JX02-140@新型电牵引采煤机截割部设计
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机械毕业设计全套
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JX02-140@新型电牵引采煤机截割部设计,机械毕业设计全套
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河南理工大学万方科技学院 本科毕业设计（论文）中期检查表 指导教师： 向道辉 职称： 副教授 所在院（系）： 机械与动力工程系 教研室（研究室）： 机制教研室 题 目 新型电牵引采煤机截割部的设计 学生姓名 王鸿凯 专业班级 万方 07 机制 2 班 学号 0720110101 一、选题质量： 1.采煤机截割部的设计符合本专业的培养目标，能够体现综合训练要求。 2.题目难易程度中等偏上。 3.设计说明书的设 计与计算部分难度中等但工作量较大。 4.此题目直接与现实中的采煤机相关，设计此采煤机可以直接与工厂生产相连，产 生效益；同时新型采煤机的设计可以提高生产效率；此题目为创新型题目，可培养 学生的研究精神。 nts 2 二、开题报告完成情况： 已完成 三、阶段性成果： 1.完成开题报告 2.设计说明书计算部分草稿完成 3.完成 AutoCAD 的部分图纸草绘 4.完成国外文献的翻译 四、存在主要问题： 1.图纸设计需要查资料，因此进展缓慢 2.设计计算工作量稍大，特别是需要校核部分 nts 3 五、指导教师对学生在毕业实习中，劳动、学习纪律及毕业设计（论文）进展等方面的评语 指导教师： （签名） 年 月 日 nts河南理工大学 万方科技学院 本科毕业设计（论文）开题报告 题目名称 新型电牵引采煤机截割部设计 学生姓名 王鸿凯 专业班级 万方 07 机制二班 学号 0720110101 一、 选题的目的和意义： 与目前国外最先进的电牵引采煤机相比国内电牵引采煤机在总体参数性能方面尚有较 大差距 (1)单台截割电动机功率均在 400kw 以上，目前多数采煤机的单台截割电动机已达到 600kW，最新的采煤机单台截割功率高达 750kw； (2)截割功率的增大，支架随机文护的实现，为加大滚筒截深创造 条件， 以前滚筒的截保大多足的630-800mm，而今已普遍采用 1000-1200mm 截深，个别截深 l500mm 除上 述我同采煤机存总体水平 上存在 较大的差距外，在采煤机的机械结构参数设计、加工制造和材质件能与国外先进水平有较大的距离。 因 使用条件的缘故，采煤机的结构具有其特殊性 (截出、滚筒、行走机构等都有特定要求 )，如滚筒设计 CAD滚筒设计制约因素很多，首 先 要根据复杂多样的煤层地质条件 ， 、然后 是工作面 的生产技术要求，还要考虑的是采煤机的结构参数 (滚筒直秆、截深、转速、牵引速度 )，而最后要设计出一个截割效率高，装煤效果好，块煤 产出 多，粉煤生成少，截齿消耗小 ，使 用寿命长 ，制造成本低的截割滚筒。 二、 国内外研究综述： 20 世纪 70 年代中期，德国 Eickhoff 公司和美国 JOY 公司相继研制出最早的直流电牵引采煤机。此后，世界上各主要采煤机研究制造公司均对电牵引采煤机进行了大量的研究开发。 80 年代后期涌现了大量电牵引采煤机型，并出现了交流电牵引采煤机。 20 世纪 90 年代，随着现代科学技术的飞速发展，开发出集电子电力、微电子、信息管理以及计算机智能技术与一体的大功率电牵引采煤机。如美国的 JOY 公司的路系列，英国的 Long-Airdox 公司的 Anderson Electra、 Anderson EL系列，德国 Eickhoff公司的 EDW 系列、 SL 系列，日本三井三他制作所的 MCLE-DR 系列等电牵引采煤机。电牵引采煤机以其性能参数优、可靠性强、自动化程度高、操作方便、控制灵敏、监控保护及检测功能完善和经济效益好等众多优点在国际上被迅速推广使用。 nts 2 三、 毕业设计（论文）所用的主要技术与方法： 文献法， AutoCAD 绘图等 四、 主要参考文献与资料获得情况： 滚筒式采煤机理论设计基础 ，刘春生著，中国矿业大学出版社， 2003 采煤机 ，李昌熙等编，煤炭工业出版社， 1988.05 五、 毕业设 计（论文）进度安排（按周说明） 第一周，收集资料 第二周，进行部分数据计算并撰写论文大纲 第三周，撰写毕业设计论文 第四周，运用 AutoCAD 设计部分零件图与装配图 六、 指导教师审批意见： 指导教师： （签名） 年 月 日 nts 本 科 毕 业 设 计（论文） 题目 新型电牵引采煤机截割部的设计 院（系部） 专业名称 机械设计制造及其自动化 年级班级 07 机制 2 班 学生姓名 指导教师 nts I 摘 要 本说明书主要介绍了采煤机截割部的设计计算。