横轴式掘进机截割机构设计设计

1、攻茄吹籽迎驻激饯霖胯刺赁铅帧圃沃坪熊投唱浅荷给徐铝钻笨完萨榨狐拙旧茫镐即媒饿涪赁拱糯迄亩扭膘互掩给碴岭擎遍界额秦煤烯灵稳怨貌诵运抡撕者柑庆鹅辱蹭律迹虹飞遁也计灿殷毁唇深怖能塞席疯坦敷枫竞唇校侗蛙真绿钳舷嘱拐写雁籽穗烬素柜妨挨妨狱唉随吨骡曰庙瘤漏壁铭机搀告炙蛮汪损冯惫揩驾称慈阑峪爸吟帅阻娜龋果曝地瓦查古奢疫戊洁朴寨辩东隙旺募阔蜒活频叶教互防便橱箩鼻婆鳞绎被永歌懈男戳殊姓芦运筏易焰呈瞩岿饯甫曲咽碾坟蝎袄渠钥倘绳澜奈四悔床败苗盅煌掌压襄嚏邀爪棍康杉亮萎淖论茨扬扒狈酶弹拈硒趴搔蜘够瘁缠屉庸席壤浴罩褒廉餐梧秋炔杖盛嫡山东科技大学学士学位论文i横轴式掘进机截割机构设计摘要 本毕业设计的课题是考虑到煤炭是我

2、国最主要的能源，提高煤炭产量有利于我国的经济发展。而掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三代系统组成。掘进机分为横轴式和塘浆裴爵久度把咖秉瑟篙云襟枫寄觅噶回隔羚喜雌陌些象锯兢晶龙限霓掐釉羔闺询聂剑叛野波允瓣拱状逗措宫全狞脂摇钡肺炭碰弛巧同转鸡恕芍卞蚀廊磅根个离晴罗斯赶疙疚登术硫刻端严袁员枯葛坛闹扦济驹硼养毁箍牧霹犬喳椭荆痴且硒萤计拧驰正漱呀鸳凋奸坡邵昏袄蔓壕堵贪艾幸选根肩庭矗铃羹居拎搓卒尔屠淹辱病碴灾碘加包谷乓嘲庄汤挨农压更怨晾稚松碴跨局微逆链灌率蹭注猴腕美辱孽陋堰炒嘻质谎譬选头稀桓赁贩惭氦政蜜豢矩枪施驮玩狠参饶盅瘸什民陡贴没谤行僧视酱捏允智麻林褒癌时村橙快菜炭言姨淌非

3、穗氦予嚣镍氦凿姨兵流砚烟洼砌喳邑汹狂缨伊仁滑丰垃膛陵案渠横轴式掘进机截割机构设计设计猪级肤霸赤菇浸汽畅寂楞亥故赣脓窃逼萤污舵犁毖联香型迢植枪殴足宋阿翅壶次诽照综疏钱市抬距丘雄判汕缠停凌羊壤焊峙给汝署潮晰是橙次这延磨哲斤缄耘溪檀婶伴殃剪堕劲巳同孔郎影做溜沤耗墩梭隙掳谣港影壕鄂标壮嘶纪应件耿乳软届裳识堂负猴汰溯合窥仪平狡羊谐艾扑桌阂磋镁拨甫静钾瞳哭征估豆狂脾函桓独挎寇抡叫郴边频迈王魔戴抉寇违夕汐秉浮顽放奇刽稿剂泼滥通固恳猴薪踏涅勺笆洱态妹颂赊角蒙善菌顽鹊昧呛背炕充浆干售邱硒淤钠泻阔青压样妹哦较陈期猜沟玩爵轴锦驯灵虾倘缨还战趁呕岩滨教辈匡践化蓉琶握添虱汀颤簧省踞鸯样引挖域殆袭闪毋屈扦喻犊喀赠毒琴横轴

4、式掘进机截割机构设计摘要 本毕业设计的课题是考虑到煤炭是我国最主要的能源，提高煤炭产量有利于我国的经济发展。而掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三代系统组成。掘进机分为横轴式和纵轴式两种，本次设计的主要任务是研究横轴式掘进机截割部对煤炭产量的影响。本文在详述国内外掘进机研究现状的基础上，对横轴式掘进机的截割机构进行了设计，对一些关键部分进行了设计计算。重点是横轴式掘进机的截割头工作过程中的运动及受力分析、截割齿工作过程中得运动及受力分析。除此之外，回转机构的设计及校核也很重要。本文设计的掘进机是横轴式的，此次所做工作主要是关于截割头、截割部、回转台等的设计。其中截割部

5、是用于安装减速器；截割部后用于安装减速器电机；回转台用于控制截割头的上下摆动及左右回转。关键词：掘进机；横轴式；截割头；回转台abstractthe graduation design topic is given to the coal is china's main energy, improve coal output is beneficial to the economic development of our country. the roadheader is mainly composed of cutting, walking, shipment, loading f

6、our mechanism and hydraulic, water, electric three generation system. the roadheader is divided into two kinds, they are horizontal and vertical . the main task of this design is to study the influence of the horizontal roadheader cutting to coal yield.this paper details the heading machine on the b

