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JX17-70 【JX17-70】大采宽极薄煤层钻式采煤机钻具设计二维+论文

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大采宽极薄煤层钻式采煤机钻具设计作者姓名：XX 专业班级：XX 指导教师：XX摘 要本毕业设计由主要设计思想是以本机械专业知识为基础的最优化设计。设计部分主要是对螺旋钻采煤机的工作机构进行的优化设计，本文所设计的五钻具大采宽螺旋钻采煤机，首先通过对螺旋叶片的受力分析和钻杆的输送能力进行的设计，建立了以螺旋钻杆输送能力最佳为目标函数的优化模型，对螺旋钻的参数化进行的设计，并且取得了非常好的效果，同时本文结合本机械专业知识和参考机械设计手册，对钻头的转动齿轮和推进液压缸进行了设计。关键词： 螺旋钻采煤机；螺旋钻头；干涉；优化设计66Drilling tool design of coal mining machine with large mining width and very thin coal seamABSTRACTAbstract：This diploma winning design is contained two parts, one part is general designs and the other part is dissertation. The thought of my paper is optimum design what base on my major profession.The general part is optimum design on the mainly work organization which drive the twist drills to cutting the coal, the shearder designed in this paper. First through analysis the stress of the screw blade and the capability of the auger stem, setting up optimum model which objective is making the transportation capability maximizing, then can gained the parameter of the auger stem. This model has achieved excellent effect. This text combines the professional knowledge of mechanical engineering and the enchiridion of mechanical engineering designed drive wheel gear and the hydraulic pressure system.Keyword: shearder；auger bits；interference；optimum design目 录大采宽极薄煤层钻式采煤机钻具设计1摘 要1ABSTRACT2目 录3第1章 前言51.1煤及煤层的性质51.2截割刀具的几何参数71.3刀具几何参数对截割性能的影响7第2章 设计要求及方案确定102.1设计要求102.2总体方案设计11第3章 螺旋钻杆结构参数的优化设计133.1煤机螺旋钻杆结构参数优化数学模型的建立133.1.1螺旋钻杆的装煤生产率理论分析133.1.2螺旋钻杆装煤生产率的计算153.1.3螺旋叶片设计及强度校核163.2钻杆轴及连接件的设计193.3联接套的设计21第4章 传动减速箱的设计计算254.1齿轮传动的设计与计算254.1.1基本的参数254.1.2齿轮的计算264.1.3弯曲强度校核计算304.2轴的设计计算314.2.1按扭转强度概略计算轴径314.2.2计算支反力和绘弯扭矩图324.2.3强度精确校核36第5章 推进液压缸、机架以及导轨的设计405.1液压缸的设计405.1.1钢筒的设计计算415.1.2液压缸工作压力的确定455.1.3液压缸的校核485.2液压缸的结构505.2.1缸筒与端盖的连接515.2.2活塞组件525.2.3活塞组件的密封525.3推进机构导轨的设计54第6章 螺旋钻采煤机的使用与维护566.1润滑及注油566.2地面检查与试运转566.3下井及井下组装576.4采煤机的井下操作576.5机器的维护与检修59结论61参考文献62致 谢65第1章 前言我国薄煤层可采储量较大，约6150M，占煤层总可采储量的19，特别是南方及需要开采解放层的局矿和一些老矿井，薄及极薄煤层必须开采，而且薄煤层和极薄煤层的煤质一般较好。如果仍采用传统的劳动密集型方式开采薄煤层，工人劳动强度大，安全威胁极大。所以应针对不同条件选用不同的机械化生产，实现技术密集型，不断降低工人劳动强度和减少劳动力，是薄煤层开采适应市场经济的基本途径。螺旋钻机使用于非自然，有瓦斯和煤尘爆炸危险的薄煤层开采，是解决薄煤层开采提高煤炭资源回收率的一种新型设备，是目前解决煤层开采的最好方法之一。该机采用独头钻采的工艺，即螺旋钻机布置在顺槽中，向一侧煤层钻孔，钻头割煤，螺旋钻杆掏煤，煤直接落在顺槽的刮板机上运出。