掘进机的设计和液压系统设计

1、摘 要：掘进机是煤炭生产和建设的基础工程，在煤炭工业中具有基础性的关键地位。本设 计力图结合行业标准和设计规范， 根据工作要求和设计目的进行掘进机总体方案设计与液压 系统设计，确定符合要求的掘进机的总体参数。在液压系统设计部分， 基本上确定各零部件的液压使用原理及参数计算。 这里分析计算了截 割部、行走机构、装运机构、中间运输机等载荷分析。马达部分的确定：装载部的星轮机构 马达、行走机构的驱动马达、中间运输机的驱动马达等。油缸部分的确定：升降油缸、回转 油缸、伸缩油缸、履带行走机构的张紧油缸、铲板部的升举油缸的计算设计。液压缸的结构设计部分， 进行了伸缩油缸的机构设计计算， 并绘制零件图。 也

2、进行了泵站的 参数计算确定和液压系统的计算，评估液压系统性能。最后进行掘进机的通过性分析与稳定性分析。 关键词：纵轴式掘进机；总体方案设计；液压系统设计 中图分类号： TH1 引言1.1 当前国内外掘进机研究水平的状况 近年来，随着我国煤炭行业的快速发展，与之唇齿相依的煤机行业也日益受到重视。在 煤炭行业纲领性文件 关于促进煤炭工业健康发展的若干意见 中，在全国煤炭工业科学技 术大会上以及国家发改委出台的煤炭行业结构调整政策中， 都涉及到发展大型煤炭井下综合 采煤设备等内容。掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，国家的方针是：采掘并重，掘进先行。煤矿巷 道的快速掘进是煤矿保证矿井高产稳产的关键技

3、术措施。 采掘技术及其装备水平直接关系到 煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件， 也是巷道掘进技术的发展方向。 随着综采技术的发展， 国内已出现了年产几百万吨级、 甚至 千万吨级超级工作面， 使年消耗回采巷道数量大幅度增加， 从而使巷道掘进成为了煤矿高效 集约化生产的共性及关键性技术。我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也 称为煤巷综合机械化掘进， 在我国国有重点煤矿得到了广泛应用， 主要掘进机械为悬臂式掘 进机。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

4、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，- 2 -目前，

5、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 台匕能 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= 68，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

6、用量的 80 以上。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

7、，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。1.2 本设计的主要研究内容 本论文的研究内容有：根据给定的设计要求和目的，按照中国煤炭行业标准和行业设计 规范，进行纵轴式掘进机的总体方案设计与液压系统设计。主要有以下几个方面：a. 按行业标准 MT138 1995 悬臂式掘进机的型式与参数 ， MT238.3 2006 悬臂 式掘进机 |第 3 部分|通用技术条件 ，结合工作要求和设计目的， 确定掘进机的总体型式和 总体参数；b. 分析整个工作部件

8、的工作原理，给出机械传动系统图和绘制整体配置图；c. 为实现工作要求，进行了整体液压系统原理设计，形成本掘进机的液压系统原理图；d. 对截割部、行走机构、装载机构、中间运输机构进行载荷分析，确定各部分的载荷，为进行液压系统各执行元件的设计提供依据。这里通过计算确定了8 个马达和 11 个油缸的主要参数；e. 重点选取伸缩油缸进行详细的结构设计，确定缸筒壁厚度，缸体外径，进出口布置， 工作行程，平底缸盖厚度，活塞宽度，最小导向长度，缸体长度等，并进行了强度，刚度和 稳定性校核；f. 进行液压系统参数计算，由各回路的流量、工作压力，完成液压系统参数计算，确定 泵站的主要技术参数，确定 6 个小系统

9、所需要的 6 个泵及其各自的功率，并综合确定泵站 电机的功率参数。同时，由 6 个小系统的总体最大流量，确定油箱容积。进行液压系统的性 能验算， 确定整个系统的效率、产生的热量和温升， 以评估系统的优越。 并做了液压缸的工作 速度验算，保证系统工作的顺利进行。g. 按照规范进行了掘进机的通过性与稳定性分析。- 3 -2 掘进机总体设计与液压系统设计的理论基础与设计规范2.1 掘进机型式的基本参数要求根据 MT238.3 2006 悬臂式掘进机 |第 3 部分|通用技术条件 ，确定掘进机型式的基 本参数。表 2-1 掘进机型式的基本参数 1Tab.2-1 Table of the basic p

