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刨煤机截割部
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前言11简介21.1 刨煤机简介21.2 截割部简介与滑靴简介21.2.1截割部简介：21.2.2滑靴简介：21.3 国内外研究现状21.3.1国外研究情况21.3.2国内研究状况31.4设计要求及数据31.4.1设计题目31.4.2刨煤机总体数据31.4.3煤刨41.4.4输送机41.5 本论文研究的内容42 刨煤机的整体型式选择62.1基本型式选择62.1.1 装机功率62.1.2 煤层厚度72.2驱动方式的选择72.2.1 驱动装置的工作特性72.2.2 驱动装置的类型82.3牵引方式和牵引机构92.3.1 牵引方式92.3.2 牵引链92.3.3 紧链装置92.4导向装置的选择102.5刨头的控制方式102.5.1 刨头的高度控制102.5.2 刨头的截深控制112.5.3刨头的行程控制122.6保护装置的型式133刨头设计143.1刨头的基本结构143.2原始数据143.3部分参数计算153.3.1刨头安装高度153.3.2刨头截深153.4刨头结构设计153.4.1刨头与输送机间的联结装置153.4.2刨体153.4.3滑靴装置163.4.4刨链与刨头间的联结装置一一牵引滑块163.4.5加高块163.4.6刨头装煤斜面和刨刀排列形状163.5刨刀受力计算173.5.1刨头的最低高度173.5.2刨头的最大高度173.5.3刨刀间距t的确定173.5.4刨刀平均刨削阻力203.5.5单个锐利刨刀所受的煤壁平均挤压力233.5.6单个刨刀所受煤壁的平均侧向力244刨头受力计算254.1刨头所受煤壁刨削阻力254.2 刨头所受煤壁挤压力254.3 刨头所受煤壁侧向力264.4刨头装煤力274.4.1 刨头的装煤机理274.4.2装载条件274.4.3装载力计算284.5滑靴受力32结论33致谢34参考文献35附录A36附录B39摘要进入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。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。本文研究设计刨煤机的截割部及滑靴，考虑到生产成本和实用价值以及刨煤机工作环境的要求，我所设计的截割部，部件基本上都采用现有产品，便于直接选取成品。以往的滑靴都是和刨头焊接在一起的，一旦滑靴被磨坏整个刨头就不能用了。我设计的滑靴是可拆卸的。如果滑靴被磨坏，可将其拆卸下来换个新的，使整个刨头能继续工作。希望我的设计能为以后刨煤机的改进提供帮助。关键词:刨煤机;截割部;滑靴;AbstractAt the beginning of the 1990s, Chinas plow mining technology had not been more widely used, there are many reasons, have equipment performance, the problem of thin seam mining output invest more small factors, have to plow mining technology research is not enough reason. Currently domestic Plows could only dig and cut soft coal seam under hardness, and the advanced foreign countries Plows have been able to dig hard seam cut, and even consisting of extremely hard seam, which has greatly enhanced the Plow scope of application. Germany in the early 1980s, rapid Plow the proportion accounted Plow 50% of the total development to the present, Quick Plow to replace the basic slow Plow. In China, Plow power small, slow, it is still common problem. This paper studies the design of the plow and the Ministry of cutting Slipper. Taking into account the cost of production and the practical value and plow the working environment, I designed the cutting unit, basically all components of existing products, to facilitate direct selection of products. Slipper of the past are planing and the first welding together, and once the Slipper was planing mill bad the whole of the first can not be used. I Slipper design is removable. If Slipper be sharpened bad, it could be disassembled to adopt a new way, so that the whole plane can continue to work first. Hopefully, I can design for the future Plow improvements to help.Key words: coal Plows;cutting department ;Slippery botts;前言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。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。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。本文研究设计刨煤机的截割部及滑靴，考虑到生产成本和实用价值以及刨煤机工作环境的要求，我所设计的截割部，部件基本上都采用现有产品，便于直接选取成品。以往的滑靴都是和刨头焊接在一起的，一旦滑靴被磨坏整个刨头就不能用了。我设计的滑靴是可拆卸的。如果滑靴被磨坏，可将其拆卸下来换个新的，使整个刨头能继续工作。希望我的设计能为以后刨煤机的改进提供帮助。1简介1.1 刨煤机简介刨煤机，也称刨煤机组。是一种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下限的采煤机械。它由刨煤、运煤、推进和电气控制4部分组成。其辅助装置有机头锚固、通讯、信号、照明、防尘等装置。刨煤机的工作原理是装有刨刀的刨头，在无极圆环链既刨牵引下，沿着安装在采煤工作面可弯曲刮板输送机的中部曹的导轨运行，刨刀刨削煤壁将煤刨落，刨落的煤在刨头犁形斜面的作用下被装入输送机送出采煤工作面。1.2 截割部简介与滑靴简介1.2.1截割部简介：刨煤机截割部是刨煤机工作的执行机构，由刨体和装有各种刨刀的旋转刀架组成。它通过拖板与刨链连接。1.2.2滑靴简介：滑靴是防止刨头与下滑架之间接触,防止摩擦装置。1.3 国内外研究现状1.3.1国外研究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60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。1.3.2国内研究状况我国刨煤机采煤技术的研制和应用始于年徐州矿物局韩桥煤矿，经过了试验、定型和发展三个阶段。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多台，全国有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。1.4设计要求及数据1.4.1设计题目刨煤机截割部设计及滑靴设计1.4.2刨煤机总体数据工作面设计/制造长度-180m生产能力-200t/h装机功率-2160/100kW适应煤层厚度-0.71.5m 适应煤层硬度-f 2.5适应煤层倾角-25刨煤方式-重叠方式（双速）支护配套方式-普采卸载方式-端卸喷雾方式-手动控制 供电电压-1140V设备总重-约240t1.4.3煤刨刨头形式-单刨头、下链牵引刨头安装高度-设计定刨速-1.5/0.75m/s截深-设计定刨链规格-30 mm *108mm-C刨链破断负荷-1130kN30*108梯齿接链环破断负荷-1020 kN刨头外形尺寸（长*宽*高）-设计定mm1.4.4输送机输送量-450t/h装机功率-2*110kW刮板链速-1.07m/s刮板链型式-中心单链刮板链规格-26 mm *92mm-C破断负荷-833kN中部槽型式-轧制中部槽槽间偏转角度-水平1垂直6刮板间距-920mm中部槽尺寸（长*宽*高）-1500*630*222mm1.5 本论文研究的内容对刨煤机的截割部及滑靴进行设计。考虑到生产成本和实用价值以及刨煤机工作环境的要求，我所设计的截割部，部件基本上都采用现有产品，便于直接选取成品。以往的滑靴都是和刨头焊接在一起的，一旦滑靴被磨坏整个刨头就不能用了。我设计的滑靴是可拆卸的。如果滑靴被磨坏，可将其拆卸下来换个新的，使整个刨头能继续工作。2 刨煤机的整体型式选择2.1基本型式选择根据刨刀对煤作用力的性质，刨煤机分为静力刨煤机和动力刨煤机两类。静力刨煤机的结构简单，与被采落的煤体保持经常接触，依靠锚链的牵引力落煤和装煤。煤越硬，截深越大，需要的牵引力就越大，要求锚链的强度也就越高。动力刨煤机的刨头本身带有使刨刀产生冲击或振动的驱动装置，在落煤过程中通过动力作用破落煤体。这种刨煤机破碎硬煤能力强，但是刨头结构复杂，能源输送困难，所以发展缓慢，目前广泛使用的是静力刨煤机。静力刨煤机，根据煤刨结构不同分外拖板刨、拖钩刨、滑行刨、拖钩滑行刨和刮斗刨几种。拖板刨是最早的刨煤机，链子开式，断链易伤人，底板不平时链子容易出槽，事故多、回链能耗大，最大功率不超过50KW。