掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計

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1、掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計 煤礦掘進(jìn)是煤炭生產(chǎn)和建設(shè)的基礎(chǔ)工程。近年來，我國煤礦掘進(jìn)機(jī)械化得到了迅速的發(fā)展，裝備水平也有很大的提高，在自主創(chuàng)新能力上也有長足的進(jìn)步。 煤炭工業(yè)是我國國民經(jīng)濟(jì)的主要支柱產(chǎn)業(yè)。在未來50年內(nèi)，煤炭仍是主要的能源和戰(zhàn)略物質(zhì)，具有不可替代性，是國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的保證。隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及國加入WTO后，煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的步伐也在加快。目前，國內(nèi)掘進(jìn)機(jī)發(fā)展水平相對落后，巷道掘進(jìn)成為煤礦發(fā)展的一個瓶頸，制約著煤炭工業(yè)的發(fā)展。各國早期研制的懸臂式掘進(jìn)機(jī)都是以煤炭為作業(yè)對象，機(jī)重在13-17噸之間、切割功率在30KW左右的輕型機(jī)，代表機(jī)型是前蘇聯(lián)的刀K3型掘進(jìn)機(jī)。中期產(chǎn)品主要

2、是用于切割煤系地層中的各種煤巖的中型掘進(jìn)機(jī)，機(jī)重在25噸左右、切割功率50-100KW,可切巖石硬度系數(shù)f6,如英國的MKA-2400型、奧地利的AM-50型、日本的S10理等。近期產(chǎn)品主要是以煤系地層中的中硬度巖石為作業(yè)對象的重型機(jī)，一般機(jī)重40-80噸、切割 功率150-200KW、可切巖石硬度系數(shù)f8,如英國的LH-1300型、奧地禾I」的AM-75型、日本的S200M型掘進(jìn)機(jī)等。 我國的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)開發(fā)工作始于1965年，最初是仿前蘇聯(lián)的JIK-3型掘進(jìn)機(jī)，1979年后，先后從日本、奧地利、英國、美國、西德、原蘇聯(lián)、匈牙利引進(jìn)了多種型號的掘進(jìn)機(jī)，通過引進(jìn)日本MRH-5100-41型、

3、奧地利AM-50等型掘進(jìn)機(jī)的制造技術(shù)和先進(jìn)加工設(shè)備，并進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)化，到1989年底，我國 已自行研制成功了AM50、ELM-55、EMIA-30、EL-90、5100等6種8個型號的 掘進(jìn)機(jī)，使我國中小型掘進(jìn)機(jī)不再依賴進(jìn)口。此后，我國又開始了重型掘進(jìn) 機(jī)技術(shù)開發(fā)和研制工作。1999年，煤科總院太原分院開發(fā)出了EBJ-160型掘進(jìn)機(jī)，2001年，佳木斯煤機(jī)廠又完成了從日本引進(jìn)S200M型掘進(jìn)機(jī)的消化吸收、國產(chǎn)化任務(wù)。經(jīng)過幾代人的不懈努力，截止到目前為止，我國掘進(jìn)機(jī)的開發(fā)研究在輕型及中重型上己其本達(dá)到國際先進(jìn)水平，但在重型掘進(jìn)機(jī)的研究上，與一些發(fā)達(dá)國家的產(chǎn)品還存在著一定的差距。 1設(shè)計要求

4、及目的 設(shè)計用途：設(shè)計符合要求的縱軸式懸臂掘進(jìn)機(jī)與截割部設(shè)計。 基本要求： 1）最大掘高4.5m; 2）最大掘?qū)?.6m; 3）巷道坡度±16°; 4）機(jī)高M(jìn)小于2M,機(jī)重大于45; 5）能夠在煤層、半煤層下施工，切割煤巖最大單向抗壓強(qiáng)度可達(dá)100Mpa,可切割性能指標(biāo)適用切割煤巖硬度，普氏系數(shù)f小于等于8,巖石的研磨系數(shù)小于等于Mg15。 2總體方案設(shè)計 懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要由截割、行走、裝運(yùn)、裝載四大機(jī)構(gòu)和液壓、水路、電氣三大系統(tǒng)組成，并通過主體部將各執(zhí)行機(jī)構(gòu)有機(jī)的組合于一體。總體方案設(shè)計主要是進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)的選型和總體參數(shù)的確定。 2.1 機(jī)型的選定及主要部件的結(jié)構(gòu)形式的確定

