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部分断面掘进机工作机构设计【机+液】【任务书+开题】【8张图纸】【优秀】

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减速器装配图.exb

截割头装配图.exb

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关键词：: 部分断面断面掘进机工作机构设计任务书开题图纸

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部分断面掘进机工作机构设计

45页 23400字数+说明书+任务书+开题报告+8张CAD图纸【详情如下】

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前言1

1 掘进机综述2

1.1 巷道掘进与掘进机2

1.2 掘进机的分类2

1.2.1 根据使用范围分类3

1.2.2 根据结构特征分类3

1.3 国内外掘进机的发展现状3

2 掘进机工作机构设计7

2.1 截割头设计7

2.1.1 结构设计7

2.1.2 参数选择9

2.2 截齿的选择与截齿排列图设计13

2.2.1 扁齿的截割机理13

2.2.2 镐齿的形状特征与截割机理14

2.2.3 截齿在煤岩体中的截割参数16

2.2.4 截齿排列原则17

2.2.5 截齿排列方式18

2.2.6 截齿排列图的绘制18

2.3 截割头载荷计算18

2.3.1 主要截割参数的确定和计算19

2.3.2 截齿受力计算21

2.3.3 单位能耗计算22

2.3.4 截割头功率的计算22

2.3.5 扭矩的计算23

2.4 悬臂设计24

2.4.1 伸缩机构类型选择24

2.4.2 悬臂有关参数的确定25

2.5 悬臂支撑设计25

2.5.1 回转装置的设计要求26

2.5.2 回转装置的工作原理26

2.5.3 回转装置的布置形式27

3 工作机构传动设计28

3.1 工作机构传动的特点及动力元件的选择28

3.2 减速器设计28

3.2.1 减速器设计的要求28

3.2.2 减速器齿轮传动设计29

4 掘进机工作机构分析33

4.1 掘进机的工作过程33

4.2 掘进机截割机构分析34

5 液压系统设计36

5.1 设计依据36

5.2 掘进机液压系统37

6 技术经济分析40

7 结论41

致谢42

参考文献43

前言

随着采煤技术的发展、煤矿生产规模的扩大，我国大型煤矿井下大都开始采用全煤巷布置开采方式，此外采煤工作面的推进速度也比以往快得多，因而使得煤矿井下煤巷掘进工作量大幅度增大。对掘进机的工作效率提出了较高的要求，客观上要求掘进机的工作性能要好，掘进作业的推进速度要快。鉴于此，我们必须加大对掘进机的研究。

这次设计我研究的对象是部分断面掘进机。主要结构包括工作机构、装载机构、输送机构、行走机构和转载机构。工作机构是掘进机直接截割煤岩的装置，其结构形式、截割能力、运转情况直接影响掘进机的生产能力、掘进效率和机体的稳定性，是衡量掘进机性能的主要因素和指标。因此，工作机构的设计是掘进机设计的关键。故论文研究的主要内容是部分断面掘进机工作机构的设计。主要包括：截割头结构设计及参数的选择，截齿的选择和截齿排列图设计，截割头载荷计算，悬臂及回转工作台设计。工作机构完成之后还要拟定工作机构的传动系统，以及掘进机工作机构的液压系统设计。最后完成论文的编写及其若干图纸的绘制。

通过这次设计，我初步了解了目前国内外掘进机的研究现状，未来的发展趋势。理解了掘进机的工作原理及过程，工作机构的组成。具体完成了工作机构的设计，对掘进机的设计过程有所熟悉，初步掌握了掘进机械设计过程应遵循的原则、设计过程。对大学所学的知识进行了一次综合的运用，并且对以后的工作也起到了实践的作用。

　　　巷道掘进机主要按结构特征和使用范围进行分类[1]。

1.2.1 根据使用范围分类

　　　（1）按可截岩石的硬度分为：f>6的岩巷掘进机，f=4-6的半煤岩巷掘进机，f<6的煤巷掘进机。

　　　（2）按可掘巷道的断面分为：大于8m2的大断面掘进机，小于等于8m2的小断面掘进机。

1.2.2 根据结构特征分类

　　　（1）按工作机构的作用方式分为：全断面掘进机和部分断面掘进机（又称悬臂式）。悬臂式掘进机又根据布置方式分横轴式和纵轴式，根据伸缩方式分固定式、内伸缩式和外伸缩式，根据截割头型式分钻削式、铣盘式、滚压式和综合式。按工作机构的截割原理分液压式、截割式和冲击式。

　　　（2）按装载机构分为：铲斗式、耙爪式、环行刮板式、圆盘式和螺旋式。

　　　（3）按行走机构分为：履带式、迈步式和轮胎式。

　　　（4）按转运机构的输送机构分为：履带式和刮板式。转载机构分桥式、拖挂式和组合式。

　　　（5）按喷雾系统分为：内喷雾、外喷雾和内外喷雾。

　　　（6）按液压系统分为：油泵-油缸和油泵-油缸油马达。

　　　（7）按电控系统分为：手动控制、载波控制和无线电遥控。

　　　悬臂式工作机构，根据截割头的布置方式又可分为横轴式和纵轴式两种。横轴式截割头的旋转轴与悬臂主轴垂直，纵轴式截割头的旋转轴与悬臂主轴同轴。　　　掘进机主要由工作机构、装运机构、行走机构、转载机构、液压系统、喷雾降尘系统和电气系统等部分组成。

　　　而工作机构是掘进机直接截割煤岩的装置，其结构型式、截割能力、运转情况直接影响掘进机的生产能力、掘进效率和机体的稳定性，是衡量掘进机性能的主要因素和指标。因此，工作机构的设计是掘进机设计的关键。

　　　本次设计主要完成的就是部分断面掘进机工作机构的设计，已知的参数有：掘进机工作的煤岩特性是f=4-6的半煤岩，截割头的截割速度为。

2.1 截割头设计

　　　截割头是掘进机的工作机构，主要功能是破碎和分离煤岩。通过对煤岩切割过程得知，影响切割效果的因素很多，从而使得截割头设计变的复杂和困难。在截割头的每一转中，如同时参加切削的各个截齿都从岩石中切下同样大小体积的煤岩，达到每个刀齿受力相等、磨损相同、运动平稳，这是截割头设计的最佳目标。

