采煤机截割部及其液压系统设计

毕业设计论文题目采煤机截割部及其液压系统设计专业机械工程及自动化流体传动与控制时间二零一四年六月中文题目采煤机截割部及其液压系统设计外文题目CUTTINGUNITOFSHEARERANDHYDRAULICSYSTEMDESIGN毕业设计（论文）共90页（其中外文文献及译文16页）图纸共6张完成日期2014年6月12日答辩日期2014年6月19日摘要煤炭是当今重要的能源之一，在国民经济中占有举足轻重的地位。采煤机械的设计与新产品的发展，实现综合机械化开采是当今发展的必然趋势。采煤机作为综采的主要机械设备，其技术的先进性与可靠性将直接影响煤矿的生产效率。本文以大功率电牵引采煤机为研究对象，结合MG1000/2500WD型采煤机的部分机械结构和技术参数，基于理论分析的研究方法，通过查阅相关书籍和参考文献，对比和分析目前广泛使用的采煤机机型特点，对采煤机的截割部和液压系统进行设计和计算。以双滚筒采煤机的关键机械结构截割部作为机械部分的主要研究对象，基于采煤机螺旋滚筒成形的设计理论，依据本研究对象的使用条件和工作环境，设计计算采煤机螺旋滚筒的主要结构参数。根据研究对象动力系统横向布置的特征，分析现有设备的截割部传动形式，设计本采煤机的截割部传动系统。以采煤机截割部的设计为基础，依据已知的整机结构和运动参数，结合采煤机的工作环境和使用条件，对采煤机摇臂调高系统的工况进行详细分析，对采煤机整机、破碎机调高和挡矸支护等部分的工况进行简要分析。结合工况分析的结论，对比现有采煤机液压系统的特点和优势，设计和计算本采煤机液压系统的参数和形式，并对设计结果进行验算，得到合理的设计结果。关键词采煤机；截割部；液压系统ABSTRACTCOALISONEOFTODAYSMAJORENERGYANDOCCUPIESAPIVOTALPOSITIONINTHENATIONALECONOMYACHIEVECOMPREHENSIVEMECHANIZEDMININGBYDESIGNINGOFMININGMACHINERYANDDEVELOPINGNEWPRODUCTSISTHEINEVITABLETRENDOFDEVELOPMENTSHEARERASTHEMAINMACHINERYANDEQUIPMENTOFTHEMECHANIZEDMININGWILLDIRECTLYAFFECTTHEEFFICIENCYOFCOALPRODUCTIONFORADVANCEDNATUREANDRELIABILITYOFTHETECHNOLOGYSTUDYONHIGHPOWERELECTRICHAULAGESHEARERSINTHEPAPERBOTHPARTOFTHEMECHANICALSTRUCTUREANDTECHNICALSPECIFICATIONSOFMG1000/2500WDSHEARERISCONSIDEREDBYRESEARCHMETHODSOFTHEORETICALANALYSISANDINSTRUCTORGUIDANCEANDACCESSINGTORELEVANTBOOKSANDREFERENCES,COMPARINGANDANALYSISINGTHEFEATHURESOFTHESHEARERTHATISEXTENSIVEUSEDTODAYDESIGNEDANDCALCULATEDTHESHEARERCUTTINGUNITANDHYDRAULICSYSTEMTHEKEYMECHANICALSTRUCTUREOFDOUBLEDRUMSHEARERISCUTTINGUNITASTHEMAINOBJECTOFSTUDYOFTHEMECHANICALPARTSBASEDONDESIGNTHEORYSHAPEDOFSPIRALDRUMSHEARER,THEWORKINGENVIRONMENTANDCONDITIONSOFUSEONTHESTUDYDESIGNINGANDCALCULATINGPARAMETERSOFTHEMAINSTRUCTUREOFSHEARERSPIRALDRUMACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFPOWERSYSTEMTHATTRANSVERSELAYOUTOFRESEARCHOBJECT,ANALYSISINGTHEDRIVEFORMCUTTINGUNITOFEXISTINGEQUIPMENTDESIGNINGTHEDRIVINGSYSTEMOFTHECUTTINGUNITBASEDONTHEDESIGNOFCUTTINGUNITANDTHEWHOLESTRUCTUREANDMOTIONPARAMETERSTHATISKNOWN,COMBININGTHEWORKINGENVIRONMENTANDCONDITIONSOFUSE,ANALYSISINGTHECONDITIONSOFTHESHEARERROCKERARMADJUSTINGSYSTEMINDETAILANDTHECONDITIONOFTHEWHOLEMACHINE,CRUSHERRAISEDANDBLOCKINGGANGUESUPPORTSUCHASPARTINBRIEFCOMBININGWITHTHEANALYSISOFTHEWORKINGCONDITIONCHARACTERISTICSANDADVANTAGESOFTHEEXISTINGHYDRAULICSYSTEMOFSHEARERISCOMPAREDDESIGNINGANDCALCULTTINGPARAMETERSANDFORMOFTHESHEARERHYDRAULICSYSTEMANDCALCULATINGTHERESULTSOFDESIGN,GETAREASONABLEDESIGNRESULTKEYWORDSSHEARERCUTTINGUNITHYDRAULICSYSTEM目录目录11绪论111采煤机的发展概况112国内外采煤机的发展趋势2121国外采煤机的发展趋势2122国内采煤机的发展趋势413采煤机组成及其工作原理4131采煤机的组成及总体布置5132采煤机的工作方式714研究目标及意义112采煤机的截割部设计1321MG1000/2500WD型交流电牵引采煤机13211型号含义13212工作环境及其适用范围13213MG1000/2550WD型电牵引采煤机的主要参数1422截割部设计14221螺旋滚筒的设计16222截割传动系统设计263采煤机的工况分析3231采煤机滚筒调高系统的工况分析35311采煤机滚筒调高系统工作过程分析35312滚筒采煤机调高系统受力分析3632破碎机调高系统的工况分析4133挡矸装置液压缸的工况分析424采煤机液压系统的设计与计算4441确定液压系统的主要参数44411初选工作压力44412执行元件的主要参数计算4642拟定液压系统原理图49421采煤机负载敏感液压系统49422采煤机液压系统的回路设计50423液压系统原理图的拟定5243液压元件选择53431液压泵的选择53432电动机的选择54433液压阀的选择55434辅助元件的选择5744调高液压缸的设计60441缸筒60442活塞杆62443活塞63444导向套和密封件63445端盖和缸底6545验算液压系统的性能66451液压系统压力损失的验算66452系统温升验算675技术经济性6951技术分析6952经济性分析6953市场分析与展望706结论71致谢72参考文献73附录A75附录B841绪论11采煤机的发展概况世界上第1台釆煤机是原苏联于1952年生产并开始使用的，我国于1952年购进并使用，与此同时，鸡西煤矿机械厂即开始进行仿制工作，于1954年制造出中国第1台深截式采煤机，即顿巴斯1型釆煤康拜因，随后批量生产。在顿巴斯1型釆煤康拜因的基础上，经过研究、改进和完善，设计制造了多种型式的采煤康拜因，这一时期的釆煤机称为中国第1代采煤机1。20世纪60年代初，在顿巴斯1型釆煤康拜因的基础上，中国开始自行研制生产釆煤机，1964年生产出MLQ64型，1968年生产出MLQI80型浅截式单滚筒釆煤机，成为中国第2代釆煤机，中国第2代釆煤机的特点是截割部滚筒釆用摇调高，牵引机构也为钢丝绳牵引，通过应用证明，釆用钢丝绳牵引，绳筒磨损严重，使用寿命短，同时牵引力较小，容易拉断而导致伤人和机器下滑事故。该类型釆煤机釆用了液压传动，具有无级调速和过载保护等特点。中国于20世纪60年代末70年代初开始研制第3代釆煤机即双滚筒釆煤机。1975年生产的M巩170型釆煤机，实现了滚筒釆煤机由单滚筒向双滚筒的飞跃。M巩170型釆煤机的2个可调高滚筒放在釆煤机的两端，利用摇臂调高。牵引机构釆用圆环链牵引，提高了牵引力，但不适应大倾角釆煤。MXA300型系列釆煤机是西安煤矿机械厂1983年研制生产的大功率无链牵引双滚筒釆煤机，釆用了三头螺旋滚筒，滚筒转速有所降低，牵引机构釆用齿轮销轨式，传动平稳，消除了链牵引的缺点，机器的使用寿命延长，增设了副牵引部和可靠的液压制动装置，可用于大倾角4050煤层而不需要设防滑安全绞车，提高了工作效率，加大了生产能力。MG132/320W新型液压牵引釆煤机是由泰山建能公司、煤炭科学研究总院、新汉矿业集团联合研制完成的。该釆煤机釆用滚筒式釆煤机发展趋势的多电机横向布置，液压牵引系统打破常规，釆煤机牵引部泵箱把长期使用的“湿腔”布置分离液压元件改为“干腔”布置，实现了釆煤机液压系统的创新。该机在同类釆煤机设计中达到了国内先进水平。国外于1976年研制出第1台电牵引釆煤机。1991年，由煤炭科学研究总院上海分院与波兰科玛克公司合作，研制成功中国第1台釆用交流变频调速的G344PWD型薄煤层强力爬底板电牵引釆煤机，性能良好，电牵引釆煤机成为中国第4代釆煤机。2005年煤炭科学研究总院上海分院又开发出总装机功率达1815KW的大功率釆煤机。随后，更大功率的电牵引釆煤机MG900/2215GWD也问世，该型釆煤机的控制达到了国际先进水平，是目前国内功率最大的釆煤机。如果釆用长摇臂，最大釆高可达到创记录的6M，该型釆煤机完全能够满足国内煤矿高产高效工作面的生产需要。目前，国内使用的交流电牵引釆煤机的电牵引调速系统主要有3种即交流变频调速系统、开关磁阻电机调速系统（简称SRD）、电磁转差离合器调速系统。调速原理不尽相同，但基本上都可分为控制部分和牵引电机部分。