5、 2.1.1 機(jī)型的選定 掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展方向是定型化、系列化、并向“大斷面”、“高硬度”發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)的性能、外形、結(jié)構(gòu)和重量應(yīng)能很好地適應(yīng)煤巖的性質(zhì)和巷道的尺寸。 根據(jù)任務(wù)書的要求，按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT138?1995《懸臂式掘進(jìn)機(jī)的型式與參數(shù)》，MT238.3-2006《懸臂式掘進(jìn)機(jī)|第3部分|通用技術(shù)條件》選定機(jī)型類別。要考慮的掘進(jìn)機(jī)用途有：煤礦井下巷道的掘進(jìn)、其他行業(yè)的工程作業(yè)，要考慮掘進(jìn)機(jī)的工作條件：切割煤層巷、半煤層巷，煤巖的單向抗壓強(qiáng)度（或普氏系數(shù)f值）及巖石的腐蝕系數(shù)。 特輕、輕型掘進(jìn)機(jī)以掘進(jìn)煤巷為主，它的特點(diǎn)應(yīng)突出經(jīng)濟(jì)、靈活、方便，在截割巷道斷面尺寸方面有較大的適應(yīng)性。中型掘進(jìn)

6、機(jī)以掘進(jìn)半煤巖巷道為主，在截割巖石硬度方面適應(yīng)性較強(qiáng)，但機(jī)器設(shè)計不宜過于笨重和龐大，在使用時有較大的覆蓋面。重型掘進(jìn)機(jī)是具有更高切割能力的掘進(jìn)機(jī)，應(yīng)用范圍更加廣泛。 根據(jù)設(shè)計的要求和目的，機(jī)型選擇重型。基本參數(shù)應(yīng)當(dāng)符合表格的規(guī)定。 表2-1掘進(jìn)機(jī)型式的基本參數(shù)[6] Tab.2-1Tableofthebasicparametersofroadheadermodels 技術(shù)參數(shù) 單位? 特輕 輕 中 重 超重 切割煤巖最大單向抗拉強(qiáng)度 MPa 40 50 60 80 100 煤，m3/min 0.6 0.8 一 一 一 生產(chǎn)能力 煤夾研，

7、 —3/ m/min 0.35 0.4 0.5 0.6 0.6 切割機(jī)構(gòu)功率 kW 55 75 90?200 150 200 適應(yīng)工作最大坡度（絕對值）不小于 () 16 16 16 16 16 可掘巷道 m2 5?12 616 7?20 8?28 10?  斷面 32 機(jī)重(不包 括轉(zhuǎn)載機(jī)) 20 25 50 80 80 2.1.2 各部件的結(jié)構(gòu)型式的確定 2.1.2.1 切割機(jī)構(gòu) 切割機(jī)構(gòu)主要由切割頭，水冷電動機(jī)，減速器，伸縮機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)臺等組成，具有破碎煤巖功能的機(jī)構(gòu)。 (1)切割頭的選擇 切割頭裝有

8、截齒，用語破碎煤巖的部件。切割頭主要由截割頭體、齒座、螺旋葉片、截齒、噴嘴及筋板等構(gòu)成；螺旋葉片焊在切割頭體上，沿螺旋線并按截線間距排列齒座和截齒。縱軸式掘進(jìn)機(jī)切割頭的形狀通常有圓柱形、圓錐形、圓錐圓柱形幾種。圓錐形切割頭有利于鉆進(jìn)工作面，也能保證切割出來的巷道表面較平整，保證巷道坡度，也不會給支護(hù)工作帶來麻煩選擇圓錐形切割頭。 (2)切割電動機(jī) 切割電機(jī)為外水冷式，且機(jī)體為焊接結(jié)構(gòu)，前端與行星減速器相聯(lián)，后端聯(lián)接回轉(zhuǎn)臺。電機(jī)輸出力矩，通過花鍵套傳遞給減速器，再由花鍵套傳到主軸，主軸通過內(nèi)花套鍵與截割頭相聯(lián)，把力(矩)傳遞到割頭上，截割頭以此方式進(jìn)行工作。切割電機(jī)的選擇在根據(jù)工作條件選取，