　　　影响截割头设计的主要因素有：

　　　（1）煤岩特性参数，包括硬度、抗拉和抗压强度、腐蚀性等；

　　　（2）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；

　　　（3）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。

　　　截割头设计的要求是：各截齿负荷均匀，截割平稳、振动小；截割比能耗低、截齿消耗少；截割效率高、产生粉尘量小。

2.1.1 结构设计

　　　本次设计截割头的布置形式选为纵轴式。纵轴式掘进机截割头是由头体、螺旋叶片、齿座和截齿组成的。螺旋叶片焊在截割头的头体上，沿螺旋线并按截线间距排列齿座和截齿。

　　　截割头的形状通常有圆柱形、圆锥形、圆锥圆柱形几种[1]，如（图2-1）所示。

　　　如果采用圆柱形截割头，摆动截割时截齿受力较好，截割头轴向载荷小，但会将顶底板截成锯齿形，如（图2-2a）所示。这样给支护工作带来困难，巷道坡度也不易保证，掘

进机工作后尚需人工辅助铲平顶、底板，降低了生产率。而且，在掘进过程中，主要是由截割头前端靠近煤壁表面的几个截齿工作。为了使柱形截割头形成扩散形的钻孔轮廓，并

内容简介：: 题目：部分断面掘进机工作机构设计主要内容：首先介绍掘进机的分类及组成及国内外发展现状。其次主要完成部分断面掘进机工作机构的设计。设计的已知参数：被切割煤岩的特性是f=4-6的半煤岩巷，截割头的截割速度为。依据此参数完成截割头的结构设计、运动学和动力学参数的计算、截齿的选择和截齿排列图的设计。悬臂及回转装置的设计。还包括工作机构传动系统的拟订及液压系统的设计。最后以此组成二万字的论文和绘制2.5张A0图纸。研究进度：5周：查阅相关资料，初步了解课题，了解掘进机的发展现状，完成开题报告。67周：深入研究课题，明确设计任务，完成截割头的结构设计，并绘制相关草图。810周：工作机构运动学和动力学参数的计算，悬臂及回转装置设计。1012周：传动系统及液压系统设计。1315周：整理文稿，初步完成论文的编排。绘制工作机构简图，截割头简图等图。1617周：检查整理，送交老师审查，修改并完成论文和图纸的输出。18周：认真复习，准备答辩。时间安排阶段性工作重点完成情况第5周阅读掘进机方面的书刊，简单了解掘进机的用途、工作环境、分类。查阅近几年国内外有关掘进机方面的论文，了解我国掘进机的研究历程、现状及发展前景，国外掘进机的发展方向。完成开题报告。第6周认真阅读资料，理解掘进机的组成及各部分的工作原理。主要研究工作机构的组成及工作原理。手绘截割图草图、掘进机简图。第7周具体设计部分断面掘进机的截割头。包括截割头结构设计，根据已知参数计算选择出截割头参数。老师讲解了参数选择时应注意的问题及锥角和螺旋头数的选取。第8周运动学和动力学参数的计算。截割深度和截割厚度的选取，切屑厚度及截割阻力的计算。老师讲解了截割力矩、扭矩、截割力的计算。第9周截齿的选择，截齿的排列原则，截齿排列图的绘制。由老师答疑讲解了截齿排列图的绘制，截线距的选取，齿尖位置的确定。第10周悬臂工作机构和回转装置的设计。伸缩装置的选择，伸缩量的选取。回转装置的设计要求及工作原理。中文题目：部分断面掘进机工作机构设计外文题目：WORKING MECHANISM DESIGN OF THE SELECTIVE ROADHEADER毕业设计（论文）共55页（其中：外文文献及译文12页）图纸共8张完成日期：2006年6月答辩日期：2006年月摘要采煤技术迅速发展，煤矿生产规模日益扩大，对巷道掘进提出了新的要求，我们必须加大对掘进机的研究，才能满足生产要求。本文介绍了掘进机的分类，以及国内外发展趋势。工作机构是掘进机直接截割煤岩的装置，我主要对其进行了研究。本次设计是根据煤岩的特性出发，采用类比的方法，首先确定截割头的长度和直径。考虑到单位能耗和截割效率的关系，合理确定截线间的距离和切屑厚度。再根据单位能耗法确定截割头的功率，并且要保证截割力的大小一定要大于截割阻力。截割头的结构设计和截齿的排列则是要保证工作平稳、负荷均匀、振动小，易于钻进。最后完成悬臂和回转装置的设计。本次设计的部分断面掘进机工作机构适合于半煤岩巷道的掘进。关键词：掘进机；截割头；截齿排列；回转装置AbstractThe mining coal technology develops rapidly and the coal mine production expands day by day, so we must research something more about the roadheader which can fit for the production requirement.This article introduced the roadheader classification, as well as the domestic and foreign development tendency. The working mechanism is the roadheader directly cut mineral installment, we have mainly conducted the research to it. According to the coal crag characteristic at present, the roadheader design uses the analogy way. First, I should determination the length and diameter of the cutting head. Considering the unit energy consumption and the cutting efficiency relations, we should be make sure of the distance between helix line and the thickness of chip reasonably . Then we must confirm the cutting head of power according to the unit energy consumption and guarantee that the cutting strength must be larger than the cutting resistance. The structural design of the cutting head and the truncation tooth arrangement must work steadily, be driven with the average load, shake slightly, and be easy to be drilled in. Finally we complete the design of the bracket and the turning accessory. So the working mechanism of the selective roadheader designed can adjust to the cutting in the soft coal and rock.Keywords: roadheader; cutting head; arrangement of the bit; turning mechanismI目录前言11 掘进机综述21.1 巷道掘进与掘进机21.2 掘进机的分类21.2.1 根据使用范围分类31.2.2 