毕业设计论文- MRH-S50 型掘进机履带行走机构设计

华北科技学院毕业设计（论文） - 1 - 第一章绪论 国外发达国家的煤炭行业经过约50年的发展历程,到20世纪末期,其整体技术水平;安全 生产条件和劳动生产率大幅度提高，今天的煤炭行业已无异于其他行业，成为一个高技术、 高安全、高效率的产业。近二三十年间，随着采煤机械化和综合机械化的发展，大大提高了 采掘工作面的开采强度，工作面的掘进速度越来越快，这就要求加快掘进速度，达到采掘平 衡。国内外的生产实践表明，只有实现掘进机械化，才能满足这一要求。因此，掘进技术的 多元化；掘进综合机械化将是今后掘进技术和设备发展的趋势。 1.1 国内外掘进技术和设备发展现状 现代国内外煤矿巷道的施工方法主要有钻爆掘进和综合机械化掘进两种，综合机械化掘 进又可分为悬臂式掘进机掘进和全断面岩巷掘进机掘进两种技术和设备。岩巷掘进主要采用 钻爆掘进技术和设备；全断面岩巷掘进机掘进技术和设备；煤和半煤岩巷主要采用悬臂式掘 进机技术和设备，它是国内外煤矿采用最为普遍的一种掘进技术和装备，也是 20 世纪七八十 年代迅速发展起来的一种先进的巷道掘进技术和装备。其主要设备是悬臂式掘进机，它是集 采、装、运、行多功能于一体的一种大型煤矿井下机械设备，是一种机、电、液多学科领域 知识比较集中的一体化产品。目前国际先进水平的悬臂式掘进机已实现自动控制及离机遥控 操作。 一、钻爆破岩掘进 钻爆破岩掘进是技术相对比较简单、发展最早的一种掘进技术。20 世纪 50 年代，国外 已基本实现钻、装、支等工序的单项机械化；60 年代以后，主要是改进原有设备，组织平行 作业，实现机械化配套作业线；进入 70 年代以来，自法国的 Monda Bert 推出世界上第一台 实用的液压凿岩机后，液压凿岩机得到迅速的发展和应用。瑞典 Atlas Copco 公司于 80 年代 研制推出的三档式液压凿岩机，因可改变输出冲击能，所以适用于在不同硬度的岩石巷道掘 进中钻凿炮眼，从而得到世界各国的重视。目前，液压凿岩机新产品更新换代时间短，新产 品、新型号不断涌现，产品性能向大转矩、大冲击能和高频率方向发展。 二、悬臂式掘进机 悬臂式掘进机作业线主要由悬臂式掘进机、桥式转载机及后配套设备组成。掘进机把岩 华北科技学院毕业设计（论文） - 2 - 石切割破落下来之后，破碎的岩渣经装运机构收集、转运至机器尾部卸下，由配套桥式转载 机、运输机或梭车运走。悬臂式掘进机的切割臂可以上下、左右自由摆动，能切割任意形状 的巷道断面，切割出的表面精确、平整，便于支护。履带式行走机构使机器调动灵活，便于 转弯、爬坡，对复杂地地质条件适应性强。20 世纪后期，通过成功地开发和推广使用锚杆支 护技术，使悬臂式掘进机掘进技术适应性大大增强进，进一步推动了该技术的推广使用，目 前已成为煤矿巷道掘进的一种最主要的方法。 三、连续采煤机 第一台连续采煤机出现于 20 世纪 40 年代，现已经历了三代产品的更迭。目前最主要是 第三代滚筒式连续采煤机，通常由截割机构、转运机构履带行走机构、液压系统、电控系统、 冷却喷雾除尘系统及安全保护装置等组成，达到了很高的制造水平。目前使用的代表机型是 美国的 JOY 公司的 12CM15-10D、12CM15-10B 型连续采煤机，其两台截割电动机横向布置在截 割臂的两侧，通过减速器将动力传至截割链及左右截割滚筒。 为了最大限度地发挥连续采煤机在煤巷掘进和房柱式采煤作业中生产效率最高的特点， 连续采煤机作业线配有机动灵活、快捷高效的配套设备，包括工作面运输设备、顶板支护设 备、辅助作业设备和工作面供电设备。 四、掘锚联合机组 多年以来，世界主要产煤国一直在研究如何使连续采煤机与锚杆钻机合二为一，即在连 续采煤机上装设锚杆钻机，用一台设备来完成巷道掘进的落、装煤以及锚杆打眼、安装功能， 从而出现了掘锚联合机组。 五、全断面掘进机 全断面掘进机出现于 19 世纪后半叶，至 20 世纪 60 年代这一技术已逐渐成熟。进入 80 年代后，全断面掘进机在国外已广泛用于各种隧道工程，尤其是大断面长距离硬岩隧道的掘 进。世界著名的英吉利海峡海底隧道就是用 11 太全断面掘进机完成的。国外全断面掘进机刀 盘直径范围 210.5m，单刀推力超过 220KN，可切割抗压强度达 400MPa的岩石。全 断面掘进机作业线由主机和后配套设备组成，其主机主要由截割盘、刀盘驱动系统、支 撑和推进机构、机架、转载运输机、操作室等部分组成。全断面掘进机机重身长，切割 功率大，迈步式推进机构及支撑机构可提供强大的推进力及水平支撑力，因而切割硬岩 的能力强、生产率高，适用于大断面圆形巷道一次成形；也可以先用刀盘直径较小的掘 进机掘出一条导硐，再用扩孔掘进机或钻爆法扩大断面至工程要求的形状与尺寸。 华北科技学院毕业设计（论文） - 3 - 1.2 掘进技术发展趋势 今后，掘进技术仍然会在钻爆破岩掘进；悬臂式掘进机；连续采煤机；掘锚联合机组； 全断面掘进机五个方向持续发展。在全硬岩巷道的掘进中，钻爆破岩掘进在很长一段时间内 仍会是一种主要方式，但在一些重要领域，全断面掘进机会逐步取代钻爆破岩掘进；在硬度 较低的全岩巷道和半煤岩巷道，悬臂式掘进机会得到大力发展，逐步成为主要的掘进方式； 在一些条件适宜的煤巷掘进中，掘进效率最高的连续采煤机和掘锚联合机组将会得到推广应 用。 