机械毕业设计论文小断面煤巷掘进机总体方案及液压系统设计全套图纸

1、0 前言随着我国煤炭事业的发展，因采煤机械和综合机械化水平的速度提高，要求有于之相适应巷道掘进速度。回采工作面的回采综合机械化的迅速发展，使回采速度大大加快，要求巷道掘进速度相应的提高，就必须提高掘进机械化程度。因此打眼放炮、机器装载的办法已达不到要求。采用掘进机直接从工作面把煤或岩石采落并装入矿车或运输设备，能提高巷道掘进速度，而且减轻了工人的劳动强度；用掘进机比用爆破方式掘出的表面平整，围岩也不受爆破震动破坏，岩壁完整，稳固光滑，还可减少通风阻力。通常钻爆法超挖量不下于20%，掘进机掘出的超挖量可以小到5%，支护的材料用量可以减少，从而节省了支护费用，又因为周围岩层不受破坏，减少了对地面建

2、筑物及其设备的影响。.全套图纸，加153893706巷道掘进机是一种能够实现截割、装载运转、转载煤岩,并可调动行走喷雾、除尘的联合机组。它具有掘进速度快，快速掘进有利于及时查明采区地质条件，以便正确部署采煤工作面的准备和接替。减少岩石的毛顶及瓦斯突出事故，有利于安全生产和减少巷道超挖,减少不必要的工作量，减轻掘工的体力劳动全力研制和使用巷道掘进机具有重大的技术经济意义。本文先叙述了掘进机的相关知识，如掘进机的组成、分类及使用要求等，然后进行了工作机构的设计，为后面展开的总体设计做了准备工作，在总体设计的时候涉及到掘进机型号的确定、各个组成部分型式的选择、总体参数的确定等，最后进入了专题设计部分

3、（掘进机液压系统设计），确定了各个执行器的型号并完成了液压系统图的设计等。本论文在李贵轩老师的悉心教导之下，通过研读各种著作和期刊，并经过了反复修改，由于作者知识经验不足，论文中难免出现错误，恳请读者指正。1 概述目前，国内外研制和使用巷道掘进机种类繁多，主要分为两大类：全断面巷道掘进机和部分断面掘进机。全断面巷道掘进机主要用于掘进岩石巷道，这类掘进机功率大，结构复杂，巷道断面形状单一。在煤炭工业中没有得到广泛应用。部分断面掘进机，其工作机构仅能同时截割工作面煤岩断面的一部分。为截割破落整个工作面的煤岩必须在断面内多次连续地移动工作机构的截割头。故此它能实际掘出所需巷道断面形状。它主要用于掘进

4、煤或半煤岩巷道。近年研制的掘进机有以下趋势：广泛采用悬臂式可伸缩的工作机构，改善起截割性能和使用范围。采用横轴式截割头，以减少机器振动，增加机器稳定性。广泛采用触爪式装载机构和履带式行走机构。加大掘进机的总功率和提高液压系统的工作压力。改进喷雾除主装置，支护设备和配套转载设备。1.1 使用掘进机采掘的优点掘进机能够同时完成破落煤岩、装煤运输、喷雾灭尘和调动行走等工作，它具有许多优点：1） 巷道掘进速度平均可提高11.5倍，工效平均提高12倍，进尺成本降低3050%；2）快速掘进有利于及时查明采区的地质条件，正确部署回采工作面的准备和接替；3）由于不需要爆破，巷道围岩不易破坏，既有利于巷道支护、

5、又可减少冒顶和瓦斯突出的危险，大大提高了生产的安全性；4）减少了煤或岩石的超挖量和支护作业的充填量，减少不必要的工程量；5）改善了劳动条件，减少笨重的体力劳动。1.2 掘进机的结构组成巷道掘进机总体结构均由下述八部分组成（图1-1）：其中1-切割机构；2-装运机构；3-液压机构；4-行走机构；5-电气机构。1）工作机构：破碎煤岩；2）装载机构：把碎落的 煤岩集中并装载到输送机构中；3）输送机构：把装载机构运来的煤、岩输送转载到机后的运输设备上；4）行走机构：驱动巷道掘进机前进、后退和转弯，并能使巷道掘进机得到很大的截入煤岩的推力；5）液压系统：驱动、控制巷道掘进机的各个油缸和油马达；6）电气系

6、统：驱动、控制巷道所有电动机，并可控制跟机遥控电磁阀动作；7）除尘系统：利用抽出式通风和利用压力水进行内、外喷雾，清除瓦斯、煤尘，使工作环境卫生及安全；8）机架：安装、支撑和连接上述各机构、系统部件。图1-1掘进机的组成Figure 1-1 the composition of roadheader1.3 掘进机的分类目前，国内外研制和生产的掘进机类型很多，主要按使用范围和结构特征分类：根据巷道掘进机所能截割煤岩的坚硬性系数f值，可分为三类：1）适用于f 4的煤巷，称为煤巷掘进机；2）适用于f 6的煤或软岩巷道，称为半煤岩掘进机；3）适用于f 6或研磨性较高的岩石巷道，称为岩巷掘进机。 根据巷