根据结构特征分类31.3 国内外掘进机的发展现状32 掘进机工作机构设计72.1 截割头设计72.1.1 结构设计72.1.2 参数选择92.2 截齿的选择与截齿排列图设计132.2.1 扁齿的截割机理132.2.2 镐齿的形状特征与截割机理142.2.3 截齿在煤岩体中的截割参数162.2.4 截齿排列原则172.2.5 截齿排列方式182.2.6 截齿排列图的绘制182.3 截割头载荷计算182.3.1 主要截割参数的确定和计算192.3.2 截齿受力计算212.3.3 单位能耗计算222.3.4 截割头功率的计算222.3.5 扭矩的计算232.4 悬臂设计242.4.1 伸缩机构类型选择242.4.2 悬臂有关参数的确定252.5 悬臂支撑设计252.5.1 回转装置的设计要求262.5.2 回转装置的工作原理262.5.3 回转装置的布置形式273 工作机构传动设计283.1 工作机构传动的特点及动力元件的选择283.2 减速器设计283.2.1 减速器设计的要求283.2.2 减速器齿轮传动设计294 掘进机工作机构分析334.1 掘进机的工作过程334.2 掘进机截割机构分析345 液压系统设计365.1 设计依据365.2 掘进机液压系统376 技术经济分析407 结论41致谢42参考文献43附录A 译文44附录B 外文文献49 本科毕业设计（论文）开题报告题目部分断面掘进机工作机构设计指导教师院（系、部）专业班级学号姓名日期教务处印制一、选题的目的、意义和研究现状随着我国经济水平的快速发展，虽然国家积极开发利用新能源。但是工农业等很多方面对煤炭的需求量仍然是有增无减，我们国家依然把煤炭作为第一能源来使用。因此我们必须大力发展采煤技术，提高煤炭开采率以满足社会发展的需要。随着采煤技术的发展、煤矿生产规模的扩大，我国大型煤矿井下大都开始采用全煤巷布置开采方式，此外采煤工作面的推进速度也比以往快得多，因而使得煤矿井下煤巷掘进工作量大幅度增大，对掘进机的工作效率提出了较高的要求，客观上要求掘进机的工作性能要好，掘进作业的推进速度要快。另外，我国成功地开发和推广使用了煤巷锚杆支护技术，不仅提高了支护效果，还降低了巷道支护成本，同时减轻了工人劳动强度。这种支护技术不仅能适应高效掘进机的快速推进，还简化了采煤工作面端头支护和超前支护工艺，改善作业环境，保证安全生产，为采煤工作面的快速推进，实现高产高效矿井的建设提供了必不可少的技术支撑。鉴于此，我们必须加大对掘进机的研究。我国于1962年开始掘进机的研制工作,最初是仿苏联产品。八十年代与国外公司合作制造了AM-50及S100型掘进机，这两种机型现已成为国内市场主导产品。同时，国产掘进机研制步伐也在加快，先后研制出EL-90等机型。上述产品主要适用于煤巷掘进，对于硬煤及半煤岩巷道适应性差，机器振动过大，故障率高。进入九十年代后，发展重点转向半煤岩巷道掘进机。先后研制了EBJ-132等机型，机重为3650t，切割功率达160kW。但是目前我国所研发的这些掘进机仍然存在很多问题，主要表现在：(1)产品设计水平偏低：目前国内应用最多的几种机型中AM-50和S100是国外七十年代研制的产品,除切割硬度偏低之外，内喷雾系统及防碰撞装置实际上不起作用,许多电气保护工作不可靠。(2)技术引进缺少创新：我国引进技术生产的机型生产多年改进不大,尤其是不能结合我国制造、使用水平进行改进,逐渐暴露出许多缺点。(3)制造质量较差：国产掘进机在使用中普遍存在联接螺栓易松动或断裂、液压系统泄漏严重、机电保护装置易失灵以及齿座耐磨性差的现象。(4)配套设备不足：配套设备不足主要表现在支护、转载、辅助材料运输及通风除尘等方面。针对这些问题，未来我国掘进机的发展要从以下几个方面着手：(1)半煤岩巷道掘进机应推广提高，(2)机器要向重型化方向发展，(3) 采掘锚机组和连续采煤机的开发，(4) 发展多品种综掘配套设备。二、研究方案及预期结果（设计方案或论文主要研究内容、主要解决的问题、理论、方法、技术路线及论文框架等）掘进机按照截割范围分为部分断面掘进机和全断面掘进机，部分断面掘进机为截割整个工作面的煤岩，必须在断面内多次连续移动工作结构的截割头，将不同形式的截割头安装在工作机构的悬臂上，悬臂可沿工作面左右或上下摆动，这种机构称为悬臂工作机构。具有这种工作机构的掘进机又称悬臂式掘进机。根据截割头的布置方式又可分为纵轴式和横轴式两种，这里只研究纵轴式掘进机。主要结构包括截割机构、装载机构、输送机构、行走机构和转载机构。工作机构是掘进机直接截割煤岩的装置，其结构形式、截割能力、运转情况直接影响掘进机的生产能力、掘进效率和机体的稳定性，是衡量掘进机性能的主要因素和指标。因此，工作机构的设计是掘进机设计的关键。故论文研究的主要内容是部分断面掘进机工作机构的设计。1截割头设计：截割头是由头体、螺旋叶片、齿座和截齿组成的。螺旋叶片焊在截割头的头体上，沿螺旋线并按截线间距排列齿座和截齿。参数选择包括截割头长度、直径、锥角、螺旋头数和升角、截割速度和摆动速度、最大扭矩和牵引力。2截齿的选择和截齿排列图设计：截割头上安装的截齿有扁齿和镐齿两种形式，截齿的选用一般从煤岩的坚硬度、脆性程度等综合考虑。截齿的排列方式通常有顺序式和棋盘式。3截割头载荷计算：掘进机在掘进过程中其工作状态与其工况参数有密切关系，我们要根据用户的要求和地质条件，使工作机构有恰当的运动学参数和动力学参数。4悬臂设计：悬臂是工作机构与掘进机机架间形成可动的支承和连接装置。按长度可变与否分为固定式和伸缩式两种。一般的掘进机都采用伸缩式。工作机构完成之后就要拟定工作机构的传动系统，传动系统的类型取决于工作机构的类型、工作机构要完成的运动特性、驱动装置输入与输出轴的传动比，所选原动机的可调节能力、起动特性和功率、机械外形尺寸及其使用范围。纵轴式掘进机一般都采用单机驱动，传动装置具有单独的传动系统。论文的主要框架就是给定一些参数，根据掘进机的工作情况及制造条件，从以上几个方面入手，选用优化设计法、可靠性设计等方法，按照功能结构设计、结构初步设计、技术经济评价、最终设计的步骤，完成部分断面掘进机工作机构的设计。三、研究进度5周：查阅相关资料，初步了解课题，了解掘进机的发展现状，完成开题报告。67周：深入研究课题，明确设计任务，完成截割头的结构设计，并绘制相关草图。810周：工作机构运动学和动力学参数的计算，悬臂及回转装置设计。1012周：传动系统设计，液压系统设计。1315周：整理文稿，初步完成论文的编排。绘制工作机构简图，截割头简图等图。1617周：检查整理，送交老师审查，修改并完成论文和图纸的输出。18周：认真复习，准备答辩。四、主要参考文献 1李贵轩.掘进机械设计.阜新矿业学院.1992.10. 2李书刚.新型掘进机的研制.机械管理开发.2005.1：1517. 3刑印成，王风林.掘进机的发展.煤炭技术.2005.24(5).3032. 4方志淮.试论掘进机掘进技术的发展趋势.淮南职业技术学院学报.2003.2：5253. 5汪昌龄，韩琦.我国掘进机发展分析.煤矿机械.1997.2：13. 6吴翠艳，黄世功.悬臂式掘进机现状与展望.水力采煤与管道运输.1997.3：1521 7梁正喜等.掘进机选型手册.煤炭工业出版社.1989.6. 