机械毕业设计（论文）-刨煤机传动系统与急停缓冲装置设计【全套图纸】.doc

辽宁工程技术大学毕业设计（论文）前言刨煤机是一种在井下工作面中集采煤、装煤、运煤为一体，特别适合开采薄煤层和中厚煤层的采煤机械。其工作原理是刨头以紧固在中部槽靠煤壁侧的滑架作导轨，滑架内有上、下链道，刨头在刨链的牵引下沿滑架滑动。刨头上的刨刀刨消煤壁，刨下的煤在刨头犁形斜面的作用下装入中部槽，再有输送机的刮板链运出工作面。刨煤机的发展至今已有五十多年的历史，目前国外的刨煤机发展比较迅速，而我过的刨煤机行业则发展速度较慢，在功率、速度、可靠性、耐久性、无事故运行时间、整机性能方面与外国先进水平有较大差距。本文研究设计刨煤机的传动系统和缓冲装置，考虑到生产成本和实用价值以及刨煤机工作环境的要求，本文所设计的传动装置，部件基本上都采用现有产品，便于直接选取成品；本文所设计的缓冲装置，利用气压传动使用一个缓冲气压缸，缓冲时间短，能实现良好的缓冲作用。希望这篇文章能为以后设计刨煤机传动装置和缓冲装置的朋友提供帮助。 全套图纸，加1538937061 绪论1.1 题目背景目前我国开采薄煤层的机械设备较少，大部分薄煤层工作面仍沿用打眼、放炮、人工装煤等原始的开采方法，生产效率低，工人劳动强度大，安全性差。刨煤机是一种价格低、结构简单、维修方便、操作简便的采煤设备，目前正向大功率、快速度、高强度方向发展。因此大力发展以刨煤机为主的薄煤层的机械化设备，可以促进煤矿机械化协调发展，提高矿井投资效益。1.2 设计目的及意义近半个多世纪以来，随着工业的发展和人民生活水平的提高，地球上的煤矿资源被人们大量开采，如今已日见匮乏。世界上资源的储量是有限的，人们必须充分利用现有的资源，实现其最大的价值。为了节约能源和充分利用为数不多的矿产，人们越来越多地将目光转向中、薄煤层的开采。长期以来，煤炭资源的开采都存在着浪费的现象，尤其是在我国，我国的薄煤层资源丰富，可采储量占全部储量的20%，而且分布广、煤质好，但是我国的薄煤层机械化程度仍然很低，一些厚薄煤层并存的矿井，由于薄煤层开采速度缓慢，使下部中厚煤层长期得不到及时开采。影响工作面的正常接替，甚至被迫丢失一些薄煤层资源。迅速提高薄煤层机械化程度，加快薄煤层开采，对发展我国煤炭生产，节约煤炭资源，提高安全性及可持续发展战略都具有十分重要的意义。采用刨煤机系统开采中厚及薄煤层，是一种从经济效益上讲十分具有吸引力的开采方法。刨煤机技术的应用有效的提高了工作面的产量和效率，降低了工人的劳动强度，提高了煤炭的开采利用率。1.3 刨煤机国内外发展情况刨煤机采煤技术始于1937年德国伊本比伦煤矿的煤刨实验,1942年正式应用,后推广到波兰、苏联、西班牙、法国、奥地利等20多个国家。7080年代，这些国家在刨煤机开发和应用方面取得了突飞猛进的发展。80年代，欧洲主要产煤国家使用刨煤机开采煤炭已占总产量的的50以上；在联邦德国薄煤层的开采中，使用刨煤机开采的煤炭约占采煤量的90；波兰每年使用刨煤机的工作面个数平均为65个；苏联每年使用刨煤机的工作面个数约为150个。刨煤机开采技术已经推广到非金属沉淀矿床的开采。刨煤机的发展至今已有50多年的历史，根据历史发展和机构形式的不同，可分为脱钩刨、滑行刨、脱钩滑行刨。到目前为止，世界上使用最多的仍是滑行刨煤机，其产量占总产量的50%以上。目前国外刨煤机的发展趋势是向大功率、快速度、高强度方向发展，功率已从2增加到，最大已达到，速度已由增大到，最高达，刨链直径从发展到。这方面处于领先地位的是德国，该国以实现了刨煤机工作面的自动化和无人化。随着科学技术的不断进步，各国都在将高新技术成果、计算机技术、传感技术、自动监测与在线控制等综合应用到刨煤机产品中来。我国刨煤机采煤技术的研制和应用始于1965年徐州矿物局韩桥煤矿，经过了试验、定型和发展三个阶段。80年代，在煤科院上海分院、张家口煤机厂和淮南煤机厂、徐州煤矿机械制造厂等单位的努力下，制造出各种型号的刨煤机200多台，全国有20多个矿物局使用国产或进口刨煤机，积累了大量实践经验，有的矿取得了较好的成果。进入90年代以后，我国刨煤机采煤技术未能得以更广泛的应用，原因是多方面的，有设备性能的问题，有薄煤层开采投入多产出少的的因素，也有对刨煤机采煤技术研究不够的原因。