刮斗刨出了刨煤外还能运煤，取消工面输送机，它适于煤质松软，顶底板比较坚硬、底板平整的极薄煤层（一般不超过0.6m，国外有用于0.38m的煤层），工作面不能太长，生产率很低。拖钩刨工作稳定，但掌板摩擦功耗大（刨煤机落煤和装煤的功率只占电动机的百分之二十到三十，其余大部分为克服摩擦阻力和其他阻力所消耗）。因此，刨削较硬的煤很难，若底板不坚固，掌板陷入底板，运行时会破碎底板所以，拖钩刨适用于煤质较软、不粘顶，底板较硬的煤层，这种刨煤机目前使用普遍。滑行刨取消了掌板，刨煤主要靠工作面输送机导向，沿导轨滑行，可保持截深不变，溜子不后退，便于使用液压支架，刨头不与底板摩擦，摩擦阻力小。但链子在煤壁侧、薄煤层检修困难、刚才用量多（是拖钩刨的1.6倍）。拖钩滑行刨综合了拖钩刨和滑行刨的优点、链条放在采空区侧，在整个工作面上铺有底板，刨头在底板上滑行，减小了摩擦力，刨头通过时输送机不会脱离工作向后退，无支护空间的宽度减小，可以用倾斜导轨装煤和清理底板。2.1.1 装机功率1）选择依据依照表21表21 刨煤机类型及主要参数Tab.2-1 plows types and pard meters型 式装 机 功 率（kw）刨 链 直 径（mm）轻 型标 准 型重 型超 重 型2）根据装机功率为2160/100kw的设计要求，本刨煤机属于轻型。 2.1.2 煤层厚度1）选择依据依照表22 表22 适应的煤层厚度Tab.2-1 adapt to seam thickness 煤层厚度 （m）煤 层 截 割 阻 力小中大刨刨刨1.41.7刨刨/滚筒刨/滚筒1.72.5滚筒/刨滚筒滚筒滚筒滚筒滚筒2）根据煤层厚度为0.71.5m的设计要求，本刨煤机为采用煤刨的方式。2.2驱动方式的选择2.2.1 驱动装置的工作特性刨煤机的每个行程中，其刨削深度是固定不变的。由于煤质的变化，刨头所需的牵引力将有较大的波动，而且这种波动是随机性的。按普通刨煤机计算，当刨煤速度为0.50.8m/s时，对于100m长的工作面，只需要23分钟即可刨一刀，所以刨煤机的驱动装置，需要频繁的换向运转，频繁的启动和停止。为了充分发挥刨煤机的效能，启动和反向运转尽可能缩短，但这又会使驱动装置的动载系数加大。刨煤机的牵引链的弹性，对改善驱动装置的工作条件是有利的。刨头启动时，可使载荷上升的比较平缓。而且当刨头被卡住、引起电动机颠复时，惯性力将使牵引链产生很大的应力，甚至引起断链事故。所以，电动机转子的转动惯量太大，并不能根本改善电动机的力矩特性和驱动装置的工作条件，电动机经常颠复，也会损失刨煤机的大量工作时间。所以，在确定驱动方式时应努力改善驱动装置的工作特性。2.2.2 驱动装置的类型刨煤机的驱动方式有以下几种：1）滚刀机械驱动这是目前刨煤机最常用的驱动方式，它由电动机、液力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 ，对电气控制无特殊要求。但是，这种驱动装置的体积大，不易变速。另外，由于频繁的正反换向启动，电动机容易发热。2）机械变速运动这种驱动装置与前者基本相同，只是为了满足变速的要求，增加了一个机械变速器。这样，使驱动装置的体积更加庞大，而且由于机械变速，高、低速间的输出转矩成比例交化，对牵引链等传动部件提出了更高的要求。3）液压驱动这种驱动装置由电动机、油泵和油马达等组成。电动机和泵站放在顺槽内，工作面只有油马达或者通过齿轮减速器与牵引链相连。由于取消了液压联轴器和变速器，电动机也不在工作面内，使输送机头部和尾部的驱动装置所占的体积大大减小，和牵引链联系的运动部件的转动惯量也小的多。所以，刨煤机采用容积式液压传动有很多优点，尤其是变量泵定量马达系统，它比定量泵定量马达系统效率更高，在相同功率下，油泵和油马达的工作容积和油池的容积都较小，油马达的输出扭矩也比较稳定。但这种变驱动装置结构复杂、维修困难、多机驱动时实现同步比较难。4）电动机驱动采用变极电动机驱动能够满足变速要求，由于变极电动机有两个转速，因此不能使用液力联轴器。因为液力联轴器的输出扭矩与电动机转速的平方成正比，当电动机低速运转时，传动转矩将急速下降。这样，工作过程中产生的尖峰负荷将直接作用在传动部件上，会加剧这些部件的损坏。另外，这种驱动方式需增加电气启动器，启动时间长，启动电流大，电动机易烧坏、所以尚未推广使用。与感应电动机相同，直流电动机的过载和调速性能比较好，效率较高，可提高生产率百分之二十到三十，但其转子的转动惯量大，反向时间长，操纵比较复杂。2.3牵引方式和牵引机构2.3.1 牵引方式根据牵引链的位置，刨煤机的牵引方式有后牵引和前牵引两种。牵引链铺设在靠采空区的一侧，称后牵引方式。铺设在靠煤壁一侧的称为前牵引方式。两种牵引方式各有利弊。后牵引方式的优点是：安装、检修牵引链及导链架比较方便；牵引链不防碍煤刨装煤；煤刨道较窄，运输机可以靠近煤壁，有利于支护顶板，但牵引链与刨刀之间的距离比较大；煤刨运行时牵引链拉力和饿刨煤阻力构成很大力矩，使刨煤机在刨头平面内有扭转的趋势；刨头与输送机溜槽和导向机构之间产生剧烈的摩擦和磨损。前牵引方式的优点和缺点正好与后牵引方式相反。前牵引方式不及后牵引方式应用得广泛。2.3.2 牵引链1）选择依据值得重视的一个问题是牵引链的变形伸长引起附加的冲击重载荷的问题。在受力相同的条件下，大直径的牵引链的变形比小直径的小。所以，为了减小刨链的变形伸长引起的动应力，在加大刨煤机传动率的同时，应增大牵引链直径。例如，一个200m长的工作面，牵引链的牵引力若是157N，用牵引链，没米伸长4.1mm，全工作面总伸长为820m，而用牵引链则每米仅伸长2.8mm，全工作面总伸长只有560mm。故安装大功率时，采用大规格的牵引链。加大牵引链还有一个重要的目的既在刨速相同时，牵引链大，单产高。牵引链的长度规格一般为25m，之间用接链环连接，目前较大规格的链环有、牵引链的总长度应根据刨煤机工作面的长度确定。2）根据本设计要求，刨链破断载荷为，牵引力的规格选。2.3.3 紧链装置为了保持牵引链具有合适的松紧程度，以及拆装牵引链的需要，刨煤机应有紧链装置。实际使用的紧链器有机械紧链器和液压紧链器两种。在减速器的某一轴端固定有棘轮，在减速器机壳上装有制动爪。制动爪依靠手把和导向杆进行操纵，它有两个位置：实线表示非工作位置，制动爪不与棘轮啮合；双点划线表示工作位置，制动爪与棘轮啮合。当紧链器在工作位置时，将一股牵引链固定住，然后断续开动电动机，逐渐将牵引链拉紧。当电动机断电时，由于制动爪阻止棘轮反转，可以保持牵引链处于拉紧状态。牵引链拉紧后，即可将多余的牵引链拆掉，然后再将牵引链接上，接好牵引链后将制动爪打开。液压紧链器的工作原理。紧链器由油马达和齿轮减速器组成。在减速器内装有三个齿轮，齿轮由油马达带动，齿轮为离合齿轮，齿轮与传动装置的液力联轴器的输出轴和减速器的输入轴相连。紧链时，首先切断刨煤机电源，将一股牵引链固定住，然后合上紧链器的离合齿轮，操纵油马达的换向阀，将液压油引入油马达，使油马达转动，进行紧链，直到牵引链中的张力达到预定值，紧链器的安全阀溢流为止。紧链结束后，操纵换向阀使油马达断油，打开离合齿轮，即可进行刨煤机的正常工作。2.4导向装置的选择滑行刨的导向装置，在工作面输送机靠煤壁侧有滑行架，滑行架上有两根导向管，刨头就沿这两根导向滑行。牵引链在滑行架内，工作边（下链）和回空边（上链）之间有导链块导向。滑行架兼有刨头导向和装煤三个作用。为使刨头稳定，在刨头上加一个框形支架（称撑臂）。撑臂一端固定在刨头上，另一端沿输送机采空区侧有导向管滑行。这种导向装置的优点：刨头运行时磨擦阻力小，可以充分利用功率来加大截深，提高刨速和刨削较硬的煤；能适应底板松软和不平的煤层；刨头容易控制，稳定性好；刨头通过时输送机不会被挤回，工作面易于保持成一直线；牵引链工作安全，便于拆装检修。2.5刨头的控制方式2.5.1 刨头的高度控制刨头的高度控制是指刨头在运行中对上飘和啃底现象的控制，目前常用的有以下几种方法。1）改变推溜千斤顶推力作用点在刨头上飘时，把推溜千斤顶作用点的位置适当提高，使刨头尽量压向底板。反之， 当刨头啃底时，把千斤顶作用点的位置适当降低使刨头尽量抬起来。生产实践表明，这种方法并不十分有效，但与其它方法配合使用可达到预期效果。2）改变底刀的位置这是最常用的控制刨头高度的方法。初期采用的是根据不同情况更换不同刀的方法，这样在生产中不仅需要足够数量的不同刀位的底刀，而且更换底刀也影响生产。因此又改用偏心轴调整底刀座来改变底刀刀位的方法，在偏心轴上有方形调节头和方形偏心块，底刀的旋转刀座抵在偏心轴的方形偏心块上。方形偏心块有四个不同尺寸的偏心平面，通过搬动方形调节头使偏轴转动，就可以得到底刀的四种不同刀位。这种结构的缺点是底刀座的回转平面不与煤壁平行，在调节底刀刀位的同时，截深也随之变化。目前，一种新的调整底刀刀位的方法是将底刀固定在一个扇形体上，扇形体可在与煤壁平行的平面上摆动，利用螺栓插入四个不同位置的孔内，即可达到调节底刀刀位的目的。这种调节方法由于底刀是在平行于煤壁的平面上摆动，所以截深不会变化。3）在输送机采空区一侧设置调高千斤顶这种方法主要用于滑行式刨煤机，由于滑行刨没有掌板，稳定性不如拖钩刨，高度控制也比较困难。因此，为了防止刨头的上飘和啃底，沿工作面输送机采空区侧每隔一定距离装设一个调高千斤顶，利用调高千斤顶的升降实现刨头高度的控制。正常工作时，调高千斤顶处于中间位置，调高千斤顶缩回时，刨头将向上刨，调高千斤顶伸出时，刨头将向下刨。2.5.2 刨头的截深控制为了使刨头具固定的截深，保持输送机的推进量一定，使工作机保持平直，需要对刨煤机的截深进行控制，截深的控制又称水平控制。滑行刨的截深控制比较容易，利用推溜千斤顶将输送机连同滑行架推向煤壁，滑行架的趾板紧贴煤壁，并靠推溜千斤的推力防止输送机及滑行架后退。这样就可以保持刨煤机有固定的截深。这种方法比拖钩刨目前所采用的任何截深控制方法都简单可靠。由于拖钩刨没有滑行刨那样的趾板顶住煤壁，而且要求溜槽与煤壁之间要留一定的通道让刨头通过，同时还要保持一定的截深，这就使拖钩刨的截深控制比较困难。目前，拖钩刨常用的截深控制方法是定压控制和定距离。1）定压控制这种方法在刨煤过程中使液压系统对推溜千斤顶的供油压力始终保持一定，信口开使输送机和煤壁贴紧。当刨头通过时，刨头将输送机挤向采空区一侧，使煤壁和输送机之间让出一定距离。刨刀通过后，输送机又自动被推向煤壁。这种方法的液压推进系统。在推移输送机时，推溜千斤顶活塞 两侧同时进入高压油，实现差压推进。刨 头通过时，刨头的横向反力超过推溜千斤顶的推力，此时，推溜千斤顶活塞腔的一部分油液转入活塞杆腔，使活塞杆腔适当缩回，以达到定压控制的目的。这种方法在工作面煤质软硬不均时往往在煤质软处截深大，煤质硬处截深小，不能保证工作面全长内的截深一致。并且由于刨煤机和输送机的横向移动，增加了摩擦阻力。