该机的应用实现了无人工作面独头采煤，采宽，采深可以达。螺旋钻采煤在采煤过程中，其运动的是由推进速度和钻头的旋转速度合成的。根据开采条件和钻机工况条件，设计采煤机的钻头型号分别为，即截齿的最大回转半径，而其钻头的中心距只有，一个合理的理布截齿置应该具备使采煤机钻头截割能耗小，采煤效率高，同时钻头截齿必须不能产生干涉，因此截齿的布置成为本文一个重要的研究课题。1.1煤及煤层的性质1. 煤的强度强度是衡量物体在特定方向上抵抗破坏能力的指标，如抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等等。研究结果表明，煤的抗压强度最大，抗剪强度次之，抗拉强度最小。它们之间的关系大致为：1：0.10.4：0.30.1，因此在设计采煤机时，设法尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和能耗2。2. 煤的坚固性系数坚固性系数又称坚硬度，是用来衡量煤易破碎难易程度的指标。它综合反映了煤的强度、硬度和强塑性等因素，本文研究的煤层坚固性系数。3. 煤的截割阻抗截割阻抗是刀具截煤时煤及煤层抵抗机械作用的能力。它不仅反映采煤机械刀具截煤的真实过程，而且可在井下现场测定，即全面反映矿山条件的影响。因此，截割阻抗是表征煤的截割性能的一个常用指标，本文研究的煤层截割阻抗为以内。4. 煤的压张效应因围岩压力作用而导致煤压酥的现象称为压张效应。压张区分为明显压张区和不明显压张区两部分4。对脆性煤，0.5H（H为层厚），对韧性煤，（0.150.25）H；不明显压张区的截割阻抗较大，其范围为：对脆性煤，（0.150.25）H ，对韧性煤，（0.350.45）H。采煤机械截深范围内的平均截割阻抗可以用下式确定：式中：煤层非压张区的截割阻抗；煤的压张系数，等于式中：煤壁表层压张系数，0.20.5，脆性煤取小值，韧性煤取最大值；B采煤机械截深，m；H煤层厚度，m；c、d与煤质及矿山技术条件有关的系数，计算时可取c=0.1，d=1.0采用浅截深采煤，目的在于充分利用煤的压张效应，以减小刀具受力和能耗。本文设计根据工况条件，A=350KN/m、H=0.5m。1.2截割刀具的几何参数截割刀具是直接进行落煤的刀具，它包括各种截齿和刨刀截割刀具由刀头和刀杆组成。刀头上与煤直接接触而起破坏作用的部分是硬质合金材料。刀杆用于插入采煤机械工作机构的齿座中，并被固定之。截割刀具的主要参数有：截角刀头前面与刀尖运动轨迹的切线之间的夹角；前角刀头前面与刀尖运动轨迹的法线之间的夹角，它与截角互为余角；后角硬质合金片端面与刀尖运动轨迹的切线之间的夹角；某些刀具上的这一夹角做成吃背角，以防止和煤接触，减少阻力；侧角刀头侧面与前面法线之间的夹角；刀尖角刀头两侧面间的夹角；截刃宽度刀头前面与端面所形成的切削刃宽度；前面宽度刀头前面的最大宽度。1.3刀具几何参数对截割性能的影响1）截角 截角的作用是使刀头楔入煤体，它对截割过程中密实核的形成和发育有很大的影响当截角很小（）时，刀头楔入煤体，煤受到较大的拉伸应力，但压应力很小，故不形成密实核。这时，截割阻力，单位能耗和煤粉生成量少。当（）时，刀具前面对煤的力指向煤的自由面，煤因受到挤压而形成密实核，但密实核不能充分发育，因为如果我们假定密实核内煤粉的摩擦角为30度，那么刀具前的密实核的形状最大，即密实核所占的体积不大。这时，破碎是由挤压，剪切和拉伸联合作用造成的，故截割阻力，单位能耗和煤粉生成量都不大。当截角较大的时候（），刀具前面对煤的力朝向煤体内部，煤因受到强烈挤压而形成密实核，并充分发育。这时，煤主要靠压缩破碎，截割阻力，单位能耗和煤粉量均大。实验证明，截角为时，截割单位能耗最低。但实际上，从刀头的强度和耐磨性考虑，常用截角为（煤硬，韧及有夹矸时取大值），甚至更大。截角对截割阻力和单位能耗的影响可用截角影响系数来修正，下表列出了的值。表1.1 截角影响系数2煤质截角405060708090韧性煤0.981.000.900.901.081.24脆性煤0.971.000.911.001.171.29特脆性煤0.961.000.921.061.261.34前角因与截角互为余角，故前角的影响正好与截角相反。2）后角和侧角 后角和侧角的作用时使刀具端面与侧面在截割过程中避免与煤体表面接触。当后角小于时，截割阻力与牵引阻力要显著增大，故推荐后角值为。后角太大，会使刀头强度削弱，但对刀具受力无影响。侧角的推荐值为=。应当指出，采煤机工作时，刀头的实际轨迹是沿截割速度与牵引速度的合成速度方向形成的，所以刀具的实际后角减小。为使实际后角存在，必须满足下式：式中： m/min m/min3）截刃宽度 截刃宽度对截割阻力和单位能耗影响很大：当b10mm时，截割阻力与截刃宽度成正比，而单位能耗增加的较缓慢。 截刃宽度与截割阻力和截割阻抗的关系为：，上式括弧中的值为无因次量，其中第一项“0.3”表示侧向蹦碎煤所需的截割阻力分量，第二项表示由截刃宽度引起的分量。当标准刀具b=20mm时，括弧中的值等于1，因此，当截刃宽度引起的截割阻力修正系数：4）前面的形状刀具前面的形状对截割阻力有影响，其影响修正系数列于下表中：表1.2 前面形状系数2前面形状平面楔形面圆弧面超前突起面10.8511.2讨论了煤的性质，截割工况参数和刀具参数后，可以对采煤机械的截割刀具上的受力情况进行估算。