7、道掘进机可掘巷道的断面大小一般可分为两类：1）可掘巷道断面小于8m2的，称为小断面掘进机；2）可掘巷道断面大于8m2的，称为大断面掘进机。 按工作机构切割工作面的方式可分为两大类：1）部分断面巷道掘进机；2）全断面巷道掘进机；因部分断面掘进机的工作方式灵活，对采准巷道的规格形状和煤岩赋存情况的适应性好，外形尺寸和重量小，便于维修和支护，机动性强，能耗小，所以在煤及半煤岩巷道中使用效果好。它主要用于煤及半煤岩巷道。而全断面掘进机的装机功率大，破岩硬度高，外形尺寸和机重较大，主要用于开掘岩巷。 按截割头布置型式可分为两类：既纵轴式和横轴式。巷道掘进机的用途和结构，在很大程度上取决于工作机构，掘进机

8、工作机构的型式和结构，必须与掘进工作面煤岩的物理机械性质如坚硬性、研磨性等相适应。1.4 对掘进机的一般要求对掘进机的要求，是根据工作面的工作条件和采煤工艺的需要提出的。现代掘进机必须：1）采煤工作机构能适应煤层厚度变化进行工作；牵引机构能够在工作过程中随时根据工作需要改变牵引速度，最好能无级调速，以适应煤层硬度变化，发挥机器效能；2）机器所占空间宜小，特别是高度和宽度受工作面条件的限制较严；3）掘进机可拆成几个独立的部件，便于下井和运输，也便于检修；4）所有电气设备应具有防爆性能，能在有煤尘瓦斯爆炸危险的工作面内安全工作；5）电动机及传动减速装置具有超负荷安全保护装置；6）由于工作面有煤尘和

9、水，各减速箱均要封闭严密，外壳还要能承受顶板落下的岩块打击；7）工作稳定可靠，操作简单方便，操纵手把应尽量集中，一般日常工作少而容易；8）具有防滑装置，防止机器沿斜坡自动下滑；9）具有除尘装置。2 工作机构设计2.1 截割头结构设计截割头是由头体、螺旋叶片焊在截割头的头体上。沿螺旋线并按截线间距排列齿座和截齿。纵轴式掘进机截割头的形状通常有圆锥形、圆柱形、圆锥圆柱形几种。圆锥形截割头有利于钻进工作面，也能保证截割出来的巷道表面较平整。如果采用圆柱形截割头，摆动截割时截齿受力较好，截割头轴向载荷小，但会将顶底板截成锯齿形。这样给支护工作带来困难，巷道坡度也不易保证，掘进机工作后尚需人工辅助铲平顶

10、、底板，降低了生产率。而圆锥圆柱形截割头是由两个不同形状的部分组成的，这种形状兼顾了钻进、摆动截割和巷道平整性，但形状比较复杂，而且在两部分衔接处的截齿布置较困难。目前，纵轴式掘进机的截割头多采用圆锥形和圆锥圆柱形。一般在煤巷掘进机截割头的前端，按螺旋线安装中心钻头。螺旋叶片有两种结构型式，一种是采用搭接，即由若干块金属板分别焊接在两相邻的齿座间，其特点是结构简单、修配容易，但磨损现象比较明显。另一种是由一连续的钢板缠绕在截割头的头体上，构成光滑的叶片其特点与前者相反。螺旋叶片的高度应按照截割头不堵塞的条件计算确定，也可和叶片厚度一样，参照其他机型由类比法确定。该设计中采用圆锥形截割头，螺旋叶

11、片采用搭接型式。2.2 参数选择2.2.1 截割头长度截割头长度的大小不仅影响工作循环时间，而且还和煤岩性质有关。因此必须合理地选取。工作面煤壁附近有压张效应，在压出带范围内，煤岩的抗截深度明显减弱，截割阻力和单位能耗降低，因此截割头的长度应设计在压出带尺寸范围内。同时，截割头长度大小还能影响掘进速度，而截割头长度太小时，虽然可以充分利用自由面和地压作用，减小截割阻力，但截割时间加长，会直接影响截割的循环时间。纵轴式掘进机截割头长度应略大于截深。目前，纵轴式掘进机截割头长度一般为500700mm。大功率的掘进机达1000mm左右。本设计中截割头长度设计为600mm。2.2.2 截割头直径当截割

12、头的功率和转速一定时，截割头的直径将决定截割头的切向截割力度。截割头直径过大，将使切向截割力降低，如果截割力小于截割阻力，就不能完成截割任务。相反，若截割头直径过小，虽然可以获得较大的切向截割力，但由于截割的循环时间加长，而影响掘进速度。目前，纵轴式掘进机的截割头直径通常为600900mm，有些大型掘进机截割头的直径在1000mm以上。本设计中选取截割头的直径为800mm。2.2.3 截割头锥角对于纵轴式掘进机的圆锥形或圆锥圆柱形截割头，为了获得较为平整的巷道顶、底板或侧壁，还应结合悬臂长度、回转中心的位置来确定截割头的锥角。如图2-1所示，设截割头的半锥角为，悬臂水平摆角为，上下摆角分别为，