总的来说，我国刨煤机的研制工作开始于60年代，到70年代进入一个小高潮。主要机型为MBJ-1型和MBJ-2A型脱钩刨，70年代末到80年代刨煤机时常一直处于低谷。80年代末到90年代中期又陆续研制了型脱钩刨和型滑行刨，其最大功率仅为，速度为0.786m/s，仍然在低水平上徘徊，不能满足煤矿用户的要求。目前国产刨煤机还只能刨削软煤层及中硬度下煤层，而国外先进国家的刨煤机已能刨削硬煤层，甚至极硬煤层，极大地提高了刨煤机的适用范围。德国在80年代初，快速刨煤机的比例已占刨煤机总数的50%，发展到现在，快速刨煤机以基本取代了慢速刨煤机。而在我国，刨煤机功率小，速度慢，仍是普遍存在的问题。我国的刨煤机行业虽然也在发展，但速度较慢，并且在可靠性、耐久性、无事故运行时间、整机性能方面均与外国先进水平有较大差距，尤其是在人工监测方面。1.4 制约我国刨煤机发展主要因素（1）科研滞后造成我国刨煤机产品更新换代周期长，新产品开发时间长，关键元部件的攻关迟迟得不到解决，远远满足不了生产用户的需要，致使一些煤矿用户不得不花巨额外汇去进口国外的刨煤机产品。（2）国产刨煤机的功率小、刨速低，对地质条件的适应性差，关键零、部件的可靠性差，处于一个较低的技术水平上，从而造成工作中事故率高，影响正常生产。（3）对煤层的可刨性判断不准确导致使用效果不良。煤层能否使用刨煤机，除了该煤层的顶板条件外，还有一个重要因素就是刨削阻力的大小。对此项目，各国都有自己的判定标准，如德国采用单元刨削力指标，前苏联和波兰采用单位长度刨削力指标等，都是针对本国煤层的特性及其在刨削过程中的获得的大量数据归纳整理而成的。而我国则从未进行这方面的工作，而是将煤层的硬度系数值（即普氏系数发f值）作为煤层的可刨性指标。由于f值本身准确度较低，离散度较大，而且f值与可刨性指标本来就不相等，可刨性的内容比f值要多的多，它包括煤层层理、节理的影响，发育程度等。（4）工作面上、下顺槽断面的制约。目前国外顺槽断面基本上在，且机头、机尾传动装置大部分放置在顺槽内。而我国的薄煤层工作面为了节约巷道的掘进费用，工作面的上下顺槽断面尺寸一般均较小，其断面仅为。因此刨头的机头、机尾传动部就不能放置在顺槽内，而占据了工作面端头的空间，工作面两端就必须人工开缺口。这不但增加了人工作业的工作量。而且使两端头顶板空顶面积增大，不利于顶板的支护与管理。1.5 刨煤机行业在国内发展需要解决的问题我国的刨煤机要想赶上国外领先水平，必须要考虑解决以下问题。1）迅速制定我国的煤层可刨性指标，开展全国煤层可刨性普查。对煤层的可刨性判别是影响正确选用刨煤机的重要因素。因此必须尽快建立新的可刨性指标来取代现在的以煤层硬度发f来判别煤层的可刨性，以减少选型上造成的失误。2）改善整机性能，提高刨煤机的适应能力。功率和速度是衡量刨煤机整机性能的重要指标，因此要提高我国刨煤机的整机性能指标，就需要在这两方面下功夫。同时还必须加快对井下工作面的工矿监测系统的研制。刨煤机的工况监测系统主要包括有运行工况系统、性能监测和延误工况分析等。它利用在刨煤机上有关部位安装的种中不同用途的传感器所发生的不同信号。3）提高元部件的可靠性。(a)减速器 刨煤机减速器的发展方向是大功率、小尺寸、重量轻、寿命长。减速器目前要解决两个问题：一是增加强度、提高使用寿命。为了满足与电动机匹配时承受的刚性连接所带来的冲击负荷和提高无故障运行时间，要求提高其传动件的强度和寿命。二是增加功率、减小体积。（b）刨刀 刨刀是刨煤机的关键零、部件之一。必须花大力气从材料、焊接及热处理工艺上进行深入的研究试验，提高其强度和使用寿命。（c）刨链和连接环 刨链是拖动刨头往复刨煤的关键元件。其破断强度和疲劳寿命是考核其性能的两大主要指标。造成失效的主要影响因素：选材不合理、材质成分不稳定、几何尺寸误差大、焊接质量差、热处理不当、链轮啮合不良等，为了提高它的可靠性，必须对以上各环节进行逐一攻关。接链环是连接刨链的重要零件，也是刨链中的薄弱环节之一。目前国内生产的接链环强度低，疲劳寿命达不到要求，其强度尚不足圆环链的9o。而英国帕森斯公司生产的接链环强度已达到与圆环链等强度。(d)电控装置 提高刨速的关键是要解决电控装置的可靠性。