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机械毕业设计全套

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JX04-160@掘进机的截割机构的设计,机械毕业设计全套

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实 习 总 结 专 业： 机械设计制造及其自动化 性 质： 毕业实习 学 年： 2009-2010 班 级： 机械 06-9 班 姓 名： 王永鑫 学 号： 0603010902 机械工程学院 nts毕业实习总结 毕业实习期间，我来到了佳木斯煤矿机械有限公司进行参观实习，在这里我见到了各种型号的掘进机，这 使我受益非浅并对我的毕业设计有很大的帮助。 在老师的讲解下我不但了解了掘进机机的结构及工作原理，而且对掘进机有个更多的认识， 以 下是对掘进机截割机构初步了解、工作原理、机构及发展的探讨。 一、 实习目的 ：结合设计题目，在学校和工厂查找资料，对掘进机截割机构进行 了解和设计。 二、 实习时间 ： 2010.3.1 2010.3.21 三、 实习地点 ：图书馆 、 佳木斯煤机厂 四、 实习的主要工作情况 1、 对掘进机的认识 掘 进机是具有截割、装载、转载煤岩，并能自行，具有喷雾降尘等功能，以机械方式破落煤岩的掘进设备。有的还具有支护功能。掘进机主要由截割机构、装载机构、运输机构、机架及回转台、行走机构、液压系统、电气系统、冷却灭尘系统及机器的操作控制与保护等九部分组成。本文主要介绍掘进机的截割机构。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。截割头纵向推进力是由行走机构 (或伸缩油 缸）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油缸和安装于回转台与机架之间的两个回转台与机架之间的两个回转油缸，来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。 目前国外掘进机主要生产国有：英、德、俄罗斯、奥地利、日本等国。所生产的掘进机已经被广泛应用于硬度 f 低于 8 半煤岩的采准巷道掘进，并扩大到岩巷。中型机不移位截割断面达 3542 ，多数机型能在纵向 16、横向 8的斜坡上可靠工作，截割功率在 132300KW，机重在 50100t，切割岩石硬度 f 为12.机电一体化已成为掘进机发展趋势，新推出的掘进机可以实现推进方向和断面监控、电动机功率自动调节、离机遥控操作及工况检测和故障诊断，部分掘进nts机实现 PLC 控制，实现回路循环检测。 我国中型悬臂式掘进机发展日趋成熟，重型掘进机大批出现悬臂式掘进机的设计与加工制造水平已经相当先进，并且具备了根据矿井条件实现个性化的能力。我国的悬臂式掘进机发展主要受英国 DOSCO、日本三井三池 S 系列型掘进机的影响。目前主要以纵轴悬臂式为主。同时由于吸收奥地利 AM 系列型掘进机的特点，也有部分掘进机设计为横轴截割方式。 2、 掘进 机截割机构的 结构及用途 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。 （ 1） 截割头 截割头是掘进机直接用来破碎煤岩的部件，主要由截割头体、截齿座和截齿等组成。 （ 2） 截割减速器 截割减速器的作用是将电动机的运动和动力传递到截割头。由于截割头承受较大的冲击载荷，因此要求减速器要有高的可靠性和较强的过载能力；其箱体为悬臂的一部分，应有较大的刚性，连接螺栓应有可靠地放松装置。 （ 3） 截割电动机 为实现较强的连续过载能力，适应复杂多变的截割载荷，并利用喷雾水加强冷却效果，目前，悬臂式掘进机多采用防爆水冷式电动机来驱动截割头。为满足悬臂长度的需求和减少电动机的径向尺寸，可采用串联双转子电动机；为满足截割不同硬度煤岩的需求，避免在减速箱中变速，可采用双速发动机。 总结：通过查阅大量文献，我了解到了掘进机的发展历史及截割机构组成和工作原理。在了解这些后，要想进一步设计掘进机的截割机构还需要长时间的学习和探索，只有掌握完整的掌握其工作方式和原理，才能顺利的完成毕业设计。 3、 掘进机的发展趋势 掘进机的发展经历了由小到大、从单一到多样化的过程。主要向以下方面发展。 （ 1） 增强截割能力。为了实现较强的截割能力，现代掘进机截割功率不断 增大，截割速度逐渐降低。 （ 2） 提高工作可靠性。由于地质条件复杂多变，使掘进机在工作时承受的交变冲击载荷，且磨损和腐蚀严重。 （ 3） 采用紧凑化设计，降低重心，提高工作稳定性。由于掘进机悬臂过长，使得截割反力过大，不利于机器稳定工作。 nts（ 4） 增强对各种复杂地形条件的适应性。 （ 5） 研究新型刀具和新的截割技术。 （ 6） 发展自动控制技术。 （ 7） 发展掘锚机组，实现快速掘进。 五、 心得体会 为期三周的毕业实习已经结束了，在这三周里，我对整个毕业设计的大体设计方案有了初步的了解，对以后将要遇到的问题有了准备，这是我实习的最大收获。 这实习 过程中 ， 我认为对我走向社会起到了一个桥梁的作用，过渡的作用，是人生的一段重要的经历，也是一个重要步骤，对将来走上工作岗位也有着很大帮助。向他人虚心求教，遵守组织纪律和单位规章制度，与人文明交往等一些做人处世的基本原则都要在实际生活中认真的贯彻，好的习惯也要在实际生活中不断培养。这一段时间所学到的经验和知识大多来自公司领导和老师的教导，这是我一生中的一笔宝贵财富。 