2) 定距控制定距控制是使整个推溜千斤顶的推进距离相等，以保证截深恒定。刨煤时，推溜千斤顶的活塞杆腔经操纵阀与高压管路相通，推溜千斤顶的活塞腔被操纵阀和单向阀关闭。因此，当刨头通过时，推溜千斤顶的活塞杆伸出长度保持不变，使截深固定。当需要推进时，首先将操纵阀移到左位，从油泵来得压力油经操纵阀、单向阀进入定量油缸的右侧，此时定量油缸的左侧与油池相通，因此油缸的活塞左移，使其右侧冲入一定的油液。然后将操纵阀移到左位，压力油经操纵阀进入定量油缸的左侧，推动活塞右移。同时压力油打开控制阀，使油缸右腔的一定量油液全缸部经控制阀和单向阀进入千斤顶，使千斤顶的活塞杆伸出一定长度。这样，通过油缸向推溜千斤顶供给一定量的油液，来达到推溜千斤顶等距推进的目的。当推溜千斤顶的活塞杆已完全伸出需要收回时，支作操纵阀，使推溜千斤顶活塞杆腔进入压力油，活塞腔与油池相通，活塞杆即缩回。与定压控制相比，定距控制有如下优点：由于截深固定，刨削阻力比较均匀，断链和断保险销的次数减少；工作面能保持平直，减少刨煤机和输送机的运行阻力；输送机的故障少，延长了使用寿命。2.5.3刨头的行程控制控制刨头行程的目的在于防止刨头和机头或机尾相碰撞。目前，刨头的行程多用行程开关进行控制，当刨头到达终端位置时，行程开关动作，停止驱动装置的电动机，但使用效果不理想。最好的办法是对刨头终端进行限位控制，并能显示刨头在工作面中所处的位置。德国的刨煤机刨头行程指示器，有一个高位、一个低位、一个自由可选择的同步点，有高位和低位的限位器，有为自动刨煤而设的自由高低位的反向点，还有可控制最多20个喷水装置的喷雾单元。原苏联的刨煤机刨头行程有数码管显示和光标模拟显示两种形式，由安装在减速箱上的行程传感器提供脉冲信号，进行行程显示。工作面的喷雾是根据刨头的行程自动控制的，工作面每隔一定距离装有电磁阀，每个电磁阀控制几个喷嘴，当刨头运行到工作面的某一位置，与行程显示的数字一致时，数字显示器发出控制信号，电磁阀打开，进行喷雾。刨头自动停机有两种方法，一是通过刨头行程数码显示器控制停机，若司机在开机前需要刨头在工作面的某一位置停机就将停机位置旋纽调到该位置，当数码显示器显示的数字与事先给定的位置一致时，显示器发出控制信号，刨头停止。另一种是刨头终端限位停机，利用永久磁铁和干簧管的作用原理，将磁性发生器装在刨头上，接收器装在机头、机尾护链罩或滑板上，当刨头运行至机头、机尾经过接收器时，在磁场作用下干簧管动作，控制刨头停机。波兰刨煤机的刨头自动停机也有上述两种形式。刨头行程显示器、行程传感器彩磁阻交化感应原理。传感器装在剪切盘上部，剪切盘开有矩齿，沿盘的切线方向有两个感应头，当刨头运行时剪切盘旋转，感应头感应出脉冲信号，该信号一是供行程显示，二是有两个感应头感应信号的先后来辨别刨头的正反向运行，从而使记数器作加减记数。波兰刨煤机的刨头行程显示器，一是采用电脑液晶显示，另一种是具有刨行行程的数字显示和模拟指示。2.6保护装置的型式目前刨煤机的驱动装置多采用电动机、液力联轴器和齿轮减速器组成的液力机械传动装置。对于这种驱动方式，电动机通过液力联轴器能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。 常用的两种保护装置的结构型式。在牵引链的链轮和减速器之间装有剪切销，当作用于牵引链上的负荷大于牵引链的疲劳强度极限时，剪切销被切断，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。剪切销是一种比较老式的过载保护装置，目前正研究的新的保护装置有三种：两个半球形的离合器；里面有石棉垫；过载时能切断电源的两个半球形离合器；里面有冶金陶瓷的两个半球形的离合器。第一种型式工作不可靠，寿命短；第二种效果较好，但加了石棉垫后尺寸较大，使用具有一定的局限性。冶金陶瓷的离合器是在前两种型式的基础上发展起来的。3刨头设计刨头是刨煤机的工作机构，担负着落煤和装煤的任务。刨头主体结构直接决定着刨煤效果，它工作状况的好坏对刨煤机运行具有决定性的影响。刨头的性能主要取决于它的结构是否合理，其次是使用时对其调节是否恰当。一个设计合理、高效、适应性强的刨头应具有以下特点：1）刨体可旋转一定角度，非刨煤侧能让刀，以减少刨刀的磨损；2）刨刀应该有加高块，以适应煤层后度的变化。当刨头高度超过一米时，应该有平衡架；3）刨体应该有斜面，以提高刨煤中装煤效果；4）刨刀排列合理，更换刨刀方便；5）拖板及刨体滑行部分应该坚苦耐磨；6）能及时控制刨头的走向，有较强的刨削能力；7）装煤阻力较小，能实现较低的比能耗；工作平稳，负载均匀，稳定性好。3.1刨头的基本结构刨头的基本结构为：刨体左右两侧布置两个刨刀块，顶部根据煤层厚度.丁有几个刨刀塔。刀座与刨刀块或刨刀塔联接在一起，刨刀安装在靠近煤壁的刀座一侧。刨体高度不变，随着煤层厚度的增加，可在刨体顶部增加刨刀塔。3.2原始数据刨头形式-单刨头、下链牵引刨头安装高度-设计定刨速-1.5/0.75m/s截深-设计定刨链规格-30 mm *108mm-C刨链破断负荷-1130kN30*108梯齿接链环破断负荷-1020 kN刨头外形尺寸（长*宽*高）-设计定mm3.3部分参数计算3.3.1刨头安装高度刨头高度与煤层厚度有着直接的关系。煤层厚度均匀，可以固定刨头的高度来刨煤；但在实际的生产中，煤层厚度一般在一定范围内是变化的，遇到煤层厚度变化时，可以通过调整刨头的刨刀加高块来适应。根据采煤技术式 （31）得 其中，H代表煤层的平均厚度，由于煤层的厚度为0.71.5m（工况条件已给出），取平均值为1.1m；B代表留的顶煤高度，当煤层厚度1m时，取0.2m，如果顶煤能自行脱落，可取0.3m。3.3.2刨头截深 根据采煤技术式 （32） 得0.0480.097m=4897mm其中，QB为生产能力，单位为t/h；h为刨头截深，单位m；k为采高，单位m；v1为刨头运行速度，单位m/s；r为煤的3.4刨头结构设计确定合理的刨深后，根据输送机工作侧的具体结构以及减少刨头所受扭矩和摩擦力的要求，应对刨头的以下相关结构进行合理设计3.4.1刨头与输送机间的联结装置刨头沿输送机工作面一侧进行刨煤，刨头与输送机间的联结装置滑架对刨头运行稳定性和磨损有很大影响。滑架设计应该考虑到容易更换，易于装煤，耐磨和对刨头良好的导向作用，以及与刨头接触面的间隙合理。3.4.2刨体刨体是刨头的主体，是各种刨刀的生根之处；它就象一个框架一样，支撑着所有的零部件。设计刨体时应该考虑刨体的承受力大、不易变形、耐磨。3.4.3滑靴装置 刨头与滑架间的接触面应该非常耐磨，刨头与下滑架的接触位置还应设计一个滑靴。滑靴较下滑架易磨损，当滑靴磨损程度到达极限时，要及时更换滑靴，以防止刨头与下滑架之间接触，产生摩擦。由于传统的滑靴是焊接在刨头上的。所以一旦滑靴被磨坏，将会给刨头及工作人员带来很大的麻烦的。所以将焊接形式的滑靴设计为用螺钉与刨头连接的可拆卸滑靴放在刨头的两侧。3.4.4刨链与刨头间的联结装置一一牵引滑块刨链在刨头上联结点的位置，对刨头所受扭矩影响很大。由于刨链一方面牵引刨头刨削煤壁，另一方面还对刨头产生扭矩。因此，刨链在牵引滑块上的两个作用点拉力点应尽可能互相靠近，应该放在滑靴的内侧。相对于刨头中心线对称放置。且二者也应靠近输送机，以减小刨链产生的扭矩。与刨体焊接在一起。3.4.5加高块加高块又是刨刀的刀座，通常根据煤层厚度不同，用来增、减加高块来调整刨头的高度。所以加高块应设计的大小相等、容易安装拆卸、耐磨。3.4.6刨头装煤斜面和刨刀排列形状装煤斜面和刨刀排列形状决定刨头的装煤效果，影响刨煤机的功率消耗。实践证明，装煤斜面的角度在60左右比较合理，刨刀排列呈“ 喇叭形”易于装煤，并减少装煤阻力。再有底刀与左右回转体的刀的排列应是交叉排列。刨头装煤斜面和刨刀排列形状如图3-1所示。图3-1 刨头刨刀排列形状Fig.3-1 rabbef withshape 3.5刨刀受力计算刨刀在刨削煤壁过程中，主要承受的阻力有：刨削阻力Zoi、煤壁挤压力Yoi、煤壁侧向力Xoi。3.5.1刨头的最低高度刨头是刨煤机的装煤机构，是刨煤机的一个重要组成部分。刨头的最低高度按（33）式进行计算：Hbmin=Hz+4.8Hminhmax+d （33） 得 0.5+3=85.66cm式中：Hbmin一刨头的最低高度，cm； HZ一刨头装载高度(从装煤表面上沿到煤层地板的最短距离)，m； Hmin一煤层最小高度，cm； hmax一最大刨深，cm； (对于Hmax，根据3.3.5节优化结果来确定。) d刨头刨刀座顶部刨刀的超前量，一般取25cm。3.5.2刨头的最大高度在开采顶煤自行垮落的煤层时，可按下式确定刨头的最大高度Hbmax；Hbmax =(7080)Hmax （34）得 801.5=120cm式中：Hbmax一刨头的最大高度，cm； Hmax一煤层的最大高度，cm。3.5.3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h，刨刀间距取各种刨深下间距ti，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。1）刨刀的排列方式刨刀的排列方式见图3-2。图3-2 刨刀的排列方式 Fig.3-2 rabbef arrangement2）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，相邻刨刀都在同一自线上。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。比自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自线排列，一部分按阶梯式排列。 刨刀阶梯排列的角度建议取55-65。3）.线性排列刨刀的间距t线性排列刨刀的间距t按下式计算 （35） = =10.95 式中：hi一刨深，cm； bp一刨刀刨削部分的计算宽度，cm; K一刨槽的宽度系数，K对于韧性煤取0.85，脆性煤取1.0，特别脆的煤取1.1504）线性和阶梯式刨刀排列的平均间距tZPt （36）式中：tzp一平均截距，cm; M平均间距tzp的数量。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。5）刨头最小(最大)高度的截线数Nmin=47.81 （37）式中: nmin一刨头的最小截线。 =66.57式中:nmin一刨头的最大截线数。由于刨刀的个数与刨刀的截线数相等，因此计算得到最小截线数、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。把计算得到的最小(大)截线数向最近似的较大数值圆整，用圆整的截线数，按式(37)计算中部刨刀的间距twy。 (38)或=20 (39)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。6）刨槽宽度刨槽宽度是指刨刀刨削煤壁以后，在煤壁表面留下刨削痕迹的宽度，而刨刀间距是指相邻两刨刀中心线之间的距离。刨槽宽度根据刨刀排列方式不同而作相应变化。顶部、底部刨刀的刨槽宽度th顶部刨刀和底部刨刀承担特殊的任务，顶部刨刀主要用来刨削接近顶板的煤壁:底部刨刀一方面控制刨头的刨深，另一方面用来装煤。顶部、底部刨刀的刨槽宽度是指相邻两刨刀轴线之间的距离与刨刀宽度一半之和，分别表示为：tpk、tpl线性排列刨刀的刨槽宽度tp线性排列刨刀的刨槽宽度是指相邻刨刀之间的轴线距离 (310)式中:tbpl一线性排列刨刀刨槽宽度，m；m一线性排列的刨刀把数。这里所指的刨刀把数，是指刨头中心线某一侧的刨刀数量，如图3-2所示。3.5.4刨刀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（311）计算： (311)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，按式（314）计算。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(311)计算：顶部刨刀：=897.05N =735.56N =735.56N底部刨刀：=691.68N =769.09N =798.18N直线线形：=871.95N 阶梯排列刀：N按式(312)计算： (312)超前和预掏槽刨刀受的刨削阻力的按式（312）计算： (313)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,其具体取值见表31；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；其具体取值见表32；截角的影响系数，其具体取值见表33；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（313）计算。 (314）表3-1煤层抗截强度ATab.3-1 anti-strength seam closed煤层硬度分类软煤中硬煤坚硬煤坚固性系数.可刨性等级抗截强度A(N/cm)A=100fI级II级III级IV级可刨性.抗截强度表3-2外露自由表面系数Tab. 3-2 exposed surface coefficient 掏槽刀上端刨刀下端刨刀.韧性煤取较大值。表3-3截角影响系数Tab.3-3 section influence coefficient 405060708090粘性煤0.9810.900.981.081.24脆性煤0.970.911.001.171.29极脆性煤0.960.921.061.261.34表3-4刨刀排列方式系数Tab.3-4 rabbet arrangement coefficient 前刃面为平面的刨刀前刃面为椭圆形的刨刀前刃面为屋脊形的刨刀(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。按(312)计算：顶部刨刀：=595.81N =488.55N =488.55N底部刨刀：=514.03N =571.56N =593.18N直线线形：=647.99N 梯形排列的刀：=126.32N3.5.5单个锐利刨刀所受的煤壁平均挤压力 (315)式中： (316)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；刨刀磨损面在截割平面上的平均投影面积，；当A250kN/m时为0.75。最大挤压力按式（317）计算： (317）式中：刨刀位置对最大挤压力的影响系数。直线排列的刨刀，取为1.0；刨头上部刨刀在安装角2540，取为1.5；刨头下部刨刀在安装角2030，取为1.7。按(315)计算：顶部刨刀：=753.09N =617.53N =617.53N底部刨刀：=444.12N =493.82N =512.50N直线线形：=559.86N按(316)计算：顶部刨刀：=238.32N =195.42N =195.42N底部刨刀：=205.61N =228.62N =237.27N直线线形：=259.20N梯形排列的刀：=220.62N3.5.6单个刨刀所受煤壁的平均侧向力 (318）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。按（318）计算：顶部刨刀：=595.2N 底部刨刀：=686.8N 直线线形：=0N梯形排列的刀：=457.8N4刨头受力计算刨头是刨煤机的关键部件，主要承担刨煤和装煤任务。刨煤机工作过程中，刨头在无极圆环链牵引下，沿刮板输送机溜槽煤壁侧的滑架往复运动，安装在刨头上的刨刀利用静压力将煤刨落，刨落的煤被刨头与滑架组成的梨形斜面挤推到输送机中部槽内。由于刨头是刨煤机的主要运动和截割部件，因此刨头的受力状况和结构形式对刨煤机的工作性能有很大影响。在刨煤过程中，刨头需要克服刨削阻力、煤壁挤压力、装煤阻力、拖钩效应产生的阻力和各种摩擦阻力。刨头落煤和装煤的好坏直接影响刨煤机的生产能力，因此有必要对各种阻力进行深入研究，为设计合理的刨头结构，匹配正确的电机功率提供理论依据。刨头所受的各种阻力，应该是刨刀所受各种阻力的合力。4.1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。 （41）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；的取值见表414.2 刨头所受煤壁挤压力刨头所受煤壁挤压力，实质是煤壁对刨头的反推力，也就是煤壁的横向反力，应该是刨头中心线一侧所有刨刀挤压力的合力。刨头刨削阻力按下式计算。 （42）式中：刨头底部刨刀所受的平均挤压力，N；超前刨刀所受的平均挤压力，N；掏槽刨刀所受的平均挤压力，N；刨头顶部刨刀所受的平均挤压力，N；工作在直线式和阶梯式刨刀所受平均挤压力，N；各种刨刀所对应的数量；刨刀同时工作系数，的取值见表41表4-1 报道同时工作系数Tab.4-1 reported to work simultaneouslycoefficient 极脆性煤脆性煤粘性煤0.850.900.954.3 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。 （43）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，的取值见表414.4刨头装煤力通常，在刨煤机设计中，可按一定的应用条件确定刨刀及其排列形式和刨头的有关参数，由此设计的刨头基本上可以满足刨煤机的装载要求。但由于刨头工作时，其刨削断面随时变化，处于刨削区内的刨刀在不同位置的刨削深度不同，因而刨头载荷随刨深和煤岩性质的变化而变化，这种变化将直接影响刨头和刨煤机工作的稳定性。通过对刨头装煤力和摩擦力的分析与计算，以刨头受力最小作为评价刨刀排列是否合理和刨头工作平稳性的依据，从而为刨头的科学设计提供重要的理论依据。刨头的装载原理实质与犁铲式装载机构的装载原理类似。装载过程是把煤从底板铲集达到向输送机装载所必须的高度。这种装载过程的缺点主要是推移煤堆沿工作面移动所需要的力很大。4.4.1 刨头的装煤机理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。4.4.2装载条件设力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。 图41刨头装载示意图Fig.4-1 the first plane carrying map在满足式（44）的条件下，煤体开始沿装载表面移动。 （44）式中：煤堆沿刨头装载斜面的滑动摩擦系数。式（4-4）也可写成如下形式： (45）或 (46）或 (47）式中：刨头装煤斜面与煤层底板之间的夹角；摩擦角。煤堆可能开始沿装载表面移动的角，称为临界角。其值按下式计算。 (48）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。4.4.3装载力计算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52所示。图42刨头装载分力示意图Fig.4-2 the frist plane carrying contribute map（1）刨头装载表面插入煤堆中所需要的力按下式计算。N （49）或 （410）式中：刨头装载表面的宽度，在此取0.5m；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。力F按式（411）计算。图43装煤力计算图Fig.4-3 charying calculation map （411）式中：刨头装载斜面的倾斜角度；实践证明，比较合理,在此去。位于刨头装载斜面上且低于装载高度煤堆的重力，N。 (412）式中：煤与刨头装载斜面的摩擦系数，取0.3；由上述两式可以得出： (413） （414）式中：煤层的密度，取kg/；g重力加速度，取10m/s；最大刨深，m；煤层的最低高度，m；刨头装载表面的高度，取0.57m；刨头的最低高度（刨头基体的高度），m。（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。 (415） (416）由以上两式可得： （417）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，在此取75。 (418）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。（4）煤堆被移动到输送机上所需的力 （419）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，取0.4。 （420）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。（5）克服煤堆中的内摩擦力 （421）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。 （422）表42与的关系Tab.4-2 the relation between and 30456075906653485152由以上五式可得，刨头装载表面总的装载力: (423）当装载表面的倾斜角超过临界角时，总的装载力: （424）4.5滑靴受力滑靴在刨头与滑架间的接触面，以防止刨头与下滑架之间接触，产生摩擦。