在这3种交流电牵引调速系统中，交流变频调速技术由于具有的诸多优点，在大功率釆煤机的应用已趋向成熟，并已成为目前釆煤机调速方式的主流，其主要特点是启动性能好，可直接实现软启动；交流变频调速属转差功率不变型调速系统，故效率高。随着计算机技术和大功率电子元器件的不断发展，交流变频调速的调速性能和精度可与直流调速相比。SRD技术在采煤机上的应用虽然起步不久，但具有发展潜力，它有交流变频调速电动机结构简单、无刷无整流子的优点，也有直流调速系统调速性能好，控制电路简单、价格低廉等优势，而且启动转矩大、启动电流小，这种调速方式一旦解决了噪声问题和位置传感器存在的不可靠性问题，将更适合在煤矿井下釆掘机械中使用。电磁转差离合器调速技术本身比较成熟，它属于改变转差率的交流调速方式，釆用闭环系统能得到较大的调速范围，可平滑调速，并具备交流调速和直流调速的双重优点。随着计算机技术在控制系统中的应用，电磁调速电动机电流的控制精度和控制性能可以做得更适合釆煤机的使用，但它在釆煤机上的应用也存在低速性能差、电动机发热等问题。12国内外采煤机的发展趋势121国外采煤机的发展趋势近年来，国外釆煤机的技术特点和发展趋势主要表现在以下几个方面牵引方式釆用电牵引，传统的液压牵引釆煤机在国外虽然仍在生产和使用，但已不占主导地位，由于电牵引釆煤机的诸多优点，国外目前新开发的采煤机，特别是大功率采煤机基本上都是釆用电牵引方式23。装机总功率不断增大，国外釆煤机的功率在不断提高，电机截割功率通常在400KW以上，功率大的已达L000KW；牵引电动机功率均在40KW以上，大的甚至达到125KW；总装机功率通常超过L000KW，最高已达2000KW以上；牵引速度、牵引力也大幅提高，目前大功率电牵引釆煤机的牵引速度普遍达到1525M/MIN,牵引力达到757KN以上。釆用大截深滚筒已成为提高釆煤机生产能力的重要途径。交流变频成为主流调速方式由于交流变频调速牵引系统具有技术先进、可靠性高，维护管理简单和价格低廉等特点，近几年发展很快，交流牵引正逐步替代直流牵引，成为今后电牵引釆煤机的发展方向。釆用2个变频器分别拖动2台牵引电机的牵引系统，可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也正被逐步釆用，成为电牵引技术发展的又一个特点。普遍釆用中高压供电80年代以来，由于装机功率大幅度提高以及工作面的不断加长，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，新一代大功率电牵引釆煤机乎都釆用中高压供电。主要供电等级有2300V、3300V、4160V和5000V等。监控保护系统的智能化现代电牵引釆煤机均具有建立在微处理机基础上的智能化监控、监测和保护系统，可实现交互式人机对话、远近控制、无线电遥控、工况监测及状态显示、数据釆集存储及传输、健康（故障）诊断及预警、自动控制、自动调高等多种功能，以保证釆煤机最低的维护量和最高的利用率；并可实现与液压支架、工作面输送机的信息交互和联动控制等功能。英国LONGAIRDOX公司在EL系列机型上装置的IMPACT集成保护及监控系统；德国EICKHOFF公司的EICKHOFF数据汇集技术系统；美国JOY公司6LS型电牵引釆煤机的JNA网络信息中心等。监控保护系统的智能化主要功能可归结为1负载控制通过截割电机电流的精确监测，调整釆煤机的牵引速度，使釆煤机在不同工况下以最优化的参数进行工作，从而保证传动系统不易受持续冲击影响。2工作面定位控制可以识别釆煤机在工作面的位置，在机头、机尾可自动减速和停止，与支架配合实现自动随机移架,并可检查支架是否正确支护。3与工作面输送机联机的负荷控制通过输送机的负荷监测来调节釆煤机的釆煤量，使釆煤机和输送机的生产能力完全相匹配，既提高输送机的可靠性，又充分发挥工作面的生产能力。4自动调高控制釆煤机每移动1M就可精确地测量截割高度和角度10次，通过自动算法与存储数据进行比较校正，迅速对釆煤机进行最优化的水平调整。该控制可最大地减小底板的截割台阶，实现平滑过渡，加快工作面设备的推进速度，提高设备的使用寿命，使操作人员能尽量避开粉尘。5运行状态监控和显示釆煤机的数据釆集系统可釆集大量各类机器参数，如输入电压；电机电流，轴承、绕组和冷却水温度；控制电源；润滑油温度、消耗；液压系统油位、压力、温度；冷却和喷雾降尘水量/水压；机器速度、方向；摇臂的操作角度；过载保护监控等。6数据传输、顺槽控制及地面监控釆煤机上的双向调制解调器可通过双芯拖移电缆输送到顺槽调制解调器，再通过双向通讯线路传送到地面调制解调器及协议控制器。传送的数据经过地面监控软型号。122国内采煤机的发展趋势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。13采煤机组成及其工作原理采煤机械是机械化采煤作业中最主要的机械设备，其功能是落煤和装煤。采煤机械分为采煤机、刨煤机和连续采煤机（亦称掘采机），其中采煤机又包括滚筒采煤机和螺旋钻采煤机，由于滚筒采煤机用途广发，因此通常说的采煤机即指滚筒采煤机。滚筒式采煤机是机械化采煤的关键设备，是典型的大型复杂机电液系统产品，直接决定着采煤效率和成本，具有大功率（3002400KW）、大质量（20120T）、高产量1001000万吨/年等特点，在所有机械化采煤设备中的使用量占到90以上。