13、。按照几何关系，要保证巷道的顶、底板、两侧壁的平整，应使= =。显然对于确定的掘进机，其截割头的半锥角是一定值。故对于一定形状的巷道，一般不可能同时满足上述要求。因此，较难以同时获得平整的底板和侧壁。图2-1通常在巷道掘进时，为便于机器的行走和支护，要求底板两侧壁平整，这时有= =。 应该指出，水平摆角取决于巷道断面的宽度回转半径的大小。对于不同规格的巷道，掘进机工作的实际水平摆角也不一样。同时，为了达到较大的掘进宽度，在机构允许的情况下，常采用加大角的办法（现有掘进机的水平摆角通常为30°53°）。因此，大多按底板平整的要求（=）来确定。通常，锥形截割头的锥角一般为30&

14、#176;50°。本设计中截割头采用40°的锥角。2.2.4 截割头数和升角装在截割头上的螺旋叶片是用来排屑的，把截落的煤岩及时排出，减小切割阻力。因此，螺旋叶片的头数、升角和高度都影响排屑效果。螺旋头数越多，要保证截割顺序有规律，同时截割齿数不变等要求就越困难，而且使结构复杂、截割头重量增加。试验表明，截割头的螺旋头数应小于4个。分析认为，单头螺旋不宜采用，对于单头螺旋来讲，就要取较小的螺距，这样就使截割的块度减小，粉尘增多，而且使截割头的排屑能力降低。因此，螺旋头数一般选为两头或三头，对于中小型掘进机多采用两头螺旋叶片。螺旋升角对排屑过程的影响比较复杂，对最佳升角的取值

15、尚无切实的看法。通常，对于两、三头螺旋叶片，在设计时取升角大于12°。本设计中取截割头数为两头，螺旋升角15°。 截割头的平均直径截割头的平均直径就是截割头大端直径和小端直径的算术平均值，截割头几何尺寸如图2-2。截割头的平均直径为D。L为截割头小直径。根据图2-2截割头的几何关系，可得：X=600tan20°=218.4mm ； L=800-2X=363.2mm。取L为364mm。则=582mm。 图2-2截割头几何示意图 Figure 2-2 Cutting geometry schematic drawing2.2.6 截割速度和摆动速度当功率一定时，截割速

16、度（截割头转速）决定截割力矩和截割力的大小。 截齿必须具有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vj=2.03.0m/s，截割头的转速为30100r/min。对于中硬岩，可选vj=0.81.6m/s。设计中取vj=1.5m/s,截割头的转速为60r/min。当截割速度（或转速）一定时，摆动影响切屑厚度的大小。随着摆动速度增加，切屑厚度将加大，截割阻力、牵引阻力和截割功率呈线性增加，而单位能耗按曲线规律下降

17、（见下图）。可见，对于一定的煤岩，存在着一个单位能耗最小的合理切屑厚度。采用该切屑厚度，可在一定功率下获得最佳的截割效率和截割工况。图2-3切屑厚度的影响Figure 2-3 Thickness of chip influenceN截割功率；Hw单位能耗；F0截割阻力；Rb牵引阻力；合理的切屑厚度随煤岩性质的不同而已，各种煤岩切削试验的统计资料表明，在h=510cm时，截割煤的单位能耗最小。通常，软煤的板煤岩取hmax=35cm，较硬的半煤岩或中硬岩取hmax=23cm。考虑到掘进机对煤岩特性具有一定的使用范围，通常在较软的半煤岩中，可选合理的工作摆动速度vb=23m/min，在较硬的半煤岩中

18、，可取1.52.0m/min，对于中硬岩石为保证截齿的寿命和牵引力，摆动速度不易太高，可取vb=11.5m/min。同时，为了在不同条件下能尽量按合理的切屑厚度来工作，以获得较高的截割效率，应按相应的合理截割速度来调节摆动速度。设计采用vb=1.5 m/min。2.2.7 牵引力截割头在回转时，必须具有足够的牵引力，以便截割头在摆动方向能有效地截入煤岩，保证截割头工作的正常进行。截割头平均直径出的牵引力为P=(11.34)PC。牵引力一般为3060kN，对于半煤岩或中硬岩取大值，在掘进f6以上岩石时，牵引力应该提高到100kN左右，而牵引速度需降低到1.5m/s左右，但牵引力太大时，将影响机器

19、的稳定性，需增设辅助支撑装置。2.3 截齿的选择与截齿排列图设计截齿的选用应根据煤岩的坚硬度、脆性长度、所含夹面层等综合考虑。一般来说，煤质坚硬、节理层理不明显、裂隙不发达的煤岩巷道，可采用扁形齿。因其径向安装，刀体部分承受较大的弯矩，易断裂，所以刀体应有较高的强度。对于煤质硬而脆且含有硬夹石的煤层，应采用镐形齿。其强度大、耐磨，而且截割阻力的作用方向近于沿截齿轴线，将截齿压紧在齿座上，因而对齿身的弯矩小，齿的固定装置也较简单。选用型号为JG25/108的截齿，齿全长为108mm，柄部直径为25mm的镐形截齿。2.3.1 截齿的排列原则截齿在截割头上的排列方式，直接影响破碎效果、受力状况、功率

