1底座与定位杆Fig.4-1Base with the alignment bar如图4-1所示，滚筒端盘朝上放置在水平平台上。环形定位器通过四个螺钉固定支撑座上，不能移动和转动，但支撑座高度可调。定位器与支撑座套装在竖直的定位杆上，定位杆杆安装在底座上，顶部安装有径向直尺。该方案中定位杆轴线与定位器轴线在误差允许范围内重合。通过定位器与滚筒的过盈配合

46、，使定位杆轴线与滚筒轴线在误差允许范围内重合，以实现定位杆轴线代替滚筒轴线的目的。此方案的优点是不仅可以通过更换不同直径的定位器来适配不同直径的滚筒，还可以通过调节支撑座的高度来适配不同宽度的滚筒。若忽略滚筒重力对支撑座的压力作用，理论上该定位装置可以对所有直径和宽度的滚筒进行定位，故适用性很强。缺点是在实际情况下，此定位方案中的支撑座会承受滚筒的部分重量，由于较大直径的滚筒重量多达数吨重，因此对支撑座的强度要求较高。故该方案的可行性与可靠性较差。而且，在调节支撑座高度的时候，会不可避免地使定位器发生偏转，进而使定位杆发生偏转，轴线弯曲，误差增大；另外，该方案中无法安装角度盘，不能测量径向直尺

47、转动的角度，使得测量有局限性。方案二：采用定位杆联接上、下双定位器的定位方式图4-2上下定位器与定位杆Fig.4-2Upper and lower retainer with the alignment bar如图所示，滚筒端盘朝上放置在水平平台上。上、下定位器与滚筒筒毂均为过盈配合，与定位杆为键联接，并且通过上、下螺母进行固定，上定位器与角度盘通过四个螺钉联接固定，角度盘通过螺钉与径向直尺联接，且可以绕轴线转动。该方案中上、下定位器与滚筒筒毂为过盈配合，使得滚筒轴线与定位器轴线在误差允许范围内重合；上、下定位器与定位杆通过平键联接，且通过上、下螺母进行固定，以使上、下定位器与定位杆的轴线在误

48、差允许范围内重合；上定位器通过四个螺钉与角度盘联接固定，使上定位器的轴线与角度盘在误差允许范围内重合；角度盘与径向直尺的端盘通过螺钉联接，使角度盘的轴线与径向直尺的轴线在误差允许范围内重合，从而使径向直尺端盘的轴线与滚筒的轴线在误差允许范围内重合，以实现径向直尺端盘的轴线代替滚筒的轴线的目的。该方案的缺点是结构较为复杂，零件较多，在铸造加工时有些许难度，但是各部件拆装容易、维护方便，故经济性一般。优点是各部件间联接稳定，可靠性较好；上、下定位器与螺母为对称设计，互换性好；定位精确，测量误差较小。综上，选取方案二定位杆联接上、下双定位器的定位方式为测量装置的定位方案。4.2 径向直尺与轴向直尺的

49、结构设计（1） 径向直尺的结构设计 径向直尺一端的端盘通过螺钉与角度圆盘联接，轴向固定，但可绕轴线转动；另一端需要与径向直尺联接，并且承受其余部件的重量。当径向直尺采用长条形设计时，不利于与轴向直尺的配合联接；而采用空心圆柱的设计时，则能有效的避免该问题的发生。因此，径向直尺采用空心圆柱的形式设计，其外壳壁上刻有刻度。（2） 轴向直尺的结构设计 轴向直尺联接在径向直尺上，当其采用圆柱或空心圆柱设计时，会增大零件自身重量，对径向直尺的拉力也会随之更大；当其采用长条形设计时，则可有效地减轻零件的重量。故轴向直尺应采用长条形的方式设计。4.3 径向直尺与轴向直尺联接结构方案设计 径向直尺与轴向直尺的

50、联接方案有以下三种。方案一：轴向直尺直接套装在径向直尺上径向直尺的一端结有空心套筒，将其套在径向直尺上即可使用。该方案的优点是结构简单，拆装容易，维护方便，经济性好。缺点是轴向直尺易发生摆动和径向滑动，使测量不准确，误差增大。方案二：径向直尺与轴向直尺采用滑键联接两个滑键对称固定轴向直尺的套筒内，径向直尺上铣有两条相应的较长的轴槽，套筒可带动轴向直尺沿轴槽一起作径向滑移。该方案的优点是结构简单，拆装容易，维护方便；两个对称的键槽可以防止轴向直尺发生摆动。缺点是在轴上铣两个对称的键槽会大大降低直尺的结构强度；测量时无法固定轴向直尺的位置，直尺容易沿键槽发生滑移，测量不准确。方案三：径向直尺与轴向

