（机械工程专业论文）ebz160型悬臂式掘进机关键零部件的应力分析研究.pdf

沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 摘要 面对2 1 世纪，机械制造业飞速发展，煤矿装备也随之迅猛发展，由于采煤机械设 计的优先起步，导致掘进机设计缓慢，导致采掘不平衡，同时结合目前许多煤矿的需要， 我们以e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机为主要研发对象。e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机能 够适应中小断面隧道或巷道，同时可对全煤巷道进行掘进。所以，要求此型号掘进机应 高度低、体积小，截割功率大、除尘效果好、操作方便等特点，经济截割强度为侣，工 作坡度1 8 。，为满足以上要求，必须进行优化设计。 本人针对e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机部分故障率较高的零部件进行分析和优化设 计。本文利用c a d 技术进行实体模型的建立，通过三维分析软件，对模型的虚拟装配 和转配干涉进行检查，同时对易损坏的齿轮进行应力分析，确保设备在结构上的稳定， 同时也满足现有煤矿掘进的需要。 关键词：悬臂式纵轴掘进机；优化设计；应力分析 a b s t r a c t 21s tc e n n l r yi st h et i m ew i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n ga n d m i n i n ge q u i p m e n t ，t h ep r i o r i t ys t a r t e do nm e c h a n i c a l ，d e s i g nl e a d st o s l o ws p e e dd e s l g no n r o a d h e a d e ra n du n b a l a n c eo fe x c a v a t i n g ，c o m b i n e dw i t ht h e c u r r e n tn e e d so fm a n yc o a lm l n e s ， w em a k ee b z 16 0a r m t y p er o a d h e a d e ra st h em a i nr e s e a r c ho b je c t e b z 16 0a r m - t y p e r o a d h e a d e rc a nb eu s e dt oa d a p tt os m a l ls e c t i o no ft h et u n n e lo rl a n e w a y , a n d a tt h e8 a m e t i m ef o r t h ew h o l ec o a lt u r u l e le x c a v a t i o n t h e r e f o r e ，i ts h o u l dh a v et h ec h a r a c t e r o f8 m a l l h e i g h t ，s m a l lv o l u m e ，h i g hc u t t i n gp o w e r , e f f e c t i v ed u s tr e m o v a l ，e a s y t oo p 钉a t e 姐de t c ， e c o n o m i c a lc u t t i n gi n t e n s i t yi sf 8 ，s l o p ew o r k ，i no r d e rt o m e e tt h e e q u i t e m e n t sa b o v e ，i t m u s tb eo p t i m i z e d 1w i l lm a k ea n a l y s i sa n do p t i m a ld e s i g nw i t h t h ep a r t so fh i g h e rf a i l u r er a t eo fe b z 16 0 咖t y p e r o a d h e a d e r i n t h i s p a p e r , u s i n g c a ds o l i dm o d e l i n gt e c h n o l o g y 肌d 缸e e d i m e n s i o n a la n a l y s i ss o f t w a r et o a c h i e v ev i r t u a la s s e m b l ya n dt r a n s t b 玎e dt oi n t 盯t e r e w i t hi n s p e c t i o n so nm o d e l ，w h i l eg i v et h ei n n e rf o r c ea n a l y s i s o i lf r a g i l eg e a rt oe n 8 u r et h a t e q u i p m e n ti si nt h es t r u c t u r a ls t a b i l i t y , a n d a l s ot om e e tt h en e e d so fe x i s t i n gm l n ee x c a v a t l o n k e v w o r d s ：e b z 16 0a r m t y p er o a d h e a d e r ；o p t i m a ld e s i g n ；i n n e rf o r c ea n a l y s i s i i 沈阳航空航天大学t 程硕士学位论文 第1 章绪论 随着综合机械化采煤的迅速发展，加快了回采工作面的推进速度，要求巷道掘进工 作相应加快，保证采掘的比例关系，使矿井持续稳产高产。 