纵轴式掘进机总体方案设计及其液压系统设计

目录前言11总体结构方案设计311各部结构方案设计3111悬臂工作机构方案设计3112装载机构方案设计7113转运机构方案设计9114回转机构和机架方案设计12115行走机构方案设计14116除尘冷却系统方案设计15117液压油箱的方案设计1612传动系统的确定17121悬臂工作机构传动系统18122装载、转运机构传动系统18123履带行走机构传动系统18124整体传动系统1913掘进机总体参数确定20131悬臂工作机构技术参数20132装载机构技术参数21133转运机构技术参数21134行走机构技术参数21135喷雾系统的参数22136整机技术性能参数2214总体布置2215总体参数验算23151机器可掘进断面24152掘进机的通过性26153掘进机稳定性分析与计算27154生产率312液压系统设计3621掘进机液压系统的设计依据3622工况分析和载荷计算公式3623工况分析、工作负载计算3724拟定液压系统38241系统压力选择38242拟定主回路38243各机构液压回路设计41244液压系统辅助元件4225液压系统图4326各液压系统回路执行元件设计45261悬臂回转液压油缸的设计计算45262升降液压油缸的设计计算50263伸缩液压油缸的设计计算5227伸缩液压油缸的结构设计55271液压油缸壁厚和外径的计算55272液压油缸进出油口尺寸的确定56273液压油缸工作行程的确定57274缸盖厚度的确定57275最小导向长度的确定57276缸体长度的确定58277液压油缸强度计算5928液压系统参数计算62281各回路液压泵的设计计算62282泵站电动机的确定67283油箱容积确定68284液压系统性能验算68285液压油缸工作速度核算6929液压系统各元件汇总693结语71致谢72参考文献73附录A译文74附录B外文文献78前言掘进机械是矿山建设和生产中主要的机械设备之一，有着至关重要的地位。在蒸汽机出现后，1849年生产出世界上第一台以蒸汽为动力的凿岩机，其工作粗笨，效率低。随后把压缩空气引入了凿岩机，设计了配气系统。从上世纪三十年代苏联在煤巷掘进中使用尚不完善的掘进机，几十年以来，许多新技术被应用到掘进机上，完善了掘进机的诸多功能，例如激光导向、自动确定切割路径等。根据断面形状，可分为全断面掘进机和部分断面掘进机两大类。全断面掘进机可将所需断面一次性截割出来，并且大部分的断面为圆形断面。而后者一次性不能不能截割出整个断面，需要多次来回摆动。本设计通过给定的工况参数以及工作条件，参照行业标准等规范，确定掘进机总体方案型式及液压系统参数。通过分别比较各工作机构结构形式、优缺点、适应工作条件，确定各机构的结构方案。确定整体及各部分的驱动和传动形式。通过工况分析和载荷计算，确定掘进机的液压系统。掘进机由悬臂工作机构、装载机构、转运机构、行走机构、喷雾冷却系统等部分组成。纵轴式掘进机在工作时是电动机经减速器带动截割头旋转切入煤岩壁下角，达到截深后，再按一定方式沿底板摆动截割头，开出一个自由面后将悬臂向上上升一定高度，横向截割，这样来回往复，直至掘出所要求直至掘出所要求的巷道断面。被截割头切落下来的煤岩由装运机构收集、转运至后面的配套运输设备。在切割作业的同时，开动喷雾除尘系统，以消除截割煤岩时所产生的粉尘。电气系统中的电动机为机器的动力源，与液压系统中的执行元件配合，使机器实现预定功能。电气与液压控制和保护装置用来控制机器的各个动作，自动调整机器的动作状态，并起过载保护等作用。设计要求如下可截割硬度80MPA适用巷道断面23M2，高2445M，宽3055M；截割头伸缩量500MM；接地比压250MM；卧底深度250MM；龙门高度400MM；爬坡能力16；最小转弯半径7M；离地最小间隙150MM；行走速度05M/MIN可调；理论截割生产率80M3/H；理论装载能力200M3/H。；理论转运能力250M3/H；降尘形式内、外喷雾。1总体结构方案设计11各部结构方案设计111悬臂工作机构方案设计悬臂工作机构为掘进机的工作部分，有电动机、减速器、伸缩机构、截割头等结构。（1）悬臂工作机构形式按照截割头工作时破碎煤岩的方式不同，悬臂工作机构有横、纵轴式两种。纵轴式掘进机截割头轴线与悬臂轴线重合，而横轴式掘进机截割头的轴线则与悬臂垂直。纵轴式的掘进机工作时截割头截齿齿尖按照摆线的轨迹运动，推进一次可达截深，效率高，但在截割振动大，稳定性差，在煤巷中使用较为经济，能切割出平整的巷道。而横轴式掘进机工作时切割头截齿按空间螺旋线式运动，一次进尺截割受限制，耐冲击，适合截割半煤岩巷和岩巷，工作振动较小，比纵轴式稳定，但工作循环时间长，巷道不平整。考虑设计要求，选用纵轴式掘进机，其悬臂工作机构结构如图11所示。图11悬臂机构FIG11THECANTILEVERMECHANISM1截割头；2托梁机构；3伸缩机构；4截割减速器；5伸缩油缸；6销控；7截割电动机；8盖板（2）伸缩机构伸缩机构有内伸缩式和外伸缩式两种形式。内伸缩结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活方便，因此设计采用内伸缩式。伸缩机构位于截割头和截割减速箱中间，通过伸缩油缸使截割头具有一定的伸缩行程。伸缩机构如图12所示。