国外刨煤机的先进之处也在于其电控装置的先进与可靠。在电子技术、测控技术高速发展的今天，解决这类问题应该是完全可能的。2 刨煤机传动系统设计刨煤机的主要技术参数如下：装机功率适应煤层厚度0.71.5m适应煤层硬度适应煤层倾角供电电压 1140v刨速 1.5/0.75/m/s刨链规格 _30mm*108mmC刨链破断负荷30*108梯齿接链环破断负荷刨头外型尺寸（长*宽*高）2350*740*（6001500）mm刨煤机由刨煤、运煤、推进和电器控制四部分组成；其辅助装置有缓冲、通讯、信号、照明、防尘等装置。刨煤部分是刨煤机的主要工作机构，是区别于其它采煤机械的重要技术特征。它由装有各种刀具刨削煤壁的刨头，牵引刨头的刨链，导护链装置和带动刨链的动力传动装置电机、减速器、偶合器等组成。刨煤机的传动装置通过电动机、减速器驱动刨链链轮带动刨头，所有型号的刨煤机驱动装置结构大致相同，只是在减速箱形式、传动比和刨链链轮的保护机构等方面有所不同。本设计选用目前最常用的滚刀机械驱动方式，它有电动机、联轴器和齿轮减速器组成。这种驱动装置结构简单、过载能力大，对电器控制无特殊要求，但是这中驱动装置体积较大，不易变速。另外，由于频繁正反向启动，电动机容易发热。设计时候必须得考虑到这些问题。在传动系统设计中，电动机、联轴器和减速器以及链轮都是标准件，可直接选取使用，因此只对其进行选型设计即可。2.1 机头机尾传动系统布置本设计中刨煤机为前滑行刨，滑行刨的优点有：（1） 摩擦阻力小，刨煤机的消耗多用于刨煤、装煤。（2） 刨头在滑行架导轨中移动，较稳定。（3） 适用于各种底版。（4） 宜高速运行，适用刨硬煤，也容易控制截深从发展来看，前牵引滑行刨煤机可以高速运行，有利于刨硬煤，并能有效地利用功率，因此前牵引刨煤机的发展前景很广阔。刨煤机工作面上、下切口的尺寸和开掘是影响刨煤机工作效率的一个重要问题。为了提高刨煤机的工作效率必须减少开掘切口的工作量，因此要合理布置刨煤机的机头、机尾的传动部。机头、机尾传动部的布置有四种方案。（1） 机头、机尾传动部分平行与输送机布置。其优点是结构简单，工作面上下平巷断面可小些，可减少巷道掘进工作量。其缺点是：工作面上、下切口开掘工作量大，劳动强度大，效率低，很多情况因切口进度跟不上而影响了刨煤机的推进；同时工作面出口处控顶面积大，不利于控制顶板。（2） 机头、机尾传动部分垂直于输送机布置。其优点是：可减少开掘切口的工作量，有利于提高效率。缺点是：传动部分放在工作面上、下平巷，控制顶板困难，上、下平巷采空区侧不易通风，在高瓦斯工作面，易造成瓦斯积累，不利于安全。（3） 机头、机尾传动部分混合布置。这种布置方式是在工作面前进方向将机头、机尾的传动部分放在工作面的上、下平巷内垂直于输送机布置，在采空区内将机头、机尾传动部分置于工作面控顶区内平行与输送机布置。其优点是：在工作面前进方向侧的传动部分放在上、下平巷中，减少了开切口的工作量，而采空区侧的传动部分平行于输送机，则减少了采空区的控顶面积，有利于顶板控制和行人安全。（4） 机头、机尾传动部分一侧布置。这中布置方式是将刨煤机的传动部分均布置在采空侧。前牵引滑行刨煤机刨头牵引传动部分需跨过输送机的机头部，结构较复杂，要求 强度高；但是这重布置方式可以极大地减少切口面积，有利于刨煤机的推进，但增加采空区侧顶板控制和两个传动部分之间的管理难度。从现场的是使用角度看，混合布置方式较好，既能减少切口的面积，又易管理。因此本设计中采用传动部分混合布置。2.2 链轮选择设计刨头是刨煤机工作的执行机构，动力传动装置电机、减速器、偶合器带动刨链牵动刨头完成刨煤过程。牵引链链轮与减速器的输出轴相连，链轮工作时，圆环链饶上链轮后，平环和立环一一相间，平环位于链轮的窝槽内，立环位于链轮的环槽中，但其下面不接触立环槽底，窝槽圆弧推平环的一端实现传动。本设计中链轮垂直布置，链轮垂直布置，吐链方便，链子垂直也也可以帮助吐链，为了改善链的受力状态，也装有紧链装置。链轮的几何形状 比较复杂，其形状和制造质量对于链环和链轮的啮合影响很大。链轮形状设计的不好，就会啃伤链环，加剧链轮与链环的磨损或者链环不能与链正确啮合而掉链。