钻爆破岩掘进法：这种掘进技术的关键设备是凿岩机。由于液压凿岩机具有能量消耗少； 凿岩速度快、效率高、噪音小、易于控制、卡钻事故少、钻机寿命长等许多优点，因而将会 得到快速的发展。液压凿岩机发展趋势是大扭矩、大冲击能、高频率、液压凿岩技术也会向 着钻、装、运、支配套作业方向发展。 悬臂式掘进机掘进法：悬臂式掘进机掘进法是目前中等硬度以下使用最为普遍的一种综 合机械化掘进技术，其关键设备是悬臂式掘进机。目前，悬臂式掘进机在基本功能；可靠性 方面的技术已基本成熟。今后，悬臂式掘进机将会向着大型化；辅助功能多样化及机、电、 液一体化的方向发展。 连续采煤机及掘锚联合机组掘进法：连续采煤机和锚杆钻机的交叉换位施工，使煤巷掘 进速度大幅度提高。在连续采煤机基础上，通过装设锚杆钻机，用一台设备来完成巷道掘进 的落；装煤及锚杆打眼；安装功能，从而出现了掘锚机组。掘锚机组引起了世界采矿界的广 泛关注，被誉为煤巷掘进机的一次技术革命。相比连续采煤机，掘锚机组适应范围更广，支 护效果；掘进功效也有了进一步改善。掘锚机组掘进法将是煤巷掘进的一种主要趋势。 全断面掘进机掘进法：在长距离；大断面硬岩掘进方面，全断面掘进机掘进法在世界范 围内得到了广泛的使用。全断面掘进今后将会向着大断面化、断面多样化、使用范围扩大化、 自动化和长距离的方向发展。 1.3 本论文的主要研究内容 本论文设计题目为 MRH-S50 型掘进机履带行走机构设计，包含的主要研究内容有以下几 个： 一、收集资料。 二、现场测绘。在学校实习工厂对 MRH-S50 型掘进机进行整体结构测绘。通过测绘得 华北科技学院毕业设计（论文） - 4 - 到基本数据，以便进行结构分析和图纸绘制。 三、结构分析。对 MRH-S50 型掘进机的整体结构进行结构分析，了解该掘进机的结构 组成、功能作用特点以及存在的问题。 四、专题分析与设计计算。专题分析与设计计算：履带材料分析与选用设计。 华北科技学院毕业设计（论文） - 5 - 第二章悬臂式掘进机 2.1 概述 掘进机是具有截割、装载、转载煤岩及有喷雾降尘等功能，并能自己行走，以机械方法 破落煤岩的掘进设备，有的还具有支护功能。根据所掘断面的形状分为全断面掘进机和部分 断面掘进机。 前者适用于直径一般为 2.5/10m的全岩巷道； 岩石单轴抗压强度 50/350MPa的 硬岩巷道，可一次截割出所需断面，且断面形状多为圆形，主要用于工程涵洞及隧道的岩石 掘进；后者一般适用于单轴抗压强度小于 60MPa的煤；半煤岩；软岩水平巷道，但大功率机 器也可用于单轴抗压强度达 200MPa的硬岩巷道,一次仅能截割断面的一部分,需要工作机构 多次摆动;逐次截割才能掘出所需断面,断面形状可以是矩形、梯形、拱形等多种形状, 其中 部分断面掘进机在煤矿使用普遍。 悬臂式掘进机按截割头布置方式可分纵轴式和横轴式两种；按掘进对象分为煤巷；半煤 岩巷和全岩巷三种；按机器的驱动形式分为电力驱动和电-液驱动两种。 掘进机主要机构：悬臂式掘进机要同时实现将煤岩从矿体分离；装载运出及其本身的行 走调动和喷雾灭尘等功能。它主要由截割机构、装载机构、机架及回转台、行走机构、液压 系统、电器系统、冷却除尘系统及机器的操作控制与保护等部分组成。 一、截割机构 截割机构主要由截割头、悬臂段、截割减速器、截割电动机组成，部分悬臂式掘进机截 割部还设有叉形架，用来保护截割电动机。截割机构工作时，截割电动机通过减速器驱动截 割头旋转，利用装在截割头上的截齿破碎煤岩。截割头纵向推进力由行走机构提供。截割机 构铰接于回转台上，并借助于安装在截割部和回转台之间的升降液压缸和安装于回转台与机 架之间的两个回转液压缸，实现整个截割机构的升；降和回转运动，由此截割出任意形状的 断面。直至掘出所需要的断面。当巷道断面岩石硬度不同时，应先选择软岩截割；截割层状 岩石时，应沿层理方向截割，以降低截割比能耗。 横轴式掘进机的截割头轴线与悬臂轴线相垂直，工作时也是先进行掏槽截割，掏槽进给 力来自履带行走机构或伸缩液压缸，最大掏槽深度为截割头直径的三分之二。掏槽时，截割 头需做短幅摆动，以截割位于两半截割头中间部分的煤岩，因而使得操作较复杂。掏槽可在 华北科技学院毕业设计（论文） - 6 - 工作面上部或下部进行，但硬岩截割时应尽可能在工作面上部掏槽。 悬臂式掘进机截割机构按悬臂能否伸缩可分为伸缩或不伸缩两种截割机构： （一）不可伸缩式截割机构的结构简单；尺寸小；重量轻，但掏槽时需要借助行走机 构的推力使截割头钻入煤壁，因而机器需要频繁调动，对底板的破坏比较严重。另外，在钻 进煤壁阻力较大时，履带容易打滑，磨损加剧。 （二）可伸缩截割机构可借助悬臂的伸缩使截割头钻入煤壁，无需开动行走机构，就 可提供恒定较大的钻进力。可伸缩截割机构有内、外伸缩两种。外伸缩悬臂机构的尺寸和重 量比较大，推进阻力大，机器的稳定性不太好。内伸缩机构也有两种型式，一种是电动机伸 缩型，这种伸缩机构结构简单、可靠性高，但伸缩电缆及水管布置困难，且截割电动机损坏 后更换困难。 二、装载机构 装载机构位于机器前端的下方，其主要作用是将被截割机构分离和破碎的物料集中装载 到运输机构上去。装载机构主要由铲板及左右对称的收集装置组成。根据收集装置结构的不 同，装载机构可分为刮板式装载机构、扒爪式装载机构和星轮装载机构三种。 （一）刮板式装载机构。 形成封闭运动链，装载面宽度大，但结构复杂，效率低且装载 效果差，已基本不在使用。 （二）扒爪式装载机构。 由液压马达或电动机提供动力，经减速器驱动左右扒爪收集物 料。通过准确设计的扒爪运动轨迹，可将物料收集搬运至运输机构中。它的生产效率较高， 但由于其结构复杂，动载荷大，故障率高，使用量正逐渐减少。 （三）星轮装载机构。 一般通过低速大扭矩液压马达直接驱动多爪星轮，达到收集物料 的目的，由于它具有运转平稳、结构简单、故障率低等优点，虽过载能力较低，但还是在掘 进机上得到了快速的推广应用，目前使用最多。 三、运输机构 按照破碎岩石的方式不同，悬臂式掘进机截割机构可分为纵轴式和横轴式两类。 纵轴式掘进机的截割头轴线和悬臂轴线相重合，截割头多为锥形，为了提高截割能力， 有的也被设计为球柱形。工作时，先是将截割头钻进煤壁掏槽，然后按一定方式摆动悬臂， 运输机构主要由机前部、机后部、驱动装置、刮板链、张紧装置、脱链器和改向轮等组成。 刮板输送机位于机器中轴，前端与主机架或铲板铰接，后部托在机架山。 运输机构可采用低速大扭矩液压马达直接驱动，刮板链条的张紧通过在运输机尾部的张 华北科技学院毕业设计（论文） - 7 - 紧液压缸来实现。运输机构根据刮板链条形式的不同可分为双边链和中单链运输机两种。 四、机架和回转台 机架是整个机器的骨架，它承受着来自截割；行走和装载的各种载荷。机器中的各部件 均用螺栓或销轴与机架联结。机架一般为框架结构，为了井下运输方便，机架多设计为分体 式结构。 回转台主要用于实现切割机构的升降和回转运动。通过大型回转轴承止口和高强度螺栓 支承、联结，使回转台坐落在机架上。工作时，在回转液压缸的作用下，带动切割机构水平 摆动。截割机构的升降则是通过回转台支座上左；右耳轴铰接相连的两个升降液压缸来实现 的。 五、行走机构 根据机器行走方式的不同可分为履带式、迈步式和组合式三种行走机构。现代掘进机多 采用履带式行走机构。行走机构用来实现机器的调动和牵引转载机，并在不可伸缩式悬臂机 型中提供钻进所需的推进力，同时，机器的重量和掘进中产生的切割反力也通过行走机构传 送到地板上。由于工作和调动的速度不同，故行走机构应具有多种行走速度。 传统的履带式行走机构通常由“四轮一带”即驱动轮、改向轮、支重轮和托链轮以及履 带组成。但为了降低行走机构的高度，也有用耐磨框架代替支重轮和托链轮的。履带行走机 构的动力可选用液压马达或电动机。由于液压马达对井下泥水等恶劣工况有良好的适应性， 便于调节方向和速度，易于实现过载保护，无需防爆，因而使用越来越多。但液压马达驱动 也存在效率低和过载能力差的缺点。 六、液压系统 现代悬臂式掘进机通常除切割头由电动机驱动外，其余动作均由液压马达驱动，所以液 压系统的功率越来越大，能力也越来越强。液压系统为掘进机提供压力油，驱动和控制各液 压缸及马达，使机器实现相应的动作，并进行液压保护。 七、电气系统 电气系统向机器提供动力，驱动和控制机器中的所有电动机、电控装置、照明装置等， 并可实现电气保护。 八、除尘系统 除尘系统由内外喷雾装置组成，用以向工作面喷雾，除去截割时产生的粉尘。除尘系统 华北科技学院毕业设计（论文） - 8 - 还有冷却截割电动机和液压系统的功能。 2.2 悬臂式掘进机分类 悬臂式掘进机根据其工作原理、结构和用途的不同有多种分类方法，常见的有以下几种： 一、根据经济截割岩石硬度的不同分类： （一）煤巷掘进机：经济截割岩石硬度f5； （二）半煤岩掘进机：经济截割岩石硬度 6 f8； （三）岩巷掘进机：经济截割岩石硬度f9。 二、根据适用巷道断面大小的不同分类： （一）小断面掘进机：适用巷道断面7 2 m； （二）中断面掘进机：适用巷道断面 720 2 m； （三）大断面掘进机：适用巷道断面20 2 m。 三、根据整机重量的不同分类： (一)轻型掘进机：整机质量20t； (二)中型掘进机：整机质量 2060t； (三)重型掘进机：整机质量60t。 四、根据工作机构的运动形式不同分类： 可分为纵轴式和横轴式、摆动式和摇臂式。 五、根据截割机构的不同分类： 可分为截链式、截盘式、滚筒式和钻削式。 六、根据破碎原理的的不同分类： 可分为截割式、冲击镐式、滚压式和高压水射流失。 七、根据传动方式的不同分类： (一)机械传动掘进机：除液压缸外全部采用机械传动； (二)液压传动掘进机：除截割机械外全部采用液压传动。 八、根据行走机构的不同分类： 可分为轮轨式、液压迈步式、履带行走式和掩护盾式。 由于悬臂式掘进机同时破碎的断面所需的功率小，因而其体积小，重量轻，拆装、运输 华北科技学院毕业设计（论文） - 9 - 及维护都比较方便；机动灵活，可以掘进不同大小、不同形状的巷道断面，可以破落 f10 的各种不同硬度的岩石，适应性强；设备投资少，运行成本低，尤其是履带行走滚筒截割液 压传动的悬臂式掘进机体现得更突出，因此得到了迅速的发展和广泛的应用，全世界应用量 在 8000 台左右。 目前广泛应用的截割滚筒式悬臂式掘进机，由于其采用截齿截割破碎原理，破碎比能耗 大，截割过程不可避免地产生摩擦磨损，摩擦产生的火花和热量使齿尖温度可高达 1000以 上，一方面对存在可燃烧性气体的工作环境造成安全隐患，另一方面对齿尖材料的热硬性要 求很高，这就从根本上限制了其可截割岩石硬度的进一步提高。 