滑靴承载着刨头的重量，刨头对滑靴产生一个垂直于接触面的压力。刨头运动带动滑靴在下滑架上运动，使滑靴产生一个与运动方向相反的摩擦力。 （425） 得 式中：刨头和滑架间的摩擦系数，0.3；-刨头质量，t。结论在我国煤矿资源发展看来，一些中小型煤矿为了能够获得更好的利润就必须利用现代化的设备来满足要求，因此，薄煤层刨煤机最适合这些中小型煤矿使用。因为，首先薄煤层刨煤机价格相对与一些大型刨煤机来说是比较便宜的，其次，薄煤层刨煤机的采高小，体积小，操作灵活等等，这些特点都非常适用于中小型煤矿的开采。基于种种原因，薄煤层刨煤机的改进设计势在必行。本文根据这一特点，又结合了刨煤机在刨煤过程中的一些缺点对其进行了改进。设计的刨煤机的截割部能够在牵引链的牵引下，沿着安装在采煤工作面上的滑行架滑行刨刀刨削煤壁将煤刨落。根据煤层厚度的不同，用增、减加高块来调整刨头的高度。以往的滑靴都是焊接在刨头上，一旦磨坏就会带来很大的麻烦。在本文中设计的滑靴是可以拆卸的，用螺栓和刨头连接。本方案还存在不足之处。一是由于刨煤机结构的复杂，本人掌握的还不够熟练；二是对刨煤机的特征认识不足。另一方面，系统方案对井下环境方面还未探讨，这些都需要进一步研究和进一步实践来解决。参考文献1 郝志勇.刨煤机工况参数优化及刨头结构设计研究J.硕士学位论文，.辽宁工程技术大学，2004.122 李贵轩.设计方法学.世界图书出版公司出版，1989.63 陈引亮.中国刨煤机采煤技术.煤炭工业出版社，2000.84 王洪欣，李木，刘秉忠.机械设计工程学.，中国矿业大学出版社，2001.15 唐大放，冯晓宁，杨现卿.机械设计工程学.中国矿业大学出版社，2001.96 毛谦德，李振清.袖珍机械设计师手册.机械工业出版社，2001.2 7 徐萃萍，赵灿，何凡.现代机械设计方法与应.高等教育出版社出版，2004.28 李孝尚.中国煤炭.1999年第12期9 姚永明.非标准设备设计M. 上海交通大学出版社,1999.10 李贵轩，李晓豁.采煤机械设计.辽宁大学出版社，1994.1011机械设计师手册编写组. 机械设计师手册. 机械工业出版社,1989.附录A论述压痕测试法和原子力显微镜的SI可跟踪力计量学摘要：本文论述压痕测现状试法和原子力显微镜（AFM）的微小力计量学的现状并特别针对全国科学与技术研究会（NIST）提出的新的电力和自重力的标准。这些标准提供计量学的基础结构所以压痕测试法和原子力显微镜的使用者可根据国际上认可的计量单位表示的力对材料，工作表面和纳米设备进行微机械测试。关键字：原子力显微镜，压痕测试法，微小力校准1.SI计量学和可追踪性国际单位系统（SI）的计量等级是很简单的。国家计量院（NMIS）维持着反映实际物体计量单位的原始标准。NMIS校准secondary artifacts.这些secondary artifacts和transfer artefacts传播与NMI，而且校准其他的传感器和仪器，他们反过来校准其他的传感器和仪器。每个校准与原始标准有换算关系，在传递结束后为了确保单位的实际值，随着单位从一个设备传到另一个设备的误差在每个阶段被估计。这是SI传递的基本。力派生与国际单位制，这意味着力的原始标准起源于由SI的基本单位（kg,m,s）组成的牛顿的定义。力的原始标准是由质量artefact与适当的长度和时间的单位表示的当地的地心引力组成的。这类里是根据重力的名称而来的，很多根据重力另传感器测力的机器被发明了。事实上，由于测试材料和工业产品时力的测量标准的原因，NIST仍保持着静重式力标准机，在美国这些机器在力的计量等级上起着重要的作用。同样，世界上很多其他国家计量院（NMIS）留用重力测量设备。对这些设备进行相互比较，即几个NMI轮流校准相同高稳定度的secondary artifact 形成相互承认的排列，这些排列保证了统一的国际测量标准而且给商业和贸易带来了方便。2.微机械测试，标准和力的计量法微机械的特性测试技术的应用刺激了压痕测试法和原子力显微镜的测量法和校准标准的发展，如附着力，硬度 弹性模量，薄膜，涂料，微机电设备和系统，纳米材料的扩展阵列。这些机械特性大部分是由压痕测试法和原子力显微镜对力和位移的测量测出来的，利用摩擦计和张力计研制出了功能相似的测量法2.1国际标准近几年，压痕技术扩展到更小的力和位移的领域。通过分析这些力-位移数据可以测定出样品的硬度和弹性模量。这种测量方式通常被称为instrumented或压痕深度检测。当用于微小力和深度测量时这种技术被称为纳米压痕测试。位移分辨率大于1nm,力的分辨率大于1N是纳米压痕测试的特征。仪器和数据分析的进步另纳米压痕测试法能测量材料非常细微的力学性能，特别是对薄膜和涂料如汽车涂料，增加切断刀具寿命的TIN涂料，计算机硬盘驱动曲面。如果厂家生产用一种纳米压痕测试法规格测量的刀具的话市场上会出现混乱，因为目前只有一种国际测试标准（美国没有）使用于纳米压痕测试，而且检验这种测试仪器的程序目前还不充分。有一种被认可的国际标准（ISO/DIS 14577-1，2，3）称为金属材料-硬度和材料参数的压痕测试，但它只使用于大批材料的测试。涉及薄膜测试的文件的第四部分（ISO/DIS 14577-4）还没有被认可。2.2微机械的计量学受到以上标准化工作的影响NMI开始研究国际单位制框架内可追踪的可以测量和传播微小力的方法。在这里我们对这些工作做简单的综述。本文仅仅是为了提供目前技术发展水平的情况。从纳到微级的我们的工作，用静电力秤（EFB）得到的10-8 N 到 104 N的力已经得到NIST的认证而且用于校准secondary force artifact基于Veeco,Inc.,而且随后被Asylum Research Molecular Force Probe所用，因此说明原子力显微镜材料测试仪器的校准是符合国际单位制的。除了美国，在英国的国家物理实验所研制出了另一个静电力秤系统，此系统可以令NIST EFB得到改进，预计2005年的九月可以实现。同时，德国的PTB也研制了cantilever-type force cells 基于压阻应变传感，这些设备与测力计和刚度计一样得到了校准。在更高的量级，从几百微牛顿到几百万牛顿，NMI正研制基于自重力的原始力校准系统。PTB利用传统的电子秤的秤盘上的精确的压力传感器。两个系统已经宣布，这种秤是根据力的范围进行分类。NIST利用重力对力传感器进行校准，这个传感器是我们曾用以证明压痕力的力的单元，我们也建立和测试了自己设计的基于电容的力单元。3NIST的SI可传递的微小力的等级为了利用国际单位制对牛顿的定义了解力的单位，力必须由国际单位制的基本单位组成的单位来表示。从基本单位获得单位通常是不确定度最小的途径，但这并不是唯一的方法，例如，电子力可以由国际单位制的长度单位结合适当的电的单位测量。电的单位从国际单位制获得，也可以由基于约瑟夫效应和量子霍而效应的伏特和欧姆表示，所以它可以由很多种不确定度很小的力学测量方法，这与质量的情况不一样，力的电子显示方法有用瓦特秤的电磁力和用伏特秤的电工力。虽然这些秤实验最初是想用力学量单位对电子单位下定义，但是量为基础的电子标准的可行性让这些秤实验代替了公斤。承认基本的计量学趋势，基于电子力的原始标准的发展曾是NIST做小力计量学实验室的主要的目标。图1用基于小于10-5N的力的由长度，电容，电压组成的单位表示的力表示了NIST微小力计量学的计量等级。我们从对电子力的描述和如何与自重力核对考试。接下来的是关于能连接电子力的力的单位的传播。最后我们用对更大规模的自重力系统的简单论述和它的为证实从压痕检测仪器测出的力校准传播导出量的使用下结论。3.1 10-8N到10-4N的微小力的原始标准：NIST的电子力秤。在NIST，我们从电力学了解了微小力的原始标准，而且为了用电容器的布置了解力建造了一系列不断精致的系统。根据图2，图3的NIST电子力秤和EFB可以对原始标准说明，从图中可以看到，这个秤安装在直径大约为1m的专门设计的真空室里的专用的安装台上。EFB安装在安装台上的三条腿上，三条腿从真空室地板伸出通过可伸缩的到空的凸缘的风箱。这些安装台的腿由真空室下面的花岗岩支撑，如图3所示。因而，真空室和设备是通过风箱接触的。这个实验可以在空气或惰性气体里进行，但是在真空中进行可以避免空气的对流对敏感的秤的悬架的影响。而且在真空中进行实验减小折射量的调整和另电容的间隙保持不变。EFB由一个电子力发生器组成，它能沿垂直轴移动（Z轴）；根据当地的地心引力调整，当电压传到一对同轴的圆柱体时力就会产生。当内部的圆柱体沿Z轴移动时外部的高电压圆柱体会固定不动，改变重叠的程度。电容的大小随着两个圆柱体的重叠程度而变化。因为同轴的布置，内表面的电容倾斜度完全对称，所以产生的电子力指向Z轴，为了保证轴的对称，内部的圆柱体悬挂在有一系列弯曲轴的平衡力平行四边形连接装置。这个装置提供准确运动的轴，方便地根据重力进行调整，对非轴向力不敏感，做涨力实验时轴向硬度达到0.001Nm-1。3.2用EFB校准力在传统的力的等级，测力传感器是与应变仪安装的，应变仪使力的变化转换成电阻的变化。在这个力的等级，AFM的悬臂作成压阻的模式，这样就成了应变仪的半导体，所以这些悬臂功能上与测力传感器是一样的。压电AFM悬臂不是规范，很少的样本能够通过商业获取。但这样的装置可以通过使用常用的半导体制造技术获得。