目前，巷道掘进工艺有钻( 眼) 爆( 破) 法和掘进机法两种。爆破法：工作面钻炮 眼，装炸药爆破，装载机把煤、岩装入矿车运出工作面。掘进机法：利用掘进机上的刀 具破落工作面上煤、岩石，形成所需断面形状的巷道，同时将破落下来的煤、岩装入矿 车或运输机运走。两种方法相比，掘进机法比较安全可靠，所以许多厂家都在大力推荐 掘进机的研制可开发。 1 1 课题研究背景 目前，我国煤炭年产量已达2 3 8 亿吨，占一次能源结构的7 0 左右。据预测，今后 5 0 年煤炭仍然是我国的主体能源。2 0 1 5 年，我国煤炭年产量将达到2 6 5 亿吨，掘进巷 道约2 6 4 2 万公里；2 0 5 0 年达3 6 亿吨。 2 0 0 4 年以前，现我国的常规掘进机机型按截割功率可划分为：重、中、轻三种类 型。其中重型掘进机主要代表机型为：e b z 2 0 0 ；中型掘进机主要代表机型为：e b z l 6 0 ， s 1 5 0 ，e b z l 3 2 ；轻型掘进机主要代表机型为：e b z l 0 0 ，e b z 7 5 ，e b z 5 5 等。其中e b z l 0 0 、 e b z 7 5 、e b z 5 5 主要用于煤巷的生产，不能适合半煤岩巷道的开采，生产效率较低：随 着新技术的发展及国外新机器的不断引进，用于较软的半煤岩巷生产的掘进机在国内于 近几年研制成功，以e b z l 5 0 0 及s 1 5 0 为代表机型。 2 0 0 4 年以后，掘进机技术发展进入一个暂新的时代，新理念、新标准等都带入了 煤机这个古老的行业。促进了行业的整体迅猛发展，先进的变量泵系统，已经被行业内 其他厂家效仿采纳；液压系统的漏油问题、联接件的松动问题、电控系统的可靠性和维 护方便性问题都有了较好的解决方案。在继续研制重型掘进机的同时，完善中型悬臂 式纵轴掘进机的设计。 悬臂式纵轴掘进机是一种综合掘进掘进机，集切割、装运、转运、行走、除尘于 一体，包含多个机构组成，具有多种功能。悬臂式纵轴掘进机作业系统主要由主机( 掘 进机) 与后配套掘进机( 第二运输机或矿车) 组成。主机把煤切割破落下来后，通过铲 沈| j f 航空航天大学jr ：程硕十学位论文 板将落煤收集并转运给后配套掘进机。 1 2 课题涉及相关内容简介 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。行走部式行走机构使机器调动灵活，便于转弯、 爬坡，对复杂地质条件适应性强。该系列掘进机主要用于采煤准备巷道的掘进，主要分 为全岩掘进机和半煤岩掘进机，其中半煤岩掘进机主要用于破碎煤岩的硬度f 8 以下， 全岩掘进机主要用于破碎煤岩硬度在f 8 以上，由于全岩掘进机使用条件特殊，且使用 空间要求较大，掘进机体积等参数都要大于半煤岩掘进机，一般全岩型掘进机自重在 1 0 0 t 以上，切割功率在2 0 0 k w 以上，破碎岩石硬度在f 8 以上，最大单向抗压强度可达 1 7 0 m p a 。全岩掘进机在我国使用不是很普遍，我国主要使用半煤岩掘进机。其切割功率 在2 0 0 k w 以下。巷道断面一般是为拱形。代表机型主要为e b z l 6 0 ，其性能各项综合指 标在同类掘进机中都比较优秀。 1 2 1 半煤岩掘进机成体结构 e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机该机适用于煤巷或半煤岩巷以及软岩的巷道掘进使 用，也可在水力工程、公路、铁路等隧道中使用。e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机主要由 机械系统、电器系统、液压系统，还包括润滑系统和水系统。e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘 进机主要实现从切割煤岩、收集煤岩、转运煤岩等。以下主要对掘进机主要机械结构进 行介绍。 ( 1 ) 截割部 截割部如图1 1 所示主要包括切割头、伸缩部、截割减速机、截割电机组成，是 掘进机重要的工作机构，主要实现对煤壁的破碎。 图1 1 截割部分解图 2 罗趣 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 1 ) 切割头 切割头的形状是破煤壁效果好坏的主要指标之一， a ：半球形切割头 半球形的切割头如图1 2 ，主要用于悬臂式横轴掘进机上，整体形状为球体的一半， 即切割头的轴线和悬臂轴线相垂直，如e b z 3 4 0 、e b z 3 5 0 。 