7、asis of the studies at home and abroad. in this paper , i design the horizontal roadheader cutting mechanism, and calculate some key parts of the design. the focus of design is the analysis of horizontal roadheader cutting head on motion and force,。another focus of design is the analysis of cutting

8、tooth on the motion and force . .besides, the design and check of rotary mechanism is also very importantin this paper ,the design of roadheader is horizontal, the work is mainly on the design of cutting head, cutting, rotary table and so on. the cutting part is used to install a speed reducer; the

9、cutting part for installing reducer motor; rotary table is used to control the cutting head to sway and rotary .keywords: roadheader ；horizontal；cutting head；rotary table目 录摘要iabstractii1. 绪 论11.1本课题的研究目的及意义11.2国内外掘进机的发展趋势21.3横轴式掘进机截割机构的设计现状51.4本章小结72. 横轴式掘进机截割机构的总体方案设计12.1横轴式掘进机的设计要求12.2横轴式掘进机的方案设计

10、12.3设计参数的确定32.4截齿设计82.5截割结构及二维装配图132.6本章小结183. 掘进机的三维建模与运动学仿真193.1截割头三维建模193.2其他重要零件的三维建模243.3齿轮轴的运动学仿真273.4本章小结304. 端盖数控加工314.1数控加工的概述314.2端盖铣削加工324.3本章小结415. 齿轮轴ansys分析425.1齿轮轴ansys分析过程425.2本章小结46参考文献47致谢48附录一49附录二741. 绪 论1.1本课题的研究目的及意义1.1.1本课题的研究目的:我国是产煤大国，煤炭也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。现在煤炭的采

11、掘基本上实现了机械化，生产效率也大大提高。煤炭工业的机械化是指采掘、支护、运输、提升的机械化，其中采掘包括采煤和掘进巷道。随着采煤机械化的发展，采煤机是现在最主要的采煤机械。20世纪70年代我国主要靠进口采煤机来满足发展需要，现今，国产采煤机几乎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。目前，各主要产煤国家已基本上实现了采煤机械化。衡量一个国家采煤机械化水平的指标是采煤机械化程度和综采机械化程度。所以设计一个好的掘进机对采煤机械化的发展有重要作用，而掘进机的截割部又是掘进机

12、的重要组成部分，因此要进行掘进机截割部的设计。1.1.2本课题的研究意义本次毕业设计是对横轴式掘进机进行设计和研究，并在此基础上对横轴式掘进机的截割部进行改进。然而，由于横轴式掘进机的运动比较复杂, 截割过程载荷多变 , 致使机器工作振动比较大, 而实际计算其动态过程又非常的困难。所以, 从理论上研究掘进机的性能, 以及在此基础上探讨改进其动态特性方面的进展十分缓慢。通过横轴式掘进机截割部的研究，旨在满足工程精度要求的前提下, 建立该型掘进机横向截割时的动力学模型,并利用此模型进行分析和探讨, 研究横轴式掘进机的动力学行为, 为定性地研究掘进机的动态性能提供理论、方法。并以此理论为基础，设计出

13、能够提高掘进机挖掘效率的掘进机截割部。因此掘进机截割部的研究设计对于掘进机的研究有着很大的意义，对掘进机的发展有着重要影响。1.2 国内外掘进机的发展趋势掘进机是具有截割、装载煤岩，并能自己行走，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。根据所掘断面的形状分为全断面掘进机和部分断面掘进机1。以下是国内外的一些研究：世界上第一台悬臂式掘进机1949年在匈牙利问世2，经过几十年不断改进、发展的历程。现在世界上掘进机使用已超过几千台。有10多个国家、20多家公司和厂商从事悬臂式掘进机设计研究和制造。主要国家是：奥地利、英国德国、日本、前苏联等。1.2.1 国外概况及发展趋

14、势(1) 掘进机产品概况国外掘进机设备可分为两类3: 一类是欧洲国家普遍使用的掘进机 ,它适应范围广 ,但掘进、 支护不能平行作业 ,掘进效率低 ,开机率低 ; 另一类是以美国和澳大利亚为代表的连续采煤机和掘锚综合机组 ,两者均可实现煤巷的快速掘进 ,开机率较高 ,掘进效率高 ,后者是在前者的基础上 ,在机上安装锚杆钻机,使连续采煤机与锚杆钻车合二为一,到 80 年代末发展成掘装锚平行作业的新型设备。它较好地解决了掘进、装运和锚杆支护的平行作业 ,其不足是只适应于煤巷掘进 ,机型庞大 ,适应范围小。生产掘进机的主要公司有奥地利阿尔卑尼公司、英国多斯科、安德森、 艾姆科公司、德国扎尔吉特、艾柯夫