第2章 设计要求及方案确定2.1设计要求本课题设计一台旋旋钻采煤机钻具机构，主要是应用于薄煤层的开采，根据螺旋钻采煤机工作情况可以确定设计要求和方案。1、 采深：向上70m，向下40m。2、 准备巷道净断面不小于11.2，巷道坡度，卧底不小于0.6m，通风依赖于全矿井通风负压。3、 煤层厚度：0.5m，煤层倾角，煤的切割的阻力不大于350KN/m。4、 煤的硬度系数。5、 技术特征表：序号参数名称单位数值1向上采煤，采深至，切割阻力：以内以内向下采煤，采深至，切割阻力：以内以内t/min2.01.51.00.752煤层厚度m0.53煤层倾角5钻头数量个56钻头之间的轴距mm6408钻杆直径mm4809钻杆转速r/min6010钻杆推进速度m/min01.012推进机构类型液压13液压系统的油压，不低于1614操纵杆的作用力不低于4015机组总功率KW28016工作额定电压（三相、交流）V66017通风和降尘系统加压的18通风管的直径，不小于mm32519喷水量，不小于L/min5020水管喷嘴的压力，不小于MPa1.52.2总体方案设计本课题主要对采煤机推进机构及钻具的设计，整个推进机构在螺旋钻机机架上，整个上机身是通过两个导轨支撑的，上机可以在导轨上往复滑动，推进机构主要靠两个液压缸组来实现，每个液压缸组由三个液压缸组成，分别为两个副推进液压缸和一个主推进液压缸，通过液压缸的往复运动实现其采煤掘进过程，液压缸组通过差动连接来实现其推进行程要求，三个液压缸通过一个夹板来固定以实现其联动，主推进液压缸可以自由移动，两侧的辅助液压缸的缸体一端固定在机架上。推进机构的总冲程，导向器一个直径为长度为2555的厚管，传动框架沿导向器进行移动。图2-1 设计方案在传动架上装了一左一右各两个的螺旋钻杆，中间钻头由左螺旋钻带动，通过两对齿轮实现等比传动。右螺旋钻杆的轴承前及减速箱的输出轴上装了3个钻头，钻头轴之间的输出距离为，两侧的钻头按煤层厚度采用不同的直径、。在各种条件下中间的钻头直径，它的结构由两侧钻头的不同而改变，所有钻头采用通用连接。螺旋钻杆之间通过连接套传递扭矩，螺旋钻杆的根据工况条件通过优化设计可以算出其各参数。第3章 螺旋钻杆结构参数的优化设计近年来，国内外已开始采用优化设计方法进行螺旋钻杆的结构参数设计，采煤机钻杆优化设计的任务是在满足装机功率、生产率、装载能力及制造工艺的条件下，寻求最佳钻杆结构参数和工作参数，使采出的煤平均块度最大，浮煤量和煤尘量最小，采煤机的单位能耗最低，同时钻杆的载荷波动最小，寿命最长。但普通的优化设计均未考虑到影响螺旋钻杆结构参数各因素，因此设计方案难以更好地符合客观实际。对采煤机螺旋钻杆结构参数进行优化设计，进而求解。本文选择螺旋钻杆装煤生产率作为优化设计的目标，建立了其数学模型并确定了设计变量。通过选取煤壁破碎模式、钻杆工作转速、叶片螺旋升角、钻杆强度等作为约束条件，使钻杆参数的设计结果更能符合工作实际，从而提高采煤机的工作效率。3.1煤机螺旋钻杆结构参数优化数学模型的建立本文在理论分析基础上，以螺旋钻杆装煤生产率为目标函数，对影响其结构参数和运动参数等可变参数作为设计变量，在一定约束条件下进行优化设计，并编程通过计算机计算，得出影响钻杆装煤生产率的几个主要可变参数的最优值和在此情况下装煤生产率的最大值，供钻杆设计、制造及研究时参考。3.1.1螺旋钻杆的装煤生产率理论分析煤块在叶片上的运动学分析2如图3.1所示，当螺旋钻杆装煤以转速n 旋转(忽略煤自重和叶片与煤块间的摩擦力) ，煤块在叶片作用下获得圆周速度v 和沿叶片的滑动速度 ，两速度合成使煤块以 的绝对速度沿叶片的法向方向运动，即：图3.1 煤在叶片上的运动分析但是由于煤块和叶片间的摩擦力，使 变成 ，使绝对速度方向偏离法向一个摩擦角，即方向，则在叶片平均处的速度:将 沿钻杆的轴向分解图3.2 单头螺旋叶片钻杆截面图为了准确地计算出螺旋钻杆的最大可能装载面积，用 的平面EE去截螺旋叶片，与内、外螺旋线分别相交点a 、b、c 、d 可得钻杆最大可能煤流断面积。3.1.2螺旋钻杆装煤生产率的计算设螺旋钻杆装煤时，煤流的充满系数为，则煤流实际断面积，因此可计算出钻杆的装煤生产率2：式中:为螺旋叶片外径， m； :为螺旋叶片内径，m；:为螺旋叶片厚度，m； :为螺旋叶片头数，取m=12； :为螺旋钻杆转速， r/ min ；:为螺旋钻杆装满系数，0.40.6；:为煤块与叶片表面摩擦角， 16；:为螺旋叶片导程，m；:为螺旋叶片平均升角， ():为螺旋叶片外缘升角， ():为螺旋叶片内缘升角， ()可知，影响 的参数共有9个，其中 为常数； 、为已知量， 、可由煤的机械物理性能、钻杆结构和煤的厚度确定； 、 、 、 、为4个不确定参数，在进行优化设计时，将其作为设计变量，则优化设计变量X 可表示为:还可知，螺旋钻杆装煤生产率Q 是X的函数。