图12伸缩机构FIG12TELESCOPICINSTITUTIONS1截割头主轴；2伸缩保护筒；3伸缩外筒；4伸缩内筒；5花键套伸缩机构的内筒和伸缩保护筒与截割头连在一起，但不转动。伸缩内筒和伸缩保护筒之间有伸缩外筒，与减速器紧固联接在一起。伸缩保护筒通过销轴、油缸与截割电动机相联。当伸缩液压油缸的活塞杆伸出时，推动截割头伸出，从而使截割头钻入工作面内。（3）截割头截割头的功能是将煤岩进行破碎和分离，以获得所需矿物材料。总结截割过程的研究实验，影响截割头设计的主要因素有如下几点A）煤岩特性参数，包括硬度、抗拉和抗压强度、磨蚀性等。B）截割头结构参数，包括尺寸、几何形状、截齿数目、截齿布置、截齿空间安装位置、截线间距。C）工艺特性参数，主要指切削深度、切削厚度、摆动速度、截割头角速度。以上诸多因素相互制约、关联和影响，在设计中要相互匹配、综合考虑和统一。1）头体结构纵轴式掘进机的截割头头体的形状较多，有圆柱、圆锥和圆锥加圆柱等几种形式，形式见下图13所示。ABC图13截割头形状FIG13CUTTINGHEADSHAPE柱形截割头（如图13A）摆动截割时，截齿的轴线与煤壁平行，截齿受力平均，截割头轴向所受载荷比较小，缺点是会截出锯齿形的不平整巷道顶板和底板，如图14A，这样，增加了工作面巷道支护工作的难度，也不易实现巷道的平整度，掘进机截割后还需要人工进行辅助将顶板和底板修整，不但增加了辅助工序的时间，还增加了工人的劳动强度。图14截割头形状与顶板形状关系FIG14THERELATIONSHIPBETWEENCUTTINGHEADSHAPEANDROOFSHAPE对于锥形加柱形的截割头（如图13B），截齿的轴线垂直于头体的母线，锥端上的截齿是向工作面煤壁方向倾斜的，这样有利于截割头钻进工作面。而柱段上截齿的垂线垂直于钻进方向，横向摆动截割时受力较好，但容易造成断齿、齿座脱落等现象1。这种截割头的形状复杂并且制造难度高，截齿的排列也比较困难。对于锥形截割头（如图13C），它能很好地适应钻孔轮廓的要求，使钻进工作相对容易进行，还能够保证截割出来的巷道表面的平整（如图14B）。可以通过合理地安排截齿排列方式，改善受力。且锥形截割头结构简单、生产制造相对容易，优先选用锥形的截割头。2）截齿形状截齿类型的选择，除要考虑到煤岩的坚固性、截割阻抗、脆性程度等因素外，还要综合考虑含夹矸的软硬程度及其他多种因素的影响。煤质相对较坚硬、裂隙不发达的煤巷来说，优先选用刀型齿。但由于径向安装，承受的弯矩也较大，容易造成截齿断裂。煤质比较坚硬且脆、夹矸较硬的煤层来说，应选用镐形截齿。这种镐形截齿的强度大且耐磨性高，截割阻力的方向几乎与截齿的轴线方向重合，弯矩也比较小；固定方法比较简单。改善截齿设计可延长寿命，降低了更换维修成本。因此，镐形截齿在掘进机截割头上使用的较多。3）截齿的数量和排列方式确定了截割头的结构形状、截齿形状之后，要考虑截齿的数量和排列。截割头上截齿的布置方式影响到破碎效果、单个截齿的受力状况以及整体的功率消耗情况和稳定性。布置截齿的总体要求是单位能耗低、截齿损耗小、块率高、可吸入性粉尘小、瓦斯泄出量和摩擦发火的概率小。排列截齿的方式一般有顺序式和交叉式（又叫棋盘式）两种，排列形式如图15所示。AB图15截齿排列形式FIG15ARRANGEMENTOFTHECUTTINGTEETH顺序式排列（图15A）的截齿是一个接着一个的挨着进行排列的，切削断面形状不对称，受力不均匀，存在侧向载荷2。交叉排列图15B截齿是按照间隔的顺序截割煤壁的，截割槽几乎对称，可保证截齿受力平衡；有效降低截割比能耗，多使用这种排列方式。截齿数量的多少与截割能力和平稳运转都有很大的关系。在截割头功率不变的条件下，截齿数量越多，每个截齿平均的截割能力就越小3，造成截割粉尘的增加。因此，截齿数量不宜过多。但是如果截齿的数量过少，会增大截割阻力和载荷的波动，影响悬臂工作机构的稳定性与安全性。综合考虑以上因素的影响，一般纵轴式掘进机的截割头上截齿数量应在2050内选取，本设计取36把。112装载机构方案设计装载机构是将破落下来的煤岩进行收集、耙装至中间转运机构上。有链轮链条式、蟹爪式、星轮式等多种形式，安装于机器的前段。单链轮链条式装载机构是利用一套环形的刮板链将岩石装到转载机上，双环形链轮链条是两排并列反向的刮板链。链轮链条机构简单，但易形成岩石堆积，造成卡、断链等事故。由于易磨损，功率大，效果较差。蟹爪式装载机构为四连杆机构，如下图16所示，优点是能调整运动轨迹，准确运输；生产率高；结构简单，但宽度受限。星轮式装载机构运转平稳、连续装煤、工作可靠、事故率低。如图17所示，比耙爪式简单，强度高。装载机构的方案设计要求为（1）保证掘进机最大生产率，装载机构生产率要大于截割的生产率。（2）便于行走移动，铲板宽度大于履带宽度，铲板能升降，有的铲板还可以水平回转摆动一个角度。现代悬臂式掘进机装载铲板的前沿呈切刀形状，图16蟹爪式装载机构FIG16THELOADINGMECHANISMOFCRABCLAWTYPE图17星轮式装载机构FIG17THELOADINGMECHANISMOFSTARWHEELTYPE目的是减少铲板插入阻力；（3）装载机构一般采用曲柄摇杆机构，是为了减少空间行程时间，提高装载效率，减少阻力，使四杆机构具有最佳的运动特性和动力特性4。综上考虑，本设计为左右对称布置的弧形三齿星轮式的装载机构。该机构由电动机提供动力，结构简单，成本低且可靠性高。