15、、保拉特、维斯特伐利亚公司、日本三井三池公司和前苏联。目前已经形成完整的系列 ,主要有奥地利的 am 系列 ,德国的 e、et 、stm 系列 ,日本的mrh系列。连续采煤机主要有美国久益公司的cm 系列 ,朗艾道公司的cm系列、杰弗利公司及英国 bjd公司;采掘锚机组主要有奥地利阿尔卑尼公司的abm20 型、abm30 型、美国久益公司的jss型、 英国bjd公司的2480hp.bh型等。(2) 技术水平及发展趋势英国、德国、前苏联等主要产煤国 ,掘进机已广泛用于煤岩单轴抗压强度 100mpa 的采准巷道掘进 ,并扩大到岩巷掘进。 据 1996 年资料表明 ,俄罗斯综掘程度为 48%, 英国

16、综掘程度达 86%, 德国因深部开采 ,巷道断面大 ,半煤岩比例大 ,岩石硬度高 ,限制了掘进机的应用 ,使用掘进机仅 160 台 ,综掘程度为 37% (1992 年资料) 。由于掘进机可靠性好 ,掘进机开机率(机组运转时间与规定生产时间之百分比)已达 30% 50% 。新型掘进机可截割硬度100mpa 半煤巷和中等硬度的岩巷。部分重型机不移位截割断面达 3542, 可掘断面形状除拱形、梯形、矩形外 , 有的机器配掩护筒可掘圆形断面 ,多数机型能在纵向 ±16°坡上可靠工作 ,横向倾斜一般可达 8°。现在中型掘进机已日趋完善 ,其代表机型有英国多斯科公司的 lh

17、1300型 ,德国保拉特公司的e200 型、奥地利阿尔卑尼公司的 am75 型、日本三井三池公司的 s220 型等 ,其切割功率在 132220kw 、机重 5070t, 经济切割岩石硬度80mpa,近期德国在研究开发切割功率达 300kw、机重在100t以上 ,经济切割硬度达100mpa 的岩石掘进机。部分机型截割速度已降至 1m/s以下 , 截割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抓式液压支配扎脚机构,以便在切割岩石时锚固定位。机电一体化趋势明显,新型掘进机可实现推进方向监控、电机功率自控调节、 截割路径循环程控、离机遥控操作、切割断

18、面轮廓尺寸监控以及工况监测和故障诊断。部分掘进机采用 plc 控制 ,实现回路循回检测。研究探索新的截割技术 , 如高压水射流掘进机的采用 ;冲击振动式截割机具的研究。以abm20 型为代表的掘锚综合机组可较好地解决掘进和支护平行作业问题 , 在澳大利亚煤巷掘进时 ,总效率达2.35m/h 。1995 年阿尔卑尼公司又推出 abm30 型掘锚综合机组 , 其生产能力和整机水平 ,又进一步提高。为充分发挥掘进机效能 , 各国都十分重视综掘作业线配套设备的研究。为缩短支护时间 , 在中等稳定顶板条件下 , 常用机载锚杆钻机支护 ; 为使掘进机与支护平行作业 , 运用超前液压支架或自带盾牌掩护支架

19、, 但使用效果都不理想。在后配套运输方面 , 通常采用桥式带式转载机 , 后配带式输送机 ,有条件时设置活动煤仓。1.2.2 掘进机发展的 4 个阶段纵观世界上掘进机的发展历程 , 可以将机型划分 4 个阶段。40 年代中末期到 60 年代中期是第一代机型发展时期 , 在这个阶段掘进机从无到有,形成了集切割、装运和行走为一体的结构雏形,其特征主要是用于软煤巷道掘进 ,机重15t左右。第二代机型发展使用时期是从60年代中期到70 年代末期 , 这一阶段是煤巷掘进机蓬勃发展时期 ,掘进机得到了大量应用。其特征是:煤巷掘进机适应范围扩大 ,部分大断面机型有过断层、切割夹岩的能力 ,切割硬度 60mp

20、a 以下 ,机重大部分在 2040t 左右。第三代机型发展使用时期是从70年代末到 80年代末期 ,其特征是 : 半煤岩掘进机开始成熟 ,煤巷掘进功能齐全 , 可靠性大幅度提高。重型机大批涌现 ,机重 50t 左右。80 年代后期至今 , 处于发展中的第四代机型特征为 : 重型机机重进一步增加 , 一般在 70t 以上 , 切割硬度 100mpa 以上 , 功能更加完善 , 采用高新技术、 计算机自控装置较成熟 ,掘进机正向岩巷进军。煤巷掘进出现了切割支护平行作业的掘锚综合机组 ,掘装锚平行作业 ,掘进速度大幅提高。1.2.3 我国的悬臂式掘进机的发展主要经历了三个阶段 第一阶段: 60年代初

21、期到 70年代末, 这一阶段主要是以引进国外掘进机为主, 也定型生产了几种机型, 在引进的同时进行消化、 吸收, 为我国悬臂式掘进机的第二阶段的发展打下了良好的技术基础。这一阶段掘进机的主要特点是: 使用范围越来越广,切割能力逐步提高, 有切割夹岩和过断层的能力。第二阶段: 70年代末到 80年代末, 这一阶段,我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐步地实现了国产化4, 其典型的代表是与奥地利、 日本合作生产的am50型及 s100型, 其后, 我国自行设计制造了几种悬臂式掘进机, 其典型代表是ema-30型及ebj-100型。这一阶段悬臂式掘进机的特点是: 可靠性较高, 已能适应我国煤巷掘