b ：圆柱形 用圆柱形切割头切割的巷道顶底板呈锯齿形，由于切割头的现状限制，导致截割出 的巷道不规则，无法方正巷道坡度的精度，目前已彳i 再采用。 裁封电机羲韵减速嚣截割头 图1 2 半球形截割头简图 c 圆锥形 圆锥形切割头的轴线和截割臂的轴线相重合，称之为纵轴式工作机构，如图1 3 ， 目前绝大多数厂家的掘进机都在使用此种形式的切割头，圆锥形切割头特点有切割头容 易切入煤壁，传动形式简单，能够实现将巷道底板和顶板修得平整，由于切割齿处于封 闭条件下，在切割工作时受到很大的阻力，同时切割下的煤渣排屑困难，工作时能耗高， 截割齿消耗率也高。需要后期改进对截割齿的设计来提高效率。 一 8 一 一 、 烈 _ 图1 3 圆锥形截割头简图 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 2 ) 伸缩部 伸缩部既能实行传动动力源，又能将工作面的面积增加，工作可伸缩的截割臂叫伸 缩部， a ：不带伸缩部的截割臂 采用不带伸缩部的截割臂是推进行走部，进而实现钻入煤壁的功能，结构简单，重 量较轻使用于小型掘进机，但切割头工作范围较小，由于切割头的钻入阻力很大，对行 走要求较严格，行走部容易因推进而打滑，加剧损坏，缩短了整机寿命。此外，还不便 于利用切割头进行最高点和最低点的截割工作。 b ：可伸缩的截割臂 采用可伸缩的截割臂是靠工作截割臂的伸缩进行钻入煤臂的操作，这时行走部是不 受力，靠铲板和后支撑的撑起进行截割，具有这种形式的掘进机可以利用切割头开进行 挖水沟和挖柱窝。和更换截割齿。伸缩截割臂中有：外伸缩和内伸缩两种形式。 a ：外部伸缩 外伸缩机构工作的特点是：整个工作部( 包括切割头、截割臂、截割减速箱及截割电 机等) 装在伸缩部外侧导轨上，随伸缩油缸的伸缩，而往返运动。外伸缩结构优点：主要 零部件容易加工，其不足是：滑轨机构质量大，推进阻力大，对伸缩机构要求较高。 b ：内部伸缩 内伸缩截割臂的特点是：截割臂伸缩时，截割臂相对于截割电机和截割减速机做拉 伸运动。依靠截割伸缩油缸动作带动截割臂动作，截割臂保护筒相对截割主轴作轴向运 动。主要特点是：可移动部件少，只有切割头和保护筒等，拉伸阻力小，运动部件质量 轻，不足是：连接截割轴的减速机的轴套需要很长，对传动系统要求较高，加工工艺比 较困难。 3 ) 截割减速机 纵轴式掘进机的切割头传动方式主要由两级行星齿轮传动，采用两级行星传动的截 割减速机的减速比约为3 1 ，由于减速机的径向尺寸较小，使得截割臂的体积及重量都 可以做得较细，使总重量和体积降低，增加了整机的稳定性，在当今采用星轮受料及传 动以被大多数掘进机采用，其加速机优点有：体积小，减速比大，输入轴与输出轴载同 一轴线上，缩小了整机体积极质量。由于体积小，零部件要求承受力大，加工工艺要求 4 沈阳航空航天大学t 程硕士学位论文 高。 4 ) 截割电机 由于掘进机在井下工作的特殊环境，截割电机设计比较困难，需满足以下要求： a ：由于灭尘需要利用水对电机进行冷却比风冷形式的电机提高2 5 。 b ：同时由于工况的要求，可采用双速的大功率截割电机。 c ：由于在矿井下使用，截割电机必须具有防爆性。 d ：采用双速截割电机，以适应不同工矿下的截割工作。 ( 2 ) 本体部 本体部位于机体的中部，是以高强厚钢板为主材焊接而成的箱形结构，如图1 4 。 本体部主要包括本体架、会转台、回转支撑、本体的右侧装有液压系统的泵站，左侧装 有操纵台，前面上部回转台装有截割部，下面装有铲板部，中间装有第一运输机，在其 左右侧下部装有行走部，后部装有后支承部。回转台是用来垂直和水平移动截割部的， 它与本体架用回转支撑相连，在切割工况条件十分不好的条件保证作业时平稳工作。 图1 4 本体分解图 1 ) 本体架 本体架用于支撑和连接掘进机其他主要部件( 包括行走部、截割部、后支撑部、铲 板部等) ，是掘进机的中心连接部。 2 ) 回转台 沈腭j 航空航天人学j ：挂硕十r - h i 论文 回转台用于支撑截割部，同时实现掘进机切割头的回转和升降。掘进机截割煤壁时， 截割部的重量和截割工作时的冲击力等一同加载在同转台上。其设计的理念是：体积小 而紧凑：承载能力人：寿命长。目前掘进机主要使用铸钢回转台，其结构牢固，承载能力 及寿命都由于普通焊接的凹转台。 3 ) 凹转支撑 凹转支撑又叫回转支撑，主要用于连接回转台和本体部，通过回转油缸的伸缩使回 转台在回转支撑上实现相对本体部的转动。回转支撑的为滚子( 柱) 轴承支承，该结构回 转支撑结构简单，使机器的重心较低，结构紧凑，回转力矩较大。 ( 3 ) 铲板部 板部是由铲板本体、侧铲板、铲板驱动装胃，如图1 5 。从动轮装置等组成。通过 两个低速人扭矩液压马达直接驱动星轮，把截割下柬的物料收集到第运输机内。铲板 部的两个液压马达驱动采用一个液压分流器，使两个液压马达在工作时能够获得均衡的 流量，确保星轮平稳一致。铲板在油缸作用下可向上抬起，向下卧底。 图1 5 铲板部总图 铲板的收料形式主要有以下几种 星轮式装运机构：星轮的制造加工简单，故障率较低，使用简便，装煤速度快，日前 普遍使用，如图1 5 。 蟹爪装运机构：实际上是一个蟹爪装载机。蟹爪装运机构工作可靠，装煤速度慢，结 构复杂，加工难度大，敞障率较高，如图1 6 。 