20、消耗和截割工况。对截齿布置总的要求如下:单位能耗低、截齿损耗少、块率高、吸入性粉尘少，沼气泻出量和摩擦发光的概率小。拟定截齿排列图时，考虑的一般原则：1）保证工作机构的负荷均匀、工作平稳、振动小。为此，使每条截线上的齿数相等。2）单位能耗小，截割效率高。应合理确定截线距和切屑厚度。一般，对于裂隙少、崩落角小的中硬煤岩，截线距可取为3050mm；裂隙多、崩落角大的脆性煤或煤岩，可取为5070mm。3）为充分利用地压和自由面，并考虑在不同钻进深度内截割阻力不同，截割头前部的截线距应小小一些，而后部的截线距应适当加大；4）为了减小截割阻力、降低截齿载荷，应采用合理的排列方式；5）为保证功率一定情况下

21、，截割头具有较大的单齿截割力，截齿总数不易过多，一般为2040个，软的煤岩取低值，硬的煤岩取高值。截齿排列图如图2-4所示：图2-4截齿排列图Figure 2-4 cutting picks arrangement Figure本设计中取截线距取为60mm；截齿的总数为20个。2.3.2 截齿的排列方式截齿的排列方式通常有两种，一种是顺序式，另一种是交叉式。顺序式布置的截齿是一个挨着一个进行截割的，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，切屑断面较小。其条件是：截割头数与每线齿数之比为1。交叉式排列的条件是：螺旋头数与每线齿数之比为2。截齿是以一个间隔一个的次序进行截割的，

22、形成两侧接近对称的截槽，可以保证截齿两侧的受力基本平衡，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。因此，截割头上使用较多。设计中选用交叉式的排列方式。2.4 截割头载荷计算作用于截齿上的截割阻力计算方法，目前国内外尚无公认的统一方法。在掘进机设计计算中，我国工程技术人员经常采用原苏联学者提出的计算方法。1)截煤时作用于锐利截齿上的截割阻力与牵引阻力分别为：=，N （2-1）=,N （2-2）式中 工作面煤层存在矿压显现时截割阻抗平均值，；bp截齿工作部分的宽度，mm，镐齿可取bp=0.5d,d是镐齿齿柄直径，d=25mm；考虑煤脆塑性的系数，脆煤取1，粘煤取0.8

23、5；ky考虑截齿截角对单位能耗的影响系数，按下面的对应关系选取：表2-160° 70° 80° 90°0.6 0.93 1.08 1.24kn在锐齿上牵引阻力与截割阻力之比，在截割脆性煤时，此系数取0.6，粘性煤取0.7；平均切屑厚度，mm，；截割头摆动速度；截割头转速；每条截线上的齿数，m=2；平均截线距；kz外露自由表面影响系数，当截齿工作宽度bp =1015mm，截线距由20mm增加到35mm，kz由0.68减少到0.52；当bp=2030mm, kz由0.74减少到0.58；截齿前刃面形状影响系数，前刃面为平面，取1，椭圆形前刃面取0.90.95

24、，楔形前刃面取0.850.9；kC考虑截齿切割图系数，对于顺序排列的截齿，kC取1，交叉排列取1.25；k0T矿压影响系数，取1；截齿相对于牵引方向安装角度，其中=（如下图所示），角为截齿轴线对截割头表面法向的的倾角，为截割头半锥角。图2-5截齿安装角Figure 2-5 pick installation angle取=300N/mm ，bp=12.5mm,f=2,脆性煤，=1，取60°，则ky=0.6，kn=0.6，n=60r/min，hmax =12.5mm,则h=7.96mm，t=35mm，kz=0.52, =0.9, kC =1.25, k0T =1, =20°，

25、则=40°，将取值代入2-7、2-8计算，得：Z0=N, Y0=N2)对已磨钝的截齿，截割阻力z和牵引阻力y的平均值为：，N （2-3）,N （2-4）式中 截齿截割运动的阻力系数，取0.4；煤的单轴抗压强度，MPa;sj齿的后刀面磨钝后在牵引方向投影面积，mm2,径向齿取3040 mm2，切向齿取1520 mm2；考虑煤体受压状态的系数，脆性煤为30，粘性煤为35。取=0.4，=10f=20 Mpa, =16 mm2, =30，代入以上两式，得：，2.5 截割头功率确定在经验设计中，常采用类比法。这种方法是根据所截割煤岩的特性、工作机构的类型，参照类似工作条件、工作范围的国内外各种

26、掘进机，来选定截割电动机的功率。本设计中截割头功率采用单位能耗法，按照这种方法，截割头的功率为： （2-5）式中 N截割头功率，kw；Hw单位能耗，kwh/m3；L截割头长度，m；截割头平均直径；Vb截割头横摆速度，m/min。单位能耗Hw取决于煤岩特性、工作机构的类型和参数。由于悬臂式掘进机截割时，至少存在两个以上的自由面，因此其单位能耗一般较滚筒式采煤机低。对于f4的煤岩，可取Hw =0.41.5；对于f=48的半煤岩，可取Hw =36。取Hw =1.2，L=600mm, D=582mm, Vb =1.5m/min,代入2-5，得:N=37.7kW设计中选用截割头的功率为38kW。2.6

27、悬臂设计 伸缩机构类型选择按长度可变与否分为固定式和伸缩式两种。固定式悬臂的结构简单，但由于履带的动粘着系数小于静粘着系数，当煤岩坚硬时靠履带推进不能满足要求，特别是在巷道底板松软的情况下，掘进机经常“抛锚”。伸缩式悬臂工作机构能在履带静止时获得较大的推进力，避免履带的重复动作，防止机器下沉，并且有利于挖水沟，适应性好。所以，新设计的掘进机应尽量采用伸缩式悬臂。纵轴式掘进机工作机构的伸缩装置，可分为内伸缩式与外伸缩式两种。如下图所示，其中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。图2-5悬臂伸缩原理图:a）内伸缩式；b）外伸缩式；F