9、而且應(yīng)當(dāng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT477-1996《YBU系列掘進(jìn)機(jī)用隔爆型三相異步電動機(jī)》。 (3)行星減速器 主要由箱體、減速齒輪、二級行星輪架、輸入、輸出軸構(gòu)成。太陽輪與行星輪相嚙合，此行星輪通過兩個軸承裝在星輪軸上，兩端裝有孔用彈性擋圈，星輪裝在第一級行星架相應(yīng)的軸孔內(nèi)，內(nèi)輪與箱體組成一體并與行星輪 嚙合帶動第一級行星架，實(shí)現(xiàn)第一級減速 [7] 第二級的太陽輪與第一級行星架為漸開縣花鍵聯(lián)結(jié)，太陽輪與第二行星輪嚙合，此行星輪裝在第二級的輪軸，此輪軸裝在第二級行星架相應(yīng)軸孔內(nèi),這里內(nèi)輪與減速器殼體組成一體與行星輪嚙合，此星輪不僅自轉(zhuǎn)還繞太陽輪公轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)第二級減速器。 圖2-

10、1EBZ200E掘進(jìn)機(jī)的截割部行星減速器結(jié)構(gòu) Fig.2-1EBZ200EroadheaderinJiamusiCoalMineMachineryCo.Ltd. (4)伸縮機(jī)構(gòu) 伸縮機(jī)構(gòu)有內(nèi)伸縮式和外伸縮式。內(nèi)伸縮式結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小、伸縮靈活方便，因此采用內(nèi)伸縮式。伸縮機(jī)構(gòu)由保護(hù)筒，伸縮內(nèi)、外筒，花鍵套，密封座，主軸，軸承，隔套，旋轉(zhuǎn)密封、油封等構(gòu)成。位于截割頭和二級行星減速器之間，通過花鍵聯(lián)接使主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，帶動截割頭旋轉(zhuǎn)，通過油缸伸縮帶動伸縮部實(shí)現(xiàn)伸縮⑶。 圖2-2懸臂伸縮原理圖 Fig.2-2Thefigofthecantileverflex (a)外伸縮式(b)內(nèi)伸

11、縮式 1懸臂；2減速器；3電動機(jī)；4伸縮油缸；5滑架；6花鍵主軸；7內(nèi)套; 8聯(lián)軸器；9外套 (5)回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計要求［5］ 1)回轉(zhuǎn)裝置反映在切割頭上的回轉(zhuǎn)力和回轉(zhuǎn)速度要滿足切割工作要求; 2)回轉(zhuǎn)臺要能夠承受機(jī)器工作時的各種載荷反力的作用，要有足夠的剛 3)與懸臂配合，所具有的回轉(zhuǎn)角度要滿足掘進(jìn)端面的要求; 4)結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，工作可靠。 同時回轉(zhuǎn)臺的設(shè)計要符合中國煤炭行業(yè)標(biāo)MT475-1996《懸臂式掘進(jìn)機(jī)回 轉(zhuǎn)支承型式基本參數(shù)和技術(shù)要求》。 2.1.2.2 裝運(yùn)機(jī)構(gòu) 裝載機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)由鏟板部分與中間刮板輸送機(jī)等組成。由2臺液壓馬達(dá), 直接驅(qū)動鏈輪，帶動刮板鏈組實(shí)現(xiàn)