nts 本科毕业设计开题报告 题 目： 掘进机的截割机构的设计 院 （系）： 机械工程学院 班 级： 机械 06-9 班 姓 名： 王 永 鑫 学 号： 0603010902 指导教师： 赵汗青 教师职称： 副 教授 nts 黑龙江科技学院本科毕业设计开题报告 题 目 掘进机的截割机构的设计 来源 工程实际 1、研究目的和意义 掘进机截割机构是掘进机的主要组成部分，主要对截割头的结构形状与几何参数，截齿类型与布置以及工作参数对掘进机截割性能，截割效率和整机可靠性进行设计，为了提高和改进掘进机工作性能， 发展我国大口径全断面掘进机产业以及进一步提高我国的盾构研发能力、改善研发条件具有重大战略意义。 选题具有一定的实际意义。 2、 国内外发展情况 (文献综述） 早在上世纪 30 年代，的 故意、前苏联、英国、美国等就开始了煤矿巷道掘进机的研制，但巷道掘进机得到广泛性应用还是在第二次世界大战之后。 1948 年，匈牙利开始研制 F 系列的巷道掘进机，当时是为了适应“房柱式”开采的需要 1。 1949 年生产的 F2 型掘进机是世界上第一台悬臂式掘进机，不过当时还未能实现悬臂式掘进机的全部主要功能。 1951 年匈牙利研制了采用履带行走机构的 F4 型悬臂式掘进机。这种机型已经具备了现代悬臂式掘进机的雏形。 F 系列掘进机是目前悬臂式横轴掘进机的原始机型。 1971 奥地利 ALPINE 公司在匈牙利 F 系列的基础上研制了 AM-50 型掘进机，并在此基础上逐步形成了 AM 系列掘进机。 1972 年德国引进了 AM-50 型掘进机，在半煤岩巷中使用，在此基础上 EICKHOFF 公司自行研制出 EV-型掘进机，并在此基础上发展成为 EVA 型掘进机。 1973 年 WESTFALIA 公司研制成功了 WAV-170和 WAV-200 型掘进机，并在此基础上发展成为 WAV 系列型掘进机。 F 系列、 AM 系列和 WAV 系列掘进机均采用横轴截割机构 2。 目前国外掘进机主要生产国有：英、德、俄罗斯、奥地利、日本等国。所生产的掘进机已经被广泛应用于硬度 f 低于 8 半煤岩的采准巷道掘进 ，并扩大到岩巷 3。中型机不移位截个断面达 3542 ，多数机型能在纵向 16、横向 8的斜坡上可靠工作，截割功率在 132300KW，机重在 50100t，切割岩石硬度 f 为 12.机电一体化已成为掘进机发展趋势，新推出的掘进机可以实现推进方向和断面监控、电动机功率自动调节、离机遥控操作及工况检测和故障诊断，部分掘进机实现 PLC 控制，实现回路nts循环检测 4。 我国悬臂式掘进机的发展大体分为 3 各阶段。第一个阶段是上世纪 60 年代初期到70 年代末，这一阶段主要是引进国外掘进机为主，在引进的同时，我们的技术 人员开始尝试消化吸收，但研究水平低，主要以切割煤的轻型机为主 5。 上世纪 70 年代末到 90 年代初为消化吸收阶段。这一阶段分别从英国、奥地利、日本、前苏联、美国、德国等国家引进 16 种，进 200 台掘进机设备，对我国煤矿使用掘进机起到推动作用 6。在此期间，我国与国外合作产生了几种悬臂式掘进机并逐步实现了国产化。同时由太原分院研制的 EM1-30 型、 EL-90 型和 EL-110 型掘进机分别在佳木斯煤机厂和淮南煤机厂投入小批量生产 7。这一期间我国的悬臂式掘进机的主要特点是可靠性大大提高，已经能适应我国 煤矿的巷道掘进，中型掘进机号日趋齐全 8。 90 年代初至今为自主研发阶段。这一阶段中型悬臂式掘进机发展日趋成熟，重型掘进机大批出现悬臂式掘进机的设计与加工制造水平已经相当先进，并且具备了根据矿井条件实现个性化的能力 9。我国的悬臂式掘进机发展主要受英国 DOSCO、日本三井三池 S 系列型掘进机的影响。目前主要以纵轴悬臂式为主。同时由于吸收奥地利AM 系列型掘进机的特点，也有部分掘进机设计为横轴截割方式 10。 3、研究 /设计的目标： 掘进机的截割轴形式为纵轴式，切割头转速 44rpn，截割头平均直径 0.65m。截割头所受径向力 150000N，截割头所受轴向力 100000N。截割深度 0.8m。经济截割硬度 70MPa。按照给定的设计任务要求，完成掘进机截割机构的主要结构设计和计算，设计计算符合工程技术规范要求，整理好技术资料，编写设计说明书一份。 nts4、设计方案（研究 /设计方法、理论分析、计算、实验方法和步骤等）： 截割部由截割头组件、截割臂、截割减速机、截割电机组成。掘进机在掘进巷道工作时 ，截割头首先要钻进工作面一定深度，然后横向摆动截割，达到巷道边界后，沿垂直方向截割一定高度， 在水平摆动截割，如此循环往复，直到完成工作面的截割。 图 1 截割部结构 1 截割头组件、 2 截割臂、 3 截割减速机、 4 截割电机 (1)切割电机 在选择截割电动机时，首先要考虑截割电动机的防爆性能。而且掘进机的截割电动机在工作过程中，大多数情况为空载启动。当遇到软岩或夹石时，会有较大的阻力矩，因此要求电动机应有较大的最大转矩。当遇到截割阻力矩较大情况时，转速为低速操作。 （ 2）截割减速机 截割减速机采用两级行星齿轮传动，它和伸缩部用若干个 M24 的高强度螺栓相连，其优点是结构紧凑 、体积和质量小、传动比范围大、效率高、转速平稳而且轴向尺寸小等优点。 nts5、方案的可行性分析： 掘进机截割部由截割电动机输出地功率经减速器后，传递到截割臂，截割臂主轴上花键与截割头相连，将功率输出，带动截割头转动。 6、 该设计的创新之处： 截割电机选用双速水冷电机，有热敏保护 7、 设计产品的主要用途和应用领域： 产品能够实现连续切割、装载、运输作业。广泛应用于煤巷、半煤岩巷、软岩巷道的掘进，也可在铁路、公路、水利工程等隧道中使用。最大定位截割断面可达 23/20，截割硬度为 80/65MPA。要求环境温度为 -20 +40，坡度 18 / 16。 8、 时间进程 第 4 周 整理实习日记、撰写实习总结和开题报告 第 5-9 周 设计计算、总体结构草图设计 第 10-12 周 总体图和部件图设计 第 13 周 零件图设计 第 14 周 整理、撰写毕业设计说明书和设计图纸 第 15 周 结合毕业设计，翻译 2500 字以上的外文资料 第 16 周 答辩 nts9、参考文献： 1 王运敏，项鸿海 .