滚筒采煤机分为单滚筒采煤机和双滚筒采煤机，单滚筒采煤机只有在薄煤层中使用，并且现在使用量很少，为此本文所阐述的滚筒采煤机主要指双滚筒采煤机。双滚筒采煤机可免开缺口，能适应较复杂的顶、底板条件，适用于各种硬度煤层，能截割硬煤；且采高范围大，调高方便，在缓斜煤层中采高为06560M，采用无链牵引可在3554的大倾角条件下工作。由于具有上述优点，滚筒采煤机很快得到了广泛使用，并且在结构和性能方面不断改进和完善。131采煤机的组成及总体布置釆煤机主要由牵引部、截割部、电气系统、调高系统、破碎机和附属装置等部分组成（如图11。两个滚筒对称地布置在机器的两端，采用摇臂调高。这样布置不但有较好的工作特性，对顶板和底板的起伏适应能力强，而且只要滚筒具有横向切入煤壁的能力，就可以自开工作面切口。这类采煤机的截割部多采用齿轮传动，并且为了加大调高的范围，多采用惰轮以增加摇臂的长度；电动机和采煤机的纵轴相平行，采用单电机传动时，通常要用一根长轴穿过牵引部；采煤机的牵引部和截割部通常各自独立4。图11电牵引双滚筒采煤机FIG11ELECTRICTRACTIONDOUBLEDRUMSHEARER滚筒采煤机常见的总体布置方式有两种。1电动机沿轴向（纵向）布置方式。有链牵引采煤机的总体布置方式如图12,其中图A单滚筒采煤机，图B双滚筒采煤机，图C双滚筒双电动机采煤机。无链牵引采煤机的总体布置方式如图13，其中图A双滚筒单电动机采煤机，图B是双滚筒单电动机（牵截合一）采煤机，图C为双滚筒双电动机采煤机，而图D是双滚筒双电动机（牵截合一）采煤机。5412354123154541231542ABC图12有链牵引采煤机的总体布置方式FIG12OVERALLLAYOUTOFCHAINHAULAGESHEARER1截割部；2电动机；3牵引部；4滚筒；5摇臂5462365411547237545462365411285462365411ABCD图13无链牵引采煤机的总体布置方式FIG13OVERALLLAYOUTOFCHAINLESSHAULAGESHEARER1截割部；2电动机；3牵引部；4滚筒；5摇臂；6行走部；7行截合一截割部；8电控箱2多电动机横向布置方式。多电动机驱动的采煤机总体布置方式如图14，其中图A为双滚筒多电动机（有链液压牵引），图B是双滚筒多电动机（无链液压牵引），图C为电牵引。BC445612356446135672744656889A图14多电机驱动采煤机的总体布置方式FIG14OVERALLLAYOUTOFSHEARERDRIVENBYMULTIMOTOR1电控箱；2牵引部电动机；3牵引部；4滚筒；5摇臂；6截割部电动机；7行走部；8行牵合一牵引部；9变频调速及电控箱132采煤机的工作方式1采煤机工作原理采煤机的功能有两个，即对煤岩的截割破落和装载。采煤机通过螺旋滚筒上的截齿对煤壁进行切割；通过滚筒螺旋叶片的螺旋面进行装载，将从煤壁上切割下来的煤运出，在利用叶片外缘将煤抛到刮板输送机中部槽内运走。单滚筒采煤机（见图15A、图15B）滚筒一般位于采煤机下端，以使滚筒割落下的煤不经机身下部就运走，从而可降低采煤机机面（由底板到机身上表面）高度。单滚筒采煤机上行工作（图15A）时，滚筒割顶部煤并把落下的煤装入刮板输送机，同时跟机悬挂铰接顶梁，割完工作面全长后，将弧形挡煤板翻转180；机器下行工作（图15B）时，滚筒割底部煤及装煤，并随之推移刮板输送机。这种采煤机沿工作面往返一次进一刀的采煤法称为单向采煤法。ABC图15滚筒采煤机的工作原理FIG15WORKINGPRINCIPLEOFDRUMSHEARER双滚筒采煤机（15C）工作时，前滚筒割顶部煤，后滚筒割底部煤。因此，双滚筒采煤机沿工作面牵引一次，可以进一刀，返回时，又可进一刀，即采煤机往返一次进两次刀，这种采煤法称为双向采煤法。必须指出，为了使滚筒落下的煤能装入刮板输送机，滚筒上螺旋叶片的螺旋方向必须与滚筒旋转方向相适应，对顺时针旋转（人站在采空区侧看）的滚筒，螺旋叶片方向必须右旋；逆时针旋转的滚筒，螺旋叶片方向必须左旋，可归结为“左转左旋，右转右旋”。2采煤机的进刀方式当采煤机沿工作面装双向采煤时，每次截割完工作面全长后，工作面就向前推进一个截深的距离。在采煤机重新开始截割下一刀之前，首先要使滚筒切入煤壁，推进一个截深，这一过程称为进刀。综采工作面两端巷道的断面较大，刮板输送机的机头和机尾一般可伸进巷道。当采煤机截割到工作面端头时，其滚筒可截割至巷道，因此不需要人工预开切口，而由采煤机在进刀过程中自开切口。采煤机的进刀方式主要有斜切式进刀和正切式进刀两种4。1端部斜切法利用采煤机在工作面两端2530M范围内斜切进刀称为端部斜切法，如图16所示。1212采煤机10M回风巷输送机运输巷1212采煤机20M回风巷输送机运输巷AB1212253012CD图16端部斜切进刀法FIG16OBLIQUEENDFEEDMETHOD其操作过程如下A采煤机下行正常割煤时，滚筒2割顶部煤，滚筒1割底部煤（图16A），在离滚筒1约10M处开始逐段移输送机。