驱动装置见图18所示。掘进机装载机构铲板为整体式铲板，箱型板焊形式，这种箱型体铲板的特点是坚固耐用，且重量轻。图18星轮式装载机构驱动装置FIG18DRIVEOFSTARWHEELLOADINGMECHANISM113转运机构方案设计该机构是将收集起来的物料运至转载设备，主要有胶带和刮板输送机两种主要形式。胶带输送机以胶带兼作牵引机构和承载机构，运输能力大，工作阻力小，耗电量低；货载与胶带一起移动，磨损小，工作噪音低；结构简单。缺点是成本高，投资大；强度低，易损坏，不能承受较大的冲击与摩擦；机身高，需设专门的转载设备5。刮板输送机机构强度高，运输能力大；机身低矮；缺点是运行阻力大，耗电量高，溜槽磨损比较严重；使用维护不当时易出现掉链、漂链、卡链甚至断链事故。考虑掘进机中间转运机构的工作情况和整体参数，选用刮板输送机作为掘进机中间转运机构。刮板链由链条和刮板组成，多使用中单链、中双链和边双链三种。如图19所示。ABC图19刮板链形式FIG19THEFORMOFTHESCRAPERCHAIN边双链拉煤能力强，但其两链受力不均；中单链强度高受力均匀，断链事故少，刮板不会导致跳链，但尺寸大，拉煤能力不如边双链；中双链受力平稳，预紧力好，弯曲性好5。综合考虑煤岩硬度、生产率、设计成本、日常维护与故障维修等多种因素，采用边双链式刮板输送机，如图110所示。图110掘进机转运机构FIG110THETRANSSHIPMENTMECHANISMOFROADHEADER1从动链轮轴；2机前部；3刮板链；4机后部；5压链板；6紧链油缸；7主动链轮；8驱动马达该转运机构驱动装置为液压马达，主要由机前、后部和驱动装置（如图111）、拖链器组成，张紧装置采用输送机尾部液压油缸张紧。图111转运机构驱动装置FIG111DRIVEOFTRANSSHIPMENTMECHANISM1马达；2驱动架；3马达座；4油杯；5距离套；6小轴I；7链轮；8上盖；9下盖；10中轴；11脱链器114回转机构和机架方案设计回转台和机架是用来安装、支撑和连接掘进机各个机构及装置，使机器形成一个有机的整体，能够根据用户需要及工况条件来完成工作。（1）回转台机构回转台是掘进机组成部分之一，如图112。它联接左、右机架、支撑悬臂工作机构，实现悬臂机构的升降和回转运动，并承受来自截割头的复杂且多变的冲击载荷。回转台会影响工作效率、截割平稳性6。回转台设计的基本要求是1）承载能力大、惯性小、能量损耗小；2）运转平稳、具有足够的强度和刚度；3）结构紧凑、回转角度小、重心低；4）水平回转时，进给力变化小。图112回转台FIG112THEROTARYTABLE1回转耳架；2，5销；3连接套；4回转支承；6盖掘进机回转台仅为悬臂工作机构的转动提供支撑，掘进机的回转台的运动只做小于90的回转，无需进行360回转6。回转台传动方式有齿条液压油缸式和普通推拉液压油缸式两种。齿条液压油缸式的传动方式水平摆动进给时由齿轮齿条啮合产生的进给力，大小取决于液压油缸参数与齿轮参数。在水平进给运动中，进给力为固定值，它不会随着回转角度的变化而变化，这样会有利于截割头在任何位置截割。普通推拉液压油缸的传动方式的进给力会随回转角度的变化而发生变化，最大进给力在机器纵向轴线的位置。这种传动方式的最有利截割位置是在轴线上，此时的进给力最大，有利于截割。本设计掘进机选择采用推拉液压油缸式传动方式。此外，回转台回转支承有平面滑动回转支承和大型滚动回转支承。两种回转支承都受轴向力、径向力和倾翻力矩三种载荷作用。平面滑动回转支承是面接触，承载能力大、抗冲击和抗振动性能好、重量轻、节省材料和造价低廉，还可降低回转台的高度。滚动回转支承是点、线接触，比压较大，抗冲击、抗振动性能较差，但它已经作为一种标准部件，可直接选用6。回转台安装在机架上，与机架用1100止口、36个高强度螺栓相连。工作时，在回转液压油缸的带动下，悬臂工作机构水平摆动，悬臂工作机构的升降是通过回转台支座上左、右耳轴铰接相连的两个升降液压油缸实现的。（2）机架机架是整个机器的基础和骨架，如图113所示，承受机器的重力、截割载荷及其他作用力。机架为铸焊接合件，机器的各部件作用螺栓或销轴连接。机架一般为框架结构，为了井下能够方便运输，机架大多设计为分体式结构。它的特点是强度和刚度较强，形状简单，便于制造，有利于连接。图113机架FIG113THERACK1回转台；2机架体I；3机架体II；4横梁；5托架；6后支撑腿；7支撑架I；810支撑架（3）后支撑机构左、右后支撑机构是各通过后支撑液压油缸及销轴分别与后机架相连，作用是截割时使用，增加机器的稳定性；窝机时使用，便履带下垫板自救；履带链断链及张紧时使用，便于操作；抬起机器后部，增加卧底深度。115行走机构方案设计行走机构用来实现机器的调动、牵引转载机，迈步式、有轮轨式、轮胎式、导轨式和履带式等多种形式，但在掘进机的应用中，迈步式、导轨式以及履带式较为常见，如图114。ABC图114掘进机行走机构形式FIG114WALKINGMECHANISMTYPEOFROADHEADER迈步式行走机构（如图116A）利用迈步装置来进行行走，采用框架形式结构，使工作人员能够自由地进出工作面。由于支架频繁地对顶板施力，要求较高，局限性大。冲击式掘进机为了躲开底板，使用导轨式行走机构（如图116B）。