10、arameters of roadheader models 机型技术参数 单位特轻 轻 中 重 超重切割煤岩最大单向抗拉强度 MPa w 40 w 50 w 60 w 80 150 200适应工作最大 坡度 ( 绝对值 ) 不小于(2 ) 16 16 16 16 16可掘巷道断面m2 512 616 720 828 1032机重 ( 不包括转载机 )T w 20 w 25 w 50 w 80 802.2 掘进机的截割头载荷计算公式截齿截割岩石的阻力产生了截割力 , 其值与被切削的岩石有关 , 也与截齿的形状和切深 有关。这些参数大多通过假岩壁截割试验取得 , 所需截割力的近似计算按式 (2-

11、1) 求得 KP hcc zc cos ( / 2)0.016 223(T=n 2 (2-1)式中： c P 平均截割力 , kN;c h 切屑厚度 ( 截齿截割煤岩体的深度 ) , mm;z (T 岩石的抗拉强度，MPa;c 3 截齿的刀具角 , ;K 岩石的脆性系数，DzK= d / d，其中D d为岩石的抗压强度。在K取值为 10 左右时，本公式准确性比较高。2.3 纵轴式掘进机的截割头每个截齿的最大切割厚度计算公式对于纵轴式掘进机截割头 ，每个截齿的最大切削厚度可由式(2-2) 计算求得 :h V n m c b 0 = / 2 (2-2)式中： b V 截割头牵引速度 (或摆动速度

12、),mm/ min 0 n 截割头的转速 , r / min ； m 在一条截线上的截齿数。- 4 -2.4 工况分析及载荷计算公式 对于液压缸，外负载为： c f i F = F + F + F 3 (2-3) 式中： F 工作负载； f F 摩擦负载； i F 惯性负载。对于液压马达，外负载为：n f i M = M + M + M 3 (2-4)式中： M 工作负载扭矩；f M 摩擦阻力矩；i M 惯性力矩。3 纵轴式掘进机总体设计 悬臂式掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三大系统组 成，并通过主体部将各执行机构有机的组合于一体。 总体方案设计主要是进行掘进机的

13、选型 和总体参数的确定。根据任务书的要求，按行业标准 MT138 1995 悬臂式掘进机的型 式与参数，MT238.3 2006悬臂式掘进机|第3部分|通用技术条件选定机型类别为重型掘进机。 按照行业的设计规范和使用的情况， 确定各部件的驱动方式和连接结构。 这里除了 截割头使用电机驱动外，其余的都采用液压驱动。本掘进机的总体设计，主要包括以下内容： 1、据设计任务书选择机型及各部件结构型式。2 、定整机的主要技术性能参数，包括尺寸参数、重量参数、运动参数和技术经济指标。3 、按照总体设计的性能要求，确定整机系统的组成及它们之间的匹配性以及各个部件 的主要技术参数。4 、进行必要的总体计算，并

14、绘制传动系统图和总体配置图。切割头采用圆锥形式，按行业标准 MT477-1996 YBU 系列掘进机用隔爆型三相异步电动机选取截割电机，减速机采用二级行星减速器。内伸缩式结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活 方便，因此采用内伸缩式截割头。 耙装部机构采用弧形三齿星轮式， 有左右两个， 对称布置。 输送机构， 采用刮板链式输送机， 由机尾向机头方向倾斜向上布置。 转载机采用胶带输送机 的形式。 行走机构采用履带式， 驱动方式由液压马达驱动， 可在底板不平或者松软的条件下 工作。采用喷雾式除尘，综合使用内喷雾形式和外喷雾形式。掘进机的总体参数，是指主要性能参数，它表示了掘进机特性的指标。掘进机的总体参 数有