12、物料運(yùn)輸［5］。 (1)鏟板部 鏟板部分由耙裝部、減速器、耙爪等組成。裝載部實(shí)現(xiàn)采掘下煤礦等接受采集，經(jīng)過中間輸送機(jī)，把煤礦輸送到后續(xù)的輸送帶上。 鏟板部有雙環(huán)形刮板鏈?zhǔn)?，螺旋式裝載式，蟹爪式裝載式，星輪式等。 由于星輪式裝載式結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，外尺寸小，因此選星輪式裝載方式[8]耙裝部機(jī)構(gòu)采用弧形三齒星輪式，有左右兩個，對稱布置。 (2)中間刮板運(yùn)輸機(jī) 輸送機(jī)構(gòu)，采用刮板鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)，一般由機(jī)尾向機(jī)頭方向傾斜向上布置。輸送機(jī)構(gòu)由以機(jī)頭軸為主動軸時，由設(shè)置在機(jī)頭的液壓馬達(dá)或電機(jī)，通過減速器裝置驅(qū)動機(jī)頭軸運(yùn)轉(zhuǎn)。這樣機(jī)構(gòu)復(fù)雜?？梢栽O(shè)置機(jī)尾為主動軸，由設(shè)置在機(jī)尾的驅(qū)動裝置，帶動刮板鏈?zhǔn)捷?/p>

13、送機(jī)工作，簡化結(jié)構(gòu)。 采用雙邊鏈運(yùn)輸型式，底板呈直線形，保證運(yùn)輸順暢，提高溜梢及刮板使用壽命。采用兩個液壓馬達(dá)直接驅(qū)動鏈輪，帶動刮板鏈組實(shí)現(xiàn)物料運(yùn)輸?？梢赃m當(dāng)提高龍門，減少一運(yùn)運(yùn)輸過程中大塊物料卡阻[9]。 2.1.2.3 轉(zhuǎn)載機(jī) 轉(zhuǎn)載機(jī)大多采用膠帶輸送機(jī)的形式。膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)的傳動方式有三種[5], 1、由油馬達(dá)直接或通過減速器驅(qū)動機(jī)尾主動卷筒；2、有電動卷筒驅(qū)動主動 卷筒旋轉(zhuǎn)。3、有電動機(jī)通過減速器驅(qū)動主動卷筒旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)機(jī)膠帶轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)卸載端上下調(diào)高和左右擺動，以使運(yùn)轉(zhuǎn)的煤巖能夠準(zhǔn)確地卸如礦車或轉(zhuǎn)載機(jī)中，可以在轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)的機(jī)尾安裝在掘進(jìn)機(jī)尾部的回轉(zhuǎn)臺托架上，通過人力或者回轉(zhuǎn)

14、油缸，使整個轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)的機(jī)尾繞回轉(zhuǎn)臺中心擺動一定的角度。 這樣輸送機(jī)轉(zhuǎn)座與掘進(jìn)機(jī)體主機(jī)架相連接，轉(zhuǎn)座可以圍繞立軸左右、上下擺動20左右。設(shè)置由一臺水平油缸推動。裝載機(jī)后架的下部裝1個升降油 缸，起支撐轉(zhuǎn)載機(jī)的作用，也用來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)載機(jī)的卸載高度。 2.1.2.4 行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)形式及驅(qū)動方式 行走機(jī)構(gòu)有邁步式、導(dǎo)軌式和履帶式等幾種。履帶式行走機(jī)構(gòu)可在底板不平或者松軟的條件下工作，不需要修路等，牽引力大，機(jī)動性能好，工作可靠，調(diào)動靈活和對底板適應(yīng)性好等特點(diǎn)［10］。采用履帶式行走機(jī)構(gòu)。 履帶式行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式有兩種：電動機(jī)和液壓馬達(dá)。由于液壓回路的種種優(yōu)點(diǎn)，選取液壓馬達(dá)驅(qū)動。 2.1.2.

