EBZ掘进机截割部结构设计 悬臂式掘进机截割机构设计

1、毕 业 论 文题目： EBZ200掘进机截割部结构设计完整CAD，三维模型设计图纸请联系本人，参见豆丁备注。/lzj781219毕业生姓名：专业：机械设计制造及自动化学号：指导教师：所属系（部）：机械电子工程系二一四年六月前言悬臂式掘进机是一种能够实现截割、装载、运输、转载煤岩和调动行走、喷雾除尘的联合机组。随着我国煤炭事业的发展，机械化技术的普及和推广，综合掘进机械化的进程得到了飞速的发展，与传统的钻爆发相比，使用掘进机掘进巷道有以下优点。它不但能够保证巷道的稳定性，有利于巷道德直呼管理。还大大提高了掘进速度和效率。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

2、量,减轻掘工的体力劳动.因此全力研制和使用巷道掘进机可以改善工艺和劳动组织，逐步实现巷道掘进过程的综合机械化具有重大的技术经济意义。我国悬臂式掘进机的发展主要经历了三个阶段。第一阶段60年代初到70年代末。主要是以引进国外掘进机为主。这一阶段的主要特点是：使用范围越来越广，切割能力逐步提高。第二阶段70年代末到80年代。与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐步实现国产化。这一阶段特点是：可靠性高，已能适应我国煤巷掘进的需要，出现了重型机。第三阶段由80年代至今。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。这一阶段特点是：设计水平较为先进，可靠性大幅度提高，功能更加完善。经过三阶段的

3、发展，我国悬臂式掘进机的设计、生产、使用进入了一个较高的水平，已跨入国际先进行列，可与国外的悬臂式掘进机媲美。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。

4、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。目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc12613 摘 要 PAGEREF _Toc12613 1 HYPERLINK l _Toc8806 Abstract PAGEREF _Toc8806 2 HYPERLINK l _Toc7084 第一章 绪论 PAGEREF _Toc7084 2 HYPERLINK l _Toc23117 1.1 掘进机在国内外的发展现状 PAGEREF _Toc23117 3 HYPERLINK l _Toc1171

5、0 1.1.1 国外掘进机的发展现状 PAGEREF _Toc11710 3 HYPERLINK l _Toc6493 1.1.2 国内掘进机的发展现状 PAGEREF _Toc6493 4 HYPERLINK l _Toc10454 1.1.3 掘进机技术的发展趋势 PAGEREF _Toc10454 6 HYPERLINK l _Toc14041 1.2 掘进机的种类 PAGEREF _Toc14041 7 HYPERLINK l _Toc32056 1.3 掘进机设计的目的及意义 PAGEREF _Toc32056 10 HYPERLINK l _Toc10198 第二章 悬臂式掘进机

6、PAGEREF _Toc10198 11 HYPERLINK l _Toc508 2.1 悬臂式掘进机在我国的应用 PAGEREF _Toc508 11 HYPERLINK l _Toc11259 2.2 悬臂式掘进机的结构 PAGEREF _Toc11259 13 HYPERLINK l _Toc29012 2.3 悬臂式掘进机的发展趋势 PAGEREF _Toc29012 14 HYPERLINK l _Toc20793 2.4 国内外悬臂式掘进机的差距 PAGEREF _Toc20793 15 HYPERLINK l _Toc29678 第三章 悬臂式掘进机截割机构方案设计 PAGERE

7、F _Toc29678 16 HYPERLINK l _Toc3603 3.1 截割部的组成 PAGEREF _Toc3603 16 HYPERLINK l _Toc7302 3.2传动方案设计 PAGEREF _Toc7302 17 HYPERLINK l _Toc28539 3.2.1 工况特点及要求 PAGEREF _Toc28539 17 HYPERLINK l _Toc31969 3.2.2 传动类型的设计 PAGEREF _Toc31969 17 HYPERLINK l _Toc32337 3.3 截割头转速的初步确定 PAGEREF _Toc32337 18 HYPERLINK

8、l _Toc1992 3.4 截割功率以及电机的选择 PAGEREF _Toc1992 19 HYPERLINK l _Toc25084 3.5截割速度方案设计 PAGEREF _Toc25084 20 HYPERLINK l _Toc20417 3.6 伸缩部方案确定 PAGEREF _Toc20417 20 HYPERLINK l _Toc12479 3.7 悬臂的长度和回转角度的确定 PAGEREF _Toc12479 21 HYPERLINK l _Toc28816 3.8 截割头及截齿类型的选择 PAGEREF _Toc28816 22 HYPERLINK l _Toc9136 3.