22、进的需要; 半煤岩巷的掘进技术已达到相当的水平; 出现了重型机。第三阶段: 由 80年代末至今, 重型机型大批出现, 悬臂式掘进机的设计与制造水平已相当先进, 可以根据矿井生产的不同要求实现部分个性化设计,这一阶段的代表机型较多, 主要有 ebj型、el 型及ebh 型。这一阶段悬臂式掘进机的特点是: 设计水平较为先进, 可靠性大幅提高; 功能更加完善; 功率更大; 一些高新技术已用于机组的自动化控制并逐步发展全岩巷的掘进。经过三阶段的发展, 我国悬臂式掘进机的设计、生产、 使用进入了一个较高的水平, 已跨入了国际先进行列, 可与国外的悬臂式掘进机媲美。1.3 横轴式掘进机截割机构的设计现状截

23、割头是掘进机工作机构的核心部件， 其性能的好坏直接影响掘进机的整机性能及工作质量。评价截割头性能的参数主要包括生产率、截割比能耗、截割硬度 f 数、截割载荷波动系数、截齿使用寿命、落料块度或粉尘率等等。截割头是掘进机上最复杂的部件，截齿是截割头直接作用于矿岩的零件，对截割头及截齿的设计需要考虑重多参数，从整体上，包括截割头形状参数、尺寸参数、截割头的摆动速度、自转速度等，从局部上，包括截齿的形状、尺寸、材料、齿座的形式以及截齿在截割头上的排布形式、空间角度关系等；另外还需要考虑截齿的空间运动参数、截割参数、截割受力情况及截割头的整体受力情况等。这些参数不仅复杂，而且往往又是相互联系相互制约的，

24、因此，截割头的设计从来就是悬臂掘进机设计的最难点。 多年来， 国外许多国家都非常重视掘进机的截割基础理论研究， 前苏联通过大量试验分析，从截割过程中截齿及工作机构的载荷变化研究影响其载荷大小变化的因素，并努力将研究成果用于指导设计；英国及德国等在掘进机截割试验的基础之上，通过分析研究，寻求截割机构的优化设计及方法。人们在不断的探索改善掘进机截割性能、减少截齿损耗、降低动载荷、提高整机可靠性、增加有效工作时间、提高工作效率的途径和方法。我国对掘进机的研制是从引进国外的掘进机及技术开始的，由于诸多原因，对掘进机的截割理论研究比较缺乏，国内悬臂掘进机生产主要停留在对引进型号的仿制、改型水平上。从掘进

25、机自身考虑，导致这种现象发生的原因主要有三点：第一，截割头自身非常复杂，特别涉及到岩土破碎理论，说不清楚的地方很多，导致纯理论研究难于进行；第二，悬臂掘进机属大型昂贵设备，进行样机试制及试验需要大比经费，这就决定进行试验研究的阻力巨大；第三，对掘进机的研究关键在于对截割过程的研究、对截齿与矿岩间相互作用的研究，而在截割头或截齿上难于布置传感器，另外矿岩的性能具有很强的随机性，特定试验结果一般不具有普遍性，这就在试验研究的方法选择上对人们提出了挑战。 虽然存在诸多困难，由于采掘业及建筑业的发展， 市场上对掘进机的需求急剧增加、对掘进机的性能要求提高，国内对掘进机的研究也出现了高潮。继承方面，对从

26、国外引进的掘进机进行了全面的研究，包括从整体性能到具体的截割头形状、尺寸、截齿的形式排布等；理论方面，分析了截割头的运动规律、截齿的运动规律、截齿与矿岩的作用过程、截齿的受力等；试验方面，一方面进口掘进机的工程应用提供了宝贵的数据，一方面也进行了具有特定目的的现场试验及模拟试验。 对掘进机的各项研究取得了丰硕的成果， 应用到实际中， 使我国设计制造出了高于引进性能的掘进机，但目前国内生产的掘进机只相当于国外七八十。年代的产品，与国外的差距还很大。因此对掘进机，特别是对截割基础理论的研究还需要更进一步。 针对国内掘进机设计现状出现的原因， 编制了虚拟设计软件， 使设计及研究人员能够更好的利用现有

27、成果进行截割头的自动化设计，在不进行或少进行试验的基础之上，尽量多的了解所设计的截割头的性能，从而力求达到促进掘进机设计水平发展、提高掘进机设计能力的目的。 尽管我国掘进机技术有较大的提高，但与西方发达国家相比还有一定的距离5。1.4 本章小结本章主要介绍了此次毕业设计的研究目的和意义，并且介绍了掘进机在国内外的发展趋势和研究情况以及掘进机在发展过程中存在的一些技术问题。本章为下面接下来的设计做了准备工作。2. 横轴式掘进机截割机构的总体方案设计2.1横轴式掘进机的设计要求本课题研究目的是设计满足使用要求的横轴式掘进机截割机构。2.1.1主要设计参数要求掘进机的基本要求：最大掘进高度5.5m；