就目前的技术发展水平而言，部分断面掘进机适应用在岩石硬度10、岩石研磨系数 0.2、巷道坡度18的各类地下工程巷道及涵洞的掘进。 2.3 纵轴式和横轴式悬臂式掘进机 现代悬臂式掘进机按工作机构破落煤岩方式不同，分为纵轴式和横轴式掘进机两类。现 在世界上有数千台悬臂式掘进机，其结构形式都属于这两类。 一、切割原理 由图 1-3 可知，纵轴式和横轴式掘进机的主切割运动都是切割头的旋转和切割臂的水平 摆动或垂直摆动的合成运动。当切割臂水平摆动时，两类掘进机的截齿都作复合运动，其运 动轨迹不同；纵轴式切割头截齿运动轨迹近似平面摆线，横轴式切割头截齿运动轨迹为空间 螺旋线。 二、切割方式 （一）掏槽切割 使用纵向切割头时，推进方向与切线方向近似成直角，所以能以较小的力进行掏槽，此 时推进力来自切割臂伸缩机构。掏槽适应于巷道断面任意位置。当岩石较硬时，悬臂位置与 巷道水平时受力状态最好，在一个工作循环中，最大掏槽深度为切割头长度，为了架设支护 棚子，可以在巷道两侧挖出柱窝。 使用横向切割头时，推进方向与切线力方向几乎一致，由于是两个切割头同时工作，因 而需用较大力进行掏槽切割，掏槽进给力来自行走机构，切割硬岩时，掏槽尽可能在工作面 上进行，切割成水平槽，最大掏槽深度为切割头直径的三分之二，而且是与切割臂少量摆动 配合情况完成。 （二）工作面切割 华北科技学院毕业设计（论文） - 10 - 实验室和现场研究表明，如果沿阻力最小方向切割，切割头比能耗最小，切割层状岩石 时，沿层理方向切割比垂直于分层面切割，能耗明显减少。如果层面是水平的，横向切割最 有利，如果层面是倾斜的，采用纵轴式切割，可以进行选择性切割，先选择软岩切割，有了 自由面后再切割硬岩。无论纵轴式还是横轴式，其切割方式是自上而下，或自下而上，都采 用顺切方式最为省力。对于横轴式掘进机，自上而下的顺切是较为理想的切割方式，切割煤 岩省力，提高整机稳定性。 （三）切割巷道轮廓 巷道轮廓光滑与否，与支护充填量有关，充填量大，导致成本增加，最终要求巷道轮廓 表面光滑、尺寸准确。 由于纵轴式切割头为锥体外形，如果切割头和悬臂的转动点与巷道轮廓相适应，可切出 光滑巷道轮廓，这主要是对中小断面巷道而言，对于大断面巷道误差较大。采用横轴式切割 头，断面成形与切割头形状无关，完全取决于操作人员的技术状况，可借助行走机构实现光 滑轮廓，但比较费时。 纵上所述，纵轴式和横轴式两种掘进机，从各方面分析比较，各具优缺点，无法判断那 类掘进机更优越。从世界各国设计、生产、使用掘进机情况来看，各自都在研究、发展和不 断完善，国内的情况也是如此。近年来，国外厂家已经设计一种掘进机，可使用两种切割头。 由此可见，纵轴式、横轴式两类掘进机都有广阔的发展前景。 华北科技学院毕业设计（论文） - 11 - 第 3 章MRHS5013 型掘进机的总体设计 3.1 掘进机总体设计 3.1.1 总体布置设计 机器的总体布置，关系到整机的性能、质量和整机的合理性。也关系到操纵方便、工作 安全和工作效率。因此，总体布置是总体设计中极为重要的内容。 总体布置的任务是合理布置各部件、零件在整机上的位置，按照简单、合理和安全的原 则，使其实现工作要求；确定机器的重心坐标，确定总体尺寸。 一、 总体布置要求 （一）保证产品整机的平衡和稳定性能，重心高度低，并减少偏置； （二）在满足强度、刚度要求的前提下，尽量做到结构紧凑、外形尺寸小、重量轻； （三）动力传递路线力求简短、直接，做到传动效率高； （四）各部件或零件在装配和使用中，其位置调整、拆装和维修等，力求简单、方便、 互锁，保护要安全可靠； （五）司机室的布置，要求操作安全、方便、司机视野开阔； （六）电气线路、气路、液压管路的布置，要整齐、清楚、醒目； （七）机器外形平整、美观、大方、紧凑、色泽调和。 二、 布置型式 图 2-1 是 AM50 悬臂式掘进机，主要用于巷道掘进，是一种采掘、装载、运输、除尘联合 作业的掘进设备。该设备在总体布置上有如下特点： （一）切割机构由悬臂和回转台组成，位于机器前上部，作业时悬臂能上下、左右回转； （二）转载铲板是在机器下部前方，后接中间刮板运输机，两者组成装运机构，贯穿掘 进机的纵向轴线； （三）考虑掘进机的横向稳定平衡，主要部件按掘进机纵向平面对称布置，如电控箱、 液压装置分别装在运输机两侧； 华北科技学院毕业设计（论文） - 12 - 图 3-1AM50 掘进机总体布置 1切割臂；2回转台；3刮板运输机；4司机座 5电控箱；6液压装置；7履带行走机构；8装载铲板；9稳定器 （四）为保证作业的稳定性，履带位于机器的下部中间，前有落地铲板，后有稳定器支 撑，整个机器的重心在履带接地面积的形心面积范围内 （五）为了保护司机安全，同时又便于观察、操作，将司机位置在机器后部左侧或右侧， 这与地面挖掘明显不同； （六）由于掘进机是地下巷道作业，所以整个机器呈长条形，而且机身越矮越稳定。 3.1.2 总体参数确定 悬臂式掘进机主要参数的确定，应根据已经公布的技术标准 MT238-9“悬臂式掘进机通 用技术条件”和“MT138-94”悬臂式掘进机型式与参数，使掘进机产品标准化、系列化。 