此新型电牵引采煤机截割部主要是由一个摇臂减速箱和 一个行星减速机构组成 ,截割部电机放在摇臂内横向布置 ,电动机输出的动力经由三级直齿圆拄齿轮和行星轮系的传动，最后驱动滚筒旋转。截割部采用四行星单浮动结构，减小了结构尺寸，采用大角度弯摇臂设计，加大了过煤空间，提高了装煤效果。 关键词： 采煤机；截割部；减速箱；行星轮系；设计 nts II Abstract Calculate in design which cuts the cutting department of main introduction mining machine of this manual.It is made up of a gearbox and moderate breeze gear wheel transmission that the advanced mining machine cuts the cutting department,cut the electrical machinery of cutting department and put to fix up horizontally in the rocker arm,the power that the motor outputs leans on around of transmission of department of gear wheel and planet round via the tertiary straight tooth ,urge the cylinder ti rotate finally.Cut the cutting department and adopt the floating structure of four planetary forms,have reduced the physical dimension, adopt the large angle to curve the rocker arm to design,have strengthened the space of coal,have improved the coal result of putting. Key words: Mining machine;Cut the cutting department;Gearbox;A department of planet;Desigh nts i 目 录 前 言 . 1 1 绪论 . 2 1.1 采煤机发展概述 . 2 1.2 国内外发展现状及研究趋势 . 4 1.2.1 国外电牵引采煤机发展概况 . 4 1.2.2 国内电牵引采煤机发展概况 . 5 1.2.3技术特点与发展趋势 . 6 1.2.4 国内电牵引采煤 机研究方向 . 9 2 煤的机械性能及截割理论 . 10 2.1 煤层构造特点 . 10 2.1.1 原生性构造特点 . 10 2.1.2 次生性构造特点 . 10 2.1.3 断裂和裂缝的观测 . 11 2.2 煤的物理机械性质 . 12 2.2.1 煤的物理性质 . 12 2.2.2 煤的机械性质 . 13 2.2.3 煤的坚固系数 . 17 2.2.4 煤的截割阻抗 . 17 3 截割部的设计与计算 . 18 3.1主要技术参数 . 18 3.2传动比和各轴转矩的计算 . 19 3.3 齿轮强度校核 . 22 3.3.1 第级、高速级减速齿轮 . 22 nts ii 3.3.2 第级减速齿轮 . 29 3.4 行星机构的计算 . 36 3.5 截割部轴的设计计算 . 56 3.5.1 离合器齿轮轴 . 56 3.5.2 齿轮组轴 . 64 3.6 截割部轴承寿命校核 . 71 3.6.1 离合齿轮组轴承 . 71 3.6.2 齿轮组轴轴承 . 73 4 采煤机的使用与维护 . 75 4 1采煤机使用过程中常见故障与处理 . 75 4.1.1 采煤机截割部与牵引部连接部位损坏的原因分析： . 75 4.2大功率采煤机截割部温升过高现象及解决方法 . 76 4.2.1 发热原因的分析 . 77 4.2.2 解决方法 . 77 4 3采煤机轴承的维护及漏油的防治 . 78 4.3.1采煤机 轴承损坏形式和原因 . 78 4.3.2 预防和改进措施 . 79 4.3.3 加强轴承使用中维护和保养 . 80 4.3.4 采煤机漏油及处理 . 80 4 4煤矿机械传动齿轮失效的改进途径 . 