因此，可用如下形式构造螺旋钻杆装煤生产率的等价目标函数:3.1.3螺旋叶片设计及强度校核根据牛顿第二定律，在垂直叶片和平行叶片方向上分解：图3.3 螺旋叶片的受力分析：式中：螺旋叶片对钻粉的支持力，；钻粉的离心力，；微小段钻粉的支持力，；重力角加速度，；钻粉与孔壁的摩擦力，；钻粉与旋转面的摩擦力，；钻粉与孔壁的摩擦系数；钻粉与旋转面的摩擦系数；钻杆的旋转角速度；钻杆的推进速度；钻粉离旋转轴在轴的坐标；螺旋升角；采煤的倾角，即钻头与水平方向的夹角；由得：表3.1 根据本课题所提供的参数以及参考资料0.30.460r/minm/s由上式我们可以得到在螺旋叶片危险截面在螺旋叶片与钻杆的焊接处，在设计时只须校核处的强度满足要求，那么整个钻杆也就满足强度要求，按文献，选择埋弧焊，采用角焊逢方式，查机械设计手册得，强度校核公式10：将 ，代入上式：，求得，焊逢宽度3.2钻杆轴及连接件的设计表3.3 几种常用轴用材料的及A值轴的材料Q235-A，20Q237，354540Cr，35SiMn，38SiMnMo，3Cr13N/1525203525453555A14012613511212611211297本设计中轴的材料为45号无逢钢管，根据机械设计手册（新版1）表1.1-14查得：，选择=25，轴的弯扭合成强度计算：钻杆设计为一空心轴，钻杆传递的扭矩为，轴的外径，内径，长度为，空心轴的用料情况可用轴的截面积，扭转稳定的临界剪应力，扭转稳定的临界剪应力（E为弹性模量）。材料的允许剪应力也为。（1）轴上的输出转矩T 其中为联轴器的效率，取值为0.99， 考虑动载荷以及过载， 工作情况系数，取联轴器工作情况系数。（2）轴的扭转强度条件根据材料力学知识，轴的扭转强度条件为取扭转稳定的临界剪应力图3.7 钻杆所受挤压应力图（3）轴的扭转刚度条件取图3.8 钻杆所受应力图上述问题的优化设计数学模型如下：故螺旋钻杆的内径为3.3联接套的设计本设计中轴的材料为35SiMn，所以选择=35，联轴套与钻杆采用焊接方式，焊缝不低于，设联轴套的内径和外径分别为和，联轴套采用铸造方式成型，联轴套的设计如下图（1）轴上的输出转矩T 其中为联轴器的效率，取值为0.99， 考虑动载荷以及过载， 工作情况系数，取联轴器工作情况系数。（2）轴的扭转强度条件由图示知，在套筒上开有四个孔，故取图3.8 钻杆接结套截面示意图根据材料力学知识，轴的扭转强度条件为:取，则扭转稳定的临界剪应力，则（3）轴的扭转刚度条件取，则（4）焊接和工艺条件为了保证足够的强度，焊缝不低于焊缝不低于，故联接套的外径要大于钻杆轴径的2倍焊缝以上，内径要小于得钻杆轴径，得： 则：为了保证合理的工艺结构，即套筒的内径和外径保证一定的比列，通同时在结构上要满足强度条件的要求，通常取，则可以得到其约束方程为：根据以上的约束条件，可以建立对套筒结构优化的数学模型，取设计变量，则其数学模型表达如下：目标函数：约束条件：求解得：，本章主要利用了最优化方法对螺旋钻头各参数进行的设计，通过设计出来的结论与实际工作中的钻杆进行比较，本设计的钻杆煤的输送能力提高了，在满足强度条件的情况下通过优化设计，减少了材料，因此本设计采取的具有积极意义。第4章 传动减速箱的设计计算4.1齿轮传动的设计与计算 在只有两个电机同时还要带动五个钻头的情况下，只有需要加减速箱来传动一个动力。设计时，通过左螺旋钻头带动中间钻头旋转。在这里的减速箱的设计中它既要满足可以传动动力的问题。同时还要满足等比传动，即传动比为1，还有就是它的体积尽可能小，初步所设计的减速箱如图4.1示： 图4.1 齿轮设计示意图同时为了要保证1与5、2与4轴的转向相同。为实现使其体积较小，本文设计齿轮1、4相同，齿轮2、3相同，并且齿轮1、4小于齿轮2、3，因此它也保证了等比传动，同时使体积较小。4.1.1基本的参数1 电机的功率： 2.转速4.1.2齿轮的计算1、 择齿轮的材料查表8-17小齿轮轴选用：，2、 按齿面接触疲劳强度设计计算（以下设计参考机械设计工程学12）查机械手册10，齿轮的传动效率如下表4-1所示：表4-1 齿轮的传动效率精 度 等 级效率7级精度（油润滑）0.988级精度（油润滑）0.979级精度（油润滑）0.96第一级齿轮模数的确定原则如下：表4.2 齿轮模数最大扭90020002000350035006000模数6810（1） 确定齿轮传动精度等级：按估取圆周速度 ：参考表8-14，表8-15选取，齿轮第II公差组8级（2）齿宽系数：查表8-23按齿轮相对轴承为非对称布置，取=0.8（3） 小齿轮的齿数：在推荐值2040中小齿轮的齿数 =24大齿轮的齿数 =40（4）齿数比u:（5）齿轮的转矩：由式（8-53）得：（6）载荷系数K由式（8-54）得：齿向载荷分配系数，由式（8-55）及得：查表8-21并插值：则载荷系数K的初值：=11.181.071.2 = 1.4141（7）弹性系数查表8-22，=189.8（8）节点影响系数： 查表8-84得：=2.5（9）重合度系数 查表8-65（）得：=0.87（10）许用接触应力由式（8-69）得由式（8-69）得:（11）硬化系数（12）接触强度安全系数查表8-27，按一般可靠度查1.1取：=1.1故的设计初值故的设计初值（13）齿轮模数m:（14）齿轮的参数a) 分度圆直径的计算b) 齿顶高的计算 c) 齿根高的计算d) 齿全高的计算 e) 中心距af)取，大齿轮，小齿轮4.1.3弯曲强度校核计算由公式8-66，齿型系数，查公式8-67，取小轮，大轮应力修正系数，查图，取小轮，大轮重合度系数，由公式8-67，取许用弯曲应力，由公式8-71弯曲疲劳应力，查图8-72，取，弯曲寿命系数，查图8-73，取尺寸系数，查图8-74，取安全系数，查表8-27，取则故弯曲疲劳强度满足要求。 4.2轴的设计计算4.2.1按扭转强度概略计算轴径由前面计算出来的齿轮直径，本文设计1、3轴为齿轮轴，现在本文主要对第2根轴进行的计算。1）选用45号钢，调质。