一、 机型与可切割性能指标 机型分为四类（特轻、轻、中、重） ，还有横轴式和纵轴式两种切割方式，以及与机型相 对应的其它参数，如生产能力、切割机构功率、最大工作坡度、机高、可掘巷道断面、机重 等，在 MT138 标准中有明确的数量级规定，这是新产品设计时首先要考虑和遵循的标准规范。 关于掘进机可切割煤岩性能指标，这是一个正在研究的难题。目前，世界上还没有公认 华北科技学院毕业设计（论文） - 13 - 的、适用掘进机的破碎煤岩理论，但各生产煤大国都有自己的设计和试验标准。德国矿山技 术研究院对德国各地煤矿巷道围岩进行采集、分类、试验，在大量试验研究和分析的基础上 提出悬臂式掘进机经济切割界限。 在我国，由于对岩石可切割性能研究还不够，没有对我国煤矿巷道围岩作大量试验分析， 所以至今无法提出一个我国岩石分类方法。过去，长期沿用苏联的普氏系数（即坚固性系数 f） 。岩石的坚固性是岩石抵抗开采工艺破坏的特性，该系数近似地与岩石抗压强度极限成比 例（该方法的试验原理：岩石破碎功与最小颗粒破碎所得到的体积成比例） 。 由于坚固性系数只考虑岩石的抗压强度，在生产实际中误差较大，其可靠性和计算精度 较低。因为岩石的破坏还常常利用拉力和剪力。因此，在 MT138 标准中提出用三项指标（坚 固性系数、单向抗压强度） ，综合评价岩石的可切割性能。 二、 机器可掘巷道断面 可掘巷道断面由掘进机的主要尺寸参数确定。尺寸参数包括：工作尺寸、机器外形尺寸、 工作机构尺寸等。可掘断面的下限，由机器作业最小尺寸决定，上限是机器位于巷道中部位 置不动，切割头可掘出的最大断面。例如 AM50 型掘进机的可切割断面范围为 618.1 2 m。 三、 技术生产能力 机器的技术生产能力Q用下式计算 Q s KAVmin/ 3 m（3-1） 2 21 )h/d(dA（3-2） 式中A切割头轴截面积， 2 m； 1 d切割头小端和大端直径，m； h切深，m； s V牵引速度，min/m； K煤岩松散系数，一般取 1.5。 四、 机重和重心 机重是指整机质量。机重应与机型一致，与切割功率匹配，它直接影响机器的工作稳定 性。 华北科技学院毕业设计（论文） - 14 - 机器重心位置有重心高度、纵向距离、横向偏移三个参数确定。从机器工作稳性出发， 重心高度越低越好；纵向距离应在履带中心偏前范围内；横向偏移值尽量减小。总体设计时 用下式估算重心的纵向坐标x值 i ii G xG xmm，（3-3） 式中 i G各部件重量； i x各部件重心x坐标值。 五、 机器稳定性 机器稳定性是指掘进机作业时的动态稳定性，由于机器受力复杂，很难精确计算， 故目前仍以静态稳定性估算。静态稳定性是指抵抗倾翻和在坡道上滑移的能力。机器的 极限倾翻角和下滑临界坡度均大于设计坡度。 极限倾翻角 上坡 1 arc tgHx / 1 ，度； 下坡 2 arc tgHx / 2 ，度； 横向 2 arc tgCbB2/， 度。（3-4） 式中 1 x重心至后支重轮轴心线距离； 2 x重心至前支重轮轴心线距离； H重心离地高度； B两条履带中心距； C重心横向偏心距离； b履带板宽度。 履带在坡道上不自滑的坡角为 arc tg max 度(3-5) 式中 max 最大附着系数，一般取 max =1 3.2 MRH-S50-13 型掘进机概述 华北科技学院毕业设计（论文） - 15 - 3.2.1 MRH-S50-13 型掘进机适用范围 日本三井三油机械制造公司从 1967 年研制出第一台掘进机以来,相继制造出 MRH-S45，MRH-S90，MRH-S125 三种型号的掘进机。MRH-S50-13 型掘进机，是按照我国要 求在 MRHS4513 型掘进机的基础上改制而成的， 这种掘进机是一种悬臂纵轴式径向切 割的部分断面掘进机。 我国在 1979 年前后引进了 MRH-S50-13 型掘进机 49 台，现正在开滦、西山、阳泉、 徐州等多个矿务局使用。 该机适合在中小断面煤岩抗压强度 39.244.1MPa的巷道中使 用符合我国现阶段的生产条件，因此进尺和效率都达到了较高的水平。 MRH-S60-13 型掘进机，是煤矿掘进综合机械化的主要设备之一，其主要任务是掘进 采准巷道。该祝的切割范围为：高约 2.04.1m，底宽约 2.24.5m；当机体固定不 动时，最大掘进断面可达 17 2 m。 该机的主要特点为： 一、整机外形尺寸小，高 1.8m，宽 1.8m，重量较轻（16.5t） ，行驶速度快，并 可无级调速； 二、切割机构的悬臂采用伸缩机构，使切割机构更加灵活； 三、凡密封困难的部位均采用浮动式机械密封： 四、除切割机沟、桥式转载机用电动机驱动外，耙爪式装载机构、中间输送机、行 走机构均采用齿轮油马达驱功。 另外该机还有一些不足，存在的主要问题是： 一、伸缩机构的花键联接强度不够，易受冲击裁荷破坏； 二、行走部减速箱注油困难，往往因缺油使元件过早破坏； 三、伸缩机构的油缸布置在切割机构的右侧，司机操作时看不清，容易碰坏。 3.2.2 结构特点及主要技术特征 MRH-S50-13 型掘进机如图 3-2 所示，主要由切割机构、转载机构、行走机构、中间 输送机、转载机、喷雾降尘系统、液压系统、电气系统组成。 