81 4.4.1设计 . 82 4.4.2 选材 . 83 4.4.3 加工工艺 . 83 4.4.4 热处理 . 84 4.4.5 表由强化处理 . 85 nts iii 4.4.6 正确安装运行 . 85 4.4.7 润滑 . 85 致 谢 . 89 参考文献 . 90 nts 1 前 言 我国是一个贫油、少气、富煤的国家，因此我国是产煤大国，煤炭是我国最主要的能源，是保证我国国民经济飞速增长的重要物质基础。 然而采煤一直以来都被人们看作一项非常危险的事情。在以前国内有很多小型煤窑，由于规模小，技术落后，大部分都是靠人工进行挖煤、运输煤。因此经常出现各种事故，而且大量浪费了资源。大型的采煤机械的出现使这一现象 得到了改观。采煤机作为采煤的主要工具是 实现煤矿生产机械化和现代化的重要设备之一。机械化采煤可以减轻体力劳动、提高安全性，达到高产量、高效率、低消耗的目的。它 对提高煤的采掘效率有着重要的影响。 20 世纪 70 年代主要靠进口采煤机来满足我国生产的需要，到今天几乎是我国采煤机占领我国的整个采煤机市场，依靠科技进步，推进技术创新，开发高效矿井综合配套技术是我国煤炭科技的发展的主攻方向，我国的采煤机现在已经进入了自主研发，标准化，系列化阶段。 nts 2 1 绪论 1.1 采煤机发展概述 机械化采煤开始于本世纪 40 年代，是 随着采煤机械的出现而开始的。 40年代初期，英国、苏联相继生产了采煤机，使工作面落煤、装煤实现了机械化。但当时的采煤机都是链式工作机构，能耗大、效率低，加上工作面输送机不能自移，所以生产率受到一定的限制。 50年代初期，英国、联邦德国相继生产出了滚筒式釆煤机、可弯曲刮板输送机和单体液压支柱，从而大大推进了采煤机械化技术的发展。滚筒式采煤机采用螺旋滚筒作为截割机构，当滚筒转动并切人煤壁后，通过安装在滚筒螺旋叶片上的截齿将煤破碎，并利用螺旋叶片把破碎下来的煤装人工作面输送机。但由于当时采煤机上的滚筒是死滚筒，不能实现调高，因而限制了采煤机的适用范围，我们称这种固定滚筒采煤机为第一代采煤机。因此， 50年代各国采煤机械化的主流还只是处于普通机械化水平。虽然在 1954年英国已研制出了自移式液压支架，但由于采煤机和可弯曲刮板输送机尚不完善，综采技术仅仅处在开始试验阶段。 60 年代是世界综采技术的发展时期。第二代采煤机 单摇臂滚筒采煤机的出现，解决了采高调整问题，扩大了采煤机的适用范围。这种采煤机的滚筒装在可以上下摆动的摇臂上，通过摆动摇臂来调节滚筒的截割高度，使采煤机适应煤层厚度变化的能力得到了大大加强。 1964年，第三 代采煤机 双摇臂滚筒采煤机的出现，进一步解决了工作面自开切口问题。另外，液压支架和可弯曲输送机技术的不断完善，把综采技术推向了一个新水平，并在生产中显示了综合机械化采煤的优越性 高效、高产、安全和经济，因此各国竞相采用综采。进入 70年代，综采nts 3 机械化得到了进一步的发展和提高，综采设备开始向大功率、高效率及完善性能和扩大使用范围等方向发展，相继出现了功率为 750 1000kW的采煤机，功率为 900 1000kW、生产能力达 1500t h 的刮板输送机，以及工作阻力达 1500kN 的强力液压支架等。 1970 年采煤 机无链牵引系统的研制成功以及 1976年出现的第四代采煤机 电牵引采煤机，大大改善了采煤机的性能，并扩大了它的使用范围。世界上第一台直流电牵引 (他励 )采煤机是由西德艾柯夫公司 1976年研制的 EDW一 150 2L型采煤机。该采煤机首次使用就显示出电牵引的优越性，即效率高、产量大、可靠性高，其故障率只是液压牵引采煤机的 l 5。同年，美国久益公司研制出了 1LS直流 (串励 )电牵引采煤机，以后陆续改进发展为 2LS、 3LS、4LS系列； 1996 年生产的 6LS05型采煤机，其总装机功率为 1530kW，是目前世界上功率最大 的釆煤机。 我国采煤机始于 50年代，主要从国外引进，自 70年代开始，我国处于引进与开发相结合的发展时期，能自行设计和生产适合各种煤层的螺旋滚筒式采煤机。我国采煤机的发展在 80年代处于兴盛时期，在 90年代进入电牵引阶段。 1997年研制了我图第一台大功率电牵引采煤机，实现了采煤机技术的升级换代。现在我国采煤机技术正向高技术、高性能、高可靠性及电牵引方向发展。 滚筒式采煤机总体结构一般由截割部、电动机、牵引部和电气控制系统以及辅助装置组成。截割部是工作机构及其驱动装置的总称，它包括固定减速箱、摇臂和滚筒，是采煤机 实现截煤、破煤和装煤的工作部分。采煤机截割部减速器一般分为固定减速器和摇臂减速器，其作用是将电动机的动力传递给螺旋滚筒，它主要包括齿轮减速的机械传动系统和供摇臂调高滚筒用的液压传动系统。