9、8.1 切割头的设计 PAGEREF _Toc9136 22 HYPERLINK l _Toc8649 3.8.2 截齿的设计 PAGEREF _Toc8649 23 HYPERLINK l _Toc21378 3.8.3 截齿的排列 PAGEREF _Toc21378 24 HYPERLINK l _Toc8959 3.9 掘进机总体布置图 PAGEREF _Toc8959 26 HYPERLINK l _Toc3198 3.10 总体参数总结 PAGEREF _Toc3198 27 HYPERLINK l _Toc30288 第四章 截割部减速机构设计 PAGEREF _Toc30288

10、29 HYPERLINK l _Toc31581 4.1 行星减速器初步参数 PAGEREF _Toc31581 29 HYPERLINK l _Toc17499 4.1.1 传动比的分配 PAGEREF _Toc17499 30 HYPERLINK l _Toc16869 4.1.2 各轴功率、转速和转矩的计算 PAGEREF _Toc16869 30 HYPERLINK l _Toc23782 4.2 高速级齿轮传动设计 PAGEREF _Toc23782 31 HYPERLINK l _Toc14710 4.2.1 选择齿轮材料 PAGEREF _Toc14710 31 HYPERLIN

11、K l _Toc8639 4.2.2 齿轮齿数的选择 PAGEREF _Toc8639 31 HYPERLINK l _Toc6885 4.2.3 初步确定模数 PAGEREF _Toc6885 32 HYPERLINK l _Toc21919 4.2.4 高速机齿轮基本尺寸 PAGEREF _Toc21919 33 HYPERLINK l _Toc15965 4.2.5 高速级行星传动齿轮强度的校核 PAGEREF _Toc15965 34 HYPERLINK l _Toc22289 4.3 低速级齿轮传动的设计 PAGEREF _Toc22289 37 HYPERLINK l _Toc31

12、517 4.3.1 选择齿轮材料： PAGEREF _Toc31517 37 HYPERLINK l _Toc20399 4.3.2 齿轮齿数的选择 PAGEREF _Toc20399 37 HYPERLINK l _Toc11850 4.3.3 初步确定模数 PAGEREF _Toc11850 38 HYPERLINK l _Toc25141 4.3.4 低速级齿轮基本尺寸 PAGEREF _Toc25141 39 HYPERLINK l _Toc26929 4.3.5 低速级行星齿轮强度的校核 PAGEREF _Toc26929 39 HYPERLINK l _Toc30263 4.4 轴

13、设计及校核 PAGEREF _Toc30263 43 HYPERLINK l _Toc2726 4.5 轴承设计及校核 PAGEREF _Toc2726 45 HYPERLINK l _Toc30336 4.6 花键设计及校核 PAGEREF _Toc30336 46 HYPERLINK l _Toc25710 4.7 联轴器的选择 PAGEREF _Toc25710 48 HYPERLINK l _Toc16223 4.7.1 输入端联轴器的选择 PAGEREF _Toc16223 48 HYPERLINK l _Toc21709 4.7.2 输出端联轴器的选择 PAGEREF _Toc21

14、709 48 HYPERLINK l _Toc9328 第五章 技术经济性分析 PAGEREF _Toc9328 49 HYPERLINK l _Toc15793 结论 PAGEREF _Toc15793 50 HYPERLINK l _Toc29093 致谢 PAGEREF _Toc29093 72 HYPERLINK l _Toc19987 参考文献 PAGEREF _Toc19987 51 HYPERLINK l _Toc10650 附录A 译文 PAGEREF _Toc10650 52 HYPERLINK l _Toc30596 附录B 外文文献 PAGEREF _Toc30596 6

15、1摘 要悬臂式掘进机是为煤矿综采及高档普采工作面采掘巷道的机械设备，它结构紧凑、适应性好、机身矮、重心低、操作简单、检修方便。本次设计主要对掘进截割部结构进行了设计，截割部由电机、减速器、伸缩部、截割头四部分构成，其传动方式为电机输出轴通过联轴器将转矩传递给减速器的输入轴，减速器输出轴通过联轴器将转矩传递给主轴，主轴带动截割头转动。在可截割硬度为85Mpa的基础上，对传动系统进行了选型以及方案设计，选用YBUD-200隔爆电动机、二级行星减速器、内伸缩式伸缩臂和圆锥形截割头，其中电机输出转速为1460r/min，截割头截割转速为46r/min。我主要对二级行星减速器和伸缩臂做了详细的结构设计，

16、参照同类型掘进机的参数对其他部分做了设计。关键词：EBZ200掘进机 ；截割部 ；齿轮减速器 ；带伸缩AbstractCantilever boring machine is for coal mining and high quality, the surface mining galleries of the machinery and equipment, and its compact, adaptive, and the phone is low, low gravity, and easy to operate, and easier access. This design of