15、：机重、外形尺寸、可掘断面、生产率、截深、摆动速度、切割力等。确定的主要参数如表 3-1 ：- 5 -表 3-1 主要技术参数Tab.3-1 main technical parameters 总体参数 总体长度 总体宽度 总体高度 总重 卧底深度8.7 m 2.8 m 1.8 m 45 t 200 mm 爬坡能力 截割硬度 16 w 60 Mpa截割范围 高度 宽度 面积4.5 m 5.6 m 22.6m2截割部截割头形状 截割头转速 截割头伸缩量 隔爆型三相电动机喷雾圆锥台形 46 r/min 550 mmYBUD2-132-4 隔 爆，水冷方式， 1 台 内、外喷雾方式 水平回转角 上摆

16、角 下摆角 33 32 28 铲板部 装载形式 装载宽度 星轮转速 装载能力 铲板卧底 三齿星轮式 2.8 m 28 r/min 230m3 /h 300 mm 铲板抬起340 mm刮板输送机运输形式 溜槽宽度 链速 龙门高度 张紧形式 双边链刮板式 540 mm 0.90 m/s 360 mm油缸张紧行走部形式 履带宽度 制动方式 接地比压 行走速度履带式 450 mm 摩擦离合器制动 0.14 MPa 0-5/10m/min接地长度 张紧形式3.3 m 油缸张紧- 6 - 在本总体方案设计的最后，给出了本掘进机的传动系统图和总体配置图。 确定的掘进机的传动系统图如图 3-1 ：7 8 9

17、10 11 1219 17 181 2 3 4 5 613161415图 3-1 掘进机的传动系统Fig.3-1 The drive system of roadheader8链轮1 内齿轮 2 中心轮 3 二级中心轮 4 行星轮 5 电动机 6 、 7 圆锥齿轮 9链轮轴 10 内齿轮 11 二级行星减速机 12 齿轮 13 油马达 14 齿轮 15齿 圈 16 油马达 17 、18 涡轮蜗杆 19 星轮4 掘进机液压系统设计 液压系统设计在明确基本要求的基础上，进行工况分析，工作负载计算，拟订液压系统 图。在进行各回路的设计之后， 确定总体工作原理图， 再进行各回路的执行元件的设计计算。

18、这里进行了截割部、 行走机构、 装载部、 中间运输机构的载荷分析，详细确定了各部分的工 作情况，载荷大小， 公式和分析方法来源于中国煤炭行业标准和中国煤炭科学研究院的研究 成果。由此确定了各部件的驱动方式和驱动元件的参数， 包括 8 个马达的技术参数和 11 个 油缸的主要尺寸确定。重点选取伸缩油缸进行详细的结构设计，确定缸筒壁厚度，缸体外径，进出口布置，工 作行程，平底缸盖厚度，活塞宽度，最小导向长度，缸体长度等，并进行了强度，刚度和稳 定性校核。完成液压系统参数计算，确定泵站的主要技术参数，通过计算确定 6 个小系统所需要的6 个泵及其各自的功率，并综合确定泵站电机的功率参数。同时，由 6

19、 个小系统的总体最 大流量，确定油箱容积。 进行液压系统的性能验算，确定整个系统的效率、产生的热量和温升，以评估系统的优 越。并做了液压缸的工作速度验算，保证系统工作的顺利进行。本设计确定的主要液压系统参数如表 4-1 。- 7 -表 4-1 主要液压系统参数Tab.4-1 main hydraulic system parameters 泵站三联泵 1 三联泵 2 系统额定压力 油箱容量 电机额定功率 电机工作转速CBZ2063/63/32 CBZ2063/50/32 16 MPa 640 L 110 kW 1450 r/min 电机额定电压AC1140V 装载回路 马达型号 泵型号 系统工

20、作压力 泵提供流量 泵工作功率 马达额定工作转速2 个 NHM1200 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 28 r/min 中间运输回路马达型号 泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率 马达额定工作转速NHM400 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 87.2 r/min 行走回路（左、右）马达型号 泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率 马达额定工作转速NHM175A CBZ2032 16 MPa 45.5 L/min 17.8 kW 280 r/min 转载机与水泵回路装载机马达 水泵 系统工作压力 串联回路流量