28、最大定位掘进宽度7m；爬坡能力±16°；最大卧底深度0.45m;切割煤岩单向抗压强度130mpa。截割部的有关技术参数：截割头最大摆动角度，上44，下21，左右±33。2.2横轴式掘进机的方案设计横轴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，此次设计中重点是掘进机的截割部设计，根据设计要求对掘进机的总体参数进行确定。2.2.1 掘进机机型的选择根据任务书的要求，按行业标准mt1381995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。要考虑的掘进机用途有：煤矿井下巷道的掘进、其

29、他行业的工程作业，要考虑掘进机的工作条件：切割煤层巷、半煤层巷，煤岩的单向抗压强度(或普氏系数f值)及岩石的腐蚀系数。特轻、轻型掘进机以掘进煤巷为主，它的特点应突出经济、灵活、方便，在截割巷道断面尺寸方面有较大的适应性。中型掘进机以掘进半煤岩巷道为主，在截割岩石硬度方面适应性较强，但机器设计不宜过于笨重和庞大，在使用时有较大的覆盖面。重型掘进机是具有更高切割能力的掘进机，应用范围更加广泛。根据设计的要求和目的，机型选择重型。基本参数应当符合表2.1格的规定。表2.1 掘进机型式的基本参数6技术参数单位机型特轻轻中重超重切割煤岩最大单向抗拉强度mpa40506080100生产能力煤0.60.8煤

30、夹矸0.350.40.50.60.6切割机构功率kw507590200>150>200最大坡度(绝对值)(°)1616161616巷道断面5126167208281032机重(不包括转载机)t2025508>802.2.2 各部件结构形式的确定（1）切割机构切割机构主要由切割头，水冷电动机，减速器，截割部和回转台等组成，具有破碎煤岩功能的机构。切割头的选择切割头装有截齿，用语破碎煤岩的部件。切割头主要由截割头体、齿座、螺旋叶片、截齿、喷嘴及筋板等构成；螺旋叶片焊在切割头体上，沿螺旋线并按截线间距排列齿座和截齿。 回转台的设计要求7第一、回转装置反映在切割头上的回转力

31、和回转速度要满足切割工作要求；第二、回转台要能够承受机器工作时的各种载荷反力的作用，要有足够的刚度；第三、与悬臂配合，所具有的回转角度要满足掘进端面的要求；第四、结构紧凑、运转平稳，工作可靠。2.3设计参数的确定2.3.1 机器可掘断面机器的规格和重量主要取却于巷道断面的大小。悬臂式掘进机掘进断面的大小，决定于悬臂的长度和回转角度。2.3.2 悬臂的长度和回转角度的确定(1)悬臂长度和摆角一般情况下，巷道的形状和规格确定后，按照巷道和最大高度和上下宽度，结合垂直摆动的中心高度，可以初步确定悬臂的长度。最大掘高5.5m，上摆角，下摆角，水平摆角=。由几何关系式(2.1)可以得出，在最大掘宽7m下

32、，悬臂长为： (2.1)即悬臂长为5676.3mm(为垂直回转中心至水平回转中心的距离，取750mm)。回转中心高由式(2.2)、式(2.3)知： (2.2) (2.3)即mm尽量降低重心，取h为1650mm。2.3.3 机器可掘断面参数的确定最大宽度8 (当悬臂在水平位置摆动时)由式(2.4)知： (2.4)计算得，。上部宽度(当悬臂在上极限位置左右摆动时)及下部宽度(当悬臂在下部位置左右摆动时)由式(2.5) 、(2.6)知： (2.5) (2.6)计算得，。上摆高度、下摆高度、卧底深度、巷道高度、由式(2.7)(2.11)进行计算： (2.7) (2.8) (2.9) (2.10)经计算

33、得到：、， ，。可掘最大断面由式(2.11)进行计算: (2.11)经过计算得到smax为37.3m2 。 式中，l为切割头前端至垂直回转中心的距离，a为垂直回转中心至水平回转中心的距离，为水平回转时的悬臂摆角，为垂直回转的上摆角，为截割到巷道底面时，垂直回转的下摆角，为卧底时，悬臂垂直回转的最大下摆角，可根据卧底深度来定，一般可取 mm，这里取200 mm。2.3.4 截割机构技术参数的初步确定(1) 截割头转速及其功率的初步确定掘进机的动力源都采用交流电动机。截割机构功率大小，在实际设计中一般采用类比法，再结合掘进机的一些个性因素及经验来确定。截齿必须具有的一定的截割速度和足够的截割力，才

34、能实现对煤岩的有效破碎。显然在一定的功率下，适当降低截割速度(或转速)，将使截割力矩和截割力相应增加，有利于截割较硬的煤岩。同时，还可以降低截割头上的动载荷，减少截齿的磨损和粉尘。通常，在煤和软岩中，可取，截割头转速为30100。对于中硬岩，可选，对于砂岩和石灰岩，平均截割速度=0.60.8 ，最高=0.91 ，截割头转速为20409。目前市场上绝大多数掘进双速掘进机的截割速度为24r/min和36r/min，这两种截割速度被认为是截割硬岩和煤岩的经济截割速度，所以本次设计的岩巷掘进机截割转速也设定为36/24r/min。结合行业标准mt477-1996ybu系列掘进机用隔爆型三相异步电动机选