本文设计的电牵引采煤机就是采用了摇臂减速器与行星机构的传动系统。 nts 4 1.2 国内外发展现状及研究趋势 1.2.1 国外电牵引采煤机发展概况 20世纪 70年代，美国 JOY公司研制成功了 1LS多电机横向布置直流电牵引采煤机，此后又陆续研制了 2LS-6LS等型多电机横向布置电牵引采煤机。 7LS5采煤机总功率 1940kW， 牵引速度 30m min，采用 JOY Ultratrac2000型强力销轨无链牵引系统，加大销轨节距和宽度，并采用锻造销排，装备了与 6LS5型通用的 JNA机载计算机信息中心，具有人机通讯界面、故障诊断图形显示和储存、无线电遥控、牵引控制和保护等功能 。 德国 Eickhoff公司于 1976年研制成功直流电牵引采煤机，并基本停止了液压牵引采煤机的研发，此后又陆续开发了多种形式电牵引采煤机。20世纪 90年代开发的 SL系列横向布置交流电牵引采煤机，将截割电机布置在摇臂上。其中 SL500型电牵引采煤机装机功率达 1815kW，最大牵引力869kN； SL300型电牵引采煤机总装机功率 1138kW，采用双变频器一拖一系统，最大牵引速度达 36 7 m min： SLl000型采煤机装机功率达 2600kW，牵引力 1003kN。控制系统具有交互式人机对话、设备状态监测与故障预报、在线控制、数据传输等功能。 英国 long-Airdox公司于 1984年研制成功第 1台将截割电机布置在摇臂上的多电机横向布置的 Electra55V型直流电牵引采煤机，在此基础上又开发出功率更大的 Electral000型直流电牵引采煤机。 20世纪 90年代，在Electra系列机型基础上，进一步加大功率，改进控制系统，开发了 EL系列交流电牵引采煤机，主要机型有 EL600、 ELl000、 EL2000、 EL3000型。在 EL系列机型上装置的 Impact集成保护及监控系统具有负荷控制、机器监控、采煤机自动定位、自动调高、区域控制智能化安全联锁、nts 5 随机故障诊断和数据传输等功能。日本三井三池制作所 1987年后陆续研制成功多种截割电机纵向布置的 MCLE DR系列交流电牵引采煤机，近几年又开发了截割电机横向布置的多电机交流电牵引采煤机。采煤机装有微机工况监测及故障诊断系统，可数 字显示牵引速度、滚筒位置、留顶底煤厚度、电机负载及各处温度，具有无线遥控装置，并可加装红外线发射器操纵液压支架。表 l为国外代表性电牵引采煤机主要技术参数。 1.2.2 国内电牵引采煤机发展概况 我国电牵引采煤机在消化吸收国外引进采煤机技术的基础上，通过二次开发拥有了许多具有自主知识产权的换代产品，在我国煤矿综合机械化采煤工作面，国产采煤机已经占据主导地位，完全采用国产装备的高产高效工作面不断涌现。 1991年，煤炭科学研究总院上海分院与波兰合作，在国内率先研制成功我国第 l台采用交流变频调速技术的薄煤层爬底 板采煤机，接着又先后研制成功了截割电机纵向布置的交流电牵引采nts 6 煤机、截割电机横向布置的适用于中厚和较薄煤层的交流电牵引采煤机。上海分院研制的 MG系列电牵引采煤机已形成九大系列共几十个品种。太原矿山机器厂与上海分院合作，将 AM500液压牵引采煤机改造成 MG375830-WD型交流电牵引采煤机后，又自主研制成功了 MGTY400 900-3 3D型和 MG750 1800-3 3D型机载交流变频调速链轨式电牵引采煤机，现正在国家“十一五”科技支撑计划资助下研发装机总功率达 2 500kW、最大采高 6.0 m、年产 1000万 t的交流电牵引采煤机；鸡西煤机厂与上海分院合作将 MG2x300-W型液压牵引采煤机改造成 MG300 360-WD型交流电牵引采煤机后，又开发了 MG200 463型、 MG400 985型交流电牵引采煤机；辽源煤机厂与邢台矿业集团合作研制成功我国首台应用电磁转差离合器调速技术的 MG668-WD型电牵引采煤机；无锡采煤机厂与中纺机电研究所合作研制成功国内首台应用开关磁阻电机调速技术的 MG200 500-CD型电牵引采煤机。表 2为国内具有代表性机型的采煤机主要技术参数。 1.2.3 技术特点与发展趋势 (1)装 机功率增大、性能参数提高 单台截割电机功率多在 400kW以上。多数采煤机单台截割电机功率己达 600kW以上， EL3000采煤机单台截割电机功率达 900kW， SLl000采煤nts 7 机的单台截割电机功率高达 1000kW，太原矿山机器集团也正在研发单台截割电机功率 1000kW的新型大功率采煤机。 牵引功率多在 80kW以上，最大已达 300kW。 