五、指导教师意见指导教师签字：目录前言11 掘进机综述21.1 巷道掘进与掘进机21.2 掘进机的分类21.2.1 根据使用范围分类31.2.2 根据结构特征分类31.3 国内外掘进机的发展现状32 掘进机工作机构设计72.1 截割头设计72.1.1 结构设计72.1.2 参数选择92.2 截齿的选择与截齿排列图设计132.2.1 扁齿的截割机理132.2.2 镐齿的形状特征与截割机理142.2.3 截齿在煤岩体中的截割参数162.2.4 截齿排列原则172.2.5 截齿排列方式182.2.6 截齿排列图的绘制182.3 截割头载荷计算182.3.1 主要截割参数的确定和计算192.3.2 截齿受力计算212.3.3 单位能耗计算222.3.4 截割头功率的计算222.3.5 扭矩的计算232.4 悬臂设计242.4.1 伸缩机构类型选择242.4.2 悬臂有关参数的确定252.5 悬臂支撑设计252.5.1 回转装置的设计要求262.5.2 回转装置的工作原理262.5.3 回转装置的布置形式273 工作机构传动设计283.1 工作机构传动的特点及动力元件的选择283.2 减速器设计283.2.1 减速器设计的要求283.2.2 减速器齿轮传动设计294 掘进机工作机构分析334.1 掘进机的工作过程334.2 掘进机截割机构分析345 液压系统设计365.1 设计依据365.2 掘进机液压系统376 技术经济分析407 结论41致谢42参考文献43辽宁工程技术大学毕业设计（论文）前言随着采煤技术的发展、煤矿生产规模的扩大，我国大型煤矿井下大都开始采用全煤巷布置开采方式，此外采煤工作面的推进速度也比以往快得多，因而使得煤矿井下煤巷掘进工作量大幅度增大。对掘进机的工作效率提出了较高的要求，客观上要求掘进机的工作性能要好，掘进作业的推进速度要快。鉴于此，我们必须加大对掘进机的研究。这次设计我研究的对象是部分断面掘进机。主要结构包括工作机构、装载机构、输送机构、行走机构和转载机构。工作机构是掘进机直接截割煤岩的装置，其结构形式、截割能力、运转情况直接影响掘进机的生产能力、掘进效率和机体的稳定性，是衡量掘进机性能的主要因素和指标。因此，工作机构的设计是掘进机设计的关键。故论文研究的主要内容是部分断面掘进机工作机构的设计。主要包括：截割头结构设计及参数的选择，截齿的选择和截齿排列图设计，截割头载荷计算，悬臂及回转工作台设计。工作机构完成之后还要拟定工作机构的传动系统，以及掘进机工作机构的液压系统设计。最后完成论文的编写及其若干图纸的绘制。通过这次设计，我初步了解了目前国内外掘进机的研究现状，未来的发展趋势。理解了掘进机的工作原理及过程，工作机构的组成。具体完成了工作机构的设计，对掘进机的设计过程有所熟悉，初步掌握了掘进机械设计过程应遵循的原则、设计过程。对大学所学的知识进行了一次综合的运用，并且对以后的工作也起到了实践的作用。1 掘进机综述1.1 巷道掘进与掘进机在地下采矿工程中有两个基本作业内容，其一是把有用矿物或矿石从矿层中破碎下来，形成容易装运的块状，即矿物开采。其二是在地下开采巷道。只有按精心设计的结果施工，开掘成一定规格的巷道，人员和机械设备才能到达矿物开采地点，采下物也才能顺利的运出直至地面，这就是巷道掘进。在矿山建设中首先要开掘巷道，在矿物开采中，也要边开采边开掘巷道。因此，巷道掘进在矿山生产与建设中与矿物开采处于同样重要的地位，不仅要采掘并举，而且要掘进先行。在巷道掘进中，不论是在有用矿层中开掘巷道，还是在岩石中开掘巷道，主要采用两种方法：一种是凿岩爆破法，即钻爆法；另一种是用一定形状的专门刀具来破碎矿石，即机械破碎法。用钻爆法掘进巷道的工艺过程是：首先用钻孔设备在工作面上钻孔，又称作打炮眼。然后在钻好的孔中装入火药，再爆破。用装载机械把破碎下来的碎石和矿石装入其他转运设备运离工作面。同时还要支护新掘进的一段巷道。钻爆法所用的机械设备主要是钻孔机械和装载机械。用机械破碎法掘进巷道所用的机械设备主要是掘进机。把刀具装牢在掘进机的切割头或刀盘上，在切割头和刀盘的旋转运动中，刀具切入矿岩实现破碎矿体的目的。破碎下来的煤岩碎块被掘进机上的耙装和转载部件运送到其他转运设备中运离工作面。因此，掘进机是集岩石破碎、装载和转运为一体的多功能设备。1.2 掘进机的分类按掘进机掘成工作面的方式，掘进机可分为部分断面掘进机和全断面掘进机1。部分断面掘进机的截割头被悬臂支撑，因此，部分断面掘进机又被称为悬臂式掘进机。部分断面掘进机截割头的旋转切割只能形成巷道断面的一部分。只有在截割头旋转切割的同时，悬臂上下或左右摆动，才能完成整个工作面的切割。而全断面掘进机的刀盘直径与欲掘巷道断面尺寸一致，因此在刀盘旋转工作中，刀具在全工作面范围切割，便形成巷道的整个工作面。部分断面掘进机是一种能实现截割、装载、转载运输、调动行走和喷雾灭尘的联合机组，它可以掘进煤巷，又可用于半煤岩巷道掘进。目前，国内外已经研制生产了许多类型和型号的巷道掘进机。根据不同的工作要求，巷道掘进机的截割方式、传动布置，结构型式和控制系统等，可有多种形式。巷道掘进机主要按结构特征和使用范围进行分类1。1.2.1 根据使用范围分类（1）按可截岩石的硬度分为：f6的岩巷掘进机，f=4-6的半煤岩巷掘进机，f6以上的岩石时，牵引力应提高到100左右，而牵引速度需降低到1.5左右。但是牵引力太大时，将影响机器的稳定性，需增设辅助支撑装置。目前，大多数掘进机截割头主要性能参数的取值范围如表2-1所示。表2-1截割头主要性能参数范围Table 2-1 The main parameter of the cutting head硬度截割头转速截齿平均调速单刀受力牵引力牵引速度3011020601.83.50.81.61.474.412.9478.429.458.849.098.02411.52.2 截齿的选择与截齿排列图设计在部分断面掘进机的截割头上安装扁齿（又称刀齿或径向齿）或镐齿（又称锥形齿或切向齿）。对于这两种截齿的破岩过程和截割机理人们虽早有研究，但是至今仍然莫衷一是，而且还不断有新论点问世。本论文介绍的内容是被我国大多数人所赞同的观点。对于扁齿和镐齿的评价也不完全相同，究竟那一种齿适合截割硬岩，齐说不一，因为截齿对于硬岩的截割能力取决于许多因素，如：截齿的材料，强度、表面硬度、结构尺寸、齿尖硬质合金的形状及尺寸、截割头的运动学参数和被截割岩石的物理机械性能等。因此，笼统的说那一种截齿优于另一种截齿，这是不确切的。人们正在努力从各方面来改善这两种截齿对硬岩的截割能力。2.2.1 扁齿的截割机理按“密实核”学说1，如（图2-5）所示当刀具以速度向前运动时，在首先与刀尖接触的煤岩体的一小部分面积的压应力达到煤岩体的抗压强度时，这一小部分煤岩体首先被压碎。随着截齿的继续前进，又被压成粉状（图2-5a），称这球形粉状体为“密实核”。在齿前进的过程中，这粉状区域不断扩大，对其周围煤岩体产生挤压力。当这挤压力达到一定值时，相邻的煤岩体破碎，粉状物高速喷出（这是形成工作面粉尘的主要原因）。由于粉状物与刀具前表面的摩擦作用，使一小部分煤岩粉粘附与截齿的前表面。刀齿继续前进，很快在刀齿的前表面堆积成一个小突起，即：一个随刀具一起作截割动作的“瘤”。在这个“瘤”继续扩大过程中，对其周围煤岩体的挤压力使煤岩体破碎，出现大块崩落（图2-5b，c）。图2-5截齿对煤岩体截割过程Fig 2-5 The course of bit cutting the rock2.2.2 镐齿的形状特征与截割机理（1）镐齿的破岩过程镐齿的工作部分为一圆锥体，工作时如同镐尖楔入煤岩体，如此而得名。设镐齿尖以速度楔入煤岩体，如（图2-6）所示。在镐齿尖楔入煤岩体的一瞬，齿图2-6镐齿破煤机理图2-7镐齿受力简图Fig 2-6 The theory of bit cut the coal Fig 2-7 The stress of bit尖的锥体表面对煤岩体的压力超过煤岩体的抗压强度，使他粉碎，这被粉碎的煤岩体也是一个圆锥面。随着镐齿的楔进，被粉碎的煤岩体的圆锥面在扩大，在煤岩体内形成张力。这张力使煤岩体表面产生弹性变形。随着齿的楔进深度不断增加，煤岩体内的张力也不断加大。如果在ABCD范围内煤岩体张力的合力2R大于连线AD和BC处拉应力的合力时，使会在AD和BC处出现裂缝，煤岩体ABCD开始碎落。