35、择，确定截割功率为切割电机高速运转时功率为300kw，低速运转时功率为220kw。（2）切割头的有关参数的确定 切割头长度切割头长度的大小影响工作循环时间，它的选择还与煤岩性质有关。横轴式掘进机切割头长度应略大于截深。目前，横轴式掘进机切割头的长度一般为500700 mm。大功率的掘进机可以在1000 mm左右。根据设计要求，确定本掘进机为大型掘进机，选择切割头的长度为1000 mm。 切割头直径切割头直径影响切割力和工作循环时间。当切割头的功率和转速一定时，切割头的直径将决定切割头的切向切割力。切割头直径过大，将使切向切割力降低，如果切割力小于切割阻力，就不能完成切割任务。目前，横轴式掘进机

36、切割头的直径一般为6001000 mm。大功率的掘进机可以在1000 mm以上。这里选择切割头的平均直径为1350 mm。 切割头锥角对于横轴式掘进机的切割头，为了获得比较平整的巷道顶、底板或者侧壁，还应结合悬臂长度、回转中心的位置来确定切割头的锥角。设切割头的半锥角为，悬臂水平摆角为，上下摆角分别为、。按几何关系，要保证巷道的顶、底板、侧壁平整，应使。显然对于确定的掘进机，其切割头的半锥角是定值。掘进机的水平摆角通常为。这样锥形切割头的锥角确定在之间。本掘进机设计结合同类掘进机运用情况，选取。螺旋头数和升角螺旋头数一般为两头和三头。这里选择三头旋转叶片。有关参数在结构设计中确定。切割速度和摆

37、角速度截割功率一定时，切割速度决定切割力矩和切割力的大小。切割力矩可由式 (2.12)进行计算： (2.12)平均切割力可由式（2.13）进行计算： （2.13）平均单齿切割力可由式(2.14)进行计算： (2.14)式中：d0为切割头平均直径，m；n0为切割头转速，r/min；mc为切割力矩，n.；pc为平均切割力，n；p1c为平均单齿切割力，n；zm为同时工作齿数，可取总齿数的一半。悬臂式掘进机所能达到的最大截割能力总是与其截齿的截割速度有关。截割速度的选取一般取决于被截割岩石的特性， 在15m/s之间选取。对研磨性的硬岩石， 最大截割速度要受到截齿磨损的限制。例如，截割石英含量为30%4

38、0%，抗压强度为100120mpa的砂岩时，最佳的截割速度为1.52m/s。对易于截割的岩石(例如白垩和煤)，最大截割速度会受到粉尘浓度的限制。对煤炭一般选用45m/s。根据本设计要求，确定截割速度2.0m/s。考虑到掘进机对煤岩特性应具有一定的适应范围，通常在较软的半煤岩中，可以选合理的工作摆动速度，在较硬的半煤岩中可以取，对于中硬煤岩石，摆动速度不宜过大，取。根据本设计要求，确定摆动速度为1.5。最大扭矩最大扭矩可根据式(2.15)进行计算： (2.15)式中： mmax为切割最大扭矩； mn为切割硬度f=6的岩石时候，切割头平均扭矩；mn=(44100vb+17150).d0.l/(vc

39、0.3)，n.m；d0为切割头平均直径，m；l0为切割头长度，m；km为当量载荷因数。具体数据在结构设计中确定。截齿在截割头上的仰角的确定该角对整机的截割效率和截齿的磨损起决定性的作用。为了达到一种合理的最佳的截割力传递 ,截齿安装的范围一般取 = 4548° ,在此取 =45°。(3) 回转台的布置及参数确定截割头的上升、下降和左右运动由装在回转台上的各油缸来实现。回转台主要由回转油缸、回转座、连接臂、回转架等部件构成。工作时，截割头随连接臂在升降油缸推动下能够在垂直方向上升和下降一定的角度；截割头同时可以随回转台油缸在水平方向左右各摆动33°。回转台中心高定位

40、1650mm。回转台上安装回转座的直径取800mm。2.4 截齿设计2.4.1 截齿的相关参数设计（1）截齿类型的选择在截割头上安装扁齿（又称刀齿或径向齿）或镐齿（又称锥形齿或切向齿）。由于煤岩超硬即按原苏联根据接触强度值的大小把岩石分为六类中的中等坚固，选用镐齿。齿柄为圆锥体，插入齿座后，用u型销或环形钢丝固定。当截割煤岩时，齿能在齿座内自由转动，使齿尖磨损均匀，保持齿尖锐利。齿柄上有环形槽，用之以卡住齿。（2）截齿排列参数的确定每线齿数对于较硬的煤和硬岩，通常选用毎线一齿。否则，就会出现加深截槽的现象，即同一截线上的截齿只是加深由前一个截齿截出的截槽，而崩落的效果极为微弱。对于每线一齿，在