当采煤机割到工作面运输巷处（输送机头）时，将滚筒2逐渐下降，以割底部残留煤，同时将输送机移成如图16B所示的弯曲行。B翻转挡煤板，将滚筒1升到顶部，然后开始上行斜切（图16B中虚线），斜切长度约为20M，同时将输送机移直（图16C）。C翻转挡煤板并将滚筒1下降割煤，同时将滚筒2上升，然后开始下行截割（图16C中虚线），直到工作面运输巷。D翻转挡煤板，将滚筒位置上下对调，由滚筒2割残留煤（图16D），然后快速移过斜切长度（2530M）开始上行正常割煤，随即移动下部输送机，直到工作面回风巷时又反向牵引。重复上述进刀过程。可见，端部斜切法要在工作面两端近20M地段使采煤机往返一次，翻转挡煤板及对调滚筒位置3次，所以工序比较复杂。这种进刀法适用于工作面较长、顶板较稳定的条件。2中部斜切法（半工作面法）利用采煤机在工作面中部斜切进刀称为中部斜切法，如1212采煤机回风巷输送机运输巷A1212BLL/212采煤机回风巷输送机运输巷C输送机采煤机回风巷运输巷图17中部斜切进刀法FIG17CENTRALOBLIQUEFEEDMETHOD其操作过程如下A开始时工作面是直的，输送机在工作面中部弯曲（图17A），采煤机在工作面运输巷将滚筒1升起，待滚筒2割完残留煤后快速上行至工作面中部，装净上一刀留下的浮煤，并逐步使滚筒斜切入煤壁（图17A中虚线）；然后转入正常割煤，直到工作面回风巷；再翻转挡煤板，将滚筒1下降割残留煤，同时将下部输送机移直。这时工作面是弯的，输送机是直的（图17B）。B将滚筒2升起，机器下行割掉残留煤后，快速移到中部，逐步使滚筒斜切入煤壁（图17B中虚线），转入正常割煤，直到工作面运输巷；再翻转挡煤板，将滚筒2下降，即完成了一次进刀；然后将上部输送机逐步完成图27C所示状态，即又恢复到工作面是直的，输送机是弯的位置。C将滚筒1上升，机器快速移到工作面中部，又开始新的斜切进刀，重复上述过程。中部斜切进刀法有以下特点A每进两刀只改变牵引方向（包括翻转挡煤板及对调滚筒位置）4次，工序比较简单，节省了时间。B采煤机快速移动时可以装净上次进刀留下的浮煤，装备效果好。C采煤机割煤时，输送机机头处于不移动状态，且有一半时间输送机完全呈直线，故能延长输送机寿命。D采煤机每割1刀要多运行1个工作面长度，但由于牵引速度高，因此所花费的总时间仍不长。E在滞后支护的条件下，采用中部斜切法，空顶的面积和时间要比端部斜切法大。因此，中部斜切法适用于工作面较短、片帮严重的煤层条件。3正切进刀法（钻入法）正切进刀法是在工作面两端用千斤顶将输送机及其上面的采煤机滚筒推向煤壁，利用滚筒端盘端面上的截齿钻入煤壁，以实现进刀。正切进刀法的操作过程如下A当采煤机割到工作面一端后（图18A），放下上滚筒，返回割一个机身长的底部煤，停机后，开始切口，则工作面如图18B所示。B开动滚筒，并靠推溜千斤顶将输送机连通采煤机强力推入煤壁。为便于钻入，在推溜同时将采煤机在1M距离内往复牵引，直到钻入下一个截深（见图18C）。C滚筒切入后，变换前、后滚筒高度，割去端面剩余残煤（见图18D），再转入正常割煤状态。正切入刀法的优点是工作面空顶面积小，切入时间短，可提高功效。但此法只适于用无挡煤板的采煤机。且千斤顶推力大，并要求输送机、采煤机摇臂强度大，因此一般很少采用。采煤机输送机输送机千斤顶采煤机输送机ABCD图18正切进刀法FIG18TANGENTIALFEEDMETHOD14研究目标及意义煤炭是中国的主要能源之一。长期以来，煤炭在中国一次能源生产和消费结构中一直占70以上，虽然近年来新能源和可再生能源快速发展，但中国能源资源的赋存特点决定了在相当长的时期内，以煤炭为主的能源格局很难改变。随着中国煤炭资源开发强度加大，煤矿开采深度增加，构造相对复杂，自然灾害增多，易采煤区的不断枯竭，釆煤的难度不断加大。为了保证我国煤炭能源的安全，同时也为了保证在难度大的采煤区机械保障较高的效率，就必须要在釆煤机械上下功夫，提高采煤机械化设备的使用效率，以保证我国煤炭资源的战略安全。要想达到这个目标，现代化、高产、高效、安全可靠的采煤机的研究相当重要，采煤机技术的创新有助于推动中国采煤机械装备整体水平的提高，有助于中国煤炭事业发展。本文主要针对大功率电牵引采煤机MG1000/2500WD型的无链电牵引采煤机的截割部和液压系统进行设计，并对其工作装置进行工况分析。目前，长壁工作面的煤炭机械化开采主要应用采煤机，而无链电牵引采煤机在煤矿的使用率最高，与国外先进的机型相比，国产的设备在使用寿命和可靠性上都有很大差距，智能化程度不高，本课题旨在对采煤机机械部分的关键部件（截割部）进行研究，提高采煤机结构的合理性；对摇臂调高液压系统进行设计计算，结合采煤机工作环境及工作要求，力求液压系统高效、稳定、性能优越。2采煤机的截割部设计21交流电牵引采煤机本文以MG1000/2500WD型采煤机为研究对象，该型号为多电动机横向布置无链交流电牵引采煤机，采用机载式交流调速的新型无链电牵引采煤机211型号含义M采煤机W无链牵引G滚筒式D电驱动1000/2500单截割部电机功率KW/装机总功率KW212工作环境及其适用范围1工作环境综采工作面采煤工作面是地下采煤的工作场所，随着采煤的进行，工作面不断向前推进，原来的采场即成为采空区。