中国采矿设 备手册 J.中国科学出版社 ,2007， 5（ 1） :1424-1471 2 李军利 ,廉自生 ,李元宗 .掘进机工作装置的自适应控制设计与仿真 J. 煤炭科学技术 2009， 37（ 2）： 83-85 3 魏景生 ,吴淼 ,刘建功 . 掘进机智能型自动成形恒功率截割控制系统的研究与应用 J.2009（ 7）： 118-120 4 冯泾若 .国内外厚煤层大功率电牵引采煤机机电一体化新技术 J.煤矿开采 ,2003,8(4):15-17. 5 毛君 ,李建刚 ,李惟慷 ,陈洪月 . 掘进机器人的仿形记忆截割建模与虚拟仿真 J. 系统仿真学报 ,2009， 21（ 8） 4831-4834 6 刘春生 ,赵汗青 ,漆利平 .悬臂式掘进机断面呈型的几何尺寸检测转换模型 J.中国工程机械学报 ,2008,6(1):90-94 7 刘春生 ,杨秋 ,李春华 . 采煤机滚筒记忆程控截割的模糊控制系统仿真 J.煤炭学报 .2008,33(7):822-824 8 赵东升 .悬臂式掘进机工作机构制动控制系统的研究 D.西安科技大学学位论文 .2005. 9 毛君 ,吴常添 ,谢苗 .浅谈悬臂式掘进机的发展及趋势 J.中国工程机械学报 ,2007， 5（ 2） :240-242 10 Mike wolf. Drilling with a twist.Word Mining Equipment .1996,20(4) 11 L Workmen.Which blasthole-reg Mining Equipment .1997,21(2) 12 Kyran Casteel .Alachuan Candidate . Mining Equipment .1997,21 nts指导教师意见 教师签字： 年 月 日 开题 答辩小组意见： 组长签字： 成员签字： 年 月 日 毕业设计领导小组意见 : 组长签字： 年 月 日 nts ntsI 摘 要 随着煤炭行业机械化程度的加快，煤炭行业以前只是重视采煤的机械化，大多数的煤炭行业很少有在掘进方面有较大的投入和研究，这样就造成了采掘速度远远大于开拓速度，此时怎样来提高出煤量，开拓的机械化就显得极其重要了。 作为我国主要能源的煤炭资源在开采上日趋机械化的同时，迫切需要拥有先进的掘进机械，掘进机的研制成功标志着我国的煤炭行业已达到世界的先进水平。 掘进机截割机构是掘进机的主要组成部分， 按照掘进机截割部的总体、动力部分、传动部分以及执行部分的设计思路进行掘进机截割部的设计。在设计时，动力部分做选型计算 ，传动部分的行星减速机构做具体的设计计算和校核，执行部分只对执行元件进行设计计算和校核。设计 对于提高和改进掘进机工作性能， 发展我国大口径全断面掘进机产业以及进一步提高我国的盾构研发能力、改善研发条件具有重大战略意义 。 关键词 ：掘进机 ; 截割臂 ; 行星减速器 ntsII Abstract With the accelerating of coal industry, the degree of mechanization mining coal industry is the importance before, the most mechanized excavating in coal industry has rarely have large investment and research, thus causing the mining speed than develop, how to improve the speed of coal, development of a mechanized appears very important. As our main source of energy in the exploitation of coal resources in the increasingly urgent need, mechanized excavating the advanced mechanical, swinging the successful development of the coal industry, China has reached the advanced world level. Determing cutting mechanism is the main component, the product in accordance with the overall determing cutting parts, power transmission part and the part, the part of the design thought for the design of determing cutting. In the design, selection of part, transmission parts of planetary gearhead institutions do specific design calculation and test execution part only, design calculation of actuators and checking. Design for improvement in China, the development work performance swinging big caliber, whole section roadheader industry and further enhance our shield developing capability, improve development condition with the strategic significance. Key words： roadheader ; cutting arm ; planetary-gear drive ntsIII 目 录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 掘进机 的作 用和分类 . 