28、igure 2-5 cantilever expansion principle Figure1)内伸缩式。内伸缩式（也称套筒式）伸缩装置，由伸缩部分和固定部分组成。电动机、联轴器和减速器相对于悬臂本身在轴向是固定的。花键主轴、截割头、内套筒和保护套筒是可伸缩部分，在伸缩油缸的作用下，通过花键连接和导向，相对于固定部分完成伸缩动作。2)外伸缩式。外伸缩式（又称滑架式）装置是将电动机、联轴器和减速器等连成一个刚性整体，构成悬臂的可伸缩部分，而固定部分为一与回转台铰接的滑架。可伸缩部分装在滑架内，利用伸缩油缸使其来回整体移动，实现伸缩。外伸缩式结构简单、制造方便，主轴与减速器在轴向固定连接，密封性

29、能好，但伸缩时移动部分质量较大，不利于机器的稳定性。悬臂的伸缩机构选择外伸缩式。2.7 悬臂有关参数的确定2.7.1 伸缩量悬臂伸缩装置的伸缩量要与掘进机的截深相适应。应等于或大于截深，但考虑伸缩部分的结构和机器工作的稳定性，悬臂伸缩量一般为500600mm。本设计中悬臂的伸缩量设计为500mm。2.7.2 悬臂长度和摆角悬臂长度是从摆动中心到截割头顶部的距离。摆角指悬臂从摆动中心的水平位置想上、下、左、右摆动的角度。这两个参数的大小决定了机器可掘断面的大小。当掘进巷道的形状和规格确定后，可按照巷道的最大高度和上、下宽度，结合垂直摆动中心的高度，可初步定出悬臂的长度和摆角。3 掘进机总体设计3

30、.1 选定该机型和各个部件及其结构型式、驱动方式、并进行总体的合理布置该项内容在确定前，首先应满足设计任务书的内容，特别是用户提出的主要要求，结果调研，双方反复交换意见，达到既能满足用户（或上级）条件，又能较好的符合本企业产品发展的总体规划。 机型的选定根据掘进机的用途，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）及岩石的腐蚀系数。同时同时应对照行标MT1381995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。机型类别为EM1A型。3.2 工作机构的型式选择部分断面掘进机的工作

31、机构有截链式、圆盘铣削式和悬臂截割式等。因悬臂截割式掘进机机体灵活、体积较小，可截出各种形状和断面的巷道，并能实现选择性截割，而且截割效果好，掘进速度较高；所以，现在主要采用悬臂截割式，并已成为当前掘进机工作机构的一种基本型式。按截割头的布置方式，分为纵轴和横轴式两种。纵轴式截割头的优点是：传动方便、结构紧凑，能截出任意形状的断面，易于获得较为平整的断面，有利于采用内伸缩悬臂，可挖柱窝或水沟。截割头的形状有圆柱形、圆锥形和圆锥加圆柱形，由于后两种截割头利于钻进，并使截割表面较平整，故使用较多。这种工作机构的缺点是：由于纵轴式截割头在横向摆动截割时的反作用力不通过机器中心，与悬臂形成的力矩使掘进

32、机产生较大的振动，故稳定性较差。因此，在煤巷掘进时，需加大机身重量或装设辅助支撑装置。目前，这种掘进机在部分断面掘进机中使用较多。横轴式截割头分滚筒形、圆盘形、抛物线形和半球形几种。这种掘进机截齿的截割方向比较合理，破落煤岩较省力，排屑较方便，但在切入工作面时需左右摆动，不如纵轴式工作机构使用方便。而且滚筒较长，对掘进巷道的断面形状有所限制。这种截割头的优点是由于截深较小，截割与装载情况较好。截割阻力据可为机器的自重所平衡，稳定性较好。其缺点是传动装置较复杂；当切入工作面时需要左右移动，而且在垂直平面内移动是受限制约的，难以获得较平整的侧壁。这种掘进机多使用抛物线或半球形截割头。由于工作机构的

33、载荷变化范围大、驱动功率大、过坚硬岩石时短期过载运转、有冲击载荷、振动较大，要求其传动装置体积小，最好能调速。考虑掘进机工作时，截割头不仅要具有一定的转矩和转速以截割煤岩，而且要能上下左右摆动，以掘出整个断面，掘进机工作机构一般都采用单机驱动。虽然液压传动具有体积小、调速方便等优点，但由于对冲击载荷很敏感，元件不能承受较大的短时过载，一般选择过载能力较大的电动机驱动。工作机构设计为悬臂纵轴式。3.3 装载机构的型式选择部分断面掘进机的装载机构有4种：1)单双环形刮板链式。单环形是利用一组环形刮板链直接将煤岩装到机体后面的转载机上。双环形刮板链式又叫小环形刮板式，是由两排并列、转向相反的刮板链组