长壁工作面采煤的工序为破煤、装煤、运煤、支护及控顶等五项。以滚筒式采煤机为主，组成长壁工作面综合机械化设备，可以完成五个主要工序，称为综合机械化采煤，简称综采，此工作面称综采工作面。图21典型煤矿布局图图22综采工作面布置图FIG21LAYOUTOFTYPICALCOALMINEFIG22LAYOUTOFFULLYMECHANIZEDWORKINGFACE2适用范围该机型适用于采高3262M，煤层倾角16的厚煤层综采工作面，要求煤层顶板中等稳定，底板起伏不大，不仅适用于松软，煤质硬或中硬，也能截割一定的矸石夹层。可在有瓦斯、煤尘或其他爆炸性混合气体的煤矿中使用，在长壁式采煤工作面与刮板输送机、液压支架等配套使用实现采、装、运的机械化。图23MG1000/2550WD型交流电牵引采煤机FIG23MG1000/2550WDTYPEACELECTRICHAULAGESHEARER213MG1000/2550WD型电牵引采煤机的主要参数MG1000/2550WD采煤机主要技术参数见下表表21MG1000/2550WD型采煤机的主要参数TAB21MAINPARAMETERSOFMG1000/2550WDSHEARER项目数据单位采高范围3262M装机功率2500KW供电电压3300V滚筒直径3000MM截深865MM牵引力980546KN牵引速度015628M/MIN摇臂水平时最大长度16910MM下切深度600MM过煤高度1078MM主机重量177T机身高度10360MM机面高度2805MM适合倾角16MM滚筒转速24R/MIN22截割部关键结构设计采煤机截割部是采煤机完成落煤和装煤的部件，其消耗的功率约占采煤机总装机功率的8090。截割机构主要组成部分有截割电动机、摇臂减速箱、联接块、润滑冷却系统、内外喷雾系统、离合装置和滚筒（如图24）等。还包括一个温度传感器和一个倾角传感器，用于检测摇臂的温度和摆角。其中摇臂用来支撑滚筒、调整滚筒高度及为滚筒传递动力，滚筒（如图25）分别通过装在其上的螺旋叶片和截齿进行装煤和落煤。此外，采煤机截割部一般还包括调高油缸和提升托架等附属装置56。图24截割部的组成FIG24COMPONENTOFCUTTINGUNIT图25滚筒FIG25ROLLER截割部传动装置的功用是将电动机的动力传递到滚筒，为滚筒割煤和装煤提供动力。电牵引采煤机截割部的部分传动装置及截割电机都安装在摇臂壳体内，摇臂的作用相当于一个减速箱，同时，摇臂还能上下摆动来调整滚筒的高度，以适应顶底板起伏、煤层厚度变化以及牵引方向改变时滚筒高度的改变。由于截割部消耗采煤机总功率的8090，因此要求截割部应具有高的强度、刚度和可靠性，良好的润滑密封、散热条件和高的传动效率。采煤机截割部大多采用齿轮传动，主要有以下几种传动方式1电动机机头减速箱摇臂减速箱滚筒。DY150，MZS2150，BM100，SIRUS400等型采煤机都采用这种传动方式。它的特点是传动简单，摇臂从机头减速箱端伸出，支承可靠，强度和刚度好，但摇臂下限位置受输送机限制，卧底量较小。2电动机机头减速箱摇臂减速箱行星齿轮传动滚筒，由于齿轮传动的传动比较大，因此可使前几级传动比较小，系统得以简化，并使行星齿轮的齿轮模数较小。但行星齿轮的采用使滚筒筒毂尺寸增加，因而这种传动方式适应在中厚煤层以上工作的大直径滚筒采煤机。这里摇臂从机头减速箱侧面伸出所以可获得较大的卧底量。3电动机机头减速箱滚筒。这种传动方式取消了摇臂，而靠电动机、机头减速箱和滚筒组成截割部来调高，使齿轮数大大减少，机壳的强度、刚度增大，可获得较大的调高范围，还可使采煤机机身长度大大缩短，有利于采煤机切口等工作。4电动机摇臂行星齿轮传动滚筒。这种传动方式的主电动机采用横向布置，使电动机轴与滚筒轴平行，取消了承载大、易损坏的锥齿轮，使截割部更为简化。采用这种传动方式可获得较大的调高范围，并使采煤机机身长度进一步缩短。为了适应煤层厚度的变化，需要在煤层高度范围内调整滚筒位置，这个过程叫做调高。摇臂的调高主要由调高油缸来实现，摇臂的末端与采煤机的主机架铰接，而油缸的活塞杆与壳体铰接，油缸缸体与主机架铰接，通过油缸活塞的伸缩来调整截割部滚筒的位置。为加长摇臂，扩大调高范围，摇臂内常装有一串惰轮，致使截割部齿轮数较多。221螺旋滚筒的设计滚筒式采煤机的截割部一般包括割煤滚筒、摇臂、固定减速箱等工作机构（不同的机型其截割部的组成不尽相同，如多电动机驱动的电牵引采煤机）。割煤滚筒承担截煤和装煤任务，是采煤机截割部主要部件之一。一个完善的割煤滚筒应满足以下要求1能适应不同的煤层和有关地质条件；2能充分利用煤壁的压张效应，将底能耗，提高块煤率，减少煤尘；3能装煤和自开切口；4载荷均匀分布，机械效率高；5结构简单，工作可靠，拆装、维修方便。1螺旋滚筒螺旋滚筒是目前采煤机使用最广泛的截割机构。这种工作机构简单，工作可靠，但截煤的块度小，煤尘较多7。1基本结构螺旋滚筒的基本结构如图26所示。在螺旋叶片的顶端及端盘周边上装有许多截齿，轮毂与滚筒轴固定在一起。滚筒转动时截齿截割和剥落煤体，螺旋叶片将碎煤运至滚筒的采空侧，装入输送机。在叶片上和端盘上齿座的旁边还装有内喷雾用的喷嘴。