17、boring cut structure has been designed to cut the motor, Reducer, scalability, and cut the 4 components in the drive to motor output shaft by means of a coupling to the torque delivered to the input shaft, drive motor output shaft through the coupling to the torque delivered to the spindle, the spin

18、dle drive cut and rotate. To cut hardness of 85 Mpa, on the basis of the transmission system for the selection, as well as program design and use YBUD - 200 every burglary motor, level 2 planetary, retractable telescopic and conical cut and where the motor output speed of 1460 R/min, cut and cut spe

19、ed to 46 R/min. My main level 2 planetary and telescoping arms to do the detailed design, the reference type boring machine parameters of the design.Keywords: EBZ200 machine; Cutting department; Gear reducer; Belt scale第一章 绪论 掘进机在国内外的发展现状 国外掘进机的发展现状早在上世纪30年代，德国、英国、美国等就开始了煤矿巷道掘进机的研制，但巷道掘进机得到较广泛工业性应用还

20、是在第二次世界大战之后。 1949年匈牙利生产的F2型掘进机是世界上第一台掘进机，不过当时还未能实现悬臂式掘进机的主要功能。1951年匈牙利研制了采用履带行走机构的F4型悬臂式掘进机，这种机型除采用横轴截割方式和调动灵活的履带行走机构外，还采用了铲板和星轮装在机构，并采用了刮板输送机转运物料。这种机型已经具备了现代悬臂式掘进机的雏形。F系列掘进机是目前悬臂式横轴掘进机的原始机型。1971年奥地利ALPINE公司在匈牙利F系列掘进机的基础之上，研制了AM-50型掘进机。并在此基础之上，逐步形成了AM-50系列掘进机。1972年德国引进AM-50型掘进机，在半煤岩中使用，在此基础上EICK-HOF

21、F公司研制成功了WAV-170和WAV-200型掘进机，并在此基础上形成了WAV系列掘进机。F系列、AM系列和WAV系列都是横轴截割机构。1956年前苏联生产了首台IIK-3型纵轴式掘进机，在8断面下煤巷中使用。IIK-3型掘进机是目前纵轴悬臂式掘进机的雏形。19601964年，英国从前苏联引进了IIK-3型掘进机，进行工业性试验，同时开始了悬臂式掘进机的研制。1963年DOSCO公司在IIK-3型掘进机的基础上，通过改变截割头截齿配列和更换电气系统，研制了MK-II型和MK-IIA型掘进机，并逐步发展为DOSCO系列掘进机。1968年德EICKHOFF公司在引进的DOSCO系列掘进机基础上研

22、制开发出了EV-100型掘进机。后来德国PAURAT公司又自行研制出了ET系列掘进机，使纵轴悬臂式掘进机逐步形成系列化。1966年，日本三井三池机械制造有限公司在前苏联IIK-3型掘进机和英国DOSCO掘进机的基础上，研制成功了S系列掘进机。到上世纪70年代后期，系列掘进机已经形成系列化。经过多半个世纪的不断改进、发展的历程。现在世界上掘进机的使用已超过4000台，有10多个国家、20多家公司和厂商从事悬臂式掘进机设计研究和制造。目前，国外掘进机主要生产国有英、德、俄罗斯、奥地利、日本等，所生产的掘进机以被广泛用于硬度f低于8半煤岩的采准巷道掘进，并扩大到岩巷。重型机不移位截割断面达35-42

23、，多数机型能在纵向16、横向8的斜坡上可靠工作，截割功率在132-300kW，机重在50-100t，切割煤岩硬度f为12.部分机型截割速度已降至1m/s以下，牵引速度采用负载反馈调节，以适应不同岩石硬度；一些机型除设有后支撑外还在履带前后安装了卡爪式液压扎脚机构，以便在切割岩石时锚固定位。机电一体化已成为掘进机发展趋势，新推出的掘进机可以实现推进方向和断面监控、电动机功率自动调节、离机遥控操作及工况监测和故障诊断，部分掘进机实现PLC控制，实现回路循环检测。1.1.2 国内掘进机的发展现状我国掘进机的发展大致分为三个阶段。第一阶段是上世纪60年代初期到70年代末，这一阶段主要是以引进国外掘进机

24、为主，在引进的同时，我们的技术人员开始尝试进行消化吸收，但研究水平较低，主要以截割煤的轻型机为主。主要以当时煤炭科学研究院太原分院研制的型、型、型为代表，形成我国第一代掘进机。尽管如此，这一时期的尝试也为我国掘进机的第二阶段发展打下了良好的基础。这一时期产品主要特点是重量轻、体积小、截割能力弱、技术含量偏低，适应煤岩掘进。上世纪70年代末到90年代初期为消化吸收阶段。这一阶段分别从奥地利、英国、德国、日本、前苏联、美国等国家大规模的引进设备，引进16个品种188台掘进机对我国煤矿掘进煤和半煤岩巷道起到重要作用。特别是通过对奥地利阿尔卑尼公司的AM50型和日本三井三池公司的S100的技术引进、国