将掘进机用导轨吊在巷道顶板上，导轨有较高的强度。多用于冲击式掘进机。履带式行走机构如图（如图116C），这种行走机构适用底板不平或松软的条件，在松软的土壤上阻力小，具有较大牵引力，机动性能好；不需要修路铺轨；履带不怕扎、割等机械伤害，工作可靠；可灵活变动，对底板顺应性好。但是，磨损较严重。悬臂式掘进机常用履带作为行走机构。行走机构的爬坡性能和转向能力要好；左右履带分别驱动；接近角和离去角小；无零比压现象；有制动装置保证机器不会出现下滑现象7。116除尘冷却系统方案设计掘进机为连续地破落煤岩，工作面粉尘飞扬，不仅对工人的健康造成影响，也关系到安全生产。本系统的作用是用于冷却、灭尘，提高工作面能见度，改善工作环境，有抽出式和喷雾式两种。（1）抽出式用吸尘装置在产生粉尘的地方吸入含尘空气，然后在特制的机构中分离粉尘，清洗后的空气在掘进机工作位置的后面放入巷道，常用的吸尘装置为集尘器，采用湿式或干式除尘8。由于集尘器随掘进机移动，风机的噪音很大，应考虑装设消音降噪装置。抽出式降尘灭尘方式除尘效果较好，但使设备增加，工作空间减少。（2）喷雾式喷雾式除尘是将一定压力的水雾化，使粉尘沉淀在水粒表面，达到除尘效果。这种除尘方式分为外喷雾和内喷雾两部分。外喷雾是在悬臂工作机构上装有喷嘴，压力水喷射至截割头，水雾扩散后包围截割头。这种喷雾装置呈马蹄形状，如图115所示，该结构简单，安全可靠，寿命长，但降尘效果较差。图115外喷雾装置FIG115OUTSIDETHESPRAY内喷雾是在截割头上装设喷嘴，向截齿喷射，如图116，内喷雾的喷嘴按螺旋线布置在截割头上。截割头体内部为密封腔，压力水经空腔由喷嘴喷射出去。图116内喷雾装置FIG116INSIDETHESPRAY优点是降尘效果好，耗水少，可冲淡瓦斯、冷却截齿和扑灭火花。但易阻塞喷嘴，供水管路复杂，联接处密封困难。为了提高降尘冷却功能，多采用内、外喷雾组合的方法。117液压油箱的方案设计液压油箱的主要作用是储存系统所需的足够的液压油，能够散发系统工作时产生的部分热量，并且还能分离回油时液压油中的气体和沉淀物等。液压油箱按照油箱内液面是否与大气相通，可分为开式和闭式两类液压油箱。开式液压油箱液面与大气相通，考虑掘进机在井下的作业环境，设计为闭式油箱。闭式油箱又为隔离式和充气式两种。隔离式油箱分为带折叠器和带阻挠性隔离器的两种结构。当液压泵工作时，折叠器或挠性隔离器收缩或鼓起，使液面保持大气压力，而外界空气又不与油箱内的油液接触。一般折叠器或挠性隔离器的体积比液压泵的最大流量大25以上。油箱内还安装低压报警器，防止油箱内液面压力低于大气压力，还要装有自动停机装置或自动紧急补油装置。充气式油箱通入经过滤和干燥的空气，与外界完全密封，应设置安全阀和电接点压力表和报警器。分析液压系统的总体安装布置条件，及经济因素的影响，设计为隔离式的液压油箱。油箱的形状分为矩形和圆筒形。通常采用矩形液压油箱，便于制造，占地面积小，能够充分利用空间。最终确定液压油箱形式为闭式隔离矩形液压油缸，如图117。采用二级过滤，N68号抗磨液压油，吸油粗滤器，回油精过滤器，能有效地控制油液的污染，油液清洁，减少故障，并采用文丘里管补油。油箱上还配有液位液温计和温度保护装置，当液位低于工作油位应停机加油，油温超过规定值时会自动报警，应停机降温，油箱冷却器采用了热交换量大的板翅式散热器，总热交换量达16710J/H，以保障系统正常油温和黏度的8要求。图117油箱FIG117THEFUELTANK12传动系统的确定掘进机的传动系统是将动力机的运动和动力传给执行机构的中间装置。传动形式及元件选择应该遵循以下原则（1）技术先进能够改善机器的性能，提高生产率；（2）经济合理传动系统尽量简单、元件少，价格低，维修容易，使用寿命长；（3）工作可靠元件的使用寿命长，也要求元件质量的要求；（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9。掘进机的机构的受力状态及工作条件不同，应分别传动。121悬臂工作机构传动系统悬臂工作机构要承受短时过载，而油马达过负载能力低，所以，掘进机的工作机构应由电动机为其提供动力。使用矿用防爆电机，并配备可靠的电气保护装置，减速器常设在悬臂内，作为悬臂的组成部分。122装载、转运机构传动系统装载、转运机构如果采用机电传动，电动机尺寸较大，一般是在装载机构铲板两侧安装两台电动机，作为装载、转载机构的共同驱动力，这必会造成减速箱尺寸增大，布置紧张。此外，考虑星轮、刮板过载情况，为防止电动机烧坏，一般设有安全摩擦片离合器。如果装载机构及转运机构采用油马达齿轮传动，可使二者分别传动，简化了传动装置，方便安装在铲板下，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10。123履带行走机构传动系统该机构有机电和液压油马达驱动两种方式。分别通过机械减速装置或直接由马驱动履带主动链轮。履带行走机构采用电动机为动力源，电动机一般位于行走机构减速器后部，制动装置采用机械液压制动。这种方式传动可靠性高，电动机价格低，方便维修，但不能调速，减速箱体积较大；巷道淋水大时，电动机容易受潮而烧坏。如果采用液压传动，系统简单、技术先进。液压传动的行走机构中，在液压油马达型式选择及调速方式设计方面，有不同方案可依据不同工况条件进行选择。