因为链轮是标准件其与链环相互配合，所以可直接根据链环的尺寸从表中直接选择使用链轮本设计中已知刨链规格：直接查取链轮的基本尺寸如下：表2-1 链轮基本尺寸Tab.2-1 basic dimensions of the Sprocket圆环尺寸 链轮 齿数 7 418.13 508 182.51 76.49 50.25 302307 15 52 302307 40 115节圆直径顶圆直径平环底至链轮中心距离齿圆弧半径，齿形圆弧中心坐标 齿根圆弧半径平环窝槽圆弧半径立环槽根圆半径立环槽宽度W齿肩宽度链轮宽度应比链环外宽宽些，以保证链轮窝槽与平环相配合，并且链轮齿受到很的的弯曲载荷，保证链轮轮齿有足够的强度。已知链外宽为99，取链轮宽度为：链轮为锻造加工，链轮表面应淬火，齿形部分进行电解加工或模锻，这样可以大大提高链轮的使用寿命。2.3 传动链保护装置设计该设计中刨煤机驱动装置采用电动机、联轴器和减速器组成的机械传动装置。对于这种驱动方式，电动机通过联轴器传递给牵引链的最大牵引力大于牵引链的疲劳强度极限，因此在驱动装置和牵引链之间应设有保护装置，以保护牵引链不被拉断。1-链轮2减速器3剪切销图2-1 剪切销过载保护装置Fig.2-1 Shear pin overload protection device如图所示，在牵引链的链轮1和减速器2之间装有剪切销3，当作用于牵引链上的负荷大于牵引链的疲劳强度极限时，剪切削被剪断。此后虽然驱动装置仍在工作，但链轮却停止转动，实现了保护牵引链的目的。已知刨链破断负荷为；30*108梯齿接链环破断负荷为。销材料选用45钢，许用切应力为剪切强度极限为360MP，为了使链轮传动平稳，使用两个剪切销并且剪切销对称布置在链轮的链轮的直径上。按剪断条件，切应力应超过剪切强度极限。 （21） （22）查选取B型圆柱销，去，长度，材料为45钢，热处理硬度为HRC3846。剪切销套用45钢，热处理后硬度达到4550HRC。2.4 电动机选型由链轮的选择，可计算出链轮的转速即减速器输出轴的转速。 （23） 类比滚筒式采煤机电动机功率的取值方法，刨煤机电动机功率可按刨煤机装机功率的60%取。 （24） 考虑到本设计中电动机的工作环境，必须保证电动机在满足刨头工作的前提下在矿井中安全可靠地运行，考虑到矿井中瓦斯等爆炸性气体的存在，整个电机必须严密封闭，电动机外壳选用防爆式结构。本设计中供电电压为1140V，查中国机电产品目录（国家机电工业出版社）和运输机械设计选用手册（化学工业出版社）选择电动机型号。初选电动机型号为电动机，电动机主要参数如下。表2-2 主要参数Tab.2-2 The main parameters of 功率 电流 转速 效率 功率因数 噪声 堵转电流 堵转转矩 最大转矩KW A r/min % db 110 197.3 1480 94.5 89 93 7.0 2.1 2.4 其外型尺寸查运输机械设计选用手册（化学工业出版社）电动机篇可查得。表2-3 主要外形尺寸Tab.2-3 The main dimensions of 机座号 A AA AB AC AD B BB C D E F G GDY315S 508 120 744 645 576 406 610 457 660 216 65m6 141 各尺寸主要意义，可直接从书中查得，在这里不再赘述了。考虑到刨煤机的工作空间，传动系统设计尽量紧凑、体积小，以便节省空间。因此电动机外型尺寸在满足工作要求的前提下，其长宽高尺寸等参数尽量取小化。2.5 联轴器的选型计算 电动机输出轴通过联轴器传递转矩与减速器相连，下面对联轴器进行选型。 由已选电动机可知，电动机额定转速为1480r/min，最大转矩为2400，电动机输出轴直径为65。由于梅花型弹性联轴器零件数量少，外型尺寸小，弹性元件易制造，适用于中小功率传动，本设计中选用梅花型弹性联轴器。按标准国标GB 527285梅花型弹性联轴器选用联轴器型号。选用ML8型梅花联轴器. 2.6 减速器选型2.6.1 减速器的选型计算根据已选电动机可知，电动机额定转速。可知减速器输入轴即高速轴转速为民n为，有前面链轮的选择计算可知链轮的参数。