附录Review of SI traceable force metrology for instrumented indentation and atomic force microscopy and Douglas T SmithAbstract：This paper reviews the current status of small force metrology for quantitative instrumented indentation and atomic force microscopy (AFM), and in particular focuses on new electrical and deadweight standards of force developed at the National Institute of Standards and Technology (NIST). These standards provide metrological infrastructure so that users of instrumented indentation and AFM can achieve quantitative nanomechanical testing of materials, engineered surfaces and micro and nanoscale devices in terms of forces that are expressed in internationally accepted units of measure with quantified uncertainty. Keywords: atomic force microscopy, instrumented indentation, micronewton/nanonewton force calibration1. SI metrology and traceabilityThe hierarchy of metrology within the International Systemof Units (SI) is conceptually simple: primarystandards thatreflect a practical physical realization of a unit of measure aremaintained bynationalmeasurement institutes (NMIs) wherethey are used to calibrate secondary artefacts; these secondaryor transfer artefacts are disseminated from the NMI and usedto calibrate other sensors or instruments, which in turn areused to calibrate yet other sensors and instruments. Eachcalibration is a comparison back to the primary standard, andtheuncertainty associated with propagating the unit from onedevice to the next is evaluated at each step in order to placebounds on the actual value of the unit after its propagationthrough this chain. This is the essence of the SI traceability.Force is a derived unit in the SI, meaning that primarystandards of force are derived from the definition of the newtonusing a combination of base SI units (kg, m and s). Typically,a primary standard of force is fashioned from a traceable massartefact combined with a suitably accurate estimate of the localgravity expressed in appropriate units of length and time. Thistype of force is referred to by the name deadweight, and avariety of schemes and machines have been devised that usedeadweights to apply known forces to sensors. In fact, becauseof the importance of force measurement standards to the testingof materials and manufactured products, deadweight machinesare maintained at NIST 1, and these machines sit atop thehierarchy of force metrology in the United States. Likewise,many other NMIs around the globe maintain deadweightforce calibration facilities. Round robin comparisons betweenfacilities, where several NMIs take turns calibrating thesame highly stable secondary artefact, form the basis ofmutual recognition arrangements. 2. Nanomechanical testing, standards andforce metrologyThe development ofmeasurement and calibration standards forinstrumented indentation and AFM is largely motivated by thegrowing use of nanomechanical testing to evaluate propertiessuch as adhesion, hardness and elastic modulus of chemicallyengineered surfaces, thin films and coatings,microelectromechanicaldevices and systems and an expanding arrayof nanostructured materials 2. Most of these mechanicalproperties are evaluated from force and displacementmeasurements recorded using either instrumented indentationor atomic force microscope (AFM)-based materials testinginstruments. Functionally similar measurements (e.g., forcedisplacement data) are also made using surface forcesapparatus 3, tribometers and tensiometers, as well as otherinstruments 4.2.1. International standardsIn recent years, indentation techniques have been extendedto significantly smaller applied forces and displacements.Analyses of these forcedisplacement data permit thedetermination of both the specimen hardness and the elasticmodulus 5. This type of measurement is commonly referredto as instrumented or depth-sensing indentation. When usedat small forces and depths, the technique is referred to asnanoindentation. Displacement resolution greater than 1 nmand force resolution larger than 1 N is the characteristicof nanoindentation, with mechanical property informationobtained at indentation depths as small as 10 nm.Improvements in instrumentation and data analysis havemade nanoindentation the method of choice for measuringthe mechanical properties of very small volumes of material,particularly for thin films and coatings such as auto paint,TiN coatings for extending the life of cutting tools andsurface films on computer hard disk drive surfaces. Problemsarise in the marketplace if a manufacturer tries to makeproperties measured by nanoindentation part of a productspecification, because there is currently only one internationalstandard test method (and none in the United States) forperforming the nanoindentation tests, and procedures forverifying the performance of such testing machines arepresently inadequate. There is an approved internationalstandard in ISO (ISO/DIS 145771, 2, 3) entitled metallicmaterialsinstrumented indentation test for hardness andmaterials parameters but it deals solelywith the testing of bulkmaterials. A fourth part of the document (ISO/DIS 145774),which deals specifically with