从俯视图看ABCD是一平面，而实际上破碎下来的煤岩体是有一定厚度的扇形体。从图2-6的主视图可见，扇形体是按1、2、3的顺序连续自煤岩体上碎落下来。镐齿在截割过程中的受力状态如（图2-7）所示。镐齿虽然也被称为切向齿，但其在截割头上的安装方向，其轴线并非与齿的运动轨迹的切线方向重合，齿的轴线与截割头径向成角，称角为安装角。在截割过程中，齿的圆锥面受有煤岩体施予的正压力N和摩擦阻力N，其合力为P。实际上，在前进方向的锥面上的力N和N要大于另一方向锥面上的N和N值。因此，力P的方向并非沿齿的轴线方向，这里为研究方便，粗略认为P的方向与齿轴线方向重合。把力P分解为与齿尖运动轨迹的切线方向重合的力Z和去切线垂直的力Y。Z可以被认为是切割阻力，Y则是牵引阻力。（2）镐齿的结构要素和形状特征镐齿的形状和结构尺寸也有多种，但其基本形状如（图2-8）所示。其结构要素如下：图2-8镐齿的基本形状Fig 2-8 The basic shape of the bit 体镐齿的齿体可分为齿头和齿柄两部分。齿头为圆锥体，插入齿座后，用U型销或环行钢丝固定。当截割煤岩时，齿能在齿座内自由转动，使齿尖磨损均匀，保持齿尖锐利。这是镐齿的优点之一。齿柄上有环形槽，用之以卡住齿。齿头又可分为齿尖、锥体和裙部三部分（图2-8自右至左），在齿尖镶焊有硬质合金，图中所示为柱状硬质合金，其尖端也为锥形。角柱状硬质合金尖端锥角1通常为60、75等。齿头锥体的锥角2常为24，也有其他角度。这两个角度值的大小影响截割阻力和齿的强度。当锥角较小时，齿易于楔入煤岩体，截割阻力小，但齿的强度也降低。锥角大，齿的强度大，但齿不易于楔入煤岩体，截割阻力大。2.2.3 截齿在煤岩体中的截割参数截齿在煤岩体表面截割的痕迹称为截槽。（图2-9）为扁齿的截槽。切割下来的煤岩屑厚度就称为切屑厚度，用表示。由于煤岩体的脆性使截槽侧壁出现自由崩落现象，则截槽侧壁并不与截齿侧面贴合，而是有较大的张开度。这一张开度用崩落角表示。角的大小主要是与切屑厚度和煤岩性质有关，与截齿的具体结构尺寸关系甚小。角是研究采掘机械的重要参数。图2-9扁齿的截槽Fig 2-9 Trough of the flat bit截齿在平坦的煤岩表面截割，称为平面截割，截槽两侧边可以自由崩落，截齿两侧面受力相等。当截齿沿已被截成的截槽继续截割时，由于截槽较深，截槽侧面的崩落不明显，截齿受到的截割阻力剧增，截割效果很差。称这种截割方式为封闭式截割。由于封闭式截割能耗大，煤岩的破碎块度细小，因此在选择截割方式时，应尽量避免此种截割。只有对于裂隙发达的煤岩体裂隙发达的煤岩体，煤岩松脆，截槽侧边极易崩落，采用此种截割方式是经济合理的。如果正在截割的截齿，仅其一侧存在煤岩，另一侧不存在煤岩，称此种截割为半封闭式截割。在掘进机截割头的边缘或圆角部位的截齿，经常重视这种截割状态。当截齿刚好截割在一条凸棱上，能耗最低，称为自由截割。但是在实际中很少出现这种截割。掘进机截割头上的截齿排列，经常出现的是截齿连续参与截割，切屑断面形状与切屑厚度以及截槽间的距离有关。也称为截线距，即相邻截槽之距离，如果把截槽画在纸上，并用一条线代表，称此线为截线，故被称为截线距。截线距是一个经常被用到的技术参数。在进行截割头的截齿排列设计时，截槽间不应留有棱条。对于镐齿而言，如果截线距过大，也会留有棱条。对于一般煤岩中，其临界截线距为： (2-6)在粗略计算时，可视为60，由于齿尖半径与切屑厚度相比甚小，可略之，则为： (2-7)为了不在截割平面上留下棱条，应满足： (2-8)截齿的选用应根据煤岩的坚硬度、脆性程度、所含夹面层软硬等综合考虑。一般来说，煤质坚硬、节理层理不明显、裂隙不发达的煤岩巷道，可采用扁形齿。因其径向安装，刀体部分承受较大的弯矩，易断裂。所以刀体应有较高的强度。对于煤质硬而脆且含有硬夹石的煤层，应采用镐形齿。其强度大、耐磨，而且截割阻力的作用方向近于沿截齿轴线，将截齿压紧在齿座上，因而对齿身的弯矩小，齿的固定装置也较简单。根据煤岩特性考虑，并且镐齿能在齿座内自由转动，磨损均匀。因此，选择掘进机的截齿为镐形齿。圆锥形截割头上装有40个镐齿，每条截线上有2个截齿，内喷雾喷嘴对准截齿的硬质合金头。2.2.4 截齿排列原则截齿在截割头上的排列方式，直接影响破碎效果、受力状况、功率消耗和截割工况。对截齿布置总的要求如下11：单位能耗低、截齿损耗少、块率高、吸入性粉尘少，沼气泄出量和摩擦发光的概率小。拟定截齿排列图时，考虑的一般原则1：（1）保证工作机构的负荷均匀、工作平稳、振动小。为此，应使每条截线上齿数相等，同时工作的齿数基本不变；（2）单位能耗小，截割效率高。应合理确定截线距和切屑厚度。截线距大小，既要保证相邻截槽间煤脊的破碎，又要充分利用煤岩的崩落。一般，对于裂隙少、崩落角小的中硬煤岩，截线距可取为3050；裂隙多、崩落角大的脆性煤或煤岩；可取为5070；（3）为充分利用地压和自由面，并考虑在不同钻进深度内截割阻力不同，截割头前部的截线距应小一些，而后部的截线距应适当加大；（4）为了减小截割阻力、降低截齿载荷，应采用合适的排列方式；（5）为了保证功率一定情况下，截割头具有较大的单齿截割力，截齿总数不宜过多，一般为2040个，软的煤岩取低值，硬的煤岩取高值。2.2.5 截齿排列方式截齿的排列方式通常有两种，一种是顺序式，另一种是交叉式（棋盘式）。顺序式布置的截齿是一个挨着一个进行截割的，形成的截槽两边不对称，截齿两侧受力不等。另外，这种布置方式，切屑断面较小。其条件是：螺旋头数与每线齿数之比为1。交叉式排列的条件是：螺旋头数与没线齿数之比为2。截齿是以一个间隔一个的次序进行截割的，形成两侧接近对称的截槽，可以保证截齿两侧受力基本平衡，切屑面积大，截割比能耗低。因此，截割头上使用的较多。考虑螺旋头数的关系，设计的掘进机截齿的排列方式选为顺序式。2.2.6 截齿排列图的绘制截齿排列图是截齿所在表面的展开图，它反映了截齿在截割头上的布置情况。截齿排列图的绘制步骤大致如下9：（1）选定比例画截割头展开图。圆锥形截割头展开成扇形，圆锥圆柱形截割头展开扇形加长方形，圆锥形也可以展开成长方形；（2）按所选的截线间距画截线（齿尖的运动轨迹）；（3）根据截齿的相对位置（即在截割头轴向和圆周大会的位置）画齿尖，用小圆点表示；（4）画螺旋线；（5）按选定的比例画截割头的顶视图，以反映截割头前端面和过渡圆弧段截齿的数量和位置。掘进机的截齿排列图见（图2-10）。2.3 截割头载荷计算当截割头的结构、几何尺寸以及截齿排列方式等都以确定，就应当进行截割头载荷计算，这是截割头设计的重要一步。图2-10 截齿排列图Fig 2-10 Arrangement of the bit2.3.1 主要截割参数的确定和计算（1）截割深度和截割厚度纵轴式工作机构在横向摆动时，截割头参与截割的轴向长度被定义为截割深度（简称截深），如（图2-11）所示。即为截割深度。值的大小根据被截割矿体的物理机械性质而定，对于难截割的煤岩，值应取较小值。值的最大值不能超过截割头的长度。图2-11截割深度和截割厚度Fig 2-11 The cutting deepness and thickness从顶板到底板的方向，截割头截割一次破落的煤岩厚度，被称为截割厚度，即图2-11中的值，此值沿工作面的高度方向取。坚固性强的煤岩，应取小值。反之，应取较大值，但最大也不能超过截割头的大端直径。截割深度和截割厚度在现场工作时视工作情况而定。（2）切屑厚度当截割头横向摆动时，在圆周范围内，每个截齿的最大工作角度为。如果顺着截割头旋转轴朝工作面方向看，截齿工作半周的切屑断面呈月牙形12。当每条截线上有两个截齿时，最大切屑厚度是在同一截线相邻二齿相继截割而形成的。