1 1.1.1 掘进机在煤矿领域中的作用 . 1 1.1.2 掘进机的分类 . 1 1.2 国内外悬臂式掘进机的现状和发展趋势 . 2 1.2.1 国外悬臂式掘进机的现状和发展趋势 . 2 1.2.2 国内悬臂式掘进机的现状和发展趋势 . 3 1.3 论文的主要研究内容及意义 . 5 第 2 章 悬臂式掘进机截割部的结构设计和动力装置的 选择 . 6 2.1 掘进机截割机构设计方案选择 . 6 2.1.1 整体形式选择 . 6 2.1.2 截割头布置方式选择 . 6 2.1.3 纵轴式悬臂掘进机的结构组成 . 7 2.2 截割部的设计参数 . 8 2.3 截割部的总体结构设计 . 8 2.4 截割部对电动机的要求 . 9 2.5 截割电动机的选择 . 10 第 3 章 悬臂式掘进机截割部的传动装置 . 11 3.1 二级行星减速器齿轮的设计计算 . 11 3.1.1 二级行星减速器齿轮传动比的分配 . 11 3.1.2 二级行星减速器高速级齿轮的设计计算和校核 . 13 3.1.3 二级行星减速器低速级齿轮的设计计算和校核 . 27 3.2 二级行星减速器输入输出轴的设计计算 . 40 ntsIV 3.2.1 二级行星减速器输入轴的设计计算 . 40 3.2.2 二级行星减速器输出轴的设计计算 . 44 3.3 二级行星减速器轴承的校核 . 46 3.3.1 二级行星减速器齿轮用轴承的选择和校核 . 46 3.3.2 二级行星减速器输入输出轴用轴承的选择 . 52 第 4 章 悬臂式掘进机截割臂的设计计算 . 54 4.1 截割头轴的设计计算和校核 . 54 4.2 截割头轴用轴承的选择和校核 . 60 结论 . 62 致谢 . 63 参考文献 . 64 ntsV CONTENTS Abstract . II Chapter 1 Introduction . 1 1.1 The role of TBM and classification . 1 1.1.1 Boring machine in the role of the field . 1 1.1.2 Boring machine classification . 1 1.2 Domestic and foreign roadheader status and development trend . 2 1.2.1 Foreign roadheader status and development trend . 2 1.2.2 Domestic roadheader status and development trend . 3 1.3 The main research content and meaning . 5 Chapter 2 Rdadheader cutting unit of the strucure and the choice of power plant . 6 2.1 Mechanism design of cutting selection . 6 2.1.1 Select the whole form . 6 2.1.2 Cutting head lay out option . 6 2.1.3 Longitudinal cantilever structure and composition of TBM . 7 2.2 Cutting part of the design parameters . 8 2.3 Cutting the overall structure of the department of design . 8 2.4 Cutting the request of thedepartment of motor . 9 2.5 Selection of cutting motor . 10 Chapter 3 Roadheader gear cutting unit . 11 3.1 Stage planetary gear design and calculation . 11 3.1.1 Two level planetary gear design and calculation . 11 3.1.2 Two high-level planetary gear reducer design calculation and verification . 13 3.1.3 Two low-level planetary gear reducer design calculation and ntsVI verification . 27 3.2 Two evel planetary reducer design and calculation of input and output shaft . 40 3.2.1 Two level planetary reducer input shaft design calculation . 40 3.2.2 Two level planetary reducer output shaft design calculation . 44 3.3 Two level planetary reducer bearing checking . 