总装机功率超过 1000kW，如 7LS5达 1940kW， EL3000总装机功率达2000kW， SLl000总装机功率更高达 2600kW。 牵引速度、牵引力大幅提高。牵引速度 15 25 m min，牵引力 500 kN以上。最大牵引速度 60m min(EL3000)，最大牵引力已达 1000kN以上(EL3000、 SLl000、西安煤矿机械厂生产 MG900 2210、鸡西煤矿机械厂生产的 MG800 2040)，太原矿山机械集团有限公司即将推出牵引力 l 125kN的采煤机。 截割功率增大，支架实现随机支护，滚筒截深加大。 10a前，截深大多是 630-700mnl，现普遍采用截深 1000 1200raln，别已达到 1500 nun截深。 采煤机可靠性和开机率提高。国外采煤机大修周期 2a，出煤量400 600万 t，要求采煤机出煤量 300-400万 t而不大修，差距较大 。 (2)中高压供电 随着采煤机装机功率大幅度提高，工作面不断加长，整个工作面容量超过 5000kW，工作面长度达到 300m。为减少输电线路损耗，提高供电质量和电机性能，普遍采用中高压供电。主要供电等级有 2300V、 3300V、4160V、 5000V等。 (3)监控保护系统智能化 现代电牵引采煤机均配备有智能化监控、监测和保护系统，可以实现交互式人机对话、无线电遥控、工况监测及状态显示、数据采集存储及传输、故障诊断及预警、自动控制、自 动调高等多种功能，以保证采煤机维护量最小，利用率最高，并可实现与液压支架、工作面输送机的nts 8 信息交互和联动控制等功能。如安德森公司 EL系列机型上装置 Impact集成保护与监控系统， Eichhoff公司的 Eichhoff数据汇集技术系统， JOY公司 6LS型电牵引采煤机的 JNA网络信息中心等。 (4)电牵引系统向交流调速发展 早期的电牵引采煤机大多采用直流调速系统。日本 20世纪 80年代中期研制成功第 1台交流电牵引采煤机，交流调速系统以其技术先进、可靠性高、维护管理简单、价格低廉等优点，被迅速推广应用。 20世纪 90年代中后期研制的大功率电牵引采煤机均采用交流变频调速牵引系统。目前，交流电牵引已经取代直流电牵引。早期的交流牵引均采用一个变频器拖动 2台牵引电机，变频器对电机的性能参数难以准确检测，控制和保护功能无法完全发挥。如今主流交流电牵引采煤机均采用 2个变频器分别拖动 2台牵引电机的牵引系统，使牵引的控制和保护性能更加完善。这种一拖一的牵引系统已经成为电牵引技术发展的又一特点。 (5)总体结构趋向模块化及多电机横向布置 横向布置方式可使各部件由单独电机驱动，机械传动系统彼此独立，可模块化设计，结构简单，装拆方便。美国从 1LS开始将截割电机横向布置在摇臂上，至今沿用。英国从 Electra550开始，采用电机横向布置。德国于 20世纪 90年代开发了横向布置的 SL系列电牵引采煤机。目前国内外的电牵引采煤机几乎都采用了横向布置方式。 (6)无链牵引向齿轮 -齿轨式演变 随着牵引力的不断增大，销轮齿轨式无链牵引已经淘汰，齿轮链轨式无链牵引也已使用不多，现在采煤机无链牵引正逐步趋向于采用齿轮齿轨式无链牵引，这是一种从齿轮销轨式演变而来的无链牵引结构，圆柱销被齿轨所取代，焊接结构改成了整体精密铸造或锻造，宽度增大，节距由 125mm增加至 175 mm。 nts 9 1.2.4 国内电牵引采煤机研究方向 国内电牵引采煤机代表机型在总体参数和性能方面已接近国外先进水平。但一些关键部件及其总体性能、功能、适应范围等方面还有待进一步完善和提高。尤其是在线工况监测、故障诊断及预报、信号传输与采煤机自动控制、传感器等智能化技术与国外相比还有较大的差距。因而国内电牵引采煤机的智能化程度低，设备可靠性、安全性和可维护性较差，今后国内电牵引采煤机的主要研究方向如下； (1)进一步完善和提高交流变频调速牵引系统的可靠性。重点是完善和提高系统装置的抗振、散热和防潮等性 能。 (2)研究可靠的微机电气控制系统。重点是提高采煤机电控系统抗干扰、抗热效应的能力。 (3)开发或增强电控系统的监控功能。重点是研究故障诊断与专家系 统、工况监测、显示与信息传输系统、工作面采煤机自动运行控制系统、自适应变频电路的漏电检测与保护技术、摇臂自动调高系统等。 (4)开发可四象限运行的矿用交流变频调速装置，使采煤机能适应较大倾角煤层开采的需要。 (5)开发装机功率更大、采高更高的采煤机，提高煤炭产量及回采率。 (6)加强提高采煤机开机率和可靠性的研究。 (7)电器元件小型化的研究。由于装机功率 增大，电动机、变压器、变频器等设备的体积也相应增大，为满足整机结构布置紧凑的要求，必须研究设备小型化的技术途径。 