the testing of thin films.2.2. Fundamental force metrology for nanomechanicsMotivated by the above standards work, the NMIs have startedto investigate methods for realizing and disseminating smallforce in a fashion that is traceable within the establishedframework of SI units. We offer a brief overview of theseefforts in this section. The review is not complete and ismerely intended to provide an indication of the current stateof the art.Beginning with our own work in the nano to micro range,a primary realization of force in the regime between 108 Nand 104 N based on an electrostatic force balance (EFB)has been demonstrated at NIST 11 and used to calibratea secondary force artefact based on a Veeco, Inc.1, contactmode piezolever AFM cantilever 12. This secondary artefactwas subsequently employed to calibrate an Asylum ResearchMolecular Force Probe, thereby demonstrating the first suchcalibration of an AFM materials test instrument to preserve anunbroken link to the SI 13.Outside the United States, another electrostatic balancesystem has been proposed and designed at the NationalPhysical Laboratory (NPL) in the United Kingdom. Thisbalance promises improvements in resolution over the NIST1 Commercial equipment and materials are identified in order to adequatelyspecify certain procedures. In no case does such identification implyrecommendation or endorsement by the National Institute of Standards andTechnology, nor does it imply that the materials or equipment identified arenecessarily the best available for the purpose.EFB 14 and is expected to be operational in September 2005.Also at NPL, work has been reported on a spring constantartefact 15, and a micro-electromechanical spring balancethat may yield a traceable spring constant 16. Meanwhile,the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Germanyhas developed active cantilever-type force cells based onpiezoresistive strain sensing 17. These devices have beencalibrated both as force cells and stiffness artefacts.At larger force levels, ranging from hundreds ofmicronewtons up to several millinewtons, NMIs aredeveloping primary force calibration systems based ondeadweights. PTB uses a precision scan stage to press sensorsagainst the weighing pan of a conventional electromagneticcompensation balance 18. Two different systems have beenreported, the size of balance employed depending on the forcerange of interest 19. NIST has used wire deadweights tocalibrate a modified force transducer as a transfer standardfor instrumented indentation 20. This sensor is one of asmall number of force cells that we have attempted to use forindentation force verification 21. We have also built andtested capacitance-based force cells of our own design 22.3. SI traceable hierarchy of small force at NISTIn order to realize the unit of force using the SI definition ofthe newton, the observed force must be expressed in termsof measured quantities that are themselves expressed in termsof some combination of the SI base units. Deriving a unitfrom realizations of the base units is typically the path ofleast uncertainty, but this need not always be the case. Forinstance, electrical forces may be measured in terms of the SIunit of length in combination with appropriate electrical units.Electrical units are themselves derived units in the SI, butthey may also be linked to practical representations of the voltand ohm based on the Josephson and quantized Hall effects.Because of this, theymay be measured through a large dynamicrange with little loss of relative uncertainty, unlike the situationwith mass. Electrical realizations of force may be achievedusing electromagnetic forces, along the lines of watt balanceexperiments 23, 24 or using electrostatic forces, along thelines of volt balance experiments 25. Although such balanceexperiments were originally conceived to define electricalunits in terms of SI mechanical quantities, the availability ofquantum-based electrical standards has placed these balanceexperiments at the forefront of efforts to replace the kilogram26. Acknowledging this trend in fundamental metrology, thedevelopment of a primary standard based on electrical forcehas been a central goal of the NIST small force metrologylaboratory from its conception 27.The block diagram of figure 1 lays out a proposedhierarchy of NIST small force metrology, with a primaryrealization of force based on a combination of length,capacitance and voltage for forces below 105 N.We begin thesection with a description of the electrostatic force realizationand how it