46 3.3.1 Two level planetary gear selection and check with the bearing . 46 3.3.2 Two level planetary reducer output shaft . 52 Chapter 4 Roadheader cutting arm of the design calculation . 54 4.1 The cutting head design calculation and verification . 54 4.2 The cutting head shaft bearings selection and verification . 60 Conclusions . 62 Thanks . 63 References . 65 nts1 第 1 章 绪论 1.1 掘进机的作用和分类 1.1.1 掘进机在煤矿领域中的作用 掘进机主要由行走机构、工作机构、装运机构和转载机构组成。随着行走机构向前推进，工作机构中的切割头不断破碎岩石，并将碎岩运走。有安全、高效和成巷质量好等优点，但造价大，构造复杂，损耗也较大。 掘进机的主要功能是剥落煤岩，能掘出不同的巷道断面尺寸。在给定所掘巷道的地质情况下，有较高的生产率。 掘进机在井下不但用于巷道的掘进，在对一些特殊的煤和煤岩也起到采掘作用 。并且在截割过程中动载荷小，生成的粉尘少，比能耗低，取代了人工钻 眼放炮的原始掘进方法，掘进机自身携带装载、转载以及独立的行走机构，提高了井下的工作环境、工作效率和井下安全系数 1。 1.1.2 掘进机的分类 掘进机可按下列几种方式进行分类： 1. 按所掘断面的形状 分为全断面掘进机和部分断面掘进机 2。 2. 按截割头的布置方式 分为横轴式和纵轴式。 3. 按掘进对象 分为煤巷、煤 岩巷和全岩巷掘进机。 4. 按矿井类型 分为竖井、斜井和平硐掘进机。 5. 按悬臂形式 分为单臂式、双臂式和三臂式掘进机 3。 nts2 1.2 国内外悬臂式 掘进机的现状和发展趋势 1.2.1 国外悬臂式掘进机的现状和发展趋势 早在上世纪 30 年代，德国、前苏联、英国、美国就开始了煤矿巷道掘进机的研制，但巷道掘进机得到较广泛工业性应用还是在第二次世界大战之后。1948 年，匈牙利开始研制 F 系列煤巷掘进机。当时是为了适应“房柱式”开采的需要。 1949 年生产的 F2 型掘进机，是世界上的第一台悬臂式掘进机，不过当时还未能实现悬臂式掘进机的全部功能。 1951 年匈牙利研制了采用履带行走机构的 F4 型悬臂式掘进机，这种机型除采用横轴截割方式和调动灵活的履带行走机构外，还采用了铲板 和星轮装载机构，并采用了刮板运输机转运物料。这种机型已具备了现代悬臂掘进机的雏形。 F 系列掘进机是目前悬臂式横轴掘进机的原始机型。 1971 年奥地利 ALPINE 公司在匈牙利 F 系列掘进机的基础上，研制了 AM 50 型掘进机，并在此基础上逐步形成了 AM系列掘进机。 1972 年德国引进 AM 50 型掘进机在半煤岩巷中使用，在此基础上 EICKHOFF 公司自行研制出 EV II 型掘进机，并在此基础上发展成为EVA 系列掘进机。 1973 年 WESTFALIA 公司研制成功了 WAV 170 和WVA 200 型掘进机，并在此基础上发展为 WVA 系列掘进机。 F 系列、 AM系列和 WVA 系列掘进机均采用的是横轴截割机构 7。 1956 年前苏联生产了首台 IIK 3 型纵轴悬臂式掘进机，在 8m2 断面下煤巷中使用。 IIK 3 型掘进机是目前纵轴悬臂式掘进机的雏形。 1960 1964年，英国从前苏联引进了 IIK 3 型掘进机，进行工业性试验，同时开始了悬臂式掘进机的研制。 1963 年 DOSCO 公司在 IIK 3 型掘进机的基础上，通过改变截割头截齿配置和更换电气系统，研制成了 MK II 型和 MK II A型掘进机，并逐步发展成为 DOSCO 系列掘进机。 1968 年，德国 EICKHOFF公司在引进的 DOSCO 掘进机的基础上研制出了 EV 100 型掘进机。后来德国 PAURAT 公司又研制出了 ET 系列掘进机，使纵轴悬臂式掘进机逐步形成系列化。 1966 年，日本三井三池机械制造公司在前苏联 IIK 3 型和英国DOSCO 掘进机的基础上研制成功了 S 系列掘进机。到上世纪 70 年代后期，S 系列掘进机已逐步形成系列化 8。 经过半个多世纪的发展，目前，国外掘进机主要生产国有 :英国、德国、nts3 俄罗斯、奥地利、日本等国所生产的掘进机已被广泛用于硬度 f 低于 8 半煤岩的采准巷道掘进，并扩大到岩巷。重型机不移位截割断面达 35 42m2，多数机型能在纵向 16、横向 8的斜坡上可靠工作，截割功率在 132 300kW，机重在 50 100t，切割岩石硬度 f 为 12。部分机型截割速度已降至 1m/s 以下，牵引速度采用负载反馈调节，以适应不同岩石硬度；一些机型除设有后支撑外，还在履带前后安装了卡爪式液压扎脚机构，以便在切割岩石时锚固定位。机电一体化已成为掘进机发展趋势，新推出的掘进机可以实现推进方向和断面监控、电动机功率自动调节、离机遥控操作及工况监测和故障诊断，部分掘进机实现 PLC 控制，实现回路循环检测 9。 1.2.2 国内悬 臂式掘进机的现状和发展趋势 我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于 20 世纪 60 年代，以 3050kW 的小功率掘进机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。 80 年代初期，我国淮南煤机厂（现重组为凯盛重工）引进了奥地利奥钢联公司 AM50 型掘进机、佳木斯煤机厂（现隶属于国际煤机）引进了日本三井三池制作所 S-100 型掘进机，通过对国外先进技术的引进、消化、吸收，推动了我国综掘机械化的发展。