查表“轴的常用材料及其机械性能”得14： 查表“轴的许用弯曲应力”得： 按式：计算轴的直径： C为与许用扭转应力有关的系数： C=110 所以，取4.2.2计算支反力和绘弯扭矩图由图4.1可知第2 根轴的受力情况，它一方面受到齿轮1、3对它的作用力，同时该轴还有轴承对它的支撑作用力。设计时，各段长度为：根据受力分析和材料力学知识，计算其支反力和绘出其弯扭矩图，如下所示：（a）示意图(b)垂直面受力图(c)垂直面弯矩图(d)水平面受力图(e)水平面弯矩图(f)合成弯矩图(g)扭矩图剖面E-E与剖面C-C之间的转矩 = 9550000132/650.991.5 =3.120N.m 其中： 1）垂直平面内支承点A的支反力： 垂直平面内支承点B的支反力： 2)垂直平面内剖面CC处的弯矩： 垂直平面内剖面E-E处的弯矩： 3)水平平面内支承点A的支反力： 水平平面内支承点B的支反力： 1) 水平平面内剖面C-C处的弯矩： 水平平面内剖面E-E处的弯矩： 5)剖面CC处的合成弯矩： 剖面E-E处的合成弯矩： 同样对于第1、3轴的设计和校核也可以类似轴2的方式进行。4.2.3强度精确校核 根据轴的结构和弯矩图及扭矩图可见，剖面E-E为危险截面，故对之作精确校核。1） 查表“螺纹、键、花键、横孔处及配合的边缘处有效应力集中系数、得过盈配合为时的应力集中系数 2） 查表“尺寸系数、”（按毛坯尺寸），得尺寸系数 3） 查表“不同表面粗糙度的表面质量系数”（按表面磨削考虑）得表面质量系数 4） 综合影响系数 5） 弯曲应力幅： 其中： 则： 6）平均应力： 7）扭转应力幅： 其中： 8）扭转平均应力： 9）只考虑正应力时的安全系数： 只考虑切应力时的安全系数： 则工作安全系数S： 按材质不够均匀，计算不够精确。查表“轴的许用安全系数”得 S=1.51.8 可知：故轴满足强度要求。第5章 推进液压缸、机架以及导轨的设计5.1液压缸的设计采煤机的推进机构采用由液压作为推进的驱动力，根据采煤机的工作情况： 1、 的切割的阻力不大于。2、 支撑液压缸的行程：。3、 推进机构的总行程：。4、 液压系统的油压，不低于16。图5.1 推进机构设计示意图采煤机在工作时，受到切割阻力和推进阻力，根据煤层对钻头的作用力，以及螺旋钻杆在前进和后退时受到的阻力，可以计算推进液压缸作用在活塞上的载荷，油液作用在单位面积上的压强15：从上式可知，压力值的建立是由载荷的存在而产生的，在同一个活塞的有效工作面积上载荷越大，克服载荷所需要的压力就越大。最高允许压力，也是动态试验压力，是液压缸能用以长期工作的压力，是液压缸在瞬间所能承受的极限压力。各国规范通常规定为： 根据液压缸的总行程和推进运动动作，初步设计液压钢如下图5.2 推进液压示意图5.1.1钢筒的设计计算图 5.3 位移循环图在上述工作的基础上，应对主机进行工况分析，工况分析包括运动分析和动力分析，对复杂的系统还需编制负载和动作循环图，由此了解液压缸或液压马达的负载和速度随时间变化的规律，以下对工况分析的内容作具体介绍。a、运动分析主机的执行元件按工艺要求的运动情况，可以用位移循环图(Lt)，速度循环图(vt)，或速度与位移循环图表示，由此对运动规律进行分析。1.位移循环图Lt图4-1为液压机的液压缸位移循环图，纵坐标L表示活塞位移，横坐标t表示从活塞启动到返回原位的时间，曲线斜率表示活塞移动速度。该图清楚地表明液压机的工作循环分别由快速下行、减速下行、压制、保压、泄压慢回和快速回程六个阶段组成。2.速度循环图vt(或vL) 工程中液压缸的运动特点可归纳为三种类型。图5-4为三种类型液压缸的vt图图5.4 速度循环图第一种如图5-4中实线所示，液压缸开始作匀加速运动，然后匀速运动， 最后匀减速运动到终点；第二种，液压缸在总行程的前一半作匀加速运动，在另一半作匀减速运动，且加速度的数值相等；第三种，液压缸在总行程的一大半以上以较小的加速度作匀加速运动，然后匀减速至行程终点。vt图的三条速度曲线，不仅清楚地表明了三种类型液压缸的运动规律，也间接地表明了三种工况的动力特性。b、动力分析动力分析，是研究机器在工作过程中，其执行机构的受力情况，对液压系统而言，就是研究液压缸的负载情况。1.液压缸的负载及负载循环图(1)液压缸的负载力计算。工作机构作直线往复运动时，液压缸必须克服的负载由六部分组成： 式中：为切割阻力；为摩擦阻力；为惯性阻力； 为密封阻力；为排油阻力。 图5.5导轨形式 切割阻力：螺旋采煤机的最大截割阻力为，由于本推进机构采用2个液压缸系统，故表5.1 摩擦因数f导轨类型导轨材料运动状态摩擦因数(f)滑动导轨铸铁对铸铁启动时低速(v0.16m/s) 高速(v0.16m/s)0.150.20 50.08滚动导轨铸铁对滚柱(珠)淬火钢导轨对滚柱(珠)0.050.020.0030.006静压导轨铸铁0.005 摩擦阻力：为液压缸带动的运动部件所受的摩擦阻力，它与导轨的形状、放置情况和运动状态有关，其计算方法可查机械设计设计手册。图5.5为最常见的两种导轨形式，其摩擦阻力的值为：平导轨： V形导轨： 式中：f为摩擦因数，参阅表5-1选取； 为作用在导轨上总的正压力或沿V形导轨横截面中心线方向的总作用力，在本文中为整个液压缸的重力，整个液压缸重量系统不大于，取；为V形角，一般为90。本文设计液压缸导轨为V形导轨，根据公式 惯性阻力：惯性阻力为运动部件在启动和制动过程中的惯性力，可按下式计算： 式中：为运动部件的质量；为运动部件的加速度；为运动部件的重量(N)；为重力加速度，；为速度变化值；为启动或制动时间(s)，一般0.10.5s，取大，则：表5-1 螺旋采煤机钻杆推进速度钻杆推进速度单位值工作状态 前进 后退调度状态 前进 后退m/min 密封阻力：密封阻力指装有密封装置的零件在相对移动时的摩擦力，其值与密封装置的类型、液压缸的制造质量和油液的工作压力有关。