MRH-S50-13 型掘进机的主要技术特征： 一、整机 外形尺寸（长宽高） （m）原动机油压马达 1 台 11.81.8四、运转机构 华北科技学院毕业设计（论文） - 16 - 1.8中间运输机 切割断面（ 2 m）817型式中心单链刮板式 总功率（KW）83槽宽（m）0.45 总重（t）16.5链速（min/m）31 切割底宽度（m）2.24.5运输能力（min/ 3 m）1.4 切割高度（m）2.04.1原动机油马达 1 台 切割硬度（MPa）44.1转载机： 卧底深度（m）0.2型式胶带 二、切割机构胶带宽度（m）0.5 切割滚筒转速（min/r）46胶带速度（min/m）5.413.4 悬臂伸缩量（m）0.4回转角度左右各 40 电动机功率（KW）50原动机3KW电动滚筒 三、装载机构 装载方式双耙爪式五、行走机构 装载宽度（m）1.51.8履带板宽度（m）0.35 接地比压（MPa）0.088257 号透平油 行走速度（min/m）7.6电动机功率（KW）30 原动机油马达 2 台七、外喷雾降尘系统 六、 液压系统供水系统压力 （MPa）0.1960.49 三联齿轮泵1 台八、电气系统 51.7rmE /,28.2rmE /,15.9rmE /电压等级（V）660 单联齿轮泵40rmE /1 台电磁开关型式隔爆 齿轮油马达40.6rmE /4 台控制开关箱型式隔爆 油箱容积（L）约 300照明灯额定电压（V）24 液压油抗磨 50 号液压油或 46 号、照明灯额定功率（W）60 图 3-2MRH-S50-13 型掘进机 1切割头；2伸缩悬臂；3升降油缸；4中间输送机；5转载机；6转载机升降油缸；7转载机回转油 华北科技学院毕业设计（论文） - 17 - 缸；8装载机升降油缸；9行走机构；10装载机构；11伸缩油缸；12回转油缸；13液压系统；14外 喷雾降尘系统；15电气系统 MRH-S50-13 型掘进机的传动系统如图 3-3 所示，由切割机构、装载机构、中间输送 机、转裁机、行走机构的传动系统组合而成。 切割机构的传动系统：由功率 50KW，转速 1450min/r的 MIE70XFJD2 型电动机， 经联轴器、减速器、伸缩机构驱动切割头旋转。切割头转速为 46min/r。减速器为二级 圆柱齿轮传动，总传动比为 31.2，伸缩机构中的传动件为花键套和花键轴。 装载机构的耙爪，由转速为 1650/1980min/r的 M3-42FS140 型齿轮油马达，分别 经左右减速器驱动。两减速器均为三级圆锥圆柱齿轮传动，总传动比为 50。两个减速器 之间用万向轴将两个轴锥齿轮相连。耙爪转速为 33/39.6min/r 中间输送机的传动系统：由转速 948/1147min/r的 M3-42FSl-40 型齿轮油马达，经 减速器和主动链轮驱动刮板链。减速器为二级圆柱齿轮传动，总传动比为 16.5，链速为 31min/m。 转载机的传动系统：胶带输送机由电动滚筒驱动，其内部有电动机和减速器两部分 组成。电动机功率为 3KW、转速 1000min/r。减速器为三级圆柱齿轮传动， ，总传功比 为 17.8，胶带传动速度为 1.11sm/。行走机构的传动系统：两履带分别由转速为 1564/1877min/r的 M3-42FS1-40 型齿轮油马达,经减速器和主动链轮驱动。两减速器均 为四级圆柱齿轮传动，总传动比为 328，主动链轮转速 4.7/5.7min/r。 轴承是掘进机的主要外购件之一，必须要搞好维护检修和及时更换。 3.2.3 主要组成及其使用情况 一、切割机构 MRH-S50-13 型掘进机的切割机构包括：电动机、减速器、伸缩机构、切割头、回转 台以及伸缩、回转、升降油缸。电动机、减速器、伸缩机构和切割头，构成一个刚性体， 用销轴与回转台铰接，回转台固定在履带架上。各主要部件的结构分述如下。 （一）悬臂伸缩机构 切割机构的悬臂伸缩机构为花键套筒式，由布置在右侧的一个油缸驱动，伸缩行程 为 0.45m。 悬臂内的花键联接套一端通过花键与减速器输出轴相连，并用紧固螺栓与轴端盖紧 固。另一端的花键孔则与截割主轴后端的花键轴啮合，并可滑动。当装在切割机构右侧 华北科技学院毕业设计（论文） - 18 - 的伸缩油缸动作时，活塞杆通过耳轴使与伸缩保护套筒连成一体的框架、截割主轴、内 伸缩套筒以外伸缩套筒(导向套筒)的内孔和花键孔为导轨，作轴向伸缩运动，使切割头 切入煤壁。为保护摩擦表面的润滑，在伸缩保护套筒上设有注油孔。为避免煤尘落入伸 缩机构，在与伸缩保护套筒连接的端盖内，装有防尘环。 （二）减速器 60KW电动机经过一个带有安全销的刚性联轴器和两级斜齿圆柱齿轮减速器减 速再通过花键联轴器将转矩传递给切割主轴带动切割头工作。 润滑对于减速装置的效率和寿命，起着重要作用。减速器内所用的润滑油为日本 BON-NOC260 号（壳牌 OMALA71 号)。 （三）切割头 切割头为焊接组件，由切割头体、轮毂、单齿座、双齿座、螺柱、截齿及轴向固定 螺栓构成。其形状为截锥形，大端直径为 0.772m，小端直径为 0.56m，长为 0.764m。 根据切割工作的要求，在切割头的端面和双头螺旋叶片上排列着 54 个截齿，其中端面布 置 6 个截齿。 所用截齿的前刃面为楔形、楔面间夹角加 135，可减小切割阻力及减少粉尘量。 （四）回转台 回转台座用螺栓固定在主机架上，并用键承受力矩，上部用螺钉与轴承的内环固定 在一起。回转台用螺栓与轴承的外环固定在一起。