但当时引进的掘进机技术属于 70 年代的水平，设备功率小、机重轻、破岩能力低及可靠性差，仅适合在条件较好的煤巷中使 用，加之国产机制造缺陷，在使用中暴露了很多问题。国内进一步加强对引进机型的消化吸收工作，积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。经过近 30 年的消化吸收和自主研发，目前，我国已形成年产 1000 余台的掘进机加工制造能力，研制生产了 20 多种型号的掘进机，其截割功率从 30kW 到200kW ，初步形成系列化产品，尤其是近年来，我国相继开发了以EBJ-120TP 型掘进机为代表的替代机型，在整体技术性能方面达到了国际先进水平。基本能够满足国内半煤岩掘进机市场的需求，半煤岩掘进机以中型和重型 机为主，能截割岩石硬度为 f 6 8，截割功率在 120kW 以上，机重在 35t 以上。煤矿现用主流半煤岩巷悬臂式掘进机以煤科总院太原研究院院生产的 EBJ-120TP 型、 EBZ160TY 型及佳木斯煤机厂生产的 S150J 型三种机型为主，占半煤岩掘进机使用量的 80以上。 90nts4 年代初至今为自主研发阶段。这一阶段中型悬臂式掘进机发展日趋成熟，重型掘进机大批出现悬臂式掘进机的设计与加工制造水平已经相当先进，并且具备了根据矿井条件实现个性化的能力 9。 我国的悬臂式掘进机发展主要受英国 DOSCO、日本三井三池 S 系列型 掘进机的影响。目前主要以纵轴悬臂式为主。同时由于吸收奥地利 AM 系列型掘进机的特点，也有部分掘进机设计为横轴截割方式 10。 然而，国内目前岩巷施工仍以钻爆法为主，重型悬臂式掘进机用于大断面岩巷的掘进在我国处于试验阶段，但国内煤炭生产逐步朝向高产、高效、安全方向发展，煤矿技术设备正在向重型化、大型化、强力化、大功率和机电一体化发展，新集能源股份公司、新汶矿业集团、淮南矿业集团及平顶山煤业集团公司等企业先后引进了德国 WAV300、奥地利 AHM105、英国 MK3 型重型悬臂式掘进机。全岩巷重型悬臂式掘进机代表了 岩巷掘进技术今后的发展方向。虽然三一重装去年推出了国内第一台 EBZ200H 型硬岩掘进机，但国产重型掘进机与国外先进设备的差距除总体性能参数偏低外，在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质条件的截割、装运及行走部载荷谱没有建立，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统等核心技术方面有较大差距 。 随着煤矿采掘机械化的不断发展。悬臂式掘进机的发展具有以下趋势 : (1) 适用范围不断扩大； (2) 可靠性不断提高； (3) 增加机器的截 割能力，提高工作稳定性； (4) 机电一体化趋势明显； (5) 采掘锚综合机组出现 12。 nts5 1.3 论文的主要研究内容及意义 随着煤炭行业机械化程度的加快，煤炭行业以前只是重视采煤的机械化，大多数的煤炭行业很少有在掘进方面有较大的投入和研究，这样就造成了采掘速度远远大于开拓速度，此时怎样来提高出煤量，开拓的机械化就显得极其重要了 13。 悬臂式掘进机具有掘进速度快，巷道成形好，便于与其他设备配套使用在综掘工作面以及成本较为合理等优点，因而被广泛应用。近年来掘进机不仅广泛用于煤及软岩巷道的掘进 ，在中等硬度的半煤岩巷道掘进中也获得良好的技术经济效果 14。 据初步统计，目前我国统配煤矿巷道掘进工作中，综掘机械化平均仅占10%左右，而前苏联、英、德等主要采煤国在六十年代末就已达到这一水平。与此不成比例的是，我国综采机械化的发展却相当快，煤矿高产高效的要求是二者比例协调。为了适应综采机械化的发展，保持采掘比例协调，综掘机械化程度厄待提高。因此全面提高国产悬臂式掘进机的技术性能，也成为迫切要求 15。 本文简单介绍了悬臂式掘进机的分类、特点和国内外的发展应用状况。详细说明了掘进机截割部的组成、工作原 理和传动过程，并对截割部减速器的选择和设计计算有一个比较全面的认识和掌握，同时对截割部相关的零部件以及它们的工作原理、选用方式和本身的特性有一定的了解。 nts6 第 2 章 悬臂式掘进机截割部的结构设计和动力装置的选择 2.1 掘进机截割机构设计方案选择 2.1.1 整体形式选择 本次设计采用悬臂式方案设计，悬臂式掘进机具有掘进速度快，巷道成形好，工作稳定可靠，便于与其它设备配套使用应用在综掘工作面等优点。随着我国煤矿采掘机械的迅速发展，悬臂式掘进机的可靠性和稳定性在一定程度上也有了很大的提高。目前，我 国自主研发的悬臂式掘进机足以满足现代煤矿掘进的需要 4。 2.1.2 截割头布置方式选择 方案一 掘进机截割机构采用横轴式截割头，横轴式悬臂掘进机一般用于软岩掘进，横轴式截割头的截割性能好，横轴式截割头的头体多为厚钢板的组焊结构或者螺钉连接结构，由左右对称的两个半球体组成。截割头体是通过涨套式联轴器同减速器的输出轴相连，可起到过载保护作用。横轴式截割头结构较为复杂。截割头掏槽时横轴式的推进方式与截割力方向基本一致，必须用较大的进给力，如果用行走机构进给掏槽，则应加大行走功率，而且最大截割深度最大不能超过 2/3的截割直径，这不便于挖柱窝。横轴式截割头在掘进巷道时在工作面某一位置沿巷道掘进方向切进一定深度，然后截割头上下左右摆动扩大截割范围，实现对全工作面的截割，但要注意点是由于横轴式截割头的结构所限，不容许完全做垂直摆动截割，否则两截割头中间部分将触媒，增大工作阻力。 nts7 方案二 掘进机截割机构采用纵轴式截割头，纵轴式悬臂掘进机采用二级行星齿轮传动。它的特点是同轴传动、结构紧凑、传递功率大、传动效果好，在推进过程中方向几乎垂直截割方向，因而只需较小的进给力，而且截割深度可由几厘米到整个截割头长度任选。