大多数采煤机采用焊接滚筒，一般用2030MM厚的45MN或16MN钢板锻压成螺旋叶片，再和齿座、轮毂、等焊接而成。若采用铸造滚筒，则齿座是在加工后焊接到叶片上的。图26螺旋滚筒的结构FIG26STRUCTUREOFSPIRALDRUM1端盘；2螺旋叶片；3齿座；4喷嘴；5筒毂2滚筒的转向滚筒旋转方向对截煤过程来说有顺转和逆转两种。A顺转。转向和牵引方向相同，如图27A所示。大部分煤被螺旋叶片从滚筒轮毂下面带到滚筒后面，挡煤板把煤挡住，按自然安息角堆积。B逆转。转向与牵引方向相反，如图27B所示。截落的煤不断被螺旋叶片向工作面输送机推动，大部分煤按自然安息角堆积在滚筒前半部。牵引方向1牵引方向AB图27滚筒旋转方向与装煤关系FIG27RELATIONSHIPOFDRUMROTATIONDIRECTIONWITHLOADING顺转时，煤在装煤在过程中二次破碎较严重，装煤能耗较大。采煤机后面滚筒不仅担负截割前滚筒余留的煤，而且要将这些煤连同前滚筒未装出的煤全部装入输送机。为了有较好的装煤效果，一般将后滚筒定为向上截煤的旋转方向，而将前滚筒定为向下的截煤的旋转方向。对于单滚筒采煤机，一般在左工作面用右螺旋滚筒，在右工作面左螺旋滚筒。3滚筒与滚筒轴的连接方式滚筒与滚筒轴的连接结构有锥形轴端与平键连接，内齿轮副与锥形盘复合连接，轴端凸缘与楔块连接，方头连接（中、大功率的采煤机多用）等。图28所示为采煤机滚筒与滚筒轴的连接结构。滚筒中部是圆锥套1，其内孔有16的锥度，圆锥盘2由挡板6和螺钉5固定在滚筒轴上，并用卡环9和螺钉8将其与圆锥套1紧锁在一起。圆锥盘2由内齿轮3与滚筒轴连接。高压水通过内喷雾接口7和内喷雾分流器4进入喷嘴实现内喷雾。由于配合圆锥较短，锥角和配合直径都较大，故滚筒拆装方便，连接可靠。图28内齿轮副与锥形盘复合连接结构FIG28COMPOSITECONNECTIONSTRUCTUREOFINTERNALGEARPAIRWITHACONEPLATE1圆锥套；2圆锥盘；3内齿轮；4内喷雾分流器；5,8螺钉；6挡板；7内喷雾接口；9卡环4滚筒的结构参数A滚筒的三个直径滚筒的3个直径是指滚筒直径、叶片直径和筒毂直径如图26。DYGD滚筒直径。螺旋滚筒直径是指螺旋滚筒安装截齿后最高齿尖点所在的回转圆直径，D其大小主要考虑开采煤层厚度状况和用户要求，并兼顾煤炭行业标准规定的螺旋滚筒系列，如050，055，060,070,075,080,085,090,095,100,110,125,140,160,180,200,230,260等。目前，采煤机的螺旋滚筒直径最大已达到380M。本文根据前后滚筒装煤量相等的原则确定滚筒直径。现代采煤机大都采用双滚筒两端布置方式，一次截割煤层全高，因此，滚筒直径应不小于采高的一半，且按截割过程中前后滚筒的装煤量性等原则，即211AHAH式中H采煤机开采煤层厚度，M；A螺旋滚筒直径D与采高H的比值，即DAH；螺旋滚筒装煤效率，小直径螺旋滚筒6070，大直径螺旋滚筒7080。整理可得10562A取平均值有A06，即D06H。螺旋叶片直径DY。螺旋叶片直径是指螺旋叶片外缘直径。截齿的最大切削厚度HMAX与最大截距TMAX有如下关系22MAX2TNBH式中B镐齿截齿的等效宽度，M；截槽崩落角，。截割过程中为了避免叶片边缘与截槽间的煤棱干涉，HMAX应不超过截齿径向外伸长度的70，即2HMAX07DDY。由此可得螺旋叶片直径为23MAX143COTYDTB筒毂直径DG。筒毂直径DG愈大，筒毂与煤岩体之间形成的容煤空间愈小，碎煤在滚筒内循环和被重复破碎的可能性也愈大。在满足筒毂内安装轴承和传动齿轮的条件下，应保持螺旋叶片直径与筒毂直径的适当比例。对于D1M的大直径滚筒，DY/D2M；对于D1M的小直径滚筒，DY/D25M。B滚筒宽度滚筒宽度为端盘宽度和叶片导程之和，应等于或大于采煤机的截深。滚筒的BTYB宽度一般为0608M。对于较薄的煤层，为了提高采煤机的生产率，滚筒宽度可为0810M；对于较厚的煤层，为了改善顶板的支护性能，滚筒宽度可取05M。C螺旋升角单头螺旋叶片及其展开后的形状如图29A、图29B所示。和分别表示螺旋叶YDG片的外径和内径，为螺旋叶片的导程。不同直径上的螺旋升角不同，螺旋叶片的外缘YB升角和内缘升角分别为和。显然，螺旋叶片在外缘的升角小于内缘的升角，即G小于24YYDB1TANGYGDB1TAN122（A）（B）（C）YDGYBYYGGYYYBS图29叶片螺旋升角及其头数FIG29RISEANGLEOFTHEHELICALBLADEANDITSHEADNUMBER螺旋升角的大小直接影响滚筒的装煤效果。升角较大时，排煤能力强，装煤速度快，但升角过大会把煤抛到溜槽的采空侧；升角过小，煤在螺旋叶片内循环，造成煤的重复破碎。国内外对螺旋升角曾进行过大量试验，中国一般认为20，3035/2YGA时装煤效果较好。对于双头螺旋叶片（图29C），螺旋升角为251TANYSD式中N螺旋头数；S螺距。螺距的大小应保证煤从滚筒中顺利排出，一般为02504M。螺旋叶片头数主要是按截割参数的要求确定的。直径0。