轴承的上部用螺栓固定一护盖，回转 台的上部用螺栓固定顶盖，回转油缸铰接在销轴上，在此油缸的作用下回转台便可左 右回转。升降油缸铰接在销轴与减速器相应销轴之间，在此油缸的作用下切割头悬臂便 可上下升降，销轴用于铰接减速器的支承架，销轴铰接装载机构的升降油缸。 （五）电动机 切割机构的电动机为双鼠笼式，规格为 4P-660V50KW 1 防爆型风冷电动机，与 单鼠笼式电动机相比双鼠笼式电动机具有较好的起动性能。 二、装运机构 （一）装载机构 装载机构的动力为铲板左侧下部的一个齿轮油马达。其传动系统：齿轮油马达安装 在装载部左侧减速器上，驱动减速器中的第一对圆弧锥齿轮转动，大锥齿轮同时带动横 向的另一个小圆弧锥齿轮转动，将扭矩传递到另一侧的减速器上。左、右减速器中相同 华北科技学院毕业设计（论文） - 19 - 的两个大圆弧锥齿轮分别通过第二级和第三级直齿圆柱齿轮减速，将扭矩传递给耙爪机 构的曲柄圆盘主轴。 装载耙爪机构分左右两个，对称布置。该机构为曲柄据杆机构，主要由铲板、曲柄 圆盘、耙爪、摇杆及一些回转副组成。 曲柄圆盘的轴为减速器的输出轴，减速器与曲柄圆盘之间，用浮动式机械密封。耙 爪装于曲柄圆盘的曲柄上，耙爪与摇杆之间用铰销连接，摇杆的另一端用轴铰接于铲板。 曲柄长度为 0.19m，连杆长度为 0.4m，摇杆长度为 0.4m。 装裁铲板由主、副铲板组成，主铲板宽度为 1.5m，装上副铲板后总宽度为 1.8m， 副铲板与主铲板用螺栓联接。 （二）中间输送机 该输送机为链板输送机，位于主机架的中部。它将装载部耙装上来的煤岩运到后面 的转载机上。输送机的溜槽由钢板焊成，链条采用套筒滚子链，刮板用双头螺栓和槽形 螺母固定于链条，用开口销锁紧。输送机的主动链轮布置在运输机尾部卸裁端，动力来 源于齿轮油马达，经过两级圆柱齿轮减速器减速后驱动输送机主动链轮，牵引刮板链工 作。 中间输送机溜槽宽为 0.45m，链速 31min/m，运输能力为 1.4min /3 m。减速器的 减速比为 16.5，套筒滚子链的节距为 0.445m，刮板的长度为 0.4208m。 三、行走机构 行走机构为履带式，左右两机构结构相同，对称布置，且与主机架相连。 行走机构主要由油马达、减速器、主动链轮、从动链轮、履带、支重轮、托轮、蓄 能器、履带张紧机构、支承架构成。履带由油马达经减速器及主动链轮驱动，使掘进机 前进、后退和转弯。 履带张紧机构为油缸-滑块式，在履带架前部的从动链轮的两侧装有矩形滑块，滑块 与履带张紧液压油缸的活塞杆相连，当活塞杆前后伸缩时，即可带动滑块在履带架中间 的滑道上移动，从动链轮随之向前或向后移动，从而达到控制履带松紧的目的。 履带张紧液压缸由柱塞、缸体构成，其间用 O 形密封圈、Y 形密封助密封，工作介 质为润滑脂。蓄能器与油缸相连，外部用螺栓固定一护罩，油管用护板掩护。 在履带张紧液压油缸中装有润滑脂，通过油管与蓄能器的滑脂腔相通。蓄能器中另 一侧空腔中充满压力在 8811.8MPa范围内的氮气。充氮腔与滑脂腔中间用可移动的 华北科技学院毕业设计（论文） - 20 - 活塞隔开，在活塞的径向装有两个密封环，以防两腔之间的泄漏。活塞则在高压氮气的 作用下，对滑脂腔和履带张紧液压油缸中的润滑脂施以压力，从而使履带获得必要的张 紧力。此外，压力润滑脂对于履带装置在行走调动中所受到的冲击载荷，也能很好地起 到缓冲作用。行走部减速器为四级直齿圆柱齿轮减速器，减速器的减速比为 328，主动 链轮的转速为 4.7min/r。 四、转载机 该转载机为胶带式，布置在中间输送机之后，前端与其转载机回转台相连。为适应 机后不同型式的运输设备，借助回转、升降油缸，可在水平方向和垂直方向上摆动。胶 带转载机由 3kw 电动滚筒驱动，把来自中间输送机的煤岩转载至机后运转系统。 五、液压系统 掘进机的行走、切割机构的伸缩和在水平及垂直方向上的摆动、中间输送机的运转、 装载机构的运转及升降、胶带转载机在水平和垂直方向上的摆动，均由液力驱动。 为防止转载机和切割机构切割滚筒在载荷作用下的自行下降，以及切割机构切割滚 筒的自行回摆，液压系统中分别在相应的换向阀中设置了液控单向阀。由于液控单向阀 的锁紧作用，油缸后腔的回油路断开，活塞可在油缸行程的任意位置上锁紧，有效地防 止升降油缸和回转油缸的摆动。在升降油缸的前腔进入高压油的同时，便打开液控单向 阀，油缸的后腔油路得以接通，转载机或切割机构才能摆动或升降。 此外，在控制各油缸的六个换向阀的进油路中，均设置了锁紧单向阀。 该掘进机在液压系统中使用了通流面积可变的液控制动阀。该阀的工作原理为：当 油马达输入高压油时，可根据油马达的进油压力大小，自动调节油马达的回油路的通流 面积。当油马达的进油压力 1 p不大于零时，制动阀关闭；当油马达的进油压力 2 p大于零 而又小于 1.47MPa时， 制动阀的通流面积随进油压力值的增减而增减： 当油马达的进油 压力 1 p大于 1.47MPa时，制动阀全部开启。而油马达的进油压力又是随行走阻力值变 化的。当掘进机行走阻力大时，如掘进机上山、速度减慢，此时油马达进油压力增高， 液控制动阀能根据油马达的进油压力自动地调节回油路的通流面积，使行走速度加快。 当掘进机行走阻力减小时，如掘进下山、速度加快此时油马达进油压力降低，液控制动 阀相应地自动减小回油路的通流面积，使行走速度减慢。