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 图1 6 蟹爪式铲板部总图 双环形收料机构： 受煤时，环形刮板链条相对旋转，将落煤从两链中间运往第一运输机，然后由第一 运输机将落煤运走。双环形收料机构的收煤效率很低，设计结构复杂，且大块物料不宜 收装。现已较少应用，如图1 7 。 ( 4 ) 第一运输机 图1 7 双环形收料机构的铲板部总图 尤刚航空航天人学j ：程硕士学位论文 图1 8 边双链式第一运输机分解图 第运输机采用分体焊接结构，分为前溜槽和后溜槽两部份。町选配双边链或中双 链刮板机构运输。| 司时配备低速大扭矩液压 张紧缸的伸缩实现对刮板链松紧度的调节。 马达驱动，减少故障点维修方便，通过调整 刮板链子t 要有边双链如图1 8 和中双链 如图1 9 两种，中双链用的比较普遍，刮板两端通过铁链连接，链子变形对一运溜槽磨 损影响小。中双链形式中，旦其中两根链条松紧度不一致，将严重磨损一运溜槽，。 图1 9 中双链式第一运输机分解图 图1 1 0 行走部分解图 一 8 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 行走部包括行走部架、马达、驱动轮、张紧轮行走部等部分，通过液压马达分别驱 动减速机、减速机带动链轮，链轮带动行走部实现行走，如图1 1 0 。 ( 6 ) 后支撑部 主要用于连接后支撑和二运回转台，在掘进机工作时负责与铲板配合，将整个掘进 机支撑起来。 1 3 课题研究方向 目前我国在掘进掘进机上的发展比较迅猛，单用于煤矿掘进的主要为中功率机型的 掘进机，大功率的岩石掘进机结构不完善，市场需求低。中功率机型掘进机机身比较适 合巷道截割工作。为此，对现有e b z l 6 0 关键部件需要加强，以完善现有设计。完善设 计后的掘进机应该满足在现有条件不边的情况下，截割能力增加，延长各主要零部件的 使用寿命，降低零部件的故障率。 光圈i 航空航天人学工 程t l 硕士学位论文 第2 章掘进机主要部件的空间几何分析与结构优化设计 2 1 切割头的优化设计 按岩石硬度为f 8 ，脆性系数为1 0 的白砂岩计算。 截割速度v k p 不大于根据岩石强度和磨砺性确定的值，由下式计算： v k p - - 5 9 2x0 0 2 6 q 一0 9 2 5 9 2 1 0 0 0 2 6 1 8 0 9 2 - - 5 9 2 x 0 ：3 0 0 7 = 1 2 5 m s 计算得理论最大半径为5 2 0 m m 按主机室的最小连接尺寸定出切割头初步外形，取半径为5 2 5 m m ，基本附合要求，具体 外形如图2 1 图2 1 截割头体外形轮廓图 依经验取效：笨为1 0 ：莎办米d , 时 取截深0 8 米 面积约为7 2 4 6 7l 、f 方，琶米- - 0 7 2 4 6 7l 、i ，方米 速度为1 2 5 米小时= 0 2 米分钟 单齿侵入深度= 速度转数= 0 2 2 3 - - 0 0 0 8 7 米转 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 取岩石崩裂角为1 2 0 度，得最大截线间距为1 5 ； 取截深0 4 米 面积约为3 0 0 3 0 7 平方毫米= 0 3 平方米 速度为3 3 米4 , 时= 0 5 5 米分钟 单齿侵入深度= 速度转数= o 5 5 2 3 = 0 0 2 4 米转 取岩石崩裂角为1 2 0 度，得最大截线间距为4 1 ； 考虑截割硬岩，取中问值2 0 。 按此排出截割齿，并按油缸压力2 5 m p a ，回转油缸径为1 8 0 、1 l o ，升降油缸径为2 0 0 、 1 1 0 ，计算、分析得出如下结果： 取截深o 8 米 实际效率为1 1 7 3 立方米d , 时 电机功率：1 3 0 k w ( 8 6 ) 单齿最大受力：f 转= 6 3 0 0 n ；f 径= 1 5 0 0 0 n 切割头整体受力：f m a x = 1 9 0 0 0 0 n ； f m i n = 1 7 0 0 0 0 n 取截深0 4 米 效率为1 4 6 3 立方米d , 时 电机功率：1 0 8 k w ( 7 2 ) 单齿最大受力：f 转= 1 2 5 0 0 n ；f 径= 3 0 0 0 0 n 切割头整体受力：f m a x = 1 9 0 0 0 0 n ； f m i n = 1 4 3 0 0 0 n 依照上述算法，在不同截深时的效率如表2 1 ： 表2 1 截深与效率对应表 序号戳深( 耄术)效率( 立方米d , 时) 18 0 01 1 7 3 27 0 01 3 1 3 3 6 0 0 1 4 4 45 0 01 4 9 04 0 01 4 6 3 63 0 01 4 2 7 可以看出在截深为5 0 0 时效率最高接近1 5 立方米d , 时， 面积约为4 0 0 0 0 0 平方毫米= 0 4 平方米 速度为2 5 米d , 时= 0 4 米分钟 沈r l 航空航天人学i ：程硕十。学付论文 啦齿侵入深度= 速度转数= 0 4 2 3 = 0 0 17 米转 取岩石崩裂角为1 2 0 度，得最大截线问距为2 9 ； 效率为1 4 9 立方米4 , 时 电机功率：11 9 k w ( 8 0 ) 单齿最大受力：f 转= 1 0 5 0 0 n ；f 径：2 5 0 0 0 n 切割头整体受力：f m a x = 1 9 0 0 0 0 x ； f m if i = 1 6 2 0 0 0 n 以上数据均取岩石硬度为f 8 ，考虑到最大要截割f i o ，同时减少截割齿消耗率，截线问 距取2 0 较合适。 