采用低速大扭矩液压马达驱动，其特点是传动系统简单，尺寸小、能实现无极调速和过载自我保护。但是传动复杂、制造费用高，维护也比较有难度。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。减速器虽然变大，但仍比电机传动的小。因此可方便地将马达、减速器、液压控制阀、紧链装置等安装在履带架中间9。该方式在技术性能上优于机电传动，在经济指标上优于低速大扭矩液压马达传动。行走机构的调速方式有两种，一种是采用变量泵，通过改变泵的流量来改变转速。另一种是采用分流或并流的方式进行调速。124整体传动系统纵轴掘进机传动系统如下所示。图118掘进机传动系统FIG118THEDRIVESYSTEMOFROADHEADER1内齿轮；2中心轮；3二级中心轮；4行星轮；5电动机；6、7圆锥齿轮；8链轮；9链轮轴；10内齿轮；11二级行星减速机；12齿轮；13油马达；14齿轮；15齿圈；16油马达；17、18涡轮蜗杆；19星轮13掘进机总体参数确定131悬臂工作机构技术参数悬臂工作机构由一台160/100KW的电动机输入动力，伸缩量略大于截深，一般为500600MM，取500MM。在巷道的形状和规格确定后，可以初步确定悬臂的长度和摆角。最大掘高45M，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55M下，悬臂长为11MAL9410SIN/270式中垂直回转中心至水平回转中心的距离，取650MMA1O2O即悬臂长为39410MM。回转中心高12M20835SIN80H134I4即MM尽量降低重心，取H1800MM。20617根据几何关系确定上摆角和下摆角。既上摆角，下摆角。32128悬臂工作机构的技术参数如下表12表12悬臂工作机构技术参数TAB12THETECHNICALPARAMETERSOFCANTILEVERWORKINSTITUTIONS可截割硬度截齿截割头转速截割头伸缩量截割电动机功率悬臂长度摆动范围摆动速度截割头尺寸80MPA36把，镐形截齿46/23R/MIN500MM160KW（隔爆、水冷、三相异步）3941MM上摆角32下摆角2814M/MIN长度7800MM直径800MM132装载机构技术参数铲板在液压油缸作用下可向上抬起340MM，向下卧底300MM。当机器切割煤岩时，应使铲板前端紧贴底板，以增加机器的切割稳定性。铲板设计有宽（28M）、窄（25M）两种规格，以便用户能够根据工况条件的不同选用。表13装载机构技术参数表TAB13THETECHNICALDATAOFTHELOADINGMECHANISM结构形式铲板宽度/M铲板卧底/MM铲板抬起/MM转盘转速/（RMIN）1铲板长度/MM三星齿轮23/3300340322800133转运机构技术参数技术参数见表12表14转运机构技术参数TAB14THETECHNICALDATAOFTRANSSHIPMENTMECHANISM运输形式槽宽/MM龙门高度/MM链速/（M/S）张紧方式边双链刮板540420096油缸张紧134行走机构技术参数左右行走机构由两台液压马达分别驱动，经四级圆柱齿轮和二级行星齿轮减速，将动力传给主动链轮。行走机构工作速度为059M/MIN，履带通过液压油缸张紧。技术参数如下表15。表15行走机构技术参数TAB15THETECHNICALDATAOFWALKINGMECHANISM形式接地比压行走速度履带板宽度履带接地长度履带中心间距履带式014MPA050M/MIN550MM3100MM1700MM135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15MPA。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。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18。136整机技术性能参数掘进机在井下作业，受到巷道断面和空间的约束，尺寸和外形受严格的限制。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，考虑掘进机应有通过弯道的能力，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，机器两侧距巷道两壁应保持适应的距离，以便工作人员能够顺利通过和材料的搬运10。机长的推荐值一般为616168222M（不含转载机的长度），结合设计要求和工况条件掘进机的外形尺寸长宽高95225164不含转载机长度，整机的卧底深度为250MM，爬坡能力是16，质量为48T。14总体布置总体布置考虑以下原则（1）保证整机的稳定性；（2）结构紧凑，并有较高的传动效率；（3）便于操作和维修，工作安全可靠；（4）外形平整美观。除以上原则外，根绝实际工况条件，还要注意保持工作机构的减速器进、出轴尽量同轴线；悬臂和铲板的尺寸关系要适应，既要保证有利于装载，又要避免截割头截割到铲板；悬臂的水平和垂直摆动中心的位置可以重合也可以不重合，从增加机器稳定性的角度分析，摆动中心要尽量降低，使其能够保证悬臂摆动不与其他机构干涉，摆动中心尽量靠后，但必须保证中心在机器的纵向对称平面内10。还要考虑左右两侧重量的对称情况，并且还要照顾操作司机的工作习惯，使司机方便操作、省力。