21、泵工作功率马达额定工作转速BM-E630 CBZ2050 16 MPa 77.64 L/min 24.4 kW 87.2 r/min 泵缸回路泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率 CBZ2050 16 MPa 61.63 L/min 19.3 kW 本设计确定的油缸的参数如表 4-2 。表 4-2 油缸的主要参数Tab.4-2 main parameters of fuel tank 伸缩油缸 1 个油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量29.7 kN 80 mm 125 mm 123 cm2 72.5 cm2 25.3 L/min 升降油缸 2 个油缸驱

22、动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量410.4 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 13.3 L/min 回转油缸 2 个油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量440.9 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 8.3 L/min 履带行走机构张紧油缸 2 个油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积106.7 kN 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2 铲板油缸 2 个油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量89 kN

23、 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2 15.5 L/min- 8 - 伸缩油缸结构设计得出的主要参数如表 4-3 。表 4-3 伸缩油缸的重要参数 Tab.4-3 main parameters of extendable fuel tank 缸筒壁厚度 缸体外径 进出口布置行程 平底缸盖厚度最小导向长度 缸体长度13.5 mm 152 伽螺纹连接M33 3 2550 mm 12 伽 230 mm 720 伽液压系统的性能参数如表 4-4 。表 4-4 液压系统的主要性能参数Tab.4-4 the main performance parameters of hydr

24、aulic system 系统效率 系统热量 系统温升0.218 68.3 3 103 W 14.15 oC5 本掘进机液通过性与稳定性分析 稳定性是指掘进机在规定方向行走和工作时不发生翻倒或侧滑的能力。它不仅关系到行 走和工作的安全、机器的生产率，而且还直接影响截齿、 机械联接与传动元件、以及电气元 件和液压元件的寿命， 是评价悬臂式掘进机使用性能的一项重要指标， 只有具有良好的稳定 性，才能保证机器性能的充分发挥。本设计按照规范进行了掘进机的通过性与稳定性分析。 这是评估掘进机的综合性能的重要指标，是最终确定本掘进机的是否可以出产的重要依据。 通过性参数如表 5-1 。表 5-1 通过性参

25、数Tab.5-1 the parameters of through performance 离地最小间隙 接地比压 适应巷道坡度 253 mm 0.14Mpa16 稳定性参数有：（一） 静态稳定性计算结果如表 5-2 。表 5-2 静态稳定性参数Tab.5-2 static stability parameters 极限倾翻角上山（坡）极限倾翻角下山（坡）极限倾翻角横向极限倾翻角 下滑临界坡度角40 31 36 45 （二） 动态稳定性计算结果如表 5-3 。表 5-3 动态稳定性参数Tab.5-3 dynamic stability parameters 不同截割情况的稳定比 纵向截割（上

26、下截割）当截割头向上截割时 当截割头向下截割时 横向截割（左右截割） 轴向钻进K = 3.8 K = 1.8 K = 2.3 K = 3.4 - 9 -6 结语 本设计主要是根据掘进机的设计要求和用途，进行本掘进机总体方案设计和液压系统设 计，确定掘进机型号为 EBZ132 ，能够满足中低硬岩、煤层的经济截割，切割能力较强， 应用范围也很广泛，不只在井下采掘作业，也可以在工程建筑里面的航道掘进。 EBZ132 整 机结构紧凑，布局合理，机重与截割功率匹配，接地比压小，地隙大，适应性强。 本设计过程的思路和技术路线，主要是根据中国煤炭行业标准，各煤炭科学研究院的科 研成果。在本设计过程中，收集了大量的参考资料，近百篇的相关论文，同时大量的现场图 纸资料，包括佳木斯煤矿机械有限公司的各型号掘进机的宣传手册、图册， 三一重装、 朝阳 重工、辽源煤机厂等产品的介绍和说明资料， 保证本设计中各参数的确定更具有科学依据和 实用的可行性。同时，在进行本设计的前期工作中，在指导老师丁飞老师的带领下，去了辽源煤机厂熟 悉现场的掘进机工作流程和设计工艺流程。参考文献1