按主机的缸径，电机满功率时要求油缸压力为3 1 5 m p a ，效率2 0 7 立方米d , 时。截割 齿和齿座受力分析如按所有油缸力和电机力全部做用在一个齿上，计算受力为电机： 1 0 0 0 n 6 0 ：! 竺竺9 兰! ! q 6 0 ：1 5 5 k n f = z d n 3 1 4 8 0 0 x 2 3 取平均半径为4 0 0 m m ，油缸推力：f = p a = 2 2 1 0 6 3 1 4 0 0 9 2 + 2 2 1 0 6 3 1 4 ( 0 0 9 2 0 0 5 5 2 ) = 9 1 0 k n 油缸推力在切割头上产生的推力：f i i 。1 = f 2 l 2 f 2 = f 1 i 1 i 。2 ：7 9 0 0 9 1 1 0 6 4 5 0 0 ：1 6 0 k x 分析结果如图2 2 ： 图2 2 截割齿受力分析图( 一) 如、j ：图所示，在齿座体卜的最人应力为2 7 8 m p a ，齿体材料为2 0 c r g i m o ，其抗拉强度为 一 沈刚航空航天火学i ：稃硕 ：学位论文 二一二_ 二_ 二_ = 二：= ： 9 8 0 i p a ，安全系数为3 5 ，按焊缝强度是基本体材料的0 7 计算，抗拉强度为6 8 6 p a ， 安全系数为2 5 。齿体材料为3 5 c r 、i o ，其抗拉强度为5 9 0 m p a ，最大应力为2 2 5m p a ，安 全系数为2 6 。按此理想状况分析，此截割齿和齿座是安全的。如按不少于t 3 的截割 齿同时受力计算，取1 7 个截割齿，则电机力为9 k n ，油缸力为l o k x ，分析结果如图2 3 下： 图2 3 截割齿受力分析图( 二) 在齿座体上的最大应力小于2 0 m p a ，齿体上的最人应力为4 3 m p a ，都远小于材料许用应 力，故不考虑。 2 2 装载系统的优化设计 掘进机与其他矿l lj 掘进机( 如：皮带运输机、矿用车辆、绞车等) 不同，掘进机能 够实现自行行走，凶此，它具有能够使掘进机白行移动的行走系统。由于掘进机带有截 割臂，工作时截割臂需要伸出，所以产生很大的截割力，回转台将所受到的力经过本体 部最终传递给行走部，再传履带板，履带板除整机的重量外，还承担了截割时的反总用 力的压力，将原有的接地比分和有所巨大改变，严讴影响了掘进机的稳定性。在掘进机 稳定性的角度考虑，行走部与地面的接触越长越好，行走部向掘进机的截割部侧延伸越 长越好，相反，问题出现了，在掘进机转弯时时由于行走部长，转弯比较困难，不适应 狭窄的巷道，将会f 现转弯困难的问题发j i 。存e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机设计时充 分考虑这一点，保i l e 掘, l i 进机作业时，铲板带压接地，并在掘进机尾部增加后支撑压在地 上，以增加掘进机的接地长度，缓解和防止行走部的接地比压偏移，进而增加掘进机的 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 稳定性。在设计e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机的铲板部时都给予考虑。 1 行走部接地的面积核心 行走部接地的面积核心指，掘进机重心的设计时，掘进机的重心不一定在行走部接 地面积的几何中心上，大部分掘进机的重心是在掘进机几何的前部，其偏置量的多少是 受一定的界限限制的。通过力学计算和分析给予证明，当掘进机重心超出行走部接地面 积的几何中心的界限时，即如图2 4 设备的重心不在l 上，比压为零的区域在行走部接 地长度上出现，此时行走部有部分不承担整机负载，此长度为无效值，减少实际行走部 长度。 图2 4 比压分布区域 图2 4 中所示为行走部的接地面积比压分布情况， a 中的接地比压分布是均匀的，即比压，只有在理论环境下才能出现： b 在实际中比压分布为b 的出现较多，呈梯形： c 中的比压分布呈三角形分布，掘进机处于稳定状态，掘进机行走部实际的接地有效长 度的处于临界状态： d 中的行走部有效长度比行走部长度( l ) 缩短一部分，各别部位行走部将承受掘进机 的机作业的大部分力，行走部出现零比压点0 ，并出现无效长度，( 0 点以外行走部不受 力，视为行走部的无效长度即o w ) 。 以设计理论计算，掘进机工作时，核心面积纵向边界离行走部长度的中心线l 6 ，横 向边界是b 2 ，距离行走部的中心纵向l 6 、横向b 2 的矩形面积定为“行走部接地 的面积核心”。( 见图2 5 ) 沈阳航空航天大学： 程硕士学位论文 履带接地萄鞔核心 厂 i l厨等f 牵，i ， i |钐 7 i 彭彭 彩勿 l 再警中心l i i | l ，6l 8 ll 图2 5 行走部接地的面积核心 整机设计时，整机的稳定性指标是：掘进机在截割煤壁时，掘进机所有外部作用力 和掘进机自身总重力的合力( 即行走部接地反作用力r 1 + r 2 ：参见表2 2 ) 的位置x r 。 不超过“行走部接地的面积核心”为最终设计目标。 