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，使其能够很好的操纵机器，截割出规则的巷道。仪表显示装置要便于司机观察，且不分散司机正常操作的注意力。考虑综上所述，总体布置图如图118所示图119掘进机的总体布置图FIG119THETHEOVERALLLAYOUTOFROADHEADER1悬臂工作机构；2装载机构；3行走机构；4液压系统；5电气系统；6转载机构；7喷雾系统15总体参数验算151机器可掘进断面巷道断面的大小决定了机器的规格和重量，而掘进机悬臂的长度和回转角决定了掘进断面的大小。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性状为弧线等腰梯形，如图119。图120掘进断面尺寸计算FIG120TUNNELINGSECTIONSIZECALCULATION设掘进机工作时处于巷道中央位置，若不考虑截割头的具体尺寸，则掘进断面可近似计算如下最大宽度（水平位置摆动时）B2（LA）SIN（14）B49018MML3850MMA650MM33上部宽度（上极限位置左右摆动时）2（LCOSA）SIN（11B15）MM32732411下部宽度（下极限位置左右摆动时）2（LCOSA）SIN（12B26）44108MM2822上摆高度LSIN（11H17）26744MM1下摆高度LSIN（12H28）18075MM2卧底深度HL（SINSIN）（1329）巷道高度H（11H210）H44819MM可掘最大断面（12211MAXHBB2S）（）（11）236MAX2满足本设计可掘进断面的技术要求式中L截割头前端到悬臂垂直回转中心的距离；垂直回转的中心到水平回转的中心距离；水平回转的摆角；垂直回转的摆角；1垂直回转的下摆角；2卧底时回转的下摆角，可由卧底深度确定，一般可取H100300MM,这里取3H250MM，3233152掘进机的通过性掘进机通过性指机器通过弯道、各种底板和障碍物的能力，是掘进机重要的使用性能。1）离地最小间隙掘进机在井下行走，应具有通过枕木、轨道等障碍物的能力。1124813/BY式中离地最小间隙，MM；Y履带中心距离，MM；B计算得Y1700/138416993CM离地最小间隙150300MM，故本设计满足离地最小间隙要求。Y2）可通过巷道最小半径是掘进机可以转弯的最小弯道直径或巷道的最小曲率半径。它表示掘进机通过弯曲巷道的能力。该值大小与机器各部长度及铰点位置有关。设计掘进机时，控制固定部分长度的目的就是为了保证掘进机对弯道的通过性能。通常，掘进机可通过巷道的最小半径为610M。103）适应巷道坡度部分断面掘进机工作的巷道一般是有一定坡度的（上山或下山）。适应巷道坡度是指掘进机在上山（或下山）能正常工作的巷道最大坡度。它反应了掘进机爬越上、下山的能力，是掘进机的一个重要使用性能10。设计掘进机时，适应巷道坡度一般应不小10，通常为1216。如果巷道坡度较大，需采取相应措施，如行走减速器第一级采用具有自锁作用的涡轮蜗杆传动。可防止机器在上、下山掘进机时自溜下滑，或设有辅助牵引装置，或装有制动器。该机选取适应巷道坡度为164）适应底板比压巷道底板的性质关系到掘进机的运行情况，为了使掘进机能够正常运行和工作，掘进机应适应底板的比压。对于软化的底板，履带的接地比压P应不大于49KPA，即P49KPA；对于不太软的底板P137KPA；而对于煤岩底板P167189KPA。通常，部分断面掘进机的接地比压P100130KPA，有些重型掘进机的接地比压偏大些。该机的接地比压P140KPA014MPA。SG2135048式中G掘进机整体重力；S掘进机履带接地面积。故满足该设计的要求。153掘进机稳定性分析与计算稳定性是指掘进机在规定方向行走和工作时不发生翻倒或侧滑的能力。它不仅关系到行走和工作的安全、机器的生产率，而且还直接影响截齿、机械联接与传动元件、以及电器元件和液压元件的寿命，是评价悬臂式掘进机使用性能的一项重要指标，只有具有良好的稳定性，才能保证机器性能的充分发挥11。掘进机的稳定性分静态稳定性和动态稳定性。掘进机的静态稳定性是指机器在行走和截割两种状态下的稳定性12。A）行走时的静态稳定性计算掘进机在上山、下山、横向倾斜停留及行走时（如图120）的极限倾翻角由下式确定11336/140/321HCARTGBT式中上山坡极限倾翻角，；1下山坡极限倾翻角，；2横向极限倾翻角，；3掘进机重心至履带后轮轴心线距离，M；A掘进机重心至履带前轮轴心线距离，M；B掘进机重心至履带边缘的距离，M；E掘进机重心离地高度，M。H图121掘进机极限翻角的确定FIG121THEDETERMINATIONOFROADHEADERLIMITTURNANGLE若履带板与巷道底板附着力不足，会引起机器下滑或靠帮。履带板与巷道底板的附着力为114COS1UGF式中履带板与巷道底板的附着力，KN；1F履带板与底板的附着系数，一般取10；UU掘进机的重力，KN；G巷道坡度角，。使机器产生下滑的力是与底板平行的重力分力，即2F115SIN2G若二力平衡，即，可求得下滑的临界坡度角21116ARCTGULARCTG1045计算结果显示机器的极限倾翻角和下滑临界坡度均要大于机器设计的适应坡度。保证了掘进机在坡道上停留及行走的稳定性。