nts 10 2 煤的机械性能及截割理论 煤体是采煤机械的破碎对象，对采煤机的刀具受力、能耗和装机功率等都有直接影响，因此需要讨论煤及煤层的性质；同时，为了解煤的破碎机理，探求截煤过程的合理参数，仗工作机构可靠、经济地工作，也需要讨论截煤理论及截齿的受力。 2.1 煤层构造特点 煤是远古地质时代沉积物，并且在此后的漫长岁月中，在与空气隔绝、高压、高温的条件下，经过漫长的碳化变质过程形成的。原 始沉积物的不同，碳化变质程度的差异，使煤炭的机械性质和煤层的构造在不同地域有很大差异。煤层含有矸石和硫化铁等硬夹杂物，沉积过程 中形成的分层面 (称为层理 )、地质力使煤层破碎形成的断裂面 (称为节理 )，使煤层各处的性质不同即煤是一种非均质、各向异性的脆性物质。煤层的构造特点按其形成原因分为原生性和次生性两大类。 2.1.1 原生性构造特点 原生性构造特点由煤层生成时的条件所致，如生成煤层的材料、当时的自然条件和环境条件等。人们用下面几个概念描述原生性构造特点，即层理、节理和非均质性等。原生性构造特点中 的层理、节理是属于潜伏性的，是指在煤层整体中固有的结构面，这是一种非连续性弱结 合面。通常肉眼不易发现它们，仅能在煤层破碎过程中显现出来，这时人们能看到的是光滑而规则的离层面。 2.1.2 次生性构造特点 次生性构造特点是由于地质动力形成的煤层特征，通常用断裂和裂脒这两个概念来描述。断裂是指在煤层内明显充实的分离面；裂隙则是nts 11 指煤层内张开着的明显可见的大裂缝。 2.1.3 断裂和裂缝的观测 煤层中存在着弱结合面，使煤层强度大为降低。在煤的开采过程中，为节省能源和延长机械寿命，采煤工艺过程就应充分利用煤 层强度降低的这一现象。因此，在井下观测断裂和裂缝存在的规律，并对其进行正确描述和掌握，对于煤炭开采是十分必要的。从如下诸方面描述这些规律。 （ 1）断裂和裂缝的倾角与走向 断裂和裂缝的倾角是指断裂面和裂缝一侧的平面与水平面的夹角。裂缝和断裂的走向是指断裂和裂缝一侧平面与巷道轴线的夹角。这通常由地质和测量方面的工程技术人员给出，标注在图纸上。 （ 2）裂缝密度 线裂缝密度 S1:表示单位勘探线或测定线长度上的裂线条数，称为线裂缝密度，即 LNS 1（ 2-1） 式中 N 观测到的裂缝条数，条； L 钻孔岩心长度或巷道壁必及工作面的测定线长度， m。 面积裂缝密度 S2：表示巷道壁或工作面上单位煤层面积上裂缝线总长度，即 FiLSNii 12（ 2-2） 式中 F 煤层被观测而积， m2； N 在 F面积内的裂缝总条数，条； Li 第 i条裂缝长度， m。 nts 12 （ 3） 裂缝平均间隔 裂缝平均间距用 s。表示，它表示在观测范围内裂缝之间的平均距离，由式 (2一 1)可得 NLS 0（ 2-3） （ 4） 裂缝充填程度 通过观察工作面可发现裂缝之中是否已充满煤粉，充满情况可分为全充填、半充填和基本未充填等类型。 2.2 煤的物理机械性质 煤的基本性质可以分为物理性质和机械 性质两大类。 2.2.1 煤的物理性质 煤的物理性质主要是：容重、湿度、松散性、孔隙性、导电性和热胀性等。其中与煤层开采密切相关的有：容重和湿度。 （ 1）客重 煤岩体的容重是指单位体积煤在干燥状态下的重量。根据煤种类不同，如泥炭、烟煤、无烟煤以及褐煤等，其容重在 1 3 t m3 1 45 t m3范围内变化 (计算时通常取 l.35)，表 2-l给出了几种煤和岩石的容重。 表 2 1几种煤和岩石的容重 煤和岩石名称 花岗岩 砂岩 石灰岩 页岩 泥炭、褐煤、烟煤、无烟煤 容重 /t m-3 2.56-2.67 2.11-2.64 2.46-2.6 2.16 1.3-1.45 （ 4）煤的湿度 煤的湿度用含水率表示。含水率是指在煤层的缝隙中存留的水的nts 13 重量与煤固体重量之比。含水率高的煤岩体，结构被弱化，其强度有明显降低。采煤机械开采这样的煤层时，功率消耗明显降低，而且粉尘也少。 2.2.2 煤的机械性质 煤的机械性质是指煤体受到机械旌加的外力时所表现出的性质和抵抗外力的能力。在破碎煤体时可借助于煤的机械性质选择对煤体作用力的形式、截煤刀具形状和种类等。因此，采用机械开采时，了解煤的机械性质尤其重要。 煤体的机械性 质主要是：强度、硬度、接触强度、摩擦与磨蚀性；弹性、塑性与脆性、蠕变与松弛等。这些性质的参数多数是借助于材料力学的研究方法在试验室中得到。 （ 1） 强度 强度是衡量物体在特定方向上抵抗破坏能力的指标，如抗压强度 y抗剪强度 j和抗拉强度 l等等。强度极限通常用试件在实验机上测定。