减速箱速比的计算： （25） 传动比 （26）节矩， 链轮齿数，=7 电动机转速 =1480，链轮节圆直径 =0.418，刨煤机刨速 =1.5所以21.6取速器的公称传动比为22.4。根据减速器输入转速为1480，输出转速为68.5，取公称输入转速为，公称输出转速为，由电动机输出功率为110KW,取减速器名义中心距。查表选用DCY型减速器,其外型尺寸如下表:表2-3 DCY型减速器外型尺寸Tab. 2-3 The size of Reducer appearance A B C E F G S H h200 50 110 55 110 120 210 905 970 325 400 340 100 55 702 315-M N P R K T 230 6-27 45 200 355 880 14 53.5 16 59 32 12 72.6.2 减速器低速轴外伸段直径的计算及校核取联轴器的效率为,齿轮啮合效率为(齿轮精度为8级).0轴:0轴即电动机轴轴:轴既减速器高速轴(圆锥齿轮所在的轴) （27）轴: 轴即减速器与圆锥齿轮啮合的齿轮所在的轴 （28）III轴: III轴即减速器中间齿轮所在的轴 （29）IV轴: IV轴:即减速器的低速轴 （210）计算链轮所在的轴即减速器低速轴的直径. （211） 与轴的材料有关的许用扭剪应力系数，此取=110 P轴传递的功率，P=99.3KW轴的转速，=68.5 （212）取，又减速器输出轴直径为120，因此取剪切削套厚度为15。有以上可知，所选减诉器的输出轴直径120，与实际按链轮计算的轴的直径135，再考虑剪切套的厚度，能满足要求。 链轮与减速器输出轴为键连接。根据轴的直径直接选取键。选用键型号为，。3 刨头缓冲装置设计 刨煤机是一种靠带有刀齿的刨头沿工作面作横向运动切割煤炭并把煤炭装入工作面输送机的采煤机械。为使刨刀安全有效地运行，当刨头行至工作端面时，应及时、准确、平稳、可靠地使刨头停住。虽然目前在电磁感应方面做了很多工作，就位置准确性而言，采用缓冲装置并使之完善仍是一项很有价值的工作。因为刨头沿着滑架做往返运动，因此在工作面的两头各有一个缓冲装置。两个缓冲装置的设计是一样的。刨煤机传动部简图见图3-1，1为电动机，2为联轴器，3为减速器，4为链轮，5为刨头，6为急停缓冲装置。当刨头沿着滑架运行到工作端面时，电动机电源首先被切断，当若出现故障时，电动机不能立即断电，则必须作出反应，强制断电，使刨头与缓冲装置碰撞，缓冲装置吸收刨头剩余的动能。1-电动机2-联轴器3-减速器4-链轮5-刨头6-缓冲装置图31 传动部简图 Fig. 3-1 The sketch of transmission3.1 缓冲装置方案方案：气动缓冲装置气动缓冲装置结构简图32。图32 气动缓冲装置Fig.3-2 The pneumatic buffer气动缓冲装置实际上是对一个单作用气压缸的改进。如图所示，活塞腔内预先充入具有一定压强的空气，活塞杆端头为碰撞头，刨头碰撞时与碰撞头接触撞击。在初始状态，即刨刀没有和缓冲装置碰撞头发生碰撞时，活塞位于缸体左端。当刨头与碰撞头发生碰撞时，刨头首先离开缸体左端面并压缩气体，气体产生一个阻止活塞运动的力，力传递给刨头并阻碍刨头运动，在合力作用下，最终刨头停止运动，从而起到了缓冲作用。本文利用气压传动的原理设计一个缓冲装置。气动技术有以下优点：（1） 安装维护简单。（2） 工作介质是空气，排气处理简单，不污染环境，成本低，使用安全。（3） 动作速度快。（4） 可靠性高，使用寿命长。（5） 全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。3.2 刨头刨削阻力计算在切断电源后，刨头由于惯性作用继续沿滑架移动，此时刨头受到的总阻力为刨头阻力。刨头阻力的计算公式为：=+ （3-1） 式中：刨头刨削阻力 刨头装煤阻力 刨头摩擦阻力刨头的外型尺寸（长*宽*高）2350*740*（6001500），刨头重量按2计算，最大刨深为。3.3 刨头长度的确定刨头的长度应由每节输送机中部槽的长度以及牵引系统（刨头牵引部）的长度来确定。假设输送机中部槽的长度为，考虑到刨头稳定性和为了减小摩擦阻力，以及刨头运行中可能被输送机溜槽卡住，通常刨头的长度应该在与2之间。现取2.170m。