B）截割时的静态稳定性计算掘进机截割煤岩时的受力图如下ABC图122掘进机截割时受力分析图FIG122THEANALYSISOFROADHEADERWHENCUTTINGPLANSA纵向截割；B横向截割；C轴向钻进（1）纵向上下截割根据液压缸压力计算和机器外形尺寸，并考虑平衡阀1/4的压力损失，NRA5108MD601当截割头向上截割时图A，极限倾翻力矩为NM117518MAF由机器自重产生力矩NM118511067CBG向下截割时，极限倾翻力矩NM119522DCARMF这时的稳定力矩为120MNGG52108式中、截割头向上、下截割时的阻力，与纵向进给力等大反向，N；1AR2履带前轮轴心线至铲板的前缘距离，M；C铲板前缘至截割头载荷中心的水平距离。E显然，稳定的条件为；1MF2F分析得，。兼顾履带偏前值小于六分之一轮轴中心距，AB1M21F2FAB/6，即A7/5B。（2）横向左右截割掘进机横向截割时，最不利的是截割头位于最高位置，这时机器的受力分析如图B所示。使其倾翻的极限力矩为PMNM121510672FRBP式中横向截割阻力，与横向进给力等大反向，N；BR最高位置时载荷中心距底板的距离，M。F这时，稳定力矩为NM122531076EGM稳定条件为，实际上，截割头载荷中心距机器重心很远，履带附着力较小，3P所以不会出现横向倾翻，只会造成让刀、进刀困难。（3）轴向钻进钻进时的受力分析如图C所示。倾翻极限力矩为12323HRMCF稳定的力矩为124AG4显然，这时的稳定条件为和CRU3F式中截割头靠行走机构推进时取行走机构的牵引力，靠伸缩机构推进时取伸缩油CR缸的推力，N；截割头摆动中心至底板的距离，M。2H行走机构得牵引力为153105N，伸缩油缸的推力为048105N；取时NRE5103MHRMEF523107NAG489经验算，合格。分析可知作用在掘进机上的外力，一种是使掘进机产生倾翻趋势；一种是使掘进机趋于稳定。稳定力矩与倾翻力矩之比为稳定比WMF125FWK当1时，机器稳定；当1时，掘进机倾翻；当1时，掘进机处于将要倾KK翻而又未倾翻的临界状态。通常，取1113。对本掘进机，取K13。因此，可保证掘进机在截割过程中有较好的稳定性。A）纵向上下截割向上截割时13831067FM向下截割时132FKB）横向截割133673PC）轴向钻进134528934FM所以本掘进机稳定。154生产率掘进机的生产率包括截割生产率、装载生产率和转运生产率，他们之间存在一定关系。（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BTAVQ60126或者R式中掘进机理论生产率，；TQHM/3掘进机理论生产率，；T/煤岩松散系数，一般取15；0A截割头的横截面积，；BV截割头横向摆动速度，；MIN/R煤岩的容重，。3/THMAVQBT/63415060技术生产率是掘进机在给定条件下连续工作一小时获得最大生产率，按下式确定TAEK9127或RQ若用进尺速度表示，则为SAEVTL60128）式中技术生产率，；QHM/3技术生产率，；QHT/3L进尺速度，M/H；A截割头沿工作面移动所破碎煤岩的厚度，M；E截割头截入工作面的深度，M；巷道的毛断面积，；STK掘进机工作不连续系数，即掘进机纯截割时间与总循环时间的比值。VLTKT601式中因更换截齿或掘进调动等原因使掘进机停歇的时间，MIN；TK可靠性系数，一般取K0908；L每个工作循环的工作机构行程，M，可按下式确定1201BHL式中巷道顶宽，M；01B2巷道底宽，M；0D截割头直径，M；H巷道高度，M；实际生产率是指掘进机在一般工作时间内的实际平均生产率。要考虑司机操纵机器和工作面实际情况造成的一些不可避免的时间损失等。（2）中间输送机生产率中间输送机的最大生产能力为12920SV6QAT式中生产率，；SQHM/3装满系数。依使用条件，如输送机倾角、煤岩硬度、块度、温度及溜槽结构定，一般取09509；TV链速，；MIN/20A输送机断面，由下式确定2220TAN41BHA（130）式中输送机槽宽，M；2BH输送机有效高度，M；2货载堆积角，即高于槽帮煤岩的安息角。2220TAN41BHA219010T5365M。HAVQTS/51906630（3）装载机生产率胶带式装载机的输送能力按下式计算CVKBQDD260131式中胶带输送能力，；DQHM/3K断面系数；DV带速，；IN/C倾角系数；B带宽，M；CVKBQDD260HM/59609832掘进机的设计以截割生产率为依据，而装载、输送、装载的生产能力应稍高于截割生产率，要满足以下关系DSZTQ132过高或过低都会影响设备的协调工作。设计本掘进机的装载效率为230。由此满足式132，掘进机工作协调。HM/32液压系统设计液压系统的设计计算目的是分析比较各种技方案的经济指标，以确定系统中各元件的参数。21掘进机液压系统的设计依据掘进机在井下恶劣环境工作，井下地质条件使掘进机整体调动较为困难，掘进作业时的工序衔接对掘进效率的影响很大。掘进机液压传动系统要满足以下要求（1）液压传动系统的工作可靠性要高，保证机器的安全稳定的工作；（2）要有灵敏的过载保护装置，以防止各部分机构及液压元件的损坏；（3）要能够适应变化幅度较大的负载，过载能力要强，同时还要易于无级调速；（4）传动功率大，结构紧凑，重量轻，适应井下空间狭窄的条件；（5）控制方式简便集中，操控性能好，便于维修和检修。