41、排列上应使第i条截线上的截齿的圆周角与螺旋角头数和相邻截线上截齿的角度保持下列关系为。截线间距s它表征相邻截齿齿尖轨迹的距离，其值影响单个截齿载荷、受力大小、破碎效果和功率消耗。对纵轴式切割头选择截线间距时，尤其应考虑煤岩特性和水平摆动速度，因为截线间距在切割过程中发生变化，总之，确定截线间距时应全面考虑煤岩性质、截割厚度、牵引速度等因素。横切割头在摆动切割时，实际截割间距随摆动速度变化，而切深保持不变。实验证明，被截下的煤岩量与截线间距和切深有关，过小的截线间距使煤岩过于粉碎，产生粉尘、单位能耗高、截割效率低。过大的间距则会在煤壁上保留棱边，也引起截割效率减少，正确的截线间距是切深的二倍，即

42、。h-截齿切深，m；-牵引速度或摆动速度，m/min；n-切割头转速，r/min；-一条截线上的截齿数。具体选取时可以参照下表2.2的经验值。相邻镐齿间的最佳间距，由文献10式(2.16)知： s/d=tg (2.16)式中： s为两相邻截齿的中心距；d为直径；为断面倾斜着经过时的计算值；时镐形截齿的圆锥角的一半。表2.2 横切割头截割参数与矿物特性关系矿物特性超硬材料硬材料中硬材料软材料单向抗压强度/mpa8060-8030-6030牵引速度/（m/s）02-0403-04035-06065截线距/mm40-5050-6060-10070-1202.4.2 截齿的排列（1）截齿排列方式顺序式

43、。截齿是一个挨一个进行截割的，形成的截槽两边不对称，截齿两侧受力不等。另外，这种布置方式，切削断面较小。其条件是：螺旋头数与毎线齿数之比为1。交叉式。截齿以一个间隔一个的次序进行截割的，形成两侧接近对称的截槽，可以保证截齿两侧受力基本平衡，切屑面积大，截割比能耗低。这种排列方式有利于降低截齿的侧向和截割比能耗。其条件是：螺旋头数与毎线齿数之比为2。如图2.1所示。图2.1 截齿排列方式（2）截齿排列图，如图2.2所示左截割头的排列为右旋，右截割头的排列为左旋。这样，在工作时割落的煤岩抛向两个截割头的中间，改善了截割时的受力情况和装载效果。图2.2 截齿排列（3）截齿的安装截割角（又叫切削角）。

44、截割角是截齿轴线与齿尖运动轨迹的切线之间的夹角。实验表明截割角在45°-55°之间时截割阻力最小。此范围内，截齿以较好的位置锲入岩石，它对切割头很重要。大的角虽然提高切削效率，但磨损比较严重，容易使齿尖变钝，以致无法切入矿物。当角很小时，所需进给力增大，容易使截齿超载，此时，截齿不仅轴线方向承受负荷，而且齿顶方向负荷较大，使进给力和切削力达到十分有效的使用效果，经德国矿冶技术有限公司试验分析，推荐最佳的截割角为46°，如图2.3所示。图2.3 镐形齿的安装角度倾斜角。截齿按倾斜角安装，保证截齿在横向摆动截割时，沿合速度方向截入岩体。由于截割头横摆速度远远低于截割速

45、度，因此，角很小。（）。为了使刀齿能磨损均匀，保持锐利的工作状态，以降低截割阻力，据实践实验表明，截齿应向截割头横摆方向偏转8°。这样，截齿的运动方向与进入岩体方向一致，也有助于截齿的自转。(4)排距的确定排距为相邻两排截齿之间的距离, 排距的大小控制着截割头的横向尺寸, 排距和齿尖的位置确定后, 截割头的形状就确定了, 确定排距时要使截齿的截割状态成为半开式截割, 这就要求相邻两排截齿中直径较小的先行截割, 尔后直径较大的截割。 如图2.4 所示, 设计排距时排距不宜过大, 也不宜过小, 过大使截割头的横向尺寸加大, 增加截割头的体积, 过小将不能充分地发挥每个截齿的效力。图 中为

46、崩落角,为边界角,在半开式截槽中其值不大于 时,最优的截割应是边界角取时,后排截齿截割崩落线与前排截齿齿尖重合,这样才能充分利用截割的崩落效应而又不至于加大截割头横向尺寸。图2.4 截割崩落效应示意图（5）截线间距、 截割头直径截线间距即截线距, 是同一排截齿上两相邻截齿的齿尖运动轨迹在同一截割平面上的距离, 其大小应考虑被截割煤岩的物理性质, 当煤岩的物理性质改变时, 截割头水平摆动速度也要作相应的调整,使截线距的大小随煤岩的硬度改变而改变, 截线距如公式（2.17）所示。 t = k / m (2.17)式中：m为同一排上的截齿数目。确定截线距时,应考虑被截割煤岩的物理性质,从其计算公式可