25、内外合作生产、消化吸收等方式，提高了设计、工艺制造水平，使国内生产厂家具备年产50台以上的能力。使我国基本上结束了中、小型掘进机依赖进口的局面。这一期间我国掘进机的主要特点是可靠性能大幅度提高，已能适应我国煤矿的巷道掘进，中型掘进机型号日趋齐全。90年代初期至今为自主研发阶段。这一阶段中型掘进机的技术发展日趋成熟，重型掘进机大批出现，悬臂式掘进机的设计与加工水平已经相当先进，并具备了根据矿井的条件实现个性化设计的能力。这一时期形成了多个系列山产品，主要有煤炭科学总院太原分院设计的EBJ(Z)系列、佳木斯煤矿机械厂生产的S系列、煤炭科学研究总院上海分院设计的EBJ系列等掘进机。这一阶段掘进机的设

26、计水平大幅度提高，各种先进的三维设计和分析软件广泛使用，机器可靠性大幅度提高，功能日趋完善，功率更大，一些先进的故障诊断和显示技术，离机遥控技术应用其中，使我国掘进机设计和生产使用技术跨入了国际先进水平的行列。目前，随着我国工业发展对用煤量的需求大大增加，促使我国煤炭行业煤炭产量逐步的增加，这就对煤机的使用量也相应增多。目前，煤矿机械的市场前景非常乐观，而且煤机产品的利润也特别大。因此，许多企业也开始进行掘进机的试制和生产。国内悬臂式掘进机生产厂家主要有：太原矿山集团有限公司，佳木斯煤矿机械厂、南京航天晨光掘进机分公司、上海天地、辽源煤矿机械厂、内蒙古北方重工业集团有限公司、淮南煤机厂、三一重

27、工等厂家。其中，三一重工、佳木斯的生产能力最强，市场分额较大，根据煤炭机械行业协会统计，2003年掘进机主要生产厂家及产量（见表1-1）。表1-1 2003年掘进机主要生产厂家及产量生产厂家台数总吨位佳煤机1053102淮南煤机厂34861南京晨光22506北方重工16416合计1774885我国的掘进机发展主要受英国DOSCO、日本三井三池S系列型机器的影响。目前主要以纵轴悬臂式为主。同时，由于吸收了奥地利AM系列掘进机的特点，也有部分掘进机设计为横轴截割方式。1.1.3 掘进机技术的发展趋势掘进机的发展经历了由大到小、从单一到多样化的过程，现在已经形成轻型、中型、重型3个系列。（1）增强截

28、割能力。为了实现较强的截割能力，现代掘进机截割功率不断增大，截割速度逐渐降低。现代中重型悬臂式掘进机截割功率120300KW,个别机型达到400 KW。截割头一般转速为2050r/min，截割速度12m/s，部分机型降低到1m/s以下。经济截割硬度100120MPa，最大可达140 MPa。（2） 提高工作可靠性能。由于地质条件复杂多变，使掘进机在工作时承受交变的冲击载荷，而且磨损和腐蚀严重。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、高质量的制造及合理的使用和良好的维护来提高其可靠性。（3） 采用紧凑化设计，降低重心，提高工作稳定性。由于悬臂掘进机悬臂过长，使得截割反力较大

29、，不利于机器稳定性工作。针对这个问题，应采用紧凑化设计，努力降低机器的重心，并在机器的后部或两侧增设油缸稳定装置，以提高机器的工作稳定性。（4） 增强对各种复杂地质条件的适应性。悬臂式掘进机普遍采用履带行走装置，以减小接地比压；通过增大驱动功率，以增强牵引力和爬坡能力，从而提高对各种地板、工况的适应性。（5） 研究新型刀具和新的截割技术。为了增强截割能力，提高道具的使用寿命，应努力的改进刀具的结构，采用新的材料，研究新的爆破方法。（6） 发展自动控制技术。截割断面监视和控制技术的开发和应用。采用该技术将实现掘进工作面切割情况较直观、全面的观察和了解，并能对断面精度和巷道质量进行控制。该技术包括