当掘进机突然下滑时，将会使 油马达的进油腔造成负压，由于液控制动阀此时保持关闭状态，使油马达停止运转，有 华北科技学院毕业设计（论文） - 21 - 效地起了自动保护作用。 六、使用情况 徐州矿务局庞庄煤矿，1979 年 10 月至 1981 年 10 月，使用这种机型正常生产 453d， 共掘进平均断面为 10 2 m的全煤巷道 8989m，日平均进尺 19.84m，最高班进 20.5m， 最高日进 50.9m，最高月进 1125m。 兖州矿务局兴隆庄矿从 1981 年 9 月至 l 986 年 12 月，3 台 MRH-S50-13 型掘进机共 掘进巷道 20713m，3 台掘进机总服务时间 1575d。1985 年，一个综掘队使用 3 台掘进 机轮换掘进 8.75 2 m的全煤巷道 2764m，巷道掘进总时间 315d。最高班进尺 9.6m，最 高日进尺 26m，最高月进尺 6l0m，直接工效 0.58工/m。该机型的后配套设备采用原 机所带的转载机与国产的 SGW17-40T 型刮板输送机。切割过程个，采用外喷雾降尘，巷 道煤岩尘最高含量为 250 3 mg/m 开滦矿务局唐山矿从 1980 年 1 月至 1985 年 12 月使用 1 台 MRH-S50-3 型掘进机掘进 巷道 7991m，总使用时间为 791d。1985 年掘进机与 QZP-160 型桥式胶带转载机(哈尔 滨煤机厂制造)、SGW-40T（或 44 型)刮板输送机配套使用，在 168d内巷道掘进总进尺 为 1988m。最高班进尺为 19.2m，最高日进尺为 50m，最高月进尺为 412m。 华北科技学院毕业设计（论文） - 22 - 第4章MRH-S50-13 型掘进机履带行走机构的设计导则 4.1 MRH-S50-13 型掘进机的行走机构及其设计要求 掘进机都采用履带行走机构，它支承机器的自重和牵引转载机行走，当掘进作业时， 它承受切割机构的反力、倾覆力矩及动载荷。履带机构的设计对整机正常运行、通过性 能和工作稳定性具有重要作用。 履带机构设计要求：具有良好的爬坡性能和灵活的转向性能；两条履带分别驱动， 其动力可选用液压马达或电动机；履带应有较小的接近角和离去角，以减小其运行阻力； 要注意合理设计整机重心位置，使履带不出现零比压现象；履带应有可靠的制动装置， 以保证机器在设计的最大坡度上工作不会下滑。 4.2 悬臂式掘进机履带机构型式 履带机构包括左履带机构和右履带机构，左右履带机构以掘进机纵向中心线左右对 称，单边履带机构（左履带机构或右履带机构）包括履带架、驱动装置、履带链、支重 轮、导向轮、张紧装置、等装置。 一、驱动型式 履带机构按驱动型式分为电机驱动和液压马达驱动两种型式。 二、履带板结构 履带板结构型式分为整体式履带板和滚子式履带板两种型式。 三、履带链支承 履带链支承方式分为有支重轮和无支重轮两种型式。 支重轮须有可靠密封，能适应泥砂水等恶劣环境。 四、履带机构张紧 履带张紧装置的型式分为机械式张紧装置和液压张紧装置两种型式。 五、履带机构制动 履带机构应有安全、可靠的制动装置，以保证掘进机在最大的设计坡度上不会下滑。 华北科技学院毕业设计（论文） - 23 - 六、动作功能 履带机构应满足掘进机作业和调动时机器的前进、后退、 、左右转向及爬坡等功能要 求。 4.3 悬臂式掘进机履带机构的通用技术条件 一、范围 本标准规定了悬臂式掘进机（以下简称掘进机）履带行走机构（以下简称行走机构） 的定义、要求、试验方法、检验规则以及标志、包装、运输，贮存。 本标准适用于煤矿井下用掘进机的行走机构，也适用于其他履带式煤矿机械的行走 机构。 二、引用标准 下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成本标准的条文。本标准出版时 所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新 版本的可能性。 GB 30771988 合金结构钢技术条件 6B 37681996 噪声源声功率级的测定简易法 GB 100951988 渐开线圆柱齿轮精度 MT 2381991 悬臂式掘进机通用技术条件 MT 291. 11992 悬臂式掘进机传动齿轮箱检验规范 三、定义 本标准采用下列定义。 （一）行走机构 实现掘进机工作推进、非工作调动、爬坡行走、牵引转载机移动的机构。 （二）履带链 实现行走机构推移的组件。 （三）履带板 履带链与地面接触的元件 （四）支重轮 安装在履带架下部支承掘进机整机重力的组件。 华北科技学院毕业设计（论文） - 24 - （五）托链轮 安装在履带架上部，支承履带链，使其中间部分不致过分下垂的组件。 （六）张紧装置 调节履带链松紧程度的装置。 （七）履带架 连接行走机构传动装置以及各部件并与主机架相连接的连接架。 （八）履带中心距 行走机构安装在掘进机上两履带链中心线之距。 （九）履带外宽 行走机构安装在掘进机上两履带链的履带板外缘之距。 （十）平均接地比压 在非作业状态下，掘进机处于水平位置时，履带链单位接地面积所承受的掘进机重 力平均值。 （十一）履带接地长度 在掘进机纵向方向，履带链与地面的接触长度。 四、要求、 （一）基本机构