在初 算 时，可按缸的机械效率考虑；验算时，按密封装置摩擦力的计算公式计算。 油阻力：排油阻力为液压缸回油路上的阻力，该值与调速方案、系统所要求的稳定性、执行元件等因素有关，在系统方案未确定时无法计算，可放在液压缸的设计计算中考虑。由于采煤机的切割阻力很大，密封阻力和排油阻力可以忽略不计即，。则5.1.2液压缸工作压力的确定液压缸要承受的负载包括有效工作负载、摩擦阻力和惯性力等。液压缸的工作压力按负载确定。对于不同用途的液压设备，由于工作条件不同，采用的压力范围也不同。设计时，液压缸的工作压力可按负载大小及液压设备类型参考表5.2、表5.3来确定。表5.2 液压缸的公称压力（单位：MPa,GB7938-87）0.631.06.310.016.025.031.540.0表5.3 各类液压设备常用的工作压力(单位：MPa)设备类型 一般机床 一般冶金设备 农业机械、小型工程机械液压机、重型机械、轧机压下、起重运输机械工作压力16.36.31610162032表5.4 液压缸中的背压力系统类型背压力回油路上有节流阀0.20.5回油路上有背压阀或调速阀0.51.5采用辅助泵补油的闭式回路1.01.5主液压缸计算：1.初选液压缸工作压力由工况分析可知，推进阶段的负载力最大，所以，液压缸的工作压力按此负载力计算，根据液压缸与负载的关系，选。液压缸回油腔有背压，设背压，取往复速比表5.5 液压缸工作压力与活塞杆直径液压缸工作压力P（MPa）5577推荐活塞杆直径(0.50.55)D(0.60.7)D0.7D表5.6 液压缸往复速度比推荐值液压缸工作压力P（MPa）1012.52020往复速度比1.331.46222.计算液压缸尺寸由式得：.液压缸直径：副液压缸计算：.主液压缸直径：液压缸的缸筒长度由活塞最大行程，活塞长度，活塞杆导向套长度，活塞杆密封长度和特殊要求的长度确定。其中活塞长度为（0.61.0）D；导向套长度为（0.61.5）d。为减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的2030倍。根据设计要求所设计液压缸参数如下：推进机构的总行程：单个液压缸的行程推进主液压缸：直径，杆径。副推进液压缸：直径，杆径。5.1.3液压缸的校核1、缸筒壁厚的验算中、高压液压缸一般用无缝钢管做缸筒，大多属薄壁筒，即d/D0.08，此时，可根据材料力学中薄壁圆筒的计算公式验算缸筒的壁厚，即 式中: 缸筒内的最高工作压力s缸筒材料的许允应力，采用45优质碳素结构钢的无逢钢管，查机械设计手册10表30-116，。因为主推进液压缸的壁厚，副推进液压缸的壁厚，故满足强度要求。2、液压缸稳定性验算活塞杆长度根据液压缸最大行程L而定。对于工作行程中受压的活塞杆，当活塞杆长度L与其直径d之比大于10时，应对活塞杆进行稳定性验算式中：液压缸的最大作用力活塞的杆直径空心活塞的杆的内径活塞的抗拉强度，查机械设计手册表30-116，则主推进液压缸故主推进液压缸满足强度要求副推进液压缸故满副推进液压缸足强度要求，须考虑活塞杆弯曲的稳定性，校核公式如下：式中：安全系数，通常取式中：活塞杆的弹性模量，活塞杆的惯性矩, ，液压缸安装未端系数,查机械设计手册取，考虑活塞杆材料不均匀的系数，取。故满足稳定性要求5.2液压缸的结构图5 .6 双作用单活塞杆液压缸结构图13 上图表明，液压缸一般由后端盖、缸筒、活塞杆、活塞组件、前端盖等主要部分组成；为防止油液向液压缸外泄或由高压腔向低压腔泄漏，在缸筒与端盖、活塞与活塞杆、活塞与缸筒、活塞杆与前端盖之间均设置有密封装置，在前端盖外側，还装有防尘装置；为防止活塞快速退回到行程终端时撞击后缸盖，液压缸端部还设置缓冲装置；有时还需设置排气装置。进行液压缸设计时，根据工作压力，运动速度，工作条件，加工工艺及装拆检修等方面的要求，往往综合考虑液压缸的各部分结构。5.2.1缸筒与端盖的连接常见的缸体与缸盖的连接结构有：（1）法兰式连接，结构简单，加工方便，连接可靠，但是要求缸筒端部有足够的壁厚，用以按装螺栓或旋入螺钉。缸筒端部一般用铸造、镦粗或焊接方式制成粗大的外径，它是常用的一种连接形式。（2） 半环式连接，分为外半环连接和内半环连接两种连接形式，半环连接工艺性好，连接可靠，结构紧凑，但削弱了缸筒强度。半环连接应用十分普遍，常用于无缝钢管缸筒与端盖的连接中。（3）螺纹式连接，有外螺纹连接和内螺纹连接两种，其特点是体积小，重量轻，结构紧凑，但缸筒端部结构较复杂，这种连接形式一般用于要求外形尺寸小，重量轻的场合。（4）拉杆式连接，结构简单，工艺性好，通用性强，但端盖的体积和重量较大，拉杆受力后会拉伸变长，影响密封效果。只适用于长度不大的中、低压液压缸。（5）焊接式连接，强度高，制造简单，但焊接时易引起缸筒变形。缸筒是液压缸的主体，其内孔一般采用镗削、绞孔、滚压或珩磨等精密加工工艺制造，使活塞及其密封件、支承件能顺利滑动，从而保证密封效果，减少磨损；缸筒要承受很大的液压力，因此，应具有足够的强度和刚度。端盖装在缸筒两端，与缸筒形成封闭油腔，同样承受很大的液压力，因此，端盖及其连接件都应有足够的强度。设计时既要考虑强度，又要选择工艺性较好的结构形式。