15、5 冷卻噴霧系統(tǒng) 通常掘進(jìn)機(jī)的除塵方式分為噴霧式和抽出式兩種。采用噴霧式除塵，用噴嘴把具有一定壓力的水高度擴(kuò)散，使其霧化，使粉塵附在霧狀水粒表面沉淀下來，以達(dá)到滅塵效果。采用內(nèi)噴霧形式，在切割頭上裝設(shè)噴嘴，對著截齒噴射［9］。 2.1.2.6 電控系統(tǒng) 電控系統(tǒng)包括動力部分、控制部分和檢測部分，電控系統(tǒng)必須按照煤礦井下防爆要求設(shè)計、制造、檢測，必須符合GB3836-2000標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定和要求。為了提高掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)時的安全性，操作的靈活性以及機(jī)械傳動部分的故障診斷及監(jiān)控功能，從實(shí)用角度考慮，裝設(shè)必要的離機(jī)遙控裝置、測控壓力、溫度、液位及關(guān)鍵部位的故障診斷裝置［11］。 2.2 總體參

16、數(shù)確定 根據(jù)以上設(shè)計思想及設(shè)計結(jié)果進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)的總體參數(shù)確定。掘進(jìn)機(jī)的總體參數(shù)，是指主要性能參數(shù)。它表示了掘進(jìn)機(jī)特性的指標(biāo)。掘進(jìn)機(jī)的總體參數(shù)有：機(jī)重、外形尺寸、可掘斷面、生產(chǎn)率、截深、擺動速度、切割力等［, 2.2.1 機(jī)器外形尺寸 根據(jù)掘進(jìn)機(jī)工作環(huán)境和要求，考慮到巷道的斷面和空間約束，機(jī)器高度 越低越好，同時要滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般小斷面掘進(jìn)高度在1.7m以下，大斷面掘進(jìn)機(jī)應(yīng)低于2m。中、重型機(jī)高度1.6?2m,特輕型、輕型機(jī)高度1.4?1.6m。機(jī)器固定部分的長度控制在7m左右。機(jī)長的推薦值為：輕型機(jī)長7.5m,中型機(jī)長8.5m,重型機(jī)長10m,對應(yīng)的寬度分別為1.6m,2.5m,3m[

17、12]。 結(jié)合設(shè)計要求和工作情況掘進(jìn)機(jī)的外形尺寸（長X寬><高=8.7X2.8X1.8（不含轉(zhuǎn)載機(jī)長度）。 2.2.2 重量估算 整機(jī)自重是掘進(jìn)機(jī)的一個重要參數(shù)。機(jī)重太輕，工作穩(wěn)定性下降，擺 動截割時會發(fā)生擺尾現(xiàn)象、截割效率下降，截齒損耗率增加；機(jī)重太重，機(jī)動性差，轉(zhuǎn)向靈活性下降。一般它的自重可按2-1估算 [11] G3N0/（4Vj） （2-1） 式中：N。一截割機(jī)構(gòu)功率，kW; Vj一截割頭平均截割速度，m/s; 也可參照現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)用類比法來確定，機(jī)重⑴與截割功率（kW）之比為 0.25?0.4。G50t 2.2.3機(jī)器可掘斷面 機(jī)器的規(guī)格和重量主要取卻于巷道斷

18、面的大小。懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)斷面 的大小，決定于懸臂的長度和回轉(zhuǎn)角度。 2.2.3.1 懸臂的長度和回轉(zhuǎn)角度的確定 根據(jù)上文的結(jié)構(gòu)選擇，伸縮機(jī)構(gòu)類型采用內(nèi)伸縮式 (1)伸縮量。伸縮量要大于或等于截深，考慮伸縮部的結(jié)構(gòu)和機(jī)器工作的 穩(wěn)定性，懸臂伸縮量一般為500~600mm[5],選取550mm。 (2)懸臂長度和擺角 一般情況下，巷道的形狀和規(guī)格確定后，按照巷道和最大高度和上下寬度，結(jié)合垂直擺動的中心高度，可以初步確定懸臂的長度和擺角。 最大掘高4.5m,上擺角i45,下擺角235,取水平擺角=33。 由幾何關(guān)系可以得出，在最大掘?qū)?.6m下，懸臂長為： L2800/sin3