3.4 刨头宽度的确定刨头宽度，应该由输送机滑架宽度以及刨刀排列外形来确定，此外刨头的宽度还应该考虑到刨头的稳定性。参照刨煤机设计，选择刨头宽度为700mm。3.5 刨头高度的确定此高度是能适应最大和最小煤层厚度的刨头高度。对于具体的刨煤机工作面，应该根据工作面的实际采高，通过增加加高块的数量来达到刨头的工作高度。根据我国煤层厚度，采高要求0.81.2m和用户需求，选定刨头高度为1.5m。3.6 刨刀间距t的确定两刨刀间的距离（即截距也叫刨刀排距），应保证两刨刀间不留下煤脊（煤槽），即必须把煤刨落下来。对于各种不同的刨深，刨刀间距取各种刨深下间距的平均值。刨刀的排列方式不同，其间距也不同。下面分别介绍两种不同排列方式和其所对应的刨刀间距。a.刨刀的排列方式刨刀的排列方式见图33。b.刨刀的排列方式对刨刀、刨头受力有很大影响。此外，刨刀的排列方式决定着刨头的装煤效果。直线式直线式排列是指所有刨刀的轴线相互平行，都平行于底板。刨刀之间距离相等，相邻刨刀都在同一直线上。这种布置方式刨刀受力均匀，能耗比较低。阶梯式阶梯式排列是指相邻刨刀轴线相互平行，在同一斜面上呈阶梯状，下排刨刀比上排刨刀超前，每把刨刀都受煤壁向下的侧向力。这种排列方式使刨头不易飘刀，刨头的重心较低，稳定性较好。比直线式排列的能耗高约17%。混合式混合式排列是指刨头上的刨刀一部分按直线排列，一部分按阶梯式排列。刨刀阶梯排列的角度建议取5565。图3-3 刨刀的排列方式Fig.3-3 The Arrangement of planning toolc.线性排列刨刀的间距：线性排列刨刀的间距按下式计算。 （3-2） 刨深，cm；刨刀刨削部分的计算宽度，cm；刨槽的宽度系数，对于韧性煤取0.85，脆性煤取1.0，特别脆的煤取1.15。直线排列刨刀的刀间距一般不该超过11 cm，而顶部和底部刨刀刀间距应取最小值，但不应小于5 cm。.刨头最大高度的截线数： （3-3） 刨头的最大截线数。由于刨刀的个数与刨刀的截线数相等，因此计算得到最大截线数后，就可以确定刨头在最小和最大高度时所对应的某一侧的刨刀数量。把计算得到的最大截线数数值圆整，用圆整的截线数，按下式计算中部刨刀的间距 （3-4）在设计刨刀间距的时候，考虑到煤层性质有所变化，应该取稍微较小一点的刀间距。另外，刀间距对刨头的稳定性有影响，因此，刀间距的取值要考虑如何使刨头的高度较合理。本设计中选用17把刨刀。三把顶刀，三把底刀，八把直线排列刀，三把梯形排列刀。3.7 平均刨削阻力刨削阻力是刨刀在刨削煤壁过程中所受的主要阻力，它对刨刀和刨头受力影响很大，是刨煤机设计过程中必须考虑的一个非常重要的因素。平均刨削阻力按式（35）计算： (35)式中：单个锐利刨刀所受的刨削阻力，N；刨削阻抗系数，通常情况下，0.380.44，抗截强度较大时取较小值单个锐利刨刀所受的煤壁挤压力，N其中：线形和阶梯形排列的刨刀和顶部、底部刨刀所受的刨削阻力按式(36)计算： (36)式中：A煤层非地压影响区的截割阻抗（即煤层抗截强度），N/cm刨刀刨削部分的计算宽度，cm刨槽宽度，cm；外露自由表面系数截角的影响系数刨刀前刃面形状系数刨刀排列方式系数地压系数考虑煤的脆塑性的系数截槽侧面崩落角，()刨刀相对刨头牵引方向的安装角度，()对于直线排列刨刀，外露自由表面系数按式（37）计算。 （37）a)刨刀前刃面形状系数，对于线性排列，；对于阶梯排列，。(b)地压系数，韧性煤的，脆性煤为0.5，特别脆的煤为0.38。(c)系数，对于韧性煤为0.85，对于脆性煤1.0，而对于特别脆的煤为1.15。3.8 单个锐利刨刀所受的煤壁平均挤压力 (38)式中： (39)单个锐利刨刀所受的挤压力，N；锐利刨刀上挤压力与刨削力的比值，对于韧性煤取0.45，脆性煤取为0.4，特别脆的煤取0.35；当A250kN/m时为0.75。3.9刨头所受煤壁刨削阻力刨头的刨削阻力应是刨头中心线一侧所有刨刀刨削阻力的合力。刨头刨削阻力按下式计算。 （310）式中：刨头底部刨刀所受的平均刨削阻力，N超前刨刀所受的平均刨削阻力，N掏槽刨刀所受的平均刨削阻力，N刨头顶部刨刀所受的平均刨削阻力，N工作在直线式和阶梯式刨刀所受的平均刨削阻力，N各种刨刀所对应的数量刨刀同时工作系数4.