当每条截线上只有一齿时，这个齿的切割深度即最大切屑厚度。截割头上第个截齿的最大切屑厚度按下式估算： (2-9)式中第个截齿的横向摆动速度；第个截齿偏离截割头中心的角度；截割头转速；同一条截线上截齿数。在截割头工作过程中，和是不变化的，的变化范围也不大，只有有较明显的变化，原因在于：（）由于被截割煤岩物理机械性质不同，司机在操纵掘进机时，也将使截割头具有不同的摆动速度；（）在截割头的不同位置处，截齿的摆动速度是不同的，越接近小端处的截齿，其摆动速度越大。因此，在进行载荷计算时，根据工作环境是半煤岩巷，平均最大切屑厚度取。那么平均切屑厚度根据公式可计算： (2-10)得：临界截线距根据式2-7得：则平均截线距根据式2-8得：根据几何关系取：从前面的分析得知对于半煤岩摆动速度不宜过大，取：截割速度为：截割头的直径前面已经确定，则平均直径：则： 2.3.2 截齿受力计算作用于截齿上的截割阻力的计算方法，目前国内外尚无公认的统一方法。我国工程技术人员经常采用的是原苏联学者提出的计算方法。因此，这里我们也采用此方法来计算截割阻力。截齿的平均截割阻力为： (2-11)式中最大切屑厚度；截齿宽度，一般；煤岩的抗碎强度，；截槽的形状系数，；煤岩的压酥系数，；考虑截齿两侧崩落而附加的阻力系数，；截齿前角；刀具与煤岩间动摩擦系数，；煤岩破碎角，岩石，煤；刀具切削角；煤岩抗压强度，；对于较硬的半煤岩或中硬岩，煤岩的抗碎强度近似按剪切强度取值，取400，因此，。由前面知：，，。代入式2-11： =430 =4300截割头所受的平均总截割阻力为： (2-12)式中截割头上截齿总数；同时截割的截齿数，可取总齿数的一半；代入数据得：2.3.3 单位能耗计算掘进机的单位能耗按下式估算： (2-13)式中单位能耗，；，平均截线距和切屑厚度，代入数据得：此数据是估算所得到的，在实际的功率计算中，根据煤岩特性是的半煤岩，因此，取：。2.3.4 截割头功率的计算截割头功率的确定方法主要有比较参考法和计算两种。在经验设计中，常采用类比法。这种方法是根据所截割煤岩的特性、工作机构的类型，参照类似工作条件、工作范围的国内外各种掘进机，来选定截割电机功率。目前，悬臂式掘进机截割头功率一般在之间，差别较大。在煤巷掘进时，一般不小于25。半煤岩中一般应在60以上。在这里我们采用单位能耗法来计算截割头功率： (2-14)式中截割头功率，；单位能耗，；截割头长度，；截割头平均直径，；截割头横摆速度，；代入数据得：截割头功率和截割头转速已经确定，根据式2-1和式2-2就可以计算出截割力矩和截割力的大小，验证截割力是否大于截割阻力。根据式2-1得截割力矩为：根据式2-2得平均截割力为：根据式2-3得平均单齿截割力为：经比较：，。则说明满足要求，能够完成任务。2.3.5 扭矩的计算前面已经提到为使每把齿具有平均的截割力，截割头应具有的一定扭矩值。根据式2-5得平均扭矩为：根据式2-4得最大扭矩为：2.4 悬臂设计2.4.1 伸缩机构类型选择按长度可变与否悬臂分为固定式和伸缩式两种。固定式悬臂结构简单，但由于履带的动粘着系数小于静粘着系数，当煤岩坚硬时靠履带推进不能满足要求，特别是在巷道底板松软的条件下，掘进机经常“抛锚”。伸缩式悬臂工作机构能在履带静止时获得较大的推进力，避免履带的重复动作，防止机器下尘，并且有利于挖水沟，适应性好。所以，目前新设计的掘进机尽量采用伸缩式悬臂13。纵轴式掘进机工作机构的伸缩装置，可分为内伸缩式和外伸缩式两种。（1）内伸缩式（也称套筒式）伸缩装置，由伸缩部分和固定部分组成。电动机、联轴器和减速器相对于悬臂本身在轴向是固定的。花键主轴、截割头、内套筒和保护套筒是可伸缩部分，在伸缩油缸作用小，通过花键连接，相对固定部分移动完成伸缩动作。其原理如（图2-12a）所示。内伸缩式的特点是结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活方便，结构比较复杂。图2-12悬臂伸缩原理图Fig 2-12 The fig of the cantilever flex(a)内伸缩式 (b)外伸缩式1 悬臂；2 减速器；3 电动机；4 伸缩油缸；5 滑架；6 花键主轴；7 内套；8 联轴器；9 外套（2）外伸缩式外伸缩式（又称滑架式）装置是将电动机、联轴器和减速器等连成一个刚性整体，构成悬臂的可伸缩部分，而固定部分为一与回转台铰接的滑架。可伸缩部分装在滑架内，利用伸缩油缸使其来回整体移动，实现伸缩，其原理如（图2-12b）所示。外伸缩式结构简单、制造方便，主轴与减速器在轴向固定连接，密封性能好，但伸缩时移动部分质量较大，不利于机器的稳定性。根据以上分析，本次设计的掘进机采用内伸缩式装置。2.4.2 悬臂有关参数的确定（1）伸缩量悬臂伸缩装置的伸缩量要与掘进机的截深相适应，应等于或大于截深。但考虑伸缩部分的结构和机器工作的稳定性，悬臂伸缩量一般为500600mm。本次设计的掘进机悬臂伸缩量取500mm。（2）悬臂长度和摆角悬臂长度是从摆动中心到截割头顶部的距离。摆角指悬臂从摆动中心的水平位置向上、下、左、右摆动的角度。这两个参数的大小，决定了机器可掘断面的大小。当掘进巷道的形状和规格确定后，可按照巷道的最大高度和上下宽度，结合垂直摆动中心的高度，可初步确定悬臂的长度和摆角。目前，纵轴式掘进机的悬臂长度一般为25004000mm，上摆角，下摆角，水平摆角。悬臂太长，将影响机器的稳定性，且不利于转载。如果太短，要掘出较大的断面将需要较大的摆角，以致于影响其他机构的布置。因此在满足巷道尺寸的范围内，应合理确定。经分析，悬臂长度取3500mm，取上摆角，下摆角，水平摆角，根据几何关系得，截割头从水平位置往上的最大掘进距离为：从水平位置往下的最大掘进距离为：那么掘进机的最大掘进高度就是4.7m。最大掘进宽度理论最大掘进断面为：由于截割头的形状为圆锥形，因此最大掘进断面略小于26.32 m2。2.5 悬臂支撑设计悬臂支撑装置（即回转装置）是工作机构与掘进机机架间形成可动的支承和连接装置，其作用是通过悬臂上下和左右摆动，使截割头获得横向牵连运动。2.5.1 回转装置的设计要求对回转装置的要求是：（1）回转装置反映在截割头上的回转力和摆动速度，应满足截割工作的要求；（2）回转装置应能承受机器工作时各种载荷反力的作用，因此，必须具有足够的强度；（3）与悬臂配合，所有的回转角应满足掘进断面的要求；（4）结构紧凑、运转平稳、工作可靠。2.5.2 回转装置的工作原理悬臂工作机构的回转装置常由一个回转台和两对油缸组成，见（图2-13）。图2-13回转装置原理图Fig 2-13 The fig of the turning equipment1、2 垂直回转油缸；3、4 水平回转油缸；5 回转台；6 机架；A 垂直回转轴；B 水平回转轴；C 悬臂工作机构悬臂工作机构C（包括电动机、减速器、主轴或滑架）通过垂直回转轴A支承在回转台5的支座上，而回转台则通过水平回转轴B和组合轴承支承在机架的平台上。利用油缸活塞杆的伸缩实现工作机构的回转运动。油缸1、2控制悬臂的垂直回转，它的一端与回转台5铰接，另一端与垂直回转轴A上的摇臂（或悬臂）铰接，当1、2同时伸缩时，悬臂就绕A轴上、下摆动。油缸3、4控制悬臂的水平回转，它的一端与机架6铰接，另一端与回转台5铰接。当3的活塞杆伸出、4的活塞杆缩回时，回转台就带动悬臂连同回转台上的所有部件一起绕B轴向左摆动。若活塞杆3缩回而4活塞杆伸出时，回转台及其上面的所有部件就绕B轴右转。2.5.3 回转装置的布置形式悬臂水平和垂直摆动中心的位置可以重合，也可以不重合。从增加机器的稳定性看，摆动中心的高度应尽量降低，位置应尽量靠后，但这牵涉到悬臂摆动时与其他机构之间的相互关系，应根据机器总体布置来确定，但必须保证两个摆动中心在机器的纵向对称平面内。