51、直尺采用齿轮齿条联接径向直尺底部设计有较长的齿条，轴向直尺的套筒内安装有相应的齿轮。通过转动与齿轮固联的手轮，即可移动轴向直尺进行测量。该方案的缺点是齿轮齿条联接结构复杂、拆装不易，对工艺精度要求高，加工成本高，经济性一般。优点是结构稳定可靠，可有效避免轴向直尺的摆动；可以固定轴向直尺在径向直尺上的位置，预防轴向直尺滑移，测量精度高，测量结果准确。综上，选取方案三齿轮齿条联接。4.4 轴向直尺与游标的联接结构设计游标通过游标前板、中板、后板固定在轴向直尺上，其上设计有量角器和深度尺。游标与轴向直尺的联接结构方案有以下三种：方案一：游标直接固定在轴向直尺上游标已通过前、中、后板固定在轴向直尺上，

52、不再增加其他零部件即可使用。该方案的优点是结构简单，拆装容易，维护方便，经济性好。缺点是游标易发生摆动，且需要手动固定游标的轴向位置，使测量不准确，误差增大。方案二：游标与轴向直尺采用滑键联接两个滑键对称布置在游标的顶部和底部，轴向直尺上铣有两条相应的较长的轴槽，游标可带动量角器和深度尺沿轴槽一起作轴向滑移。为增大游标与轴向直尺的摩擦力，可将键与键槽设计成45平行相切。如下图所示。图4-3键槽Fig.4-3Keyway该方案的优点是结构简单，拆装容易，维护方便；两个对称的键槽可以防止游标发生摆动。缺点是在轴向直尺上铣两个对称的键槽会大大降低直尺的结构强度；测量时需要手动固定轴向直尺的位置，直尺

53、容易沿键槽发生滑移，测量不准确。方案三：游标与轴向直尺采用齿轮齿条联接轴向直尺底部设计有较长的齿条，游标的中板附近安装有相应的齿轮。通过转动与齿轮固联的手轮，即可移动游标进行测量。该方案的缺点是齿轮齿条联接结构复杂、拆装不易，对工艺精度要求高，加工成本高，经济性一般。优点是结构稳定可靠，可有效避免轴向直尺的摆动；可以固定轴向直尺在径向直尺上的位置，预防轴向直尺滑移，测量精度高，测量结果准确。综上选取方案三，游标与轴向直尺采用齿轮齿条联接。4.5游标与深度尺的联接结构设计深度尺安装在游标上，可在游标上移动已测量零部件的深度。由于游标上安装深度尺的空间位置有限，故不宜采用齿轮齿条联接，此时使用滑键

54、连接较好。采用键连接时，可将滑键与深度尺设计为一体，对称地分布在深度尺两侧，相应的键槽开在游标上。根据测量装置各部件的联接结构绘制总体布置图。4.6 小结 本章主要论述了测量装置各个部件的联接方式，由此便可绘制测量装置的总体布置图。5 测量装置的使用维护本测量装置主要由定位装置、径向直尺、轴向直尺、游标和深度尺构成，其结构比较简单，使用方便，能满足一般精度的测量要求，是煤矿机械制造厂中广泛使用的量具，可以测量滚筒的直径、宽度，截齿的位姿、截线距，齿座定位角以及叶片外缘升角，还能辅助绘制滚筒的截齿配置图。使用该测量装置是要轻拿轻放，避免损坏装置；使用过后要注意对装置的维护。5.1 测量装置使用使

55、的注意事项（1）组装该装置滑键联接的零件时用力不要过猛，以免损坏滑键与键槽；组装齿轮齿条联接的零件时，要慢慢转动手轮，使直尺或游标平稳组装。（2）组装后应检查各部件间的相互作用：转动径向直尺，直尺与角度盘能灵活转动，无卡死现象；转动轴向直尺手轮，直尺能沿径向直尺平稳移动且无卡死现象；转动游标手轮，游标能沿轴向直尺平稳移动，无卡死现象；拉动深度尺，能沿尺槽平稳移动，无卡死和滑动现象。（3）使用前还要检查测量面：用干净棉丝或软布把测量面擦拭干净，测量面无污点和锈渍。（4）读数时要注意：眼睛要垂直的看所读刻线，防止偏视造成读数误差；当没有刻线完全对齐时，应找出对的比较齐的刻线来读数。5.2 测量装置的保养规范（1）不要用油石、砂布等硬质物品磨擦测量装置的表面及测量面和刻线部分，非计量检修人员，严禁拆卸、改装、修理测量装置。（2）测量装置存放的地点应保持清洁、干燥、无震动、无腐蚀性气体，远离温度变化范围大的地方或者有磁场的地方。测量装置的盒内要清洁干燥，不准存放其他杂物于盒内。（3）不要用手摸测量装置的测量面，因为手