2 e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机空f 刚几何关系 e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机截割工作时的行走部所承受外力、结构上空问几何尺 寸、整机自身重力关系( 如图2 6 ) 。 其中： 表2 2 整机参数注释表 g 机器重力，n 外力对截割头在轴向方向上的分量( 视截割作业时的进给 p e 方向不同，其力的方向不相同，p 。、p 隋况一样) ，n 。 r 外力对截割头在水平方向上的分量，n 。 p 。 外力对截割头在垂直方向上的分量，n w 1 、w 2 掘进机行走时左、右履带受地面的阻力，n 。 f l 、f 2 掘进机行走时左、右履带的牵引力，n 。 r 1 、r 2 掘进机行走时地面对左、右履带的垂直反力，n 。 a 、l 、h 、e 为p e 、p t t 、p 。力作用点的位置距离i l l m b 履带中心距，m m l 履带接地长度，m m b巷道倾角，。 w 1 惯性力，n 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 厂 l 、p ； p v ， 。 e 呈 10 2y r 18 ：1l s or 7 o u l o 图2 6 整机结构简图 图2 7 整机重心与回转台中心示意图 2 ) x m 、z m ( 重心) 的确定 另由图2 7 知，掘进机回转台中心至行走部最前端支重轮的距离为1 2 0 r a m ，由回转台中 心至掘进机重心线的距离为2 6 0 r a m ，由此可得： x m = 18 6 9 因掘进机整机设计高度( 设备带户版) 为1 7 9 0 m m ，假设重心的高度在其伞高一半偏低 的位置，由经验取z m = 8 6 0 m m 。假设铲板部端不接触地面，考查地面的反力及作用 点的位置 如果设铲板前端部c 没有接触地面，考虑地面对铲板的反力及作用点的位置，将所 沈阳航空航天大学二 ：程硕士学位论文 有力向图2 6y o z 平面上的投影，对0 1 、0 2 点列出力矩方程式如下式： r 1 = = g c o s j 2 + p v ( b 2 e ) p h h b ( 2 1 ) r 2 = g c o s p 2 + p v ( b 2 e + e ) 一p h h b ( 2 2 ) r 1 + r 2 = g c o s p + p v - ( 2 3 ) 再在图2 6 的x o z 平面上，由这些力对d 点做力距方程式，解r 2 及r 1 力的作用点 坐标，得： x r = g x m c o s p g z m s i n ? + p v x 2 一p e z 2 一t z 1 一w u z m ) ( r 1 上r 2 ) ( 2 4 ) 利用上述公式，对e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机的纵轴向稳定性进行一次计算，对 其进行分析。e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机的设计行走部接地的长度l = 2 3 5 0 m m ，而 依照定义“行走部接地的面积核心”的纵轴向边界限2 3 l x r l 3 ，亦即x r 应 是2x2 3 5 0 3 至2 3 5 0 3 m m 中间，即：x r = 7 8 3 1 5 6 7 m m 中间。 ( 1 ) 整机在爬坡时的稳定性分析 可分“上坡行走不截割工作”及“上坡截割煤壁”两种爬坡情况讨论 上坡行走不截割工作 这时候p e ，p h ，p v ，t = 0 ，w u = 0 ，且g = 2 9 1 0 6 0 n ；设爬坡最大坡度是p = 18 。，并设 x u 为0 可以忽略，由( 2 一1 ) 和( 2 2 ) 公式可知： r 1 = r 2 = 2 9 1 0 6 0 c o s1 8 2 = 1 3 8 4 0 7 ( n 、 r 1 + r 2 = 2 7 6 8 1 4 ( n ) 另外：如果后部的二运负载较小，t 值可不计，取t = 0 ；再没有掘进时，且设备停止 不动，故w u = 0 按照( 2 4 ) 计算得出： 沈刚航空航天大学工程硕士学位论文 r x = 2 9 1 0 6 0x1 6 3 0xc o s l8 2 7 6 81 4 2 9 1 0 6 0x6 8 0xs i n18 2 7 6 8 1 4 = 1 4 1 0 r a m 由以上计算可见，e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机重力g 在水平线上对r 1 + r 2 反作用力 点距离x m = 1 6 3 0 m m 1 5 6 7 m m ，并未在“行走部接地的面积核心”区域内，虽超出不 多，即又称为己趋临界状态；在爬1 8 。坡时，由于设备重心的垂直分量受上坡的影响， 它的作用点将会向后移，同时又受到重心水平分量的影响，使地面r 1 + r 2 反力的作用 点后移，则x r = 1 4 1 0 m m ，进入“行走部接地的面积核心”范围内：得出：在掘进机向 下爬1 8 。坡，设备的重心作用点将向设备的前移，破坏设备的稳定性，行走部后侧撬起， 出现零比压点的现象。 