34、成。若刮板链能左右张开或收拢，就能调节装载宽度，但结构复杂。环形刮板链式装载机构制造筒单，但由于单向装载，在装载边易形成煤岩堆积，从而会造成卡链和断链。同时，由于刮板链易磨损，功率消耗大，使用效果较差。2)螺旋式。是横轴式掘进机上使用的一种装载机构，它利用左右两个截割头上旋向相反的螺旋叶片将煤岩向中间推入输送机构。由于头体形状的缺点，这种机构目前使用很少。3)耙爪式。是利用一对交替动作的耙爪来不断地耙取物料并装入转载运输机构。这种方式结构简单、工作可靠、外形尺寸小、装载效果好，目前应用很普遍。但这种装载机构宽度受限制（因为掘进机工作时履带行走机构一般不调动）。为扩大装载宽度，可使铲板连同整个耙

35、爪机构一起水平摆动，或设计成双耙爪机构，以扩大装载范围。4)星轮式。该种机构比耙爪式简单、强度高、工作可靠，但装大块物料的能力较差。通常，应选择耙爪式装载机构，但考虑装载宽度问题，可选择双耙爪机构，也可设计成耙爪与星轮可互换的装载机构。装载机构可以采用电动机驱动，也可用液压马达驱动。但考虑工作环境潮湿、有泥水，选用液压马达驱动为好。装载机构型式选为耙爪式。常见的装载机构的型式如下图所示，其中a)双环形刮板链式；b)单环形刮板链式；c)螺旋式；d)、e)蟹爪式；f)耙爪式。图3-1 装载机构的型式Figure 3-1 loading mechanism pattern3.4 输送机构的型式选择部

36、分断面掘进机多采用刮板链式输送机构。输送机构一般是由机尾向机头方向倾斜向上布置的。输送机构可采用联合驱动方式，即将电动机或液压马达和减速器布置在刮板输送机靠近机身一侧，在驱动装载机构同时，间接地以输送机构机尾为主动轴带动刮板输送机构工作。这样传动系统中元件少、机构比较简单，但装载与输送机构二者运动相牵连，相互影响大。由于该位置空间较小布置较困难。输送机构采用独立的驱动方式，即将电动机或液压马达布置在远离机器的一端，通过减速装置驱动输送机构。这种驱动方式的传动系统布置简单，和装载机构的运动互不影响。但由于传动装置和动力元件较多，故障点有所增加。目前，这两种输送机构均有采用，设计时应酌情确定。一般

37、常采用与装载机构相同的驱动方式。输送机构型式选为刮板链式输送机构。3.5 转载机构的型式选择该掘进机的转载机构有两种布置方式：1)作为机器的一部分；2)为机器的配套设备。目前，多采用胶带输送机。胶带转载机构传动方式有3种：1)用液压马达直接或通过减速器驱动机尾主动卷筒；2)由电动卷筒驱动主动卷筒；3)利用电动机通过减速器驱动主动卷筒。为使卸载端作上下、左右摆动，以使转运的煤岩能够正确地卸入矿车或转载机中，一般将转载机构机尾安装在掘进机尾部的回转台托架上，可用人力或液压缸使其绕回转台中心摆动，达到摆角要求。同时，通过升降液压缸使其绕机尾铰接中心作升降动作，以达到卸载的调高范围。转载机构应采用单机

38、驱动，可选用电动机或液压马达。转载机构为机器的配套设备，胶带装载机构由电动卷筒驱动主动卷筒。3.6 行走机构的型式选择掘进机的行走机构有迈步式、导轨式和履带式几种。目前，部分断面掘进机通常采用履带式行走机构。由于其工作环境差，用电动机驱动易受潮烧毁，最好选用液压马达驱动。履带式行走机构适用于底板不平或松软的条件，不需修路铺轨。具有牵引能力大，机动性能好、工作可靠、调动灵活和对底板适应性好等优点。但其结构复杂、零部件磨损较严重。目前部分断面掘进机通常采用履带式行走机构。行走机构选为液压马达驱动的履带式行走机构。3.7 除尘装置的型式选择掘进机的除尘方式有喷雾式和抽出式两种。1)喷雾式。用喷嘴把具

39、有一定压力的水高度扩散、雾化，使粉尘附在雾状水珠表面沉降下来，达到灭尘效果。为了提高降尘效果，部分断面掘进机大多采用内、外喷雾相结合的办法，并且和截割电动机、液压系统的冷却要求结合起来考虑。将冷却水由喷嘴喷出降尘。掘进机喷雾系统由内喷雾、外喷雾和引射器三部分组成。压力水是经过液压系统冷却器、水冷电机后进入引射喷雾器的。引射喷雾器由喷嘴、引射风筒、底板等组成的。压力水从装由螺旋芯的喷嘴中射出时在风筒后形成一个负压区，带有煤尘的空气被吸入并随水雾一起射向前方。引射喷雾器如图3-2所示： 掘进机上使用的喷嘴由平射形喷嘴，旋涡形喷嘴，内冲击形喷嘴和引射形喷嘴。选择喷嘴的原则是：雾化质量好，喷雾范围大，