22工况分析和载荷计算公式工况分析包括绘制负载（压力）、速度流量和功率变化规律的分析图表，液压系统是一个包含多个执行元件的复杂系统，要充分地利用原动机功率。外负载包括工作负载，摩擦负载和惯性负载三部分。对于液压油缸，外负载为21IFCF式中工作负载；F摩擦负载；F惯性负载。I对于液压马达，外负载为22IFNM式中工作负载扭矩；M摩擦阻力矩；F惯性力矩。I23工况分析、工作负载计算截齿截割岩石的阻力产生了截割力，其值与被切削的岩石有关，也与截齿的形状和切深有关。这些参数大多通过假岩壁截割试验取得，所需截割力的近似计算按下式求得KHPCZC2/OS0162123式中平均截割力，KN；CP切屑厚度截齿截割煤岩体的深度，MM；H岩石的抗拉强度，取60MPA；Z截齿的刀具角，取45，；C岩石的脆性系数，取10，其中为岩石的抗压强度。对于KZDK/D纵轴式掘进机截割头，每个截齿的最大切削厚度可由下式计算求得（2MNHBC0/V4）式中截割头牵引速度或摆动速度，；BVIN/截割头的转速，；0NIN/R在一条截线上的截齿数。M15M240/7VHBCKN579102/4COS6016/2KHPCZC根据牵引力与截割力比值经验值为12得出牵引力。KNPCA49572124拟定液压系统掘进机液压系统的性能与选取的液压元件有着密切的关系，这些元件按照不同的方式组合联接会有完全不同的使用效果，并且它们的组合方式灵活性很大，方式多样。因此，拟定一个最佳的稳定的液压系统图最为关键。241系统压力选择当功率一定时，如果系统的压力选择较低，则流量会变大；反之，系统压力选择较高会导致流量过小。适当地提高系统的压力，可以有效的减小系统的尺寸和重量，但由于压力的提高，对液压元件的制造精度和密封性、抗污染能力和强度要求都要相对提高。因此，要合理地选出一个较为适合整机系统的工作压力。目前，掘进机液压系统的工作压力一般可定为1020MPA，本设计掘进机定为16MPA。242拟定主回路初步选定系统压力后，根据掘进机负载及速度的性质和其他要求拟定主回路。包括确定执行元件的类型、确定回路调速方式和液压泵的类型，选择回路工作液体的循环方式等。1）执行元件类型的选择液压系统的执行元件有液压缸和液压马达两种。对掘进机而言，常用液压油缸实现往复运动，如掘进机伸缩机构等。而液压马达用来实现连续旋转运动，如装载和转运机构的驱动。比较齿轮马达（包含外啮合渐开线齿轮马达和内啮合摆线齿轮马达）、叶片马达和柱塞马达（包含轴向柱塞马达和径向柱塞马达）等多种液压马达，可知内曲线马达结构紧凑、体积小、扭矩大、低速稳定性好；而齿轮油马达结构简单、方便维护、耐冲击性能好，掘进机中通常采用内曲线马达和齿轮油马达这两种形式。2）确定调速方式液压系统有节流调速和容积调速两种主要调速方式以及两种方式相结合的调速方式13。确定调速方式需要考虑下列原则A）根据压力、速度和负载变化的特点选择压力高、功率大的可优先选择容积调速，反之可选节流调速。从经济因素上看，一般节流调速适用于功率在23KW以下的系统，5KW以上的最好优先选择容积调速方式。当要求到微小低俗时，要选择节流调速。负载变化大，甚至会影响到速度的稳定性的，若要保持速度稳定性较高时，则在选择调速方式的同时还要兼顾稳定速度的方法。除此之外，还要考虑负载变化规律是恒功率还是恒扭矩。B）根据工作条件选择要特别注意液压系统的振动、噪音和发热等造成的一些不良影响，节流调速会导致油液的严重发热，在这种情况下，即使功率不大也要考虑选用容积调速，或选变量泵，节流阀的联合调速。C）根据成本费用选择一般来说，节流调速费用低，容积调速和联合调速费用高。但同时也并非如此，如果采用变量泵将节流调速改变成联合调速，可以节省一个定量泵和其他一些液压元件，设备费用反而会降低。另外，从长期使用来看，功率消耗也不可忽视。综合上述因素和原则，本掘进机的多泵系统根据各执行元件的工作程序来获得不同的速度。例如将转载机构油马达的供油管路，经过一个换向阀与行走机构油马达的供油管路并联。装载机构停止工作时，掘进机可以较高速行驶，以实现快速调动，而当行走机构油马达停止工作时，使该油路卸荷，不向装载机构油马达供油，保证装载工作正常进行。3）油泵型式的选择油泵的选择除了考虑其压力能否满足要求，还要考虑效率，质量及外形尺寸，污染敏感性，自吸能力，调节特性，噪声以及成本和维修方面等因素。部分断面掘进机的液压系统中，齿轮泵和柱塞泵应用较多，而螺杆泵和叶片泵应用较少。因为低压系统不易污染环境，污物对其影响不大，比高压系统的维修量小，工作较可靠，使用寿命长。所以许多掘进机上基本放弃使用柱塞泵的高压液压系统，而倾向于采用齿轮泵的低压系统。4）回路循环方式的选择液压系统回路按工作液体循环方式的不同有开式和闭式两种循环方式13。油泵从油箱吸油，将排出的油液供给执行元件，驱动它（们）做功，执行元件排出的油液直接返回油箱，这种称为开式循环13。开式循环回路结构简单、油液能得到较好的的冷却及沉淀。但开式回路油箱的结构尺寸大，污染物容易入侵回路，影响正常工作。而且开式回路要求油泵的自吸能力较强，若油泵自吸能力较差，则需要辅助泵向其供油。液压泵将油液输入执行元件的进油腔，又从执行元件的回油腔处吸油的形式为闭式回路13。闭式回路结构紧凑，减少了空气侵入