上坡截割煤壁 在上坡截割煤壁时，由于实际情况的不同，p e ，p h ，p v 不能同时出现，分为以下两种情 况： a 切割头在煤壁内横向截割工作时 切割头在煤壁内横向截割的情况只会出现p h ，p v ，设备不动，所以w u = 0 后部带负载 的力非常小可忽略不计t = 0 。 b 切割头掏槽工况时，此时p e 很大，但p h = 0 。 由于掘进机掘进过程中，a 种截割情况经常出现，故以a 种截割情况为主要分析稳定性 的研究对象。对e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机p v 的取值，按掘进机截割电机的颠覆转 矩换算可得，参考苏联索洛德所著的采矿机械与综合机组的设计计算推荐，p v 值为正常截割电机额定负载的1 2 倍，则： m = 1 2x9 5 4 5 n 1 1 n = p vxd 苴由 、l n 一一截割电机功率k w 此处为16 0 n 一截割头转速r r a i n ，此处值为7 3 9 d p v 至t j 截割头回转中心额作用力臂1 t i i l l ，此处值为2 3 5 t 1 一- 传动效率，此处值为0 7 5 沈阳航空航天大学：【程硕士学位论文 p v = ( 1 2 9 5 4 5 1 6 0x0 7 5 ) ( 7 3 5 丈2 3 5 ) = 6 5 2 9 5 n 其他各相应数值为： b = 1 4 3 5 m m ， a = 5 5 0 m m ， x m = 1 6 3 0 m m h 及z 2 值均选定为x 2 = 3 4 5 0 + 1 0 0 + 1 6 3 0 = 5 18 0 m m 。 图2 6 的y o z 平面所示的设备所受到外力情况为切割头在向右侧掘进时，切割头受力 p h ，p v 。此时掘进机向左侧切割受力为零，再不同德操作人员对设备的使用情况也不 同，可以从上到下截割，也可向方，其反作用力p v 的可以向上的，也可以先反，如图 2 6 所示，如向下时p v 0 ，那么p v 0 ，不会向右侧。对此两种情况给与计算和分析，得 ( a ) p h 0 ，p v 0 ，p v 0 。 ( a ) p h 0 ，p v 0 ，p v o 情况 r 1 = ( 2 9 1 0 6 0 c o s l8 2 ) + 一6 5 2 9 5x ( 1 4 3 5 2 5 5 0 ) 一3 5 0 0 0x1 2 6 0 1 4 3 5 = 11 5 2 9 7 ( n ) r 2 = ( 2 9 1 0 6 0xc o s l8 2 ) + 6 5 2 9 5 ( 1 4 3 5 2 + 5 5 0 ) + 3 5 0 0 0x1 2 6 0 1 4 3 5 = 2 2 6 8 1 2 ( n ) r 2 + r 1 = g c o s p + p v = 2 7 6 8 1 4 + 6 5 2 9 5 = 3 4 2 1 0 9 ( n ) 1 9 沈田 航空航天大学工程硕士学位论文 x r = ( 2 9 1 0 6 0 1 6 3 0 c o s l 8 + 6 5 2 9 5 0 5 1 8 0 2 9 1 0 6 0 s i n l 8 6 8 0 ) 3 4 2 1 0 9 = 2 1 2 9 m m 从上面两种状态得，以( b ) 中的p h 及p v 力的方向均与图中所标示的方向一致，图中的 行走部接地反作用力r 1 + r 2 作用点位置的偏移量，超出“行走部接地的面积核心的 纵向界限为2 1 2 9 一1 5 6 7 = 5 6 2 m m ，已使行走部后部出现零比压而切割头前倾。 ( 2 ) 掘进机下坡掘进的稳定性分析 考虑最恶劣环境时p h 0 ，p v 0 ，做下坡掘进能分析。见图2 8 z n n ，。 u 掣 o o l ：t l o ，i r 1 r 2 8 = 14 3 5 乜 o u o 图2 8 掘进机下坡作业 r 1 = g c o s p 2 + p v b 2 - e ) 一p h h b = 11 4 6 0 4 ( n ) r 2 = g c o s p 2 + p v b 2 + e ) + p h h b = 2 2 1 5 7 0 ( n ) i 也+ r 1 = g c o s p 2 + p v = 3 3 6 1 7 0 ( n 、 y 再在图2 8 的x o y 平面上，由这些外力对d 点列力距方程式，对r l 、r 2 力的作用点 坐标系，得： 2 0 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 x r = ( g x m c o s 3 + g z m s i n f j + p v x 2 一p e z 2 - t z l 一w u z m ) ( r 2 + r 1 、 ( 2 5 ) 同前述，p e 、t 、w u = 0 ，有 x r = ( g x m c o s l 3 + g z m s i n p + p v x 2 一p e z 2 一t z l 一w u z m ) ( r 2 + r 1 ) = 2 4 3 8 m m 其行走部接地反作用力r 2 + r 1 作用点位置的偏移量最大，不仅超出“行走部接地的面积 核心”脞扶向界限2 4 3 8 一l5 6 7 = 8 7 1 m m ，且2 4 3 8 2 3 5 0 ，即：x r l ，将使掘进机 前倾、翻转。