在巷道掘 进中纵轴截割头可以朝任何方向摆动，因而可以选择岩层较弱、阻力最小的方向截割，同时还能掘出平整的巷道 5。纵轴式截割头在掘进巷道时截割头首先要钻进工作面一定深度，然后横向摆动截割，达到巷道边界后，沿垂直方向截割一定高度，在水平摆动截割，如此循环往复，直到完成对全工作面的截割。 本次设计采用纵轴式悬臂掘进机的截割机构进行设计。 2.1.3 纵轴 式悬臂掘进机的结构组成 纵轴式悬臂掘进机主要由截割机构、装载机构、回转台、液压系统、行走机构、电气系统、后支撑和转载机构等组成。截割头是由截割机构上的电动机驱 动，行走、装载、运输和转载的动力则是由安装在本体部的电动机和液压马达提供。截割臂的上下、左右摆动、铲板起落、后支撑支地和伸缩部伸缩都是由液压油缸来实现的 6。 1 2 3 4 5 6 7 81 截割机构； 2 装载机构； 3 回转台； 4 液压系统； 5 行走机构； 6 后支撑； 7 电气系统； 8转载机构 图 1-1 纵轴式悬臂掘进机 nts8 2.2 截割部的设计参数 悬臂式掘进机截割部的初始设计参数： 截割头转速： rpm44 截割头摆动速度： m/min05.1 截割头平均直径： m65.0 截割头所受径向力： N150000rF 截割头所受轴向力： N100000xF截割深度： m8.0 经济截割硬度： MPa70 2.3 截割部的总体结构设计 悬臂式掘进机截割部主要由截割头组件、截割臂、二级行星减速器和电动机组成。 电动机选用掘进机专用电动机，减速器采用 NGW 型二 级行星减速器，它具有结构紧凑、体积和质量小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低、结构简单、制造方便、传动功率范围大而且轴向尺寸小等优点。 截割臂的上下、左右动作是由截割部与回转台间的两个伸缩油缸完成的。 截割功率是由电动机输出的功率经减速器后，传递到截割臂，截割臂主轴上花键与截割头相连接，将功率输出。 nts9 1 2 3 4 51 截割头组件； 2 截割臂； 3 减速器； 4 联轴器； 5 电动机 图 2-1 悬臂式掘进机截割部 2.4 截割部对电动机的要求 悬臂式掘进 机是一种主要应用于煤炭行业的掘进设备。因此在选择截割电动机时，首先要考虑截割电动机的防爆性能。而且掘进机的截割电动机在工作过程中，大多数情况为空载起动。当遇到软岩或夹石时，会有较大的阻力矩，因此要求电动机应有较大的最大转矩。当遇到截割阻力矩较大的情况时，转为低速操作。而且 掘进机 的截割电动机是截割部不可缺少的一部分，除须符合 3836GB 的有关规定外，其外形机壳结构的机械强度、连接方式、冷却方法以及防尘防水程度都必须满足掘进机作业的要求 。 nts10 2.5 截割电动机的选择 根据艾克霍 夫公司实验资料可得，对于 5f 的煤岩取 3h/mkW4 H，利用能耗法比能耗的实验数据估算截割功率 N LDvHNH60(2-1) 式中H 比能耗， 3h/mkW4 H； Hv 截割头摆动速度， m/min05.1Hv ； L 截割深度， m8.0L ； D 截割头平均直径， m65.0D 。 kW04.13165.08.005.1460 N 根据计算得知，选用标准电动机的功率为 135kW 。再根据表 2-1 对电动机的技术要求中，选用 YBUS3-135 型掘进机专用隔爆型三相异 步电动机。 表 2-1 电动机技术数据 型号 功率 kW 额定 电压 V 转速 rpm 效率 % 功率因数 额定转矩 冷却方式 工作制 绝缘等级 重量 kg YBUS3 135 135/122 660/1140 970/955 0.96/0.87 0.85 2.0 外壳水冷 S2 H 1700 nts11 第 3 章 悬臂式掘进机截割部 的传动装置 3.1 二级行星减速器齿轮的设计计算 3.1.1 二级行星减速器齿轮传动比的分配 从掘进机的工作条件考虑，选用 NGW 型行星齿轮减速器。它具有结构紧凑、体积和质量小、传动比范围大、效率高、运转平稳、噪声低、结构简单、制造方便、传动功率范围大而且轴向尺寸小等优点。减速器采用渐开线圆柱直齿轮，高速轴与电动机直接相连。电动机功率 kW135p ，输入转速970rpm1 n ，输出转速 3.67rpm42 n 。 图 3-1 截割部减速器传动原理图 1. 总传动比 21.2267.4397021 nni(2-1) nts12 2. 各级传动比 NGW 型两级行星齿轮传动的传动比可利用图 3-2 进行分配，图中 i 和 i分别为高速级传动比和总传动比。 用角标 表示高速级参数， 表示低速级参数。设高速级与低速级外啮合齿轮材料、齿面硬度相同，则 limlim HH 1BBddB式中 BId 低速级内齿轮的分度圆直径； BId 高速级内齿轮的分度圆直径。 2222WNHVcdsWNHVcds ZZKKKC ZZKKKCA 式中 A 中间变量 ； ss CC 行星轮数目 ， 3sC， 5sC； dd 分度圆的齿宽系数， 2.1dd ； WW ZZ 齿面工作硬化系数， WW ZZ； cC kK 载荷分布系数， cc KK； HH KK 接触强度的载荷系数， 222 NHVNHV ZKK ZKK 。 422.1135 A 414 88 ABE nts13 34567810 20 30 40 50E=1 2 4iIi图 3-2 两级 NGW 型传动比分配 由图 3-2 可得 18.5i 29.418.5 21.22 iii 3.1.2 二级行星减速器高速级齿轮的设计计算和校核 1. 配齿计算 查表 3-1 选择行星轮数目取 3SC，由于 18.5BAXi 距可能达到的传动比极限较远，所以可以不检验邻接条件。 确定各齿轮齿数，按文献 16行星减速器齿轮传动的配齿公式进行计算。 