计算过程及结果单个锐利刨刀所受的刨削阻力： (41)对于顶刀： (42)对于底刀： =330.7N (43)对于直线排列的刀： (4-4) 梯形排列的刀： (45) (46)单个锐利刨刀所受的煤壁平均挤压力及刨刀受到的刨削阻力 (47)顶刀： (48) (49)同理底刀：直线排列刀：阶梯排列刀：所以本设计中刨头总刨削阻力为： (410)4.1 装煤阻力的计算刨头沿工作面移动的初期，在刨头前面形成一个移动的煤堆（拉延体），这个由刨头装煤斜面沿刨头工作面聚集起来的煤堆是一个不断膨大的物体。煤堆在刨头前面一直移动，直到输送机装煤斜面、刨头装煤斜面、煤壁和底板把煤堆抬高到装载高度，并装入工作面输送机为止。在稳态工况下，煤堆不发生移动，而是不断地由新破落的煤和处在煤堆移动路程上的煤生成。拉延体的形成是刨头装载的必要条件，而拉延体的形成、大小和其移动所消耗的力，取决于刨头装载斜面的相关参数、煤的粒度、成分和湿度等因素。设力F是作用于煤体使其沿装载表面移动的力，该力是拉延体的移动力，并与装载表面法线方向成角。 （411）或 （412）或 （413）式中：刨头装煤斜面与煤层底板之间的夹角摩擦角煤堆沿刨头装载斜面的滑动摩擦系数煤堆可能开始沿装载表面移动的角，称为临界角。其值按下式计 （414） 若刨头装载表面的倾斜角大于临界角，则在刨头装载斜面前形成密实的煤堆，它沿自身的装载表面，按照煤与煤的摩擦系数移动。这时，因为煤与煤的摩擦系数比煤与钢的摩擦系数大，是其的倍，所以，移动煤堆所需的力将增加。此外，由于刨头装载表面向前移动时，停滞区滑移使装载力增加。当刨头装载斜面装煤时，在1区域中煤从底板上升到装载高度，而在2区域中，煤将由工作面向输送机移动。刨头装煤表面需要克服煤堆的阻力，取决于作用在刨头装载斜面的各分力之和。如图41所示。图41刨头装载分力示意图Fig4-1.the loading component force schematic diagram of plow head1）刨头装载表面插入煤堆中所需要的力按下式计算。N （415）或 （416）式中：刨头装载表面的宽度，在此取；刨头装载斜面单位宽度上的插入力，N/cm；对于煤堆，k20003000N/m。2）煤堆从刨头装载斜面移动到装载高度所需的力。 （417）式中：刨头装载斜面的倾斜角度；实践证明，比较合理，此处取位于刨头装载斜面上且低于装载高度煤堆的重力，N。 （418）式中：煤与刨头装载斜面的摩擦系数；由上述两式可以得出： （419） （420）式中：煤层的密度，kg/g重力加速度，m/s最大刨深，m煤层的最低高度，m刨头装载表面的高度，m刨头的最低高度（刨头基体的高度），m本设计中： （421） （422） （423） （424）3）提升煤堆的力是用于克服2区域中煤堆阻力和1区域中煤堆沿装载表面提升的力，按下式计算。 （425） （426）由以上两式可得： （427）式中：位于装载表面且超过装载高度部分煤堆的重力，N；刨头装载斜面高位处的倾角。实践证明：时比较合适。 （428）式中：煤的自然安息角；对于湿煤35，干煤50。输送机装煤斜面与煤层底板形成的角度。注意：计算煤向输送机移动的力时，要考虑煤与刨头装载斜面的摩擦力和煤与煤间的摩擦力。（429） （430）4）煤堆被移动到输送机上所需的力 （431）式中：向输送机移动煤堆的重力，N；工作方式影响系数；对低速刨煤取1.0，高速刨煤取1.1；煤与煤之间的摩擦系数。 （432）刨头推动煤堆时，一方面对煤堆进行提升，另一方面煤堆内部沿平面I-I还发生滑动，形成了“挤出楔”，增大了刨头的阻力。本设计中： （433） （434）5）克服煤堆中的内摩擦力 （435）式中：煤堆的抗截强度，Mpa；平面I-I与煤层之间的夹角，与的关系见表4-1；对于湿煤，干煤0.0274。煤堆的内摩擦系数；对于湿煤0.5，干煤0.85刨头前面的煤堆高度，m。 （436）表4.1与的关系表4-1 与的关系Tab.3-1 The realations betweenand 本设计中：由以上五式可得，刨头装载表面总的装载力: （437）4.2 刨头摩擦力的计算刨头摩擦力T按式（341）计算。 （.438）式中：煤壁侧向力产生的摩擦力,KN；刨头重量产生的摩擦力,KN；刨链拉力产生的摩擦力,KN。 （439）式中：刨头所受煤壁的总挤压力，KN；刨头与底板间的摩擦系数。先计算。刨头所受煤壁侧向力刨头所受煤壁侧向力，实际是煤壁沿顶底板对刨头的作用力。按下式计算。 （440）式中：刨头底部刨刀所受的侧向力，N刨头顶部刨刀所受的平均侧向力，N工作在阶梯式刨刀所受的平均侧向力，N超前刨刀所受的平均刨削阻力，N掏槽刨刀所受的平均刨削阻力，N各种刨刀所对应的数量刨刀同时工作系数 单个刨刀所受煤壁的平均侧向力力 （441）式中：考虑刨刀在刨削图中位置对力影响的系数，取值如下：在线排列刨削图中的线排列刨刀，0；在阶梯排列刨削图中的下排列刨刀，1；上端刨刀（2545）1.3；下端刨刀（2030），1.5；刨削深度（刨削厚度）对侧向力的影响系数，当h=0.03m时，取为 1.5；h=0.04m时为1.2；h=0.05m时为1.0。利用较大深计算时，应取1.0。地压系数，韧性煤的；脆性煤为0.5；特别脆的煤为0.38。本设计中：阶梯排列刨刀：=758.8N （442）直线排列刨刀：顶部刨刀：=986.0N （443）底部刨刀：所以=8645.4N （444）式中：刨头和滑架间的摩擦系数，0.3；-刨头质量。 （445）=6000N （446） 本设计中只考虑电动机断电后刨煤机的受力情况，因此对刨链拉力产生的摩擦力，这里不做计算。因为在电动机断电后，刨头不再受刨链的拉力作用。所以在电动机断电后，刨头受到的摩擦力T。T=5880+2593.6=8473.6N （447）根据上述公式=+计算刨头阻力为：T=4500.+1848.7+5880=14229.4N （448）4.3 缓冲装置的设计4.3.1 缓冲装置的工作原理缓冲装置的工作原理：预先在气刚内冲入一定压强的气体。正常情况下，刨头在运行到离工作端面一定距离时候，在传感装置的作用下，刨煤机停车，使刨头正常静止下来，然后继续下一个工作行程。但是若传感装置失效，刨煤机仍继续运行，这样若不制止的话，刨煤机与工作端头传动装置相撞，势必会发生事故。因此在传感装置失效后，务必经过一个反映时间，使刨头与缓冲装置相碰。 在碰撞开始的瞬间，活塞杆在活塞腔气体压强的作用下给刨头一个阻碍其运动的力，刨头在自身阻力及气体压强的作用下最终停止下来。在缓冲的过程中，活塞压缩活塞腔，活塞腔内气体压强势必会增大，这样若不能给活塞腔减压的话，会对气缸缸体产生一个很大的膨胀压强，而且对气缸的密封也产生一定的压力。因此，在活塞腔端装有一个安全阀，当活塞腔内压强大过一定值时候，气体从安全阀排出。在活塞运行到极限位置，即刨头停下来的位置时候。安全阀排气直到恢复到原有气体压强状态。当刨头继续下个工作行程的时候，活塞腔内气体压强大于活塞杆腔气体压强。活塞杆伸出，与此同时，活塞腔内压强减小。同时活塞腔内按有一个单向阀，单向阀与一个气压表、气泵等组成的气动回路相连，当活塞腔内压强小到某一定值时，气泵向活塞腔内冲入压缩气体，当达到一定压强时候，停止冲气。活塞杆最终伸出，又回到原工作位置。 本文所设计的缓冲装置实际是对气缸的的改动。因此可按设计气缸的方法来设计缓冲装置。在电动机断电后，刨头在阻力的作用下做减速运动（可以看作是匀减速运动），此时，刨头加速度为。= （449） 方向与刨头运动方向相反。设刨头在该力作用下停止运行的时间为，刨头的位移为。 （450） （451） 正常的情况下,在离工作端面0.16时，传感器起作用，使电动机断电，刨头在刨头阻力作用下运行0.0245后，正好在工作端面停下来。如果传感装置失效，电动机继续工作，刨头仍以原来速度继续滑行，若不及时使电动机断电，刨头在运行到工作端面时则不会停止，容易导致事故的发生。因此有必要设计一个缓冲装置，置于工作面端头。当传感器失效后，必须立刻做出反应，强制使电动机断电，刨头与缓冲装置相碰，缓冲装置吸收刨头剩余的动能。对传动装置的要求：（1）缓冲时间短（2）体积小（3）安全可靠寿命长。4.3.2 气缸作用力传感器失效后，过0.1（此时刨头位于工作端面处），强制电动机断电。则刨头与缓冲装置发生作用，相碰时，刨头速度为。缓冲时间很短，不超过0.5（不考虑缓冲作用力刨头在