设计的回转装置的布置形式（图2-14）。垂直回转油缸与回转轴上的摇臂相连，对悬臂的摆动影响较小，但悬臂只有一个支点，刚性较差。水平回转油缸均位于回转轴线的后部，呈水平布置。长度和布置形式结合机器的总体布置考虑。图2-14 回转装置的布置形式Fig 2-14 The disposal form of the turning equipment1 水平回转油缸；2 垂直摆动油缸；3 主轴；4 截割头3 工作机构传动设计工作机构传动系统的拟定是工作机构设计的重要阶段。传动系统的类型首先取决于工作结构的类型、工作结构要完成的运动特性、驱动装置输入与输出轴的传动比，所选原动机的可调节能力、起动特性和功率、机械外形尺寸及其使用范围。3.1 工作机构传动的特点及动力元件的选择工作机构传动有以下特点：驱动功率大、载荷变化范围大、过坚硬岩石时短期过载运转；具有冲击载荷；振动严重；要求传动装置体积小，最好能调速。悬臂式掘进机在掘进工作中，不仅要求工作机构的截割头具有一定的扭矩和转速以截割煤岩，而且要求工作机构的悬臂能够上下和左右摆动，以掘出整个巷道断面，所以工作机构一般都采用单机驱动，传动装置具有单独的传动系统。截割头的动力型式有电动机驱动和液压驱动两种。电动机驱动具有较好的短期过载性能，过载系数一般可达1.82.2，基本能适应截割头载荷变化的需求。其缺点是体积大，调速不便且需要加设电气保护。采用液压马达驱动，体积小，调速方便，但液压马达对冲击载荷很敏感，液压元件经常发生故障不能承受较大的短期过载。因此，目前掘进机截割头一般多为电动机驱动。掘进机特殊的工作条件，对选用工作机构的电动机有一定要求：（1）为了兼顾喷雾灭尘，宜采用水冷电动机，以改善散热条件。在体积相同的条件小，采用水冷电动机可提高功率25%左右。（2）功率较大的部分断面掘进机宜采用外水冷同轴双电动机，以充分利用悬臂长度，缩小电动机横向尺寸，适应悬臂的外形使结构紧凑。（3）为了调节截割头转速以适应煤岩机械特性的变化，可选用双速电机。根据功率和掘进机工作特性，选择电动机的型号为Z4-250-12型，电动机转速为1300r/min。3.2 减速器设计3.2.1 减速器设计的要求掘进机工作机构减速器设计值得注意的问题有以下几点：（1）一般采用24级减速，使靠近输出轴的传动级具有较大的传动比，这样可以降低传动装置发其余高速级的水平载荷。（2）外伸缩悬臂的纵轴式工作机构，由于减速器与电动机、联轴器一起装入伸缩滑架中，这就要求传动装置体积小、结构紧凑，并满足一定的强度要求和减速比要求。因此，这种工作机构的传动装置多采用行星齿轮传动，以满足以上要求。（3）选用行星齿轮传动应设均载机构，对于采用三个行星齿轮的结构，中心轮浮动均载效果好，即中心轮在三个行星轮间可自由地调节径向位移，使几个行星轮的载荷趋于均匀。（4）对于半煤岩巷道掘进机，为使工作机构的截割头有不同的转速，以适应截割煤或岩石的不同转速要求，一般采用变速箱结构。（5）使减速器的强度能满足电动机的最大转矩和动载荷，即使电动机过载以至停止，减速器也不至于出现机械故障。若减速器的强度不能满足电动机的最大转矩，必须设过载保护装置，如安全销、压紧弹簧、液压或摩擦联轴器等。3.2.2 减速器齿轮传动设计现在已经知道了截割头和电动机的转速14，传动比为：如果采用一级减速，则传动比太大，导致齿轮结构很难满足现实要求，因此，决定采用2级齿轮减速。齿轮系的选取有定轴轮系和周转轮系两种。由于悬臂采用内伸缩式，电动机、联轴器、的减速器相对于轴向是固定的，从传动装置体积小、结构紧凑等考虑，采用双级行星齿轮传动。工作机构传动系统布置图（图3-1）。图3-1传动系统Fig 3-1 The transmission system1 电动机；2 联轴节；3、9、10、11 轴承；4、8 中心轮；5、7 行星轮；6 内齿轮；12 截割头切割电动机1通过联轴节2、中心轮4、行星轮5、内齿轮6、中心轮8、行星轮7和联轴节驱动切割头1进行切割。中心轮固定在悬臂主轴上，行星轮与之啮合，同时又与一个内齿轮啮合，内齿轮固定在箱体上。4、8分别为两个中心轮，5、7为行星轮，6为一个内齿轮，两级齿轮结构完全相同。则传动比的分配是，第一级总的传动比为：第二级总的传动比：这里只写出第一级齿轮传动的设计过程和校核过程，则，拟定中心轮和行星轮的传动比。（1）选择齿轮材料从实际工况考虑，查询设计手册，小齿轮选用调质，大齿轮选用正火。（2）按齿面接触疲劳强度设计计算由于本齿轮传动用于矿山上，因此精度等级选取8级。小齿轮分度圆直径： (3-1)式中系数，；使用系数；动载荷系数；齿间载荷分配系数；齿向载荷分配系数；齿轮转距，；齿宽系数；齿数比，；弹性系数；节点影响系数；重合度系数；齿轮的许用接触疲劳应力。小轮的齿数取=17，大轮齿数，圆整取42。内齿轮。齿数比：小轮转距：查表，=1.5，=1.25，=1.16，=1.07，=0.8，=189.8，=2.3，=0.8。许用接触疲劳应力为： (3-2)式中试验齿轮的接触疲劳极限应力，；齿面接触强度的安全系数；齿面接触强度的安全系数；齿面工作硬化系数；取=760，=620，=1.1，=1，=1.05。齿轮模数：圆整取=5。小轮分度圆直径为，大轮分度圆直径：中心距：齿宽为：圆整取，大轮齿宽，小轮齿宽。（3）齿根弯曲疲劳强度校核计算 (3-3)式中最大弯曲应力，；许用弯曲应力，；齿行系数；应力修正系数；重合度系数。查设计手册，小轮的=2.51，大轮=2.1，=1.4，=1.58，=0.7。许用弯曲应力： (3-4)式中试验齿轮的弯曲疲劳极限应力，；弯曲疲劳强度的寿命系数；弯曲疲劳强度的尺寸系数；弯曲强度的安全系数。查设计手册，=520，=450，=1，=1，=1.25。经过校核，设计的齿轮传动满足要求。第二级齿轮的传动设计过程和第一级相同。 4 掘进机工作机构分析4.1 掘进机的工作过程掘进机的工作过程是1：先操纵行走机构向工作面推进。然后使截割头在工作面左下角钻入工作面（见图4-1），再用水平摆动油缸使截割头横向截割到巷道的右侧。然后利用升降油缸把截割头上升接近等于截割头直径的距离，并使截割头向巷道左侧截割。如此往复截割，截割头就可以往常整个工作面的截割。掘进机的截割方式和程序与掘进巷道断面的大小、形状，以及煤岩的分布情况和性质有关。由截割头破落的煤岩，由耙装机构装进中间输送机，在通过转载机构装进矿车或巷道运输机。这样把工作面掘进一个截深后，支护巷道的工作可以跟着进行。图4-1 截割顺序Fig 4-1 cutting order图4-1 截割顺序Fig.4-1 cutting order掘进机除截割机构和胶带转载机外，其余各机构均采用液压驱动，具有良好的适应性和过载保护性能。悬臂可伸缩，除可扩大掘进断面外，还使于挖柱窝、整修巷道顶帮、提高巷道的质量。内喷雾和外喷雾装置，能较好的冷却截齿和提高灭尘效果。行走机构后部装有起重器，当检修行走机构或机器因底板松软而下沉时，可以用来将机器后部抬起。行走机构采用摩擦片式自动制动装置。悬臂上设有托梁器，可利用悬臂架好顶梁，减轻工人的劳动强度。截割电动机为单绕组双速电动机。一旦截割电动机过负荷时，热敏继电器动作，使电动机停止，以防止电动机烧坏。电机温度保护器（即电机温度监视装置）称为电机安全保护器，是在截割电动机内装有和的热敏电阻，以测定电机定子线圈的温度。与热敏继电器相似，起到防止截割电动机的过负荷及烧损的保护作用。当截割电动机的温度达到时指示灯灭，而当超过时电机自动停止。电机负荷监视装置是将截割电机的电流信号转换为电压信号，然后通过比较检测出75%、100%、125%、150%、200%负荷的相应值。当负荷小于75%时指示灯不亮；负荷为100%、125%时，各相应的指示灯亮；当负荷为150%时，截割头暂时停止进给，对应的指示灯亮，如负荷降低，小于150%，约3秒后，又恢复截割进给运动。