19、3a5503950mm(2-2) 即懸臂長為3950mm(a為垂直回轉(zhuǎn)中心Oi至水平回轉(zhuǎn)中心。2的距離，取650mm)。 回轉(zhuǎn)中心高： H4.5sin352581.1mm (2-3) 4500H4.5sin45 (2-4) 即H1318.0mm盡量降低重心，取H=1600mm。 根據(jù)幾何關(guān)系確定上擺角和下擺角。既上擺角132,下擺角228。 2.2.3.2 機(jī)器可掘斷面參數(shù)的確定[5] 最大寬度(當(dāng)懸臂在水平位置擺動時)： Bmax2(Loia)sin (2-5) Bmax5.6m,L014500mm,a650mm,33； 上部寬度（當(dāng)懸臂在上極限位置左右擺動時）:

20、 B01 4.8m , 32 2( L cos 1 a) sin (2-6) F部寬度（當(dāng)懸臂在下部位置左右擺動時）： B02 5.0m , 28 B02 2( L cos 2 a) sin (2-7) H 01 L sin 1 (2-8) H 01 2.4m H 02 Lsin 2 (2-9) H 02 2.1m L(sin 3 sin 2) (2-10) 200mm , 30 H01 H02 4.5m (2-11) 可掘最大斷面: 1 Smax -[(B01 2 Bmax)H01 (B02 2 Bm

21、ax)H02] 23.6m (2-12) 上式中：Loi一切割頭前端至垂直回轉(zhuǎn)中心Oi的距離; a一垂直回轉(zhuǎn)中心Oi至水平回轉(zhuǎn)中心O2的距離；一水平回轉(zhuǎn)時，懸臂的擺角；1一垂直回轉(zhuǎn)的上擺角； 2 一截割到巷道底面時，垂直回轉(zhuǎn)的下擺角； 3 一臥底時，懸臂垂直回轉(zhuǎn)的最大下擺角，可根據(jù)臥底深度來定，一般可取ho100~300mm,這里取200mm。 2.2.4截割機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)的初步確定 2.2.4.1 截割頭轉(zhuǎn)速及其功率的初步確定 掘進(jìn)機(jī)的動力源都采用交流電動機(jī)。截割機(jī)構(gòu)功率大小，在實(shí)際設(shè)計中一般采用類比法，再結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的一些個性因素及經(jīng)驗來確定。 截齒必須具有的一

22、定的截割速度和足夠的截割力，才能實(shí)現(xiàn)對煤巖的有 效破碎。顯然在一定的功率下，適當(dāng)降低截割速度（或車速），將使截割力矩和 截割力相應(yīng)增加，有利于截割較硬的煤巖。同時，還可以降低截割頭上的動載荷，減少截齒的磨損和粉塵。通常，在煤和軟巖中，可取Vj2.0~3.0m/s, 截割頭轉(zhuǎn)速為30~100r/min。對于中硬巖，可選V0.8?1.6m/s,對于砂巖和 石灰?guī)r，平均截割速度Vj=0.6~0.8m/s,最高Vj=0.9~1m/s,截割頭轉(zhuǎn)速為 20~40r/min[11]。目前市場上絕大多數(shù)掘進(jìn)雙速掘進(jìn)機(jī)的截割速度為23r/min 和46r/min,這兩種截割速度被認(rèn)為是截割硬巖和煤巖

23、的經(jīng)濟(jì)截割速度，所以本次設(shè)計的巖巷掘進(jìn)機(jī)截割轉(zhuǎn)速也設(shè)定為46r/min。 結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT477-1996YBU系列掘進(jìn)機(jī)用隔爆型三相異步電動機(jī)選擇，確定截割功率為200kW。 2.2.4.2切割頭的有關(guān)參數(shù)的確定 [5] (1)切割頭長度 切割頭長度的大小影響工作循環(huán)時間，它的選擇還與煤巖性質(zhì)有關(guān)?？v軸式掘進(jìn)機(jī)切割頭長度應(yīng)略大于截深。目前，縱軸式掘進(jìn)機(jī)切割頭的長度一般為500~700mm。大功率的掘進(jìn)機(jī)可以在1000mm左右。根據(jù)設(shè)計要求，確定本掘進(jìn)機(jī)為中型掘進(jìn)機(jī)，選擇切割頭的長度為780mm。 (2)切割頭直徑 切割頭直徑影響切割力和工作循環(huán)時間。當(dāng)切割頭的功率和轉(zhuǎn)速一定