30、随设备水平姿态识别、调整；切割轨迹记录和显示；断面边界设定；断面成形控制；前进方向指示和引导；偏离方向和截割超限报警等几个方面的内容。该技术的进一步发展将实现掘进机的自动掘进。（7） 发展掘锚机组，实现快速掘进。目前，影响悬臂式掘进机掘进速度的组要因素就是支护时间过长。掘进、支护不能同步作业，制约了巷道掘进速度，降低了掘进效率。掘进机组是一种新型、高校、快速的掘进设备，是一种理想的作业方式，具有良好的发展前景。1.2 掘进机的种类目前，国内外已经生产出许多型号的巷道掘进机。根据不同的工作要求，巷道掘进机的截割方式、传动布置、结构形式和控制系统等，可有多种形式。巷道掘进机按照对于巷道断面的作用方

31、式可划分为两种：全断面掘进机（如图1-1）和部分断面掘进机（如图1-2）。（1) 全断面掘进机，也成为连续作用式巷道掘进机。其工作机构，由一个或数个装有盘形滚刀或截割刀具的圆盘以及锥形刀盘组成。在平行于工作面的平面内工作机构绕机器中心线旋转，对整个工作面同时进行截割，全断面掘进机驱动装置的动力容量大，能在整个工作过程中连续破碎煤、岩石，所以生产能力很高，并且由于破岩刀具能够合理地分散布置在截割圆盘上，对工作面的压力比较均匀，同时其控制系统相对简单，有利于实现掘进机的自动控制。采用这种圆盘式工作机构的巷道掘进机，只用于掘进圆形、拱形断面的巷道，因此在长距离、大断面的硬岩隧道工程中，全断面掘进机得

32、到了广泛的应用。例如世界著名的英吉利海峡海底隧道就是用11台全断面掘进机完成的，我国的秦岭西康铁路隧道也是用两台德国产TB880E全断面掘进机完成的。但全断面掘进机也存在一些缺点，对巷道断面的规格和形状适应能力非常有限，为了适应掘进不同规格的巷道，往往需要配备辅助破碎机构；掘进半煤岩巷道时，无法对煤、岩进行分别切割；由于圆盘式工作机构体积庞大，使得进入工作面检查、检修和更换刀具都很困难，必要时还需要使掘进机退离工作面；作业线整体投资比较高，对隧道围岩地质和巷道适应能力比较差。由于全断面掘进机存在以上种种缺点，影响了其大量推广使用，尤其在矿业部门，对于中短巷道的掘进作业，采用全断面掘进机无论从经

33、济角度，还是从性能角度考虑都是很不合适的。（2) 部分断面掘进机，也称循环作用式巷道掘进机。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断煤岩，必须在断面内多次连续地移动工作机构的截割头。悬臂式掘进机也称为部分断面掘进机，工作时通过截割头的旋转和悬臂（也称为截割臂）的上、下、左、右自由摆动，能够截割出任意形状的截面。由于煤矿巷道掘进主要是中短型巷道，全断面掘进机不太适合这类巷道，所以悬臂式部分断面掘进机在煤矿地下巷道施工中得到了广泛的应用。近些年来，随着掘进机在土木工程和采矿工程中大量应用，目前掘进机已经成为各产煤国不可缺少的主要生产设备之一，而且各国制造、推广使用的煤

34、、岩和煤-岩巷掘进机多以悬臂式部分断面掘进机为主。实践证明悬臂式部分断面掘进机有以下主要优点：由于其工作机构相对来说比较灵活，可在机器的允许范围内随意摆动，截割头能够截割出任意形状不同断面的巷道，可以分别截割半煤岩巷道的煤和岩石，对于采掘标准巷道断面的规格形状和煤岩赋存情况的适应能力比较好，所掘进巷道断面尺寸形状的变化范围较宽。工作效率高，质量好。如果掘进后再安排支护作业，这种掘进机就可以实现连续掘进，而且能够同时完成破煤岩、运输等工作，效率非常高，且掘进机是机械破岩，断面形状易于掌控，所以其掘进的煤岩巷道周围煤岩壁完整光滑，超挖掘量少，减少了支护量，这与钻爆法相比，掘进速度可提高1-1.5倍

35、，劳动效率提高1-2倍，巷道成本可降低30-50%，可以有效的避免爆破作业时巷道周围煤岩因爆破振动而破坏的现象发生。结构简洁紧凑、技术成熟先进。目前悬臂式掘进机多采用耙装式装载机构和履带式行走机构。其装载能力大、行动灵活、工作可靠，对环境的适应能力强，再加上悬臂式工作机构的外形尺寸比掘进断面小，有充足的空间用于维修和更换截齿，对于在机器附近或靠近掘进工作面安装临时液压自移支架或进行人工支护也非常方便，空顶面积小，安全生产性能高，从而使其使用范围得到了大大的推广。经济安全、成本低效率高，可以连续工作，有着非常好的经济效益和社会效益。工人的劳动条件和劳动强度也得到大大的改善，体力劳动减少了0.5-