is checked against the deadweight force. Theproblem of disseminating the unit of force through appropriatetransfer artefacts that can interface with the electrostatic forceis treated next. Finally, we conclude the section with a briefreview of our larger scale deadweight system and its use inthe calibration of a transfer artefact for the verification of theforce readout of instrumented indentation equipment.3.1. A primary standard of small force between 108 N and104 N: the NIST electrostatic force balanceAt NIST, we realize a primary standard of small force fromelectrostatics, and have constructed a series of increasinglyrefined systems to realize force using a coaxial cylindricalcapacitor arrangement 11, 28. The present version of thisprimary standard, referred to as the NIST electrostatic forcebalance, or simply the EFB, is shown in the photo of figure 2and schematically in the drawing of figure 3.As shown in the photo and drawing, the balance has beenassembled on a custom optical table in a specially designed freestanding vacuum chamber approximately 1min diameter. Theoptical table on which the EFB is mounted sits on three legsthat protrude from the chamber floor through flexible bellowsthat terminate in blank flanges. These table legs are supportedfrom below the chamber by a large granite block, as indicatedschematically in figure 3. Thus, the only contact between thevacuum chamber and the experiment is through the relativelycompliant bellows. The experiment can operate in air, or withanother inert gas, but vacuum operation eliminates convectiveair currents that tend to perturb the large and compliant balancesuspension. Also, operation in vacuum eliminates the need tocorrect for the index of refraction in the interferometer anddielectric constant of the gap in the capacitance.Functionally, the EFB consists of an electrostatic forcegenerator that acts along a vertical axis (the z-direction) alignedwith the local gravity to within a few milliradians 11. Forcesare generated when voltages are applied to the pair of nested,coaxial cylinders (items 3 and 4, figure 3). The outer highvoltagecylinder is fixed while the inner electrically-groundedcylinder is free to translate along the z-axis, varying thedegree of the overlap. The capacitance of this geometryis in principle a linear function of the overlap of the twocylinders. For a perfectly coaxial arrangement, the in-planecapacitance gradient possesses radial symmetry, so that the3.2. Force calibration using the EFBAt conventional force levels, force cells are equipped withstrain gauge transducers that convert changes in mechanicalforce to changes in electrical resistance. At the forcelevels considered here, AFM cantilevers can be dopedwith piezoresistive patterns that achieve the semiconductorequivalent of a strain gauge transducer, so that these cantileversare functionally equivalent to a force cell. Piezoresistive AFMcantilevers are not the norm and few examples are availablecommercially, but such devices can be made using commonsemiconductor fabrication techniquesReferences1 Jabbour Z J and Yaniv S L 2001 The kilogram and themeasurements of mass and force J. Res. Natl Inst. Stand.Technol. 106 252 Bhushan B (ed) 2004 Handbook of Nanotechnology(Heidelberg: Springer)3 Israelachvili J 1992 Intermolecular and Surface Forces2nd edn (Boston, MA: Academic)4 Joyce S A and Houston J E 1991 A new force sensorincorporating force-feedback control for interfacial forcemicroscopy Rev. Sci. Instrum. 62 7105 Oliver W C and Pharr G M 1992 An improved technique fordetermining hardness and elastic modulus using load anddisplacement sensing indentation experiments J. Mater. Res.77 15646 VanLandingham M R, Villarrubia J S and Meyers G F 2000Nanoindentation of polymers: an overview ACS Polym.Preprints 41 14127 Hsu S 2004 Private communication, Chair VAMAS TWG 29,see the VAMAS website 8 Lawall J and Kessler E 2000 Michlelson interferometry with10 pm accuracy Rev. Sci. Instrum. 71 26699 Villarrubia J 1996 Scanned probe microscope tipcharacterization without calibrated tip characterizers J. Vac.Sci. Technol. B 14 151810 ISO group TC 164/SC 3/WG 1 and ASTM E28.06.11 2002Metallic MaterialsInstrumented Indentation Test forHardness and Materials Parameters ISO/DIS 14577-1, 2,and 311 Newell D B, Kramar J A, Pratt J R, Smith D T andWilliams E R 2003 The NIST microforce realization andmeasurement project IEEE Trans. Instrum. Meas. 52 50812 Pratt J R, Newell D B, Kramar J A, Mulholland J andWhitenton E 2003 Pro
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