为了解决不稳定状态，e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机在研发时必须考虑：在 铲板部与地面接触后，对铲板部升降油缸增加油压，增加铲板抬升力缓解上述不稳定情 况，重新使其地面对其反作用力r l + r 2 的作用点位置恢复“行走部接地的面积核心” 范围内。 2 3e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机铲板部的受力分析 2 3 1 常用公式 掘进机截割收料时，将铲板部前边缘与水平地面压接，同时后支撑也与地面接触并 撑起，由此来增加掘进机的有效接地长度，以防止行走部对地比压偏移，加强掘进机工 作时的稳定性。铲板部前边缘与地面接触后，铲板部升降油缸产生的力f ，此作用力以 相反方向施加于的o 点及本体架的点上，在此两点上可列为f o x 、f o y 、f a x 、f a y 得： f o x = f a x = 2 p axc o s 0 f o y = f a y = 2 p axs i n 0 其中： ， p 一铲板升降油缸压力 a 一铲板升降油缸活塞面积 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 图2 9 掘进机作业时受力 通过以上核算，可以测算铲板升降油缸不必达到安全阀调定压力1 8 m p a ，就可将 r l a + i 也a 反作用力处的作用点x r a 移到“接地面积核心界限”范围内。 注：以上结论只在特定条件下计算出来的。 a 切割头切割煤壁时所承受的煤壁阻力p h 、p v 、p e 是以截割电动机的额定转矩的1 2 倍时计算出的结果的，并假定p h 、p v 作用力的方向与图2 6 所示方向一致的工况下计 算出来的。 b p h 、p v 与p e 不能同时产生，此文研究是以切割头已经截割出一定深度后，在进行 横向截割煤壁时而进行运算的，此时只有p h 、p v 而无p e 如计算截割煤壁时，则需考 虑p e ，而水平方向不受任何力，即p h = 0 。 c 由于在无截割煤壁时，设备的行走部不动作，所以未考虑w u 对其的影响，如现场截 割煤壁时，必须要考虑w u ，此时w u = m v t ，v 为行走进给速度，m 为掘进机的质量， t 为时间，依照经验，一般在机器质量为2 0 吨以上时，t 为2 秒。 d 上述计算，未考虑带第二运输机，即t = 0 。 e 铲板部上的负载和左右两个铲板部升降油缸都叠加在本体架上的f a ，f e 力假设为 左、右是均匀的，如有偏载时，计算起来比较复杂。 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 本章结论： 经过分析，铲板部前边缘对增加掘进机的稳定性是非常重要的，将已经超出“行走 部接地的面积核心”的行走部的反作用力移至理论区域，增加了整机截割工作时的稳定 性。当切割头受到煤壁反作用力而让截割头抬起时，亦即p v 6 a 其中：6 w k 称为允许的疲劳极限，由表查得o w k = 4 7k g f m m 2 芎= 实际使用疲劳极限允许疲劳极限，取芎= 1 8 5 f s 一一对f t 值估计不准确安全系数取f s = 1 1 f s 一一x g f t 值估计不准确安全系数 将o a = o a 代入，则f m = 1 8 5 4 7 ( 1 1 4 4 9 ) = 1 7 6 所以，通过查表得，他可靠度为0 9 7 片右，数值偏低，应考虑加强措施。 3 1 4 解决截割部连接螺栓的强度和防松问题的办法 通过上面的分析，a m s o 型悬臂式纵轴掘进机截割部中的连接螺栓的强度及其防松 也问题必须解决。 2 9 沈阳航空航天大学工程硕士学位论文 + ( 1 ) 截割部连接强度螺栓对其强度、材质的牌号，工艺等，按规定进行制造、加工，保 证达到设计1 0 9 级的要求，不得降低。 ( 2 ) 对螺栓施加严格的防松措施 截割部的连接螺栓在锁紧时必须达到额定扭矩5 6 0n m ，甚至可以提升到 6 5 0n m 。 安装前必须在螺纹上涂上螺纹紧固剂。 定期对井下工作的掘进机进行放松检查。 ( 3 ) 如需要可使用细牙螺栓，可以减小螺纹的升角p ，有利于防松，细牙螺栓的允许疲 劳极限值6 w k = 5 4k g f m m 2 比粗牙螺栓的高， ( 4 ) 改善截割部的连接部位的设计结构，提高连接强度，改善串连式固有的缺陷。 3 2e b z l 6 0 型悬臂式纵轴掘进机截割部的结构分析 在对a m s 0 型悬臂式纵轴掘进机截割部设计结构的分析中：要彻底解决a m 5 0 截割部 存在的连接螺栓易断问题，必须在e b z l 6 0 的设计中改进，改进方案参见图3 3 所示 ( 1 ) 截割电机与截割减速机通过大截面矩形法兰将其连接，可提高连接部位之间的强 度，参见图3 4 所示。 ( 2 ) 回转台通过三组销轴和截割部连接，截割升降油缸的前支撑用, 8 0 销轴装在截割 电机的前端，截割升降油缸的后支撑点, 8 0 销轴安装在回转台前下侧；用q b l 2 0 销轴连 接回转台绞支点。 3 2 1 分析截割部的连接螺栓强度 如图3 3 ，图3 4 中所示，e b z l 6 0 型