40、耗水量小，外形尺寸小，不易堵塞、磨损和损坏，拆装方便。2)抽出式。由于仅采用喷雾装置不能保证应有的空气净化程度，一些掘进机上还设有吸尘装置，其作用原理是，用吸尘装置在产生粉尘的地方吸入含尘空气，然后在特别的机构中分离粉尘，清洗后的空 图3-2 引射喷雾器气在掘进机工作位置的后面放入巷道。 Figure 3-2 ejector sprayer常用的吸尘装置是集尘器，它是利用风机使集尘器内产生负压，将工作面含尘空气由吸风口吸入后，采用湿式或干式除尘。设计掘进机时，应根据掘进机的技术条件来选集尘器。为提高除尘效果，可采用两级净化除尘。由于集尘器跟随掘进机移动，风机的噪音很大，应安装消音装置。抽出式除

41、尘装置灭尘效果好，但因设备增多，使工作面空间减小。近年来，除尘设备有向抽出式和喷雾式联合并用方向发展的趋势。3.8 总体布置 总体布置的内容总体布置的内容包括以下几个方面：1）确定各部件在整机说的位置，并对外形尺寸提出要求；2）确定各部件、部件与整机之间的连接方式；3）估算整机重量，并对各部件的重量提出要求；4）布置各操纵机构、司机座位等；5）审核个运动部件的运动空间，排除可能发生的运动干涉。 具体要求在掘进机总体布置时，需注意以下问题：1）工作机构减速器减速器的进、出轴尽量同轴线；2）悬臂和铲板的尺寸关系相适应，既有利于装载，又要避免截割头截割铲板；3）悬臂的水平和垂直摆动中心的位置可以重合

42、，也可以不重合。从增加机器的稳定性看，摆动这些都高度应尽量降低。在保证悬臂不与其他机构干涉的条件下，摆动中心的位置应尽量靠后，但必须保证中心在机器的纵向对称平面内；4）当各主要部件设计出来之后。应进行校核，不满足需求时需仅需调整，使重心位于履带中心稍偏前且小于L/6（L为履带接地长度）。此外，还需求重心位置在截割机构回转台中心线之后，而且重心高度越低越好，以提高机器作业时的稳定性。5）总体布置应考虑左右两侧重量对称并照顾工作习惯及方便操作。司机座一般设在机身左侧、且位于机身后部，座椅高度应保证司机的视线，使其哪个很好地操纵机器，截割出规则的巷道；6）操纵台位置要适当，应保证司机操纵方便、省力。

43、仪表显示装置的位置要便于司机观察，又不分散司机正常操作的注意力。3.9 传动型式及动力元件的选择3.9.1 传动型式及元件选择应遵循的原则1）技术先进性：能够改善机器性能，提高生产率；2）经济合理性：传动系统尽量简单、元件少，易加工，价格低，维修容易，使用寿命长；3）工作可靠性:传动系统的可靠性表现为元件使用寿命，因此也是对元件质量的要求；4）适应性：元件应适应传动系统的载荷、工况及环境等条件的要求。3.9.2 各机构对传动系统的要求及传动型式的选择掘进机的截割、装载、运输、行走等机构一般均为分别传动，各部件受力状态及工作条件不同，因而传动型式有不同的要求。1）工作机构要求有较大的短时过载能力

44、，而油马达对冲击负荷很敏感，过载负荷能力低，影响截割头正常连续运转。所以，掘进机的工作机构宜采用电动机为动力的机械传动型式。应利用体积小、功率大、过负荷能力强的专用电动机，并配备可靠的电气保护装置。根据工作机构结构紧凑的特点，通常工作机构的减速器设在悬臂内，成为悬臂的组成部分。截割头调速方式一般采用配换挂轮的方法，变速机构力求简单。2）耙装机构传动装置的特点是：减速器需装在尺寸有限的铲板下部，因而设计空间较小，工作条件恶劣。减速器经常浸泡在煤岩泥水中，卡料时易过载。耙装、输送机构若采用机械传动，用于电动机尺寸较大，不便在输送机尾安装，一般是在铲板上部两侧安装两台电动机，作为耙装、输送机构的共同

45、动力，这样势必使减速箱的尺寸增大，在铲板下布置较紧张。此外，考虑耙爪及链板卡链过载情况，为保护电动机不至烧毁，一般需要在减速器内设安全摩擦片离合器。耙装、输送机构若采用齿轮油马达传动，由于尺寸小、重量轻，可使二者分别传动，从而简化传动装置，便于在铲板下布置，便于设计密封效果好的机械密封或将减速器与铲板分离，同时可实现过载自动保护。3）履带行走机构的驱动方式有电动机和油马达驱动两种方式。分别通过机械减速装置或直接由油马达带动履带的主动链轮运转。机械传动的履带行走机构，一般是将电动机装于两条履带减速器后部，制动方式采用机械液压制动方式。这种传动方式传动可靠性高，电动机价格低，维修容易，但不能调速，

46、减速箱体积较大，巷道淋水大时，电动机易受潮而烧毁。履带行走机构采用液压传动型式，系统简单、性能较好、技术先进。液压传动的行走机构中，在液压马达型式选择及调速方式设计方面，有不同的方案。采用低速大扭矩马达驱动，其特点是系统简单，尺寸小、重量轻，能够实现无级调速及过载自动保护。但液压马达传动复杂、制造费用高，维护较难。采用齿轮油马达,容积效率高，耐冲击性能好，维修容易，造价较低，一台10KW左右齿轮油马达的价格只有同功率径向柱塞马达的1/10；尺寸小、重量轻。一台10KW左右齿轮油马达的重量，仅为同功率低速大扭矩马达的1/18，为电动机重量的1/13。采用齿轮油马达后，减速器尺寸虽然较低速大扭矩马