nCZisABAX nts14 ASB ZnCZ )(21 ABC ZZZ 式中 BAXi 行星减速器高速级减速比， 18.5BAXi ； AZ 行星减速器高速级中心轮齿数； n 整数， 19n ； BZ 行星减速器高速级内齿轮齿数； CZ 行星减速器高速级行星轮齿数。 19318.5 AZ 11AZ 4611319 BZ 5.17)1146(21 CZ 表 3-1 行星轮数目与传动比的关系 行星轮数目sC传动比范围 BAXiNGW 3 2.1 13.7 4 2.1 6.5 5 2.1 4.7 采用不等角变位，可取 17CZ或 18CZ若取 18CZ，则 98.01811 1846 CA CB ZZ ZZj，由文献 16可查出适用的预计啮合nts15 角在 20AC、 23CB到 3021AC、 24CB的范围内；若取 17CZ，则04.11711 1746 CACB ZZ ZZj，适用的预计啮合角在 3023 AC、 4017 CB到 3026 AC 、 21CB 的范围内。 取 18CZ时，不符合不等角变位的选择条件、且各齿轮齿数间存在公因数。应取 17CZ且符合公因数条件，预取 3026 AC。 2. 按齿面接触强度初算 CA 传动的中心距和模数 电动机输入转矩 IT nPT 9550(3-2) 式中 P 电动机功率， kW135P ； n 电动机转速， rpm970n 。 mN1 3 299701359 5 50 T 在对 CA 传动中，中心轮传递的转矩 AT csA KCTT 式中 T 电动机输入转矩， mN1329 T ； sC 行星轮个数， 3sC； cK 载荷不均匀系数， 由文献 16查得 15.1cK。 nts16 mN5 0 915.131 3 2 9 AT 齿数比 5.11117 ACZZu中心轮和行星轮的材料用 CrMo20 渗碳淬火，中心轮和行星轮齿面硬度均为 HRC6356 ，则试验齿轮的接触疲劳极限 2lim N/ mm15 00H 。 中心轮的许用接触应力 l i ml i m HXWRVNHHP SZZZZZ 式中NZ 计算接触强度的寿命系数，根据文献 17查得 1NZ； VZ 速度系数，根据文献 17查得 9.0VZ； RZ 粗糙度系数，根据文献 17查得 1RZ ； WZ 工作硬化系数，根据文献 17查得 1WZ； XZ 接触强度计算的尺寸系数，根据文献 17查得 1XZ ； limHS 计算接触强度的最小安全系数，根据文献 17查得 1limHS 。 2mmN13509.01500 HP 按文献 16中齿面强度计算公式计算中心距 3 21HPaAa uKTuAa (3-3) 式中aA 钢对钢配对的齿轮副常系数， 483aA； u 齿数比， 5.1u ； K 载荷系数， 由文献 16查得 8.1K ； nts17 a 齿宽系数， 7.0a； HP 许用接触应力， 2mmN1350HP 。 mm46.9413505.17.0 5098.115.1483 3 2 a 齿轮模数 mm7.61711 46.9422 CA zzam 圆整后取模数 mm8m 。 CA 传动未变位时的中心距 mm1 1 2)1711(28)(2 CAAC ZZma 按预取啮合角 3026 ACa，可得 CA 传动中心距变动系数 1c osc os21 ACCAAC ZZ 式中 标准压力角， 20 。 704.013026c os 20c os171121 AC 则 CA 传动的 实际中心距 mm63.1178704.0112 maa ACAC 圆整后取实际中心距 mm118 a 。 3. 计算 CA 传动的实际中心距变动系数AC和啮合角 ACCA 传动的实际中心距变动系数 AC nts18 maa ACAC 式中 a 圆整后的实际中心距 ， mm118 a ； ACa CA 传动未变位时的中心距， mm112ACa。 75.08 112118 AC CA 传动的啮合角 AC 8 9 1 91 1 6 4.020c o s118112c o sc o s aa ACAC 15326 AC4. 计算 CA 传动的变位系数 ta n2 in vin vZZx ACCAAC(3-4) 式中 ACinv 啮合角的渐开线函数， 037958.0 ACinv ； inv 标准压力角的渐开线函数， 01508.0inv 。 88.07 2 7 9 4.0 0 1 5 0 8.00 3 7 9 5 8.01711 ACx 利用文献 16校核ACx，ACx在许用区内。 根据文献 16分配变位系数，得 515.0Ax 365.0515.088.0 AACC xxx5. 计算 BC 传动的实际中心距变动系数CB和啮合角 CBBC 传动的未变位时的中心距 mm1161746282 CBCB ZZma nts19 25.08 116118 m aa CBCB9 2 3 76 5 6 2 7.020c o s118116c o sc o s aa CBCB 023122 CB6. 计算 BC 传动的变位系数 ta n2 in vin vZZx CBCBCB (3-5) 式中 CBinv 啮合角的渐开线函数， 02171.0 CBinv 。 2 6 5.07 2 7 9 4.0 0 1 5 0 8.00 2 1 7 1.01746 CBx 63.0365.0265.0 CCBB xxx7. 几何尺寸计算 几何尺寸计算公式由表 3-2，计算各个齿轮分度圆直径： mm88118 AA mZd mm36 8468 BB mZd mm136178 CC mZd 式中CBA ddd 分别是中心轮、内齿轮和行星轮的分度圆直径 mm 。 计算各个齿轮齿顶高 齿顶高变位系数 13.075.0365.0515.0 ACCAAC xx 015.025.0365.063.0 CBCBCB xx 计算 CA 传动时中心轮和行星轮齿顶高