24、時，切割頭的直徑將決定切割頭的切向切割力。切割頭直徑過大，將使切向切割力降低，如果切割力小于切割阻力，就不能完成切割任務(wù)。目前，縱軸式掘進(jìn)機(jī)切割頭的直徑一般為600~900mm。大功率的掘進(jìn)機(jī)可以在1000mm以上。這里選擇切割頭的平均直徑為800mm。 (3)切割頭錐角 對于縱軸式掘進(jìn)機(jī)的圓錐形切割頭，為了獲得比較平整的巷道頂、底板或者側(cè)壁，還應(yīng)結(jié)合懸臂長度、回轉(zhuǎn)中心的位置來確定切割頭的錐角。 設(shè)切割頭的半錐角為，懸臂水平擺角為，上下擺角分別為1、2。按 幾何關(guān)系，要保證巷道的頂、底板、側(cè)壁平整，應(yīng)使12。顯然對于確定的掘進(jìn)機(jī)，其切割頭的半錐角是定值。掘進(jìn)機(jī)的水平擺角通常為 30~

25、50。這樣錐形切割頭的錐角確定在30~50之間。 本掘進(jìn)機(jī)設(shè)計結(jié)合同類掘進(jìn)機(jī)運(yùn)用情況，選取45。 (4)螺旋頭數(shù)和升角 螺旋頭數(shù)一般為兩頭和三頭。這里選擇兩頭旋轉(zhuǎn)葉片。有關(guān)參數(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定。 (5)切割速度和擺角速度 截割功率一定時，切割速度決定切割力矩和切割力的大小。 切割力矩為：Me-N^103 2no (2-13) 平均切割力：Pc2Mc/Do(2-14) 平均單齒切割力：PiePe/Zm(2-15)式中：Do一為切割頭平均直徑，m; no一為切割頭轉(zhuǎn)速，r/min; Me一為切割力矩，Nm Pe一平均切割力，N； Re一平均單齒切割力，N； Zm一同時

26、工作齒數(shù)，可取總齒數(shù)的一半。 懸臂式掘進(jìn)機(jī)所能達(dá)到的最大截割能力總是與其截齒的截割速度有關(guān)。 截割速度的選取一般取決于被截割巖石的特性，在1?5m/s之間選取。對研 磨性的硬巖石，最大截割速度要受到截齒磨損的限制。例如，截割石英含量為30%-40%抗壓弓雖度為100?120MPa的砂巖時，最佳的截割速度為1.5?2m/s。對易于截割的巖石(例如白堊和煤)，最大截割速度會受到粉塵濃度的限制。對煤炭一般選用4?5m/s。 根據(jù)本設(shè)計要求，確定截割速度2.0m/s。 考慮到掘進(jìn)機(jī)對煤巖特性應(yīng)具有一定的適應(yīng)范圍，通常在較軟的半煤巖 中，可以選合理的工作擺動速度Vb2~3m/min,在較硬

27、的半煤巖中可以取 1.5~2.0m/min,對于中硬煤巖石，擺動速度不宜過大，取1~1.5m/min。 根據(jù)本設(shè)計要求，確定擺動速度為1.4m/min。 (6)最大扭矩 M max Mn/Km 最大扭矩的確定公式為： (2-16) 式中：Mmax一切割最大扭矩； Mn一切割硬度f=6的巖石時候，切割頭平均扭矩。 一______03 Mn(44100Vb17150)D0L/(VC),Nm； 式中：D。一切割頭平均直徑，m; L0一切割頭長度，m; Km一當(dāng)量載荷因數(shù)。 具體數(shù)據(jù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定。 (7)牽引力 切割頭回轉(zhuǎn)時，必須具有足夠的的牽引力，以便切割頭在擺