47、达的大，但较电动式的小（MRH-S50-13型机的减速器传动比i=328）。因此可方便地将马达、减速器、液压制动阀、紧链装置等安装于履带架中间。这种方式在技术性能上优于机械传动，在经济指标上优于低速大扭矩马达传动。因此具有独特的优点。行走机构的调速方式有两种，一种是采用变量泵。另一种是采用分流或并流的调速方案，如MRH-S50-13型机，即在机器快速调动时，停止向装载马达供油，仅向行走马达供油，使掘进机有两种行走速度。3.10 总体参数的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、截割力等。 机型大小掘

48、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、结构和重量应很好地适应煤岩的性质和巷道的尺寸。定型化就是根据煤矿地质条件和矿井掘进工艺确定基本机型。如表3-1：表3-1基本机型与主要参数Table 3-1 basic type and main parameter基本机型主要参数第一型第二型第三型掘进断面（m2）截割岩石硬度（f）截割功率（KW）机器重量（t）6144557501625820467511025401024681101604075表中第一项以掘进煤巷为主，它的特点突出经济、灵活、方便，在截割巷道截面尺寸方面有较大的适应性。第二型以掘进半煤岩巷为

49、主，在截割岩石硬度方面适应性较强，但机器设计不易过于笨重和庞大，在使用时有较大的覆盖面。第三型是具有更高切割能力的掘进机，应用范围更加广泛。3.10.2 机器外形尺寸由于掘进机在井下作业，受巷道断面和空间的约束，其大小对机器的适用范围有直接的影响，因此，掘进机的外形尺寸有严格的限制。机器的高度越低越好，但由于离地最小间隙和龙门高度的要求，机器不可能太低，一般小断面掘进机应在1.7m以下，大断面掘进机应低于2m。考虑掘进机应有通过弯道的能力，所以机器固定部分的长度应控制在7m左右。机器的宽度要与巷道宽度相适应，机器两侧距巷道两侧壁应保持适应的距离，以便于人员的通过和材料的搬运。目前掘进机的外形尺

50、寸（长×宽×高），一般为6×1.6×1.68×2.2×2m(不含转载机长度)。掘进机外形尺寸设计为7×2×1.9m(长×宽×高)。 机器可掘断面机器的规格和重量主要取决于巷道断面的大小。设计掘进机时，应把满足巷道断面的要求作为一个主要依据，要满足下列关系： （3-2）式中 Smin机器可掘最小断面； Smax机器可掘最大断面； S巷道断面。机器可掘最小断面是指掘进机可进行正常作业的最小巷道断面。机器可掘最大断面为掘进机定点截割（机器在巷道中间不移动）时，能够截割出的最大巷道断面。悬臂式掘进机掘进

51、断面的大小，决定于悬臂的长度和回转角度，其截割头顶端的运动轨迹为一球面，由于水平回转半径在各个高度位置是变化的，故掘进断面的实际极限形状为弧线等腰梯形，如下图所示：图3-3掘进断面尺寸计算Figure 3-3 excavated artificial harbor dimension calculation掘进机工作时处于巷道的中央位置，若不考虑截割头的具体结构尺寸，则掘进断面可近似计算如下：最大宽度（当悬臂在水平位置摆动时）： （3-3）上部宽度（当悬臂在上极限位置左右摆动时）： （3-4）下部宽度（当悬臂在下极限位置左右摆动时）： （3-5）上摆高度： （3-6）下摆高度： （3-7）卧底

52、深度： （3-8）巷道高度： （3-9）可掘最大断面： （3-10）式中 L截割头前端至悬臂回转中心O1的距离； a垂直回转中心O1至水平回转中心O2的距离； 水平回转时，悬臂的摆角； 垂直回转的上摆角； 截割到巷道底平面时，垂直回转的下摆角； 卧底时，悬臂垂直回转的最大下摆角，可根据卧底的深度来定，一般可取h=100300mm。实际上，由于掘进断面多为梯形或拱形，所以实际得到的有效断面较上述计算值小。此时，也应按上述关系和实际要求的断面形状与大小来确定B1、B2和H。设计题目中给定要求巷道的顶板、底板、侧壁光滑，这就使得，其中，=40°，是截割头的半锥角；、分别为悬臂的上下摆角；为

53、悬臂的水平摆角。为悬臂的长度，设计为3200mm，a取为1000mm，h取为150mm。将这些数据分别代入（3-3）（3-10）各式，得：B=2873mm；B1=B2=2741mm；H1=1094mm；H2=2057mm，H= H1+H2=3151mm。计算得Smax=6.1m2，题目中给定的可掘断面为5.5m2，Smax=6.1m25.5m2，满足要求。3.10.4 生产率掘进机的生产率包括掘进生产率、装载生产率和运输生产率。它们之间有一定的关系。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： （3-11）式中 QT掘进机理论生产率； 煤岩松散系数，一般取=1.5； A截割头横截面积，m2； Vb截割头横向摆动速度，m/min。技术生产率是掘进机在给定条件下连续工作一