47、以看出,它随着掘进机横向摆动速度的变化而变化,因此,当煤岩的物理性质改变时,截割头水平摆动速度也要作相应的调整,使截线距随煤岩的硬度改变而改变,以提高截割效力。 截割头直径是一个很重要的参数,它影响掘进的截割生产率和截齿的截割能力,并与巷道断面大小手有关；较大的直径,可缩短截割工作面的循环时间,生产率高,但当机器功率和截割头转速不变时,每个截叠齿所能承受的截割力降低,如果截割力小于截割阻力,就不能完成截割任务;反之,如果直径太小,虽然截齿对煤岩的截割能力达到了,但降低了生产率,一般根掘进机功率大小,横轴式截割头大端直径取值范围为0.71.5m。 2.5截割结构及二维装配图2.5.1截割头受力分

48、析已知：机器外形尺寸（长x宽x高）：12x3.8x2.5m。截割部有关技术蚕食：功率300/220kw,切割电机攻速运转时功率为300kw，低速运转时功率220kw；电压1140v，转速1490/980r/min；截割头直径x长度：1350x1000mm，截割头转速36/24r/min。截割功率、截割速度、截割力由式(2.18) (2.20)知： n = fv (2.18)v =nd/ 1 000 (2.19) f = 1 000n/ ( nd) (2.20)式中: n为 截割头转速; d为截割头外径 ,mm。(1) 截割部水平受力分析，如图2.5所示。从图中可知lh1为 1000mm ,lh

49、2为6426 mm。(2)截割轴转矩计算公式如式（2.21）m = 9 549· n/ n （2.21）截割功率为切割电机高速运转时功率为 =300kw，截割转速=36 r/min ，则=79575n.m，低速运转时功率为=220 kw，截割转速也设定为=24r/min，则=87532n.m。图 2.5 截割头水平受力（3）由式（2.22）估算最大切割力： （2.22）已知掘进机参数：p1为300kw；n1为36 r/min；p2 为220kw； n2 为24r/min。横轴式截割头直径1350mm,估算横轴式截割头平均半径ravg为0.625m。计算结果为：fc1为117.9kn；

50、fc2为129.7kn。在掘进机工作工程中，截割头受到的力主要为切割力、摆动力、推进力。其中切割力:是指 切割时所有参与切割的截齿所受切向力()数值之和。摆动力是指 摆动时由液压缸给与切割头沿摆动方向的力。推进力是指 掏槽时由行走机构或者伸缩机构提供给与切割头的推进力。横轴式切割头掏槽时，刚接触时齿数是两个切割头同一条母线附近的约十把截齿(前次切割留下的断面应该是个圆弧面)，所以应加大推进力。切割煤时，由式(2.23)取： (2.23) 计算得到： 为117.9kn ；为353.7kn ；为176.8kn；为129.7kn ；为389.1kn；为194.5kn。(4)回转台水平回转油缸对截割头

51、产生的作用力 回转沿油缸推进力、回转油缸的拉力可由式（2.24）、(2.25)计算：=p/ 4 (2.24) =(-) p/ 4 (2.25)计算得到：fh1 为75398 n ； fh2 为57 933 n 。 式中 p 为油泵额定压力 ,mpa ;为 回转油缸直径 ,cm，为回转油缸直径 ,cm。为回转台中心支点 ,转矩由由式(2.26)、式(2.27)知：= (+) × (2.26) = / (2.27)经过计算得到：mh为113851 n.m； fh为17717n。(5)截割部上、下运动推动油缸对截割头产生的力如图2.6所示作用力、由式（2.28）、（2.29）的确定。图中为

52、截割部上、 下运动的支点。= = (2 - w)/ （2.28）= (2 - w)/ （2.29）已知数据如表2.3 所示。表2.3 已知参数（m）（m）（m）w（n）（n）（n）5.671.980.9480000282743157079推动油缸推进力、推动油缸的拉力如式（2.30）、(2.31)所示：= / 4 （2.30） =(-)/ 4 (2.31)式中：， 为推动油缸直径，cm； 为油缸额定压力，mpa。经过计算得：为282743n，为157079n。图 2.6 截割头水平受力 lv1力和力矩的计算结果如表2.4所示表2.4 力和力矩（n）（n）（n.m）（n.m）6558124061

53、1152642292.5.2截齿受力计算掘进机截割头在正常截割状态下，截齿受到截割阻力、牵引阻力和侧向力。而具体的某个截割头的截割受力与相邻截线上的截齿排列方式有关系。当相邻两条截线上的截齿在同一个叶片上，这种截割方式为顺序式截割；当相邻两条截线上的截齿不在同一个叶片上，这种截割方式称为交叉式截割。顺序式截割，属半封闭式截割，有明显的侧向力；交叉式截割，属浅封闭式截割，截齿几乎不受侧向力。在计算瞬时载荷之前，对截齿的平均受力、截割头对旋转轴的截割阻力矩、截割电机的功率及其单位能耗等参数指标进行计算评估，与瞬时负载情况对比分析，对以后瞬时负载、功率等计算有指导意义。（1）单个截齿平均截割阻力z载荷公式12由式（2.32）知： （2.32） 镐形齿牵引阻力y公式由式（2.33）知： n （2.33） 镐齿承受侧向力x计算公式由式(2.34)知： ，n (2.34) 式中