研究结果表明，煤的抗压强度 y最大，抗剪强度 j次之，抗拉强度 l最小，三种强度在数值上大约有如下关系： y/ j/ l=1:（ 0.1-0.4）：（ 0.03-0.1） 据此，在设计采煤机械时，设法尽量利用拉伸或剪切破坏，以减少刀具受力和能 耗。几种煤岩体材料的抗压强度值见表 2 2。 表 2-2煤岩材料的抗压强度 不同地区、不同矿层的煤岩材料强度均不同，由于煤的各向异性，因而同一煤体不同方向的强度也不同。前苏联学者和英国学者的研究结nts 14 果表明垂直于层理加载与平行于层理加载二者相比较，前者抗压强度较后者大 30 50。 另外，研究表明，各种煤体强度与其埋藏深度 (由地表面算起的深度 )之间的对应关系有所不同。波兰学者对某地区煤岩体的强度与其埋藏深度关系的研究结果见表 2 3。 表 2 3煤岩体的强度与其埋藏深度的关系 （ 2） 硬度 煤体硬度表示在较 小的局部表面积上抵抗外力作用而不破坏的能力。可以用布氏硬度计、洛氏硬度计或肖氏硬度计来测定煤体的硬度。 （ 3） 接触强度 上面提到的硬度，由于其测定方法所限，只代表煤岩体测定部位的个别颗粒或嬲粒间粘结物的硬度。为了能在宏观上表示煤岩材料的表面强度，采用接触强度这一概念。 接触强度可按几次实验测压头上的载荷值只与 S压头下表面积之比来计算，即 nSPpniik 1 （ 2-4） 式中 pk 岩石材料接触强度， MPa； pi 岩石材料脆性破坏的蹄间压头的载荷， N； n 压头下压次数； s 压头下表面积， mm2。 接触强度的概念在掘进机设计与使用中经常遇到。前苏联有关学者nts 15 根据接触强度值的太小，把岩石分为六类：松软 (400 MPa以下 )，次中等坚固 (400 MPa一 600 MPa)，中等坚固 (650 MPa 1250 MPa)，坚固 (1250 MPa 2450 MPa)，很坚固 (2450 MP8 4500 MPa)和极坚固 (4500 MPa以上 )。 （ 4） 摩擦与腐蚀性 金属零部件或硬质台金在煤体表面运动时， 要受到摩擦阻力的作用。这种金属与非金属问的摩擦作用将引起如下后果：金属部件是运动主体，将消耗其有用功；使金属零部件表面或硬质合金受到磨损，表面形状改变，增加了切割阻力；使金属零部件和硬质合金发热，使其硬度降低，加剧磨损，因此需要用水来冷却。 煤体对金属或硬质合金的摩擦作用大小用摩擦系数 p表示， F值大小因金属或硬质合金以及煤岩材料种类而异，也因作相对运动的二者之间压力大小和相对运动速度大小而异。 前苏联学者对煤炭与钢的摩擦系数研究结果表明：煤的强度增加，摩擦系数 p值由 0.5下降到 0.3左右；当煤与钢相对滑动速 度由 0.lm/s增加到 3.1 m/s时 ,值由 0.4下降到 0.15；当法向压力增加，值也减少。表2-4和表 2-5给出了几种材料之间的摩擦系数值。 表 2 4钻头钢、硬质台金与岩石的摩擦系数 表 2 5煤与钢、煤与煤的摩擦系数 磨蚀性 (研磨性 )：煤岩对金属、硬质合金或其他固体磨蚀的能力。nts 16 表征煤岩磨蚀性的方法很多，这里介绍几种应用比较普遍的方法，用标准金属试件在一定压力下与被测煤岩材料接触，并作相对移动。设作用力为 P(N)，摩擦路程为 L(m)，金属试件被磨蚀掉的体积为 V(cm3)，则磨蚀系数。为 PLV(2-5) 此外：还有用标准金属试棒在一定条件下每千米摩擦路程磨蚀掉的质量 (mg)或长度 l(mm)来表征磨蚀性的，此时用表示磨蚀性系数。 PPm 1 0 0 0 l1 0 0 0 或研究结果表明，对于磨蚀性已定的煤岩，切割刀具在破碎煤岩时的磨损量与摩擦路径成正比，与刀具对煤岩表面正压力成正比与刀具和煤岩之间的相对速度成正比，还与 刀具的温升成正比。这一研究成果对采煤机械的设计和使用都是很重要的，应该使采煤机械具有适当的工况参数“尽量减少在工作过程中刀具的磨损量。 （ 5） 弹性、塑性与脆性 煤体的弹性、塑性与脆性是反映煤炭受外力作用与其变形之间关系的性质。 煤体的弹性：当作用于煤体上的外力消失后，煤体的变形也完全消失，称煤的这种能恢复其原来形状和体积的性能为弹性。破碎弹性较高的煤体，消耗的能量也较高，破碎也显得困难。一般煤体的弹性都比较小。 煤体的脆性：当作用于煤体上的外力除去后，煤体无残余变形，当煤体在外力作用下破碎时，其变形也极小，这种 性质被称为脆性。脆性好的煤体，容易被破碎。通常煤体材料的脆性都极好，因此其破坏也都nts 17 属于脆性破坏。 2.2.3 煤的坚固系数 坚固性系数又称坚硬度，是用来衡量煤破碎难易程度的指标，它综合反映了煤的强度、硬度和弹塑性等因素。坚固性系数是前苏联学者普罗托季雅柯诺夫于 1926年提出的，固此又称普氏系数。 我国用坚固性系数来进行岩石分级和煤层分类。