导向套对活塞杆或柱塞起导向和支承作用，有些液压缸不设导向套，直接用端盖孔导向，这种结构简单，但磨损后必须更换端盖。5.2.2活塞组件活塞组件由活塞、密封件、活塞杆和连接件等组成。随液压缸的工作压力、安装方式和工作条件的不同，活塞组件有多种结构形式。如图5.7所示，活塞与活塞杆的连接最常用的有螺纹连接和半环连接形式，除此之外还有整体式结构、焊接式结构、锥销式结构等。螺纹式连接如图5.7（a）所示，结构简单，装拆方便，但一般需备螺母防松装置；半环式连接如图5.7（b）所示，连接强度高，但结构复杂，装拆不便，半环连接多用于高压和振动较大的场合；整体式连接和焊接式连接结构简单，轴向尺寸紧凑，但损坏后需整体更换，对活塞与活塞杆比值较小、行程较短或尺寸不大的液压缸，其活塞与活塞杆可采用整体或焊接式连接；锥销式连接加工容易，装配简单，但承载能力小，且需要有必要的防止脱落措施，在轻载情况下可采用锥销式连接。图5.7 活塞与活塞杆的连接形式5.2.3活塞组件的密封活塞装置主要用来防止液压油的泄漏。对密封装置的基本要求是具有良好的密封性能，并随压力的增加能自动提高密封性，除此以外，摩擦阻力要小，耐油，抗腐蚀，耐磨，寿命长，制造简单，拆装方便。油缸主要采用密封圈密封，密封圈有O形、V形、Y形及组合式等数种，其材料为耐油橡胶、尼龙、聚氨脂等。（1）O形密封圈O形密封圈的截面为圆形，主要用于静密封。O形密封圈安装方便，价格便宜，但与唇形密封圈相比，运动阻力较大，作运动密封时容易产生扭转，故一般不单独用于油缸运动密封（可与其它密封件组合使用）。（a）普通型 （b）有挡板型图5.8 O型密封圈的结构原理O形圈密封的原理如图5.10 (a)所示，O形圈装入密封槽后,其截面受到压缩后变形。在无液压力时，靠O形圈的弹性对接触面产生预接触压力，实现初始密封，当密封腔充入压力油后，在液压力的作用下，O形圈挤向槽一侧，密封面上的接触压力上升，提高了密封效果。任何形状的密封圈在安装时，必须保证适当的预压缩量，过小不能密封，过大则摩擦力增大，且易于损坏，因此，安装密封圈的沟槽尺寸和表面精度必须按有关手册给出的数据严格保证。在动密封中，当压力大于10MPa时，O形圈就会被挤入间隙中而损坏，为此需在O形圈低压侧设置聚四氟乙烯或尼龙制成的挡圈，其厚度为1.252.5mm，双向受高压时，两侧都要加挡圈, 其结构如图5.10 (b)所示。(2)V形密封圈V形圈的截面为V形，如图5.9所示，V形密封装置是由压环，V形圈和支承环组成。当工作压力高于10MPa时，可增加V形圈的数量，提高密封效果。安装时，V形圈的开口应面向压力高的一侧。a)压环 b)V型圈 C)支承环图5.9 V形密封圈V形圈密封性能良好，耐高压，寿命长，通过调节压紧力，可获得最佳的密封效果，但V形密封装置的摩擦阻力及结构尺寸较大，主要用于活塞杆的往复运动密封，它适宜在工作压力为P50Mpa 。(3)Y(Yx)形密封圈Y形密封圈的截面为Y形，属唇形密封圈。它是一种密封性、稳定性和耐压性较好、摩擦阻力小、寿命较长的密封圈，故应用也很普遍。Y形圈主要用于往复运动的密封，根据截面长宽比例的不同，Y形圈可分为宽断面和窄断面两种形式，图5.10所示为宽断面Y形密封圈。图5.10 Y形密封圈Y形圈的密封作用依赖于它的唇边对藕合面的紧密接触，并在压力油作用下产生较大的接触压力，达到密封目的。当液压力升高时，唇边与藕合面贴得更紧，接触压力更高，密封性能更好。5.3推进机构导轨的设计导轨通过螺栓固定在采煤机的机架上，导轨不但承受机身上部的重量，还要承受采煤机在掘进过程中的截割阻力的分力，导轨主要受力为机身上部对它的剪应力，因此在校核时，只须校核其剪应力，其计算方法同钻杆的设计，同时导轨的跨距不能太小，否则整个机身容易倾覆，它必须大于两钻杆的中心距，本文设计导轨参数如下：参数外径内径跨距材料值210140192038SiMnMo加工方式采用研磨抛光，表面粗糙度小于。机架板厚，焊缝不低于。第6章 螺旋钻采煤机的使用与维护6.1润滑及注油 润滑及传动用油的质量好坏，是保证机器正常工作的关键，因此必须及时、严格用规定的清洁油注油及润滑，用油牌号不能混用与任意代换，否则应全部更换。 牵引部液压传动箱用油，注油时必须用注油器，精滤芯要定期更换。6.2地面检查与试运转 采煤机下井前必须按井下工况，设不小于30米运输机，使采煤机可在其上运动行走。 进行地面检查与试运转，确认合格后方可下井。1. 试运转前的检查：首先检查各部件是否齐全、完好，安装是否正确，连接螺栓是否缺少或松动，各运动环节及手把的动作是否正确灵活。各油池及润滑点必须按规定加注清洁油。水路是否畅通，检查各出轴处，盖板等是否漏油，电气部分的绝缘、隔爆等是否符合要求。调高及喷雾系统管路是否齐全和接好等，应先用手盘动各运转部位，应无意外阻碍和其他不正常现象。2. 试运转时检查：启动前把各手把，离合器等置于中立或断开位。接通电源，检查三相平衡情况，无问题时方可只控制一台132千瓦电机的隔离开关，启动此电机，观察空运转情况，然后停止，看其是否轻快。再合上另一个隔离开关，启动另一台132千瓦电机及牵引电机，观察空运转情况，同时注意高低压压力表，然后停止，看是否轻快。再盘动钻杆，截割部传动是否良好。无问题方可合离合器再启动电机，观察运转情况，声音、发热、转向等。 