36、1倍（与钻爆法相比）。同全断面掘进机相比，掘进同样尺寸的巷道断面，悬臂式掘进机的基本投资费用仅仅相当于全断面掘进机的15% ，尤其是在中短巷道的施工中，这一优势更加明显，因此对于绝大多数的矿山井下巷道掘进，采用悬臂式部分断面掘进机是非常划算的，同时避免了因爆破钻进而造成的人员伤亡，事故率大大减少。掘进机的工作过程是：先操纵行走机构向工作面推进，然后使截割头在工作面左下角钻入工作面，再用水平摆动油缸使截割头横向截割到巷道的右侧。然后利用升降油缸把截割头上升接近等于截割头直径的距离，并使截割头向巷道左侧截割。如此往复截割，截割头就可以完成整个工作面的截割，其截割顺序如图1-1所示。图1-1 截割顺

37、序图按照悬臂上截割头布置形式的不同，分为横轴式掘进机（截割头旋转轴和悬臂主轴垂直）和纵轴式掘进机（截割头旋转轴和悬臂主轴同轴）两种。纵轴式截割头传动方便、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。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机产生较大的振动，故稳定性较差。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，但在切进工作面时必

38、须左右移动，所以不如纵轴式工作机构使用方便。这种截割头的优点是截深较小，截割与装载情况较好。纵向牵引时，截割阻力矩可为机器的自重所平衡，稳定性较好，适于截割抗压强度较高的煤岩。其缺点是传动装置较复杂，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；因为截割头较长对掘进断面形状有限制，难以获得较平整的巷道侧壁。1.3 掘进机设计的目的及意义煤炭的不断消耗使得我国的能源计划在不断更替。如果，能在煤矿开采处更高效的进行，势必对能源的利用具有促进作用。所以，掘进机械的自动化和现代化是必要的。高性能的掘进机械将对能源的利用具有重要作用。掘进机械的设计和创新将始终贯穿着过去、现在以及未来的发展。第二

39、章 悬臂式掘进机2.1 悬臂式掘进机在我国的应用我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于20世纪60年代，以3050kW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2。80年代初期，为适应煤矿机械化生产发展的需要，我国引进了AM50型、S-100型掘进机两种为代表的机型，对发展我国综掘机械化起到了推动作用。同时，国内加强对引进机型的消化吸收工作，积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。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，初步形成系列化产品，基本能够满足国内市场的需求。目前我国悬臂式掘进

40、机主要有煤科总院太原研究院研制的EBJ(Z)系列、佳木斯煤机厂生产的S系列、煤科总院上海研究院设计的EBJ系列等型掘进机。代表机型主要有太原分院研制的EBJ-160、EBZ160TY和EBJ-120TP型掘进机，另外还有佳木斯煤机厂生产的S150、S200型掘进机。我国现用主流掘进机主要技术性能参数见表2-1。表2-1 我国主流掘进机的主要技术性能表技术参数AM50S-100EBJ-120TPEBZ160TYS150JELMB-75CEBJ-160SH断面/618823818921923617824截割硬度/MPa60706080807080100机重/t26.8273651.544.623.

41、453总功率/kW174145190250205130314截割功率/kW100100120160150/8075160适应坡/（）16161616161616系统压/MPa16161623161616外形尺寸/mmm7.52.11.6512.22.81.88.62.11.559.82.551.79.02.81.88.222.51.5610.82.71.5生产厂家淮南佳木斯太原分院太原分院佳木斯南京晨光上海分院AM50型、S-100型掘进机均为国外20世纪70年代的产品，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。近年来，我国相继开发了以EBJ-120TP型掘进机为

42、代表的替代机型，在整体技术性能方面达到了国际先进水平，正在推广应用。我国研制的新一代煤巷掘进机具有以下技术特点：（1）整机结构紧凑、设计合理；（2）机身矮、重心低、工作稳定性好；（3）生产能力大、破岩能力强、适应性好；（4）采用液压马达直接驱动装载机构，结构简单，工作稳定，可靠性高，减少了维护量；（5）采用无支重轮履带行走机构和履带导向轮黄油缸张紧装置，提高了履带行走机构的可靠性；（6） 液压系统简单可靠，增设了自动加油装置，提高了液压系统的可靠性；（7） 电气系统采用了PLC控制，具有工矿检测和故障诊断功能。 近几年，国产掘进机在煤巷掘进中取得了较好的成绩，实际年进尺可达6 0008 000