则经过M次推溜后采煤机特征点的三维坐标值X0，Y0，Z0为Z2011101COSINISINCOSKIKIKMKIMIIHPYDZD22采煤机姿态定位采煤机的姿态信息包括机身倾角和调高油缸位移量，其中机身倾角是由刮板运输机决定的；只有调高油缸位移量是可调的。这里采煤机的姿态定位是以滚筒空间坐标的形式给出的，因为可以综合反映机身倾角和调高油缸位移量；而采煤机的姿态控制是以调高油缸位移量的形式给出的，因为姿态信息中只有该项是可控的。采煤机的姿态定位是建立在位置定位基础上的，确定了关键点的坐标值后，根据机身的横向倾角和纵向倾角确定滚筒坐标值。1只考虑采煤机横向倾角情况下根据关键点坐标求出滚筒的X轴和Y轴坐标。如图3所示为采煤机调高系统机构简图在XY平面内的投影，图中共有04五个点，第I个点的坐标用XI，YI表示，点2、3间线段为调高油缸的伸出量，粗实线为采煤机机身，点0为位置定位中使用的特征点。其中左图为机身水平时的姿态，右图为机身前倾角度时的姿态，从图中可以看出滚筒高度不仅取决于调高油缸伸出量还取决于机身的倾角。在图3中，当机身横向倾角为时，根据特征点的坐标X0，Y0可以求出固定点1、2的坐标X1，Y1和X2，Y2。在点1、2、3组成的三角形中，已知点1、2的坐标值及其与点3间的距离，可以由二维坐标系中两点间距离的公式列出关于X3和Y3的二元二次方程，解此方程能够求出点3的坐标值X3，Y3。同理在点1、3、4组成的三角形中能够求出点4的坐标值X4，Y4，即为滚筒的旋转中心坐标值。图3采煤机姿态在XY平面内的投影简图2考虑采煤机纵向倾角情况下对滚筒的坐标值进行修正。设在位置定位中求得特征点坐标值为X0，Y0，Z0，采煤机机身的纵向倾角为，上一步得到的滚筒在XY平面内投影坐标值为X4，Y4，则可由坐标投影关系求得滚筒的三维坐标值X4，Y4，Z4为340404COSXYYZZ3采煤机的自适应切割自适应切割是采煤机控制部分的核心内容，主要由路径跟踪和自适应调节两大部分组成。路径跟踪是指在各设备工作状态正常的前提下，尽可能的按照人工示教时所记录的数据来复原采煤机的运行过程。自适应调节是指在路径跟踪过程中判断出采煤机所处的运行状态，根据不同的情况采取相应的措施来将采煤机调节至正常工作状态。31路径跟踪策略路径跟踪的依据是人工示教过程中各个记忆点中的数据，判断路径跟踪效果的指标包括滚筒坐标和牵引速度两部分。在未进行路径跟踪前，机载控制器根据当前刮板运输机的布置情况计算出采煤机运行到每个记忆点时的机身坐标值，将其与人工示教时记忆的机身坐标值进行比较，求出机身的上升高度，并由此计算出此时滚筒应当升高的高度以及所对应的调高油缸位移量，作为本次运行的理想值存储至控制器中。在路径跟踪阶段，当采煤机运行到第I个记忆点时，机载控制器会读取第Z1个记忆点处调高油缸位移量和机身牵引速度的理想值；根据Z点与Z1点的间距计算出调高油缸的运行时间和牵引变频器的加速曲线。当采煤机按照这种控制方案行驶到I1点时，机载控制器又会根据此时的调高油缸位移和运行速度来制定Z1至I2点间的运行方案。这种控制策略在每个记忆点处都重新计算下一点的运行方案，从而消除了多点间的累计误差，保证了路径跟踪的精度。为了验证路径跟踪策略的实际效果，本课题组研发了采煤机记忆切割实验平台，如图4所示该平台具有与真实采煤机相同的控制功能，可以模拟采煤机的工作过程。作者基于该平台进行了采煤机路径跟踪效果测试。实验所得的路径跟踪曲线如图5所示，图中实线部分为记忆路径，其上的实心点为记忆点，包括常规点和关键点；虚线部分为实际运行路径。实验结果表明该路径跟踪策略可有效跟踪所记忆的切割路径，但在路径的拐点处尚存在一定的滞后，这主要是由于调高油缸对控制命令的响应具有一定的延时性。图4采煤机记忆切割实验平台图5采煤机路径跟踪曲线32自适应调节策略自适应调节的依据是路径跟踪过程中各设备的工作状态；调节的对象是采煤机的运行速度和滚筒高度。实践证明当采煤机切割到岩石后其截割电机温度、电流以及摇臂振动都将加大并超出正常范围，此时应首先降低牵引速度，之后如果采煤机状态恢复正常则直接切割岩石；如果持续降低牵引速度一段时间后采煤机状态仍然异常则降低滚筒高度；如果持续降低滚筒高度一段时间后采煤机状态仍无法恢复正常则向操作人员发出警报请求人工干预。自适应调节策略强调以降低牵引速度作为应对切割岩石时产生的电流、振动增大等问题的首选，而不是单一的降低滚筒高度。由于对采煤机状态是否异常的判断主要来自于生产经验，而且很难建立采煤机的数学模型，因此本文采用模糊控制方法来实现采煤机的自适应调节。模糊控制的概念是由美国加州大学教授LAZADEH首先提出的，其基本思想是将操作人员的控制经验用具有模糊含义的语言、变量加以描述，用一组条件语句构成控制规则以及相应的模糊推理，最终通过模糊决策得到精确控制量910。模糊控制具有如下特点1不需要建立被控对象的数学模型，只需掌握现场操作人员或有关专家经验、知识和数据1112；2具有较强的鲁棒性，尤其适应于非线性时变、滞后系统的控制1314；3不用数值而用语言式的模糊变量来描述系统，使得操作人员易于使用自然语言进行人机对话1516。结合采煤机具体情况，本模糊控制系统的输入量包括截割电机电流、摇臂振动幅值两部分。其中截割电机电流C的论域为巨0，2，摇臂振动幅值V论域为巨0，3，模糊控制输出量O的论域