牵引部的检查，试运转前应先排气，试运转是在电机启动后，待辅助泵压力正常后，先把调速手把任意向一方转动一小角度，观察齿轨轮与齿轮间啮合情况，同时注意观察高低压压力表，注意运转声音是否正常，若无异常再慢慢增大手把角度，注意听音及观察，正常后再慢慢回零，观察降速是否正常，以同样方法检查“反向牵引”情况，并在高速时按停止牵引钮停止牵引。 搬动调高阀观察调高情况，检查管路系统是否漏油，测定左右摇臂最大行程时间，以上检查完毕后，使机器在运输机上往复行走，检查配套关系，人为弯曲运输机，检查过弯曲情况，行走运行一定要先慢后快。 在整个试运转过程中，要注意人身安全。发现问题及时处理，不可带“病”下井。6.3下井及井下组装1. 在不允许整机下井的条件下，可将机器解体装运，但解体越少越好，主机是由摇臂铰接点处分解为三大部分为好。钻杆、附件等可分别装运。 注意，装运前必须将拆下的小零部件如销子、螺栓、管接头等包装管好。包裹好打开的每个接触面，隔爆面，裸露的轴、孔、齿、手把、接头等，油缸活塞杆应全部缩回缸内，并固定好。运送前应仔细检查所经道路情况，装运顺序应顾及井下组装的方便。2. 采煤机的组装应在预先准备的“缺口”中进行，顺序为：先组装好溜槽及工作面附件，而后使中架部分骑在运输机和齿轨上，穿好导向滑靴，再装左右摇臂及钻杆，接电缆、水管及拖缆带，组装时应注意人身及设备的安全，对机件的外露部分如手把等，要注意保护。还要注意销轴、轴孔及接头等处的清洁，不得有污物带入。3.组装后的运转与地面试运转要求相同。6.4采煤机的井下操作 井下操作由每班配备的，经过专门训练合格的两名司机进行。各班司机要认真执行交接班制度。1. 操作前的检查：工作前要对机器运转环境如煤壁、顶板、支护、配套设备等进行检查，发现问题及时处理，并对机器作好下列检查：1） 截齿是否齐全完好，牢固可靠。2） 各把手按钮是否齐全，灵活可靠。3） 油位是否符合要求。不足时添加。4） 各紧固螺栓要齐全，不松动。5） 电缆、水管、油管是否损坏及泄漏。6） 运输机是否铺设平直。7） 拖缆架是否卡挂。8） 供水是否正常，否则不得开机。9） 钻杆前后两米以内不得站人。2. 试运转中注意事项：1） 各部分运转声音及发热是否正常。2） 结合面、出轴处、盖、管路等有无渗漏。3） 压力表指示是否正常，指针有无不正常抖动。4） 各运转部件及整机有无震动与抖动。5） 调高及牵引是否正常。3. 操作顺序：1） 送电、磁力启动器合闸。2） 合上隔离开关。3） 合上截割部离合器。4） 发信号给工作面运输司机并解锁、使运输机启动。5） 给水冷却喷雾。6） 分别启动电机使钻杆正常运转。7） 调采高到合适高度。8） 选择牵引方向并慢慢调速到合适速度。4. 机器运转时注意事项：1） 注意钻杆运转情况，机道有无阻碍，机器声音、牵引力（压力表）大小，拖缆带卡挂现象等。2） 严禁钻杆在不运转情况下牵引或调高。3） 停运输机、停水时，机道有大块障碍，支柱影响通过，电机闷车，夹石过硬，或其他有碍机器正常运转情况等时，应立即停机，处理后方可开机。4） 注意顶板支护情况，人员位置，确保生产及人身安全。5. 停机顺序：1） 牵引调速换向手把打回零位，紧急停车后也要把此手把回零。2） 停止电动机、停止运输机。3） 停水。4） 拉开截割部离合器。5） 拉开隔离开关。6.5机器的维护与检修1. 日检在日常使用中，应及时维护检修以下各项：1） 电机、磁力启动器、电控箱、电缆等电气部分运行是否正常。接地是否正常，拖缆架装置是否完好。2） 机器温升、躁声、传动件、各手把、压力表等是否完好正常。3） 连接及紧固件是否松动、开焊、脱位等。特别是齿轨组连接是否牢固，齿轨的柱销是否开焊。4） 各水、油管路、接头、法兰、结合面、出轴处等是否有渗漏，各油位油面是否正常，各润滑点是否按规定注油。各过滤器是否堵塞。5） 截齿磨损及丢失情况，及时更换磨损严重者和补装丢失，驱动轮和齿轨轮的润滑情况。6） 喷雾喷嘴是否畅通。7） 应特别注意保护液压油箱内腔清洁，注意传动油不被污染、弄脏，定期更换精滤芯和油液。2. 月检：除按日常检查项目进行外，还包括打开大盖，检查所有机件，查看运转件磨损情况，应特别注意仔细检查：各液压件及管路、接头漏损情况，但检查前必须采取有效措施，防止煤尘及污物进入油池。否则不准打开盖板。3. 季检：除按日常及月检项目进行外，还包括易损件，换油，检查各传动间隙，磨损情况。电机绝缘情况等。4. 采完一个工作面后应整机升井大修。结论近几年来，很多工作都是致力于长壁采煤法的最优化以增加到生产力和效率的目的。在许多情况，他们过于强调把重心集中在设备，举例来说：增加甲板输送机的电动机功率和增大其尺寸。而某些积极的方面有时被在不同程度上被忽略，它们没有被提升到一个比较重要的日程。 在论文中，通过选择不同的截割次序的采矿方法在生产力上所取得的成功产生深远影响。当煤层厚度、工作面长度、煤层的性质以及相关的截割能耗改变时，四中截割模式在一个理论上可以进行相互比较。对于每种煤层和其厚度等级的限制而选择响应的设备。虽然每种截割方式不同，但通过分析该模型可以得到一般性的结论。根据模型的约束条件，半滚筒截割的产量最高；在相同的工作面长度的情况下，双方向的截割方法比单方向的截割方法生产率高。参考文献1 李纪青.螺旋钻采煤法.煤矿开采，2001年第2期(总第44期)2 李昌熙等.采煤机.煤炭工业出版社.1988年3 黄日恒.悬臂式掘进机.中国矿业大学.1996年4 苏E.3.保晋等.采煤机破煤理论.煤炭工业出版社 . 1992年5 杜长龙，肖世德.矿山机械优化设计建模与实践.北京:煤炭工业出版，19986 王传礼，王鸿萍.新型螺旋滚筒装煤