43、m，基本满足了煤巷高效掘进的需要。悬臂式掘进机在我国重点煤矿已普遍使用，发挥了重要作用。但由于是单巷掘进，且采用单体锚杆进行锚杆支护，掘进和支护不能平行作业，影响了掘进速度的进一步提高。2.2 悬臂式掘进机的结构悬臂式掘进机由截割部、铲板部、第一运输机、本体部、行走部、后支承、第二运输机、液压系统、水系统、润滑系统、电气系统构成。（1）截割机构。截割机构的驱动方式由交流电动机驱动，在传动系统中一般设齿形联轴节，不设机械式过载保护装置，经两级行星减速器带动主轴前端的截割头。（2）装运机构。它一般由装载机构和中间输送机组成。它们可采用分别驱动或集中联动方式，既可用交流电动机驱动，也可用液压马达驱动

44、。装载机构方案是既能装设耙爪式也可装设星轮式，两者可以互换使用。 （3）行走机构。行走机构一般采用履带型式，两条履带分别由各 自的动力来驱动，可实现原地转向。履带的驱动动力有电动机和液压马达两种，电动机驱动一般只设置一种行走速度，液压马达驱动可采用低速大扭矩马达直接带动履带链轮，或采用中速液压马达 +减速器带动履带链轮的传动方式，它可实现无极调速。 履带结构型式有滑动和滚动两种，当机器调动速度lOmmin的中、轻型掘进机，宜采用滑动结构型式；当机器的调动速度lOmmin的重型、特重型掘进机，应采用滚动结构型式。 (4）液压系统。液压系统多采用开式系统多路阀集中控制(直接操纵或遥控操纵)方式。以

45、往国内外多采用齿轮泵，近年来掘进机液压系统采用柱塞泵有增多的趋势。 (5）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、检验，必须符合 GB3836-2000标准中的有关规定和要求。2.3 悬臂式掘进机的发展趋势(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 170MPa，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 200300kW，最高可达 500kW。而我国重型掘进机尚处于发展阶段 ，截割功率 目前 已达 200k

46、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

47、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）液压系统逐步趋于完善 、可靠 。(5）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。 (6）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。 (7）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。

48、(8)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。2.4 国内外悬臂式掘进机的差距与国际先进水平相比，我国在用煤矿主要高效掘进设备的破岩能力、适应性及可靠性等方面还存在一定的差距。煤矿使用的高效掘进设备，如大功率重型掘进机、连续采煤机、掘锚机组、四臂锚杆钻车以及履带式全液压钻车等几乎被国外厂商（或合资）所占领，连续采煤机基本被美国JOY公司所垄断，掘锚机组主要由奥地利奥钢联公司提供，四臂锚杆钻车由澳大利亚约翰芬蕾公司控制。我国煤及半煤岩巷掘进机最大截割功率为200kW与进口机型还有一定的差距，连续采煤机、掘锚机组国内正在处于研制阶段，连续采煤机2007年上半年推出了样机。国产重型

49、掘进设备在设计制造、加工工艺、自动化技术和关键技术指标等方面同国际先进水平存在较大差距。重型国产掘进机与国外先进设备的差距除总体性能参数偏低外，在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质条件的截割、装运及行走部载荷谱没有建立，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统等核心技术方面有较大差距。第三章 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

50、，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 纵轴式截割部图3-2截割头3.2 传动方案设计悬臂式掘进机的传动方式为电机输出轴通过联轴器将转矩传递给减速器的输入轴，减速器输出轴通过联轴器将转矩传递给主轴，主轴带动截割头转动。3.2.1 工况特点及要求（1）低速重载小体积由于国内外掘进机均向着重型化方向发展，其截割机构传递的功率相应地也越来越大，但是截割结构外形尺寸缺没有随功率的增加而成比例地增加。特别是一般掘进机因为其工作特点所致，截割臂的外形多设计成宝塔状，即越靠近截割头（动力输出端），其外形尺寸越小。

51、因此，处于截割臂前端的传动，在设计上因尺寸问题受到极大的限制。（2）冲击负荷大掘进机是通过截割头完成截割煤岩的，因破碎机理所致，当截割煤岩时，煤岩的反作用力使截割阻力和冲击负载毫无保留地传递至齿轮、轴、轴承等传动件上。（3）载荷变化大截割时，由于受被截割物料软硬不均，牵引速度和截割深度的影响，载荷始终处于大幅度波动之中，而其载荷又不易被测定。（4）高可靠性我国越来越重视掘进设备的可靠性，相应地制定了一套实验检测标准和规范。如新设计掘进机的减速器必须进行性能试验和耐久性实验，截割减速器的耐久性实验为连续满载运行1000h。3.2.2 传动类型的设计由于行星齿轮传动具有多分流传动、低压力啮合、作用