当负荷在200%以上连续10秒钟，截割电机将自动停止，能自动复位。4.2 掘进机截割机构分析前面已经设计出掘进机的工作机构，由此可知截割机构由截割头，伸缩机构、减速器、电动机等部分组成。截割机构由Z4-250-12型电动机驱动。电动机的转速可根据地质情况选择。截割头的形式为圆锥形（图4-2），上面装有40个镐型截齿，每条截线上有两个截齿，内喷雾喷嘴对准截齿的硬质合金头。图4-2 截割头Fig 4-2 cutting head掘进机的伸缩机构（图4-3）。截割机构减速器输出轴通过内花键连接套1驱动截割头图4-3 伸缩机构Fig 4-3 The flex-organ1 花键套；2 内伸缩套；3 外伸缩套；4 保护套；5 定位螺钉；6 主轴；7 截割头主轴6旋转。主轴6的右端通过外花键插入花键套1内，左端通过花键、定位螺钉5和浮动密封装置与截割头7连接。内伸缩套2与保护套4与截割头连在一起，但不转动。2和4之间有外伸缩套3，它与截割机构减速器紧固在一起。保护套4通过销轴、油缸与截割电动机连接。油缸的活塞杆伸出时，推动截割头前移，钻入掘进工作面。 5 液压系统设计掘进机液压系统设计的主要内容是元件的选择与系统的设计。一个合理的液压系统15，在技术上应满足机构的运动速度，动作配合和传动功率的要求，在使用上要保证安全可靠，操作简单，维修容易，在经济上应力求传动效率较高，元件容易制造或购置。为此，在设计掘进机液压系统以前，首先应明确掘进机的负载特性，工况及使用要求，收集各种掘进机的液压系统，并分析各自的特点及存在问题，运用已掌握的液压系统的知识，拟定出液压系统的方案，然后进行液压系统的计算，选择和设计所用元件。通过方案对比，确定出一种最佳的系统。5.1 设计依据掘进机液压系统的设计依据包括：（1）掘进机的结构总体布置和工作原理，如机器结构图，各部分的布置，作业方式和作业循环等，这些对选择液压元件及确定其安装是十分重要的。（2）掘进机的主要技术参数如负载的大小和变化规律，工作速度的大小和变化范围，生产率等，它们是确定系统功率及选择泵和执行元件的依据。（3）主要技术要求如调速范围，运动平稳性，系统允许温度、效率、自动化程度，以及安全保护要求等。（4）液压系统的工作环境如温度，湿度、振动、冲击、污染，以及防爆等，特别要考虑潮湿、煤尘污染和防爆。（5）其它要求如对液压元件及系统的外形尺寸、重量，经济性等要求。掘进工作面空间狭窄，机器的外形尺寸受到严格限制，在选择元件时，必须给予重视。巷道掘进机在井下存在大量煤尘、岩粉和污水的恶劣条件下工作，地质条件复杂多变、工作面空间很小，掘进机的调动较困难，掘进工作的工序衔接对掘进斜率影响很大，所有这些因素，都对掘进机的工作适应性和可靠性提出了较高的要求，因此，掘进机的液压系统应满足以下要求：（1）液压传动系统的工作可靠性要高；（2）要有灵敏的过载保护装置，以防止掘进机和液压元件的损坏；（3）要能适应负载变化大的要求，过载能力强，同时易于无级调速；（4）传动功率要大，结构紧凑，重量轻；（5）控制方式简便集中，便于使用，维护和检修。5.2 掘进机液压系统由于能力有限，本次设计的掘进机液压系统仿照MRH-S100-41型掘进机，除了截割机构用电动机驱动外，其余装运、行走等各机构都采用液压传动。液压系统（见图纸5）。液压系统的泵站由一台45kw电动机带动一台GXP05-52-35-25R-20型三联泵5和一台GXP05-52-35R-20型双联泵4。这两台泵分别向液压系统中的单联换向阀2、双联换向阀1、6和八联换向阀3供油。油箱容积为350l，并装有过滤器和冷却器等辅助设备，以保证液压系统工作安全可靠。（1）截割机构升降、回转及推进油缸本次设计主要就是工作机构设计，因此，这里对截割机构的升降、回转及推进的液压过程详细分析。从图中可知，双联泵4左侧泵输出的高压油通往八联换向阀3。当第一联换向阀处于图中位置时，由于高压油不能进入油缸，截割机构的升降油缸16不动作，而当该阀处于图中右侧位置时，高压油进入油缸16的下腔，截割机构向上摆动。当该阀处于左侧位置时，截割机构向下摆动。当第二联换向阀处于图中右侧位置时，高压油进入截割机构左右摆动油缸15的下腔和上腔，截割机构向右摆动。当该阀处于左侧位置时，高压油进入油缸15的上腔和下腔，截割机构向左摆动。当第三联换向阀处于图中右侧位置时，高压油进入油缸14的下腔，截割机构伸长。当该阀处于左侧位置时，截割机构缩短。（2）装运机构装运机构的液压控制装置由驱动耙爪的油马达9、驱动中间输送机的油马达8和控制铲装板上下摆动的油缸13组成。（a）耙爪油马达的控制当单联换向阀2处于图中位置时，三联泵5右侧泵排出的高压油通过该阀进入双联换向阀1，耙爪油马达9不运转。当该阀处于图中右侧位置时，油马达9正转，耙爪开始耙集装载。当该阀处于图中左侧位置时，油马达9反转。该单联换向阀的调定压力为16.32MPa。（b）中间输送机油马达的控制当双联换向阀6上一联处于图中位置时，三联泵5中间泵排出的高压油通过该换向阀回油箱，油马达8不运转。当该阀处于图中右侧位置时，油马达8正转，中间输送机进入运输状态。当该阀处于图中左侧位置时，中间输送机反转。该换向阀的调定压力为21.42MPa。（c）铲装板上下摆动的油缸的控制当八联换向阀3的第四联（从下往上数）换向阀，处于图中位置时，双联泵4左侧泵排出的高压油不能通过该阀，油缸13不动作。当该阀处于图中右侧位置时，高压油通过该阀进入油缸13的下腔，活塞杆伸出，铲装板向下摆动。当该阀处于图中左侧位置时，铲装板抬高。该八联换向阀的调定压力为21.42MPa。（3）行走机构从图中可知，双联泵4右侧泵和三联泵5右侧泵输出的高压油都通往双联换向阀1，当该双联换向阀的两联都处于图中位置时，高压油经过溢流阀回到油箱；而当该阀处于图中右侧或左侧位置时（两个手把同时向前推或向后拉），高压油通往掘进机的左右两个油马达11，驱动掘进机向前或向后行走。同时高压油通过单向阀顶开油马达的弹簧制动闸10。当掘进机停止行走时（该阀处于图中位置）时，弹簧的张力使油马达的转子制动，防止掘进机自行下滑。该双联换向阀的调定压力为16.32MPa。（4）起重油缸左右两个起重油缸12分别由八联换向阀3的第5和第6联换向阀控制，当这两个换向阀都处于图中右侧位置时，两个油缸12的活塞杆同时伸出，掘进机后部被抬起，行走机构后部履带离开地面。当这两个换向阀都处于左侧位置时，履带着地。（5）喷雾泵油马达的控制从图中可知，只要双联泵4处于运转状态，左侧泵输出的高压油就进入油马达17，驱动水泵运转，冷却截割电动机和向内外喷雾系统供水。当双联换向阀6的下联换向阀处于图中右侧位置时，喷雾泵油马达7运转，驱动内喷雾水泵运转，向内喷雾喷嘴供高压水。（6）液压系统的压力调节从图中可知，每个换向阀组都装有溢流阀，以便调节向该阀供油油泵的输出压力，以适应掘进巷道条件变化。需要调压时，先将溢流阀保护罩卸下，再将死头螺母卸下，露出了调节螺栓，若用六方扳手将调节螺栓往里拧入，则压力升高。若反向拧动调节螺栓，则压力下降。压力大小可通过压力表观察。各换向阀的调定压力见表5-1（7）行走机构油马达技术特征及油缸参数（分别见表5-2及表5-3）。表5-1 换向阀的调定压力Table 5-1 The compressive stress of commutator名称图中序号调定压力（MPa）单联换向阀双联换向阀双联换向阀八联换向阀216316.3216.32下联10.2；上联21.4221.42表5-2行走机构油马达技术特征Table 5-2 The characteristi

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