煤和软岩 4，中硬岩 =4 8，硬岩 8 20(最硬的岩石 )；同时还规定 1.5的煤称为软煤， =1.5 3.0的煤称为中硬煤， 3.0的煤称为硬煤。 2.2.4 煤的截割阻抗 截割阻抗是刀具截煤时煤及煤层抵抗机械作用的能力。它不仅能反映采煤机械刀具截煤的真实过程，而且可在井下现场测定，即能全面反映矿山条件的影响。因此，截割阻抗是表征煤的截割性能的一个常用指标。煤、岩及硬杂物的截割阻抗见表 2 6。 表 2 6煤、岩机硬杂物的截割阻抗 从有效使用采煤机械的角度，可将煤层按截割阻抗分为三类： A 180 N mm的煤称为软煤，适合用各种刨煤机，特别是脆性煤层最适于刨煤机工作； A=180 N mm 240 N mm的煤称为中硬煤。其中韧性煤适合用采煤机，脆性煤适 合用滑行刨； A=240 N mm 360 N mm的煤称为硬煤，韧性煤必须用大功率采煤机，脆性煤可用滑行刨或动力刨。 nts 18 3 截割部的设计与计算 3.1 主要技术参数 1. 适应煤层： 采高范围 1.5 3.0 m 煤层倾角 20 煤质硬度 4.50MPa 截割电机 电机型号 YBC-150A（水冷） 额定功率（ kW） 150 额定电压（ V） 1140 额定转速（ r/min） 1475 牵引电机 电机型号 YBC-75（水冷） 额定功率（ kW） 75 额定电压（ V） 1140 额定转速（ r/min） 1465 2. 其它参数： 截深（ mm） 800 牵引速度（ m/min） 0 7.7 牵引力（ kN） 400 滚筒直径（ mm） 1400 滚筒转速（ r/min） 39.26 3. 配套输送机： SGB630/220 型刮板输送机 nts 19 3.2 传动比和各轴转矩的计算 1.确定总传动比 总i： 总i=工作机电动机nn= min44.37min1475 rr=39.26 2.确定各级传动比ii： 各级传动比分配如下： 522.11 i（231Z、352 、6m） 048.22（21、43、7） 5293i（171、2、8） 行星减速：75.44 （16aZ、22x、60bZ、 ） 3.确定各级传动效率和总效率： 齿轮轴承 2196.098.0 2=0.992 齿轮轴承 2296.098.0 2=0.992 齿轮轴承 2396.098.0 2nts 20 =0.992 齿轮轴承 2496.098.0 2=0.992 齿轮轴承 2596.098.0 2=0.992 齿轮轴承 2696.098.0 2=0.992 98.0行星机构则： 98.0922.0 6 总=0.602 -注：调高系统的功率损失不计，以偏安全。 4.确定各轴转速、输入功率： 1）转速： min14751 rn min966522.11475112 rin mi n17.471048.2966223 rin nts 21 min51.186529.2 17.471334 rinn min26.3975.4 51.186445 rinn 2）输入功率： 花键电动机 PP1KWKW5.14899.0150KWPP917.136922.05.148112 KWPP237.126922.0927.136223 KWPP390.116922.0237.126334 KWPP311.107922.0390.116445 KWP941.98922.0311.107556 KWPP223.91922.0941.98667 nts 22 3.3 齿轮强度校核 3.3.1 第级、高速级减速齿轮 (1)选择齿轮材料和热处理方法，确定齿轮的疲劳极限 应力： 由于齿轮尺寸要求小，大小齿轮均选用合金钢硬齿面齿轮。有效 硬化层深 小齿轮： 20CrMnMo,渗碳淬火，有效硬化层深 1.21.6mm，齿面硬 度 5862HRC，心部硬度 32HRC。 大齿轮： 20CrMnMo,渗碳淬火， 1.11.5mm，齿面硬度 5660HRC， 心部硬度 32HRC。 齿轮的疲劳极限应力按中等质量要求 MQ MPFF 4502li m1li m MPHH 15002lim1lim (2)初定齿轮主要参数和尺寸： 分度圆直径： 节圆直径： d1=138mm nts 23 基圆直径： 齿顶圆直径： 齿根圆直径： 校核重合度： 无纵向重合度： 端面重合度： 齿顶圆压力角 ： nts 24 啮合角 ： 则总的重合度： 所以重合度符合要求。 齿轮圆周速度： 按此速度参考表“第公差组精度与圆周速 度的关系”选用较高的齿轮精度等级-7-6-6(GB/T10095-1988） , 以提高齿轮传动的质量，减低齿轮的噪声 。 (3）校核
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