52、力平衡和运行多变性等一系列特点，所以在同等工作条件下与定轴齿轮传动相比，行星齿轮传动具有外形尺寸小，重量轻、传动效率高、工作可靠和同轴传动等许多突出优点，因此国内外纵轴式掘进机的截割结构传动系统均采用行星齿轮传动，以期在提高承载能力、效率和可靠性的同时，尽可能地减轻重量、缩小外廓尺寸、降低制造成本。要求传动装置体积小、结构紧凑，并满足一定的强度要求和减速比要求。因此，这种工作机构的传动装置多采用行星齿轮传动，以满足以上要求。如果采用一级减速，则传动比太大，导致齿轮结构很难满足现实要求，因此，决定采用2级NGW行星齿轮减速。NGW行星齿轮减速器结构简单，传动可靠。由于悬臂采用内伸缩式，电动机、联

53、轴器、的减速器相对于轴向是固定的，从传动装置体积小、结构紧凑等考虑，采用双级行星齿轮传动。工作机构传动系统布置图3-1。图3-3传动系统截割电动机通过联轴节、中心轮、行星轮、内齿轮、中心轮、行星轮和联轴节驱动切割头进行切割。中心轮固定在悬臂主轴上，行星轮与之啮合，同时又与一个内齿轮啮合，内齿轮固定在箱体上。为了使减速器的强度能满足电动机的最大转矩和动载荷，即使电动机过载以至停止，减速器也不至于出现机械故障。若减速器的强度不能满足电动机的最大转矩，必须设过载保护装置，如安全销、压紧弹簧、液压或摩擦联轴器等。3.3 截割头转速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

54、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

55、速也设定为46r/min。3.4 截割功率以及电机的选择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掘进机，来选定截割电机功率。表3-1 我国主流掘进机的主要技术性能表技术参数AM50S-100EBJ-120TPEBZ160TYS150JELMB-75CEBJ-160SH断面/618823818921923617824截割硬度/MPa60706080807080100机重/t26.8273651.544.623.453总功率/kW174145190250205130314截割功率/kW100100120160150/8075160适应坡/（）1616161616

56、1616系统压力/MPa16161623161616外形尺寸/mmm7.52.11.6512.22.81.88.62.11.559.82.551.79.02.81.88.222.51.5610.82.71.5生产厂家淮南佳木斯太原分院太原分院佳木斯南京晨光上海分院根据设计要求，截割硬度小于85Mpa，选择截割功率为200kW。根据截割功率，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，选择电动机型号为：YBUD-200隔爆电动机其主要性能数据如下：型号额定功率同步转速满载转速YBUD-200200KW1500r/min1460r/min3.5 截割速度方案设计 在掘

57、进机工作过程中，岩石硬度不是恒定的，各种硬度的岩石对应的经济截割速度不同，所以截割速度最好是随时变化着的，掘进机在掘进巷道工程中，其工作状态与工况参数有密切关系。如：截齿的磨损与其线速度有直接关系；所以传动零件以及紧固件的疲劳破坏都与载荷的性质与载荷的稳定程度有关，而载荷的稳定程度有是截割头转速、悬臂摆动速度、切屑厚度以及截割阻力等参数的函数。对于不同的截割对象，为了保证掘进机有高的掘进效率和可靠的工作状态，从理论方面分析，截割头转速、截齿线速度、悬臂摆动等运动学参数以及截齿上承受的截割阻力、截割电机功率等动力学参数都应该是不同的。但是，现在正实用的掘进机不能实现这个要求。因为尚未研制出截割头

58、拖动装置的无级调速系统，本次设计掘进机有两种截割速度，高速级用于截割硬度较小的岩石，低速级用于截割硬度较大的岩石，工作时可以根据岩石变化而随时改变截割速度。如果在传动系统中设计变速器将使传动系统大大复杂化，这与掘进机工作部传动系统的的设计原则相矛盾，所以变速直接采用电机变速，通过改变电机极数改变速度和功率。3.6 伸缩部方案确定伸缩机构有内伸缩式和外伸缩式。（1）内伸缩式（也称套筒式）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，在伸缩油缸作用下，通过花键连接，相对固定部分移动完成伸缩动作。其原理如图3-2（b）所

59、示。(a)内伸缩式 (b)外伸缩式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 外套图3-4悬臂伸缩原理图(2)外伸缩式（又称滑架式）外伸缩式装置是将电动机、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，其原理如（图2-3a）所示。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，密封性能好，但伸缩时移动部分质量较大，不利于机器的稳定性。通过上述比较，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

60、、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。3.7 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450550mm，选取500mm。(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5m，上摆角，下摆角，取水平摆角=。取升降中心高为1800mm。由几何关系