28、動方向能有效地切入煤壁，保證切割工作的正常進(jìn)行。 切割頭平均直徑處牽引力為Ps(1~1.34)Pc牽引力一般為30~60kN 具體參數(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定。 2.2.4.3電動機(jī)的選擇 懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割頭功率一般在No=30~200kW之間，差別比較大。切割電機(jī)功率估算公式為： N0Mfn/(160),kW, (2-17) 式中：n一切割頭每秒轉(zhuǎn)數(shù)； 一為工作機(jī)構(gòu)傳動效率，可以取0.8; Mf一作用在切割頭旋轉(zhuǎn)軸的切割阻力矩，Nm,通過如下式子計算： MzmPD0hpk°c 式中：z一作用在一個齒上的切割阻力，N; m—每條截線上的齒數(shù)； P一切割頭上的總截線條數(shù)； D

29、。一切割頭平均直徑，m。 根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT477-1996YBU系列掘進(jìn)機(jī)用隔爆型三相異步電動機(jī)選 擇，確定截割功率為200kw,額定電壓AC1140/660V,轉(zhuǎn)速1500rpm 表2-2電動機(jī)的基本參數(shù)[13] Tab.2-2Thebasicparametersofmotorforms 功率 /kW 效率功率因 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 堵轉(zhuǎn)最轉(zhuǎn) 最 矩冷卻水流 額定轉(zhuǎn)量/m3h1矩 流 矩 /% 數(shù)/cos 額定轉(zhuǎn)矩 額定電流 額定轉(zhuǎn)矩 200 92 0.85 2.0 6.5 1.2 2.61.3 圖2-3EBZ200E掘進(jìn)機(jī)的截割電機(jī)外形[

30、14] Fig.2-3EBZ200EroadheaderinJiamusiCoalMineMachineryCo.Ltd. 2.2.4.4回轉(zhuǎn)臺的布置及參數(shù)確定 切割臂的上升、下降和左右回轉(zhuǎn)臺由裝在其上的各油缸來實(shí)現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)臺主要由回轉(zhuǎn)油缸、回轉(zhuǎn)座、連接臂、回轉(zhuǎn)架、升降油缸等部件構(gòu)成?；剞D(zhuǎn)座上裝有交叉軸承，即可承受徑向載荷，又可以承受軸向載荷。連接臂的左端用螺栓與切割臂固定在一起。工作時，切割臂隨連接臂助于升降油缸可以在垂直方向上升和下降足夠的角度；切割臂隨回轉(zhuǎn)臺油缸可以在水平方向左右各擺動33。 回轉(zhuǎn)臺中心高在1600mm?；剞D(zhuǎn)臺直徑取1600mm 根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT475-199

31、6《懸臂式掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)支承型式基本參數(shù)和技術(shù)要求》，選取回轉(zhuǎn)支承結(jié)構(gòu)型式為01系列——單排四點(diǎn)接觸球式。具體尺寸在結(jié)構(gòu)設(shè)計中確定。 2.2.5 裝運(yùn)機(jī)構(gòu)參數(shù)確定 耙裝部機(jī)構(gòu)采用弧形三齒星輪式，有左右兩個，對稱布置。裝載機(jī)構(gòu)耙爪的轉(zhuǎn)速一般為25?48r/min[11],原動機(jī)為2臺液壓馬達(dá)，工作時交錯耙抓。 轉(zhuǎn)速取28r/min。鏟煤板的傾斜角一般為21?25,它的寬度應(yīng)該比履帶外寬 大0.6?1.2m,下降最低位置不應(yīng)小于臥底深度，上升最大高度應(yīng)到達(dá)350 400mm。 根據(jù)上文確定的原則，輸送機(jī)形式：邊雙鏈刮板式，刮板鏈規(guī)格：18 X64圓環(huán)鏈，輸送機(jī)梢寬：500mm,龍門高度：

32、360mm。 圖2-4EBZ200E掘進(jìn)機(jī)的雙邊刮板輸送機(jī)[14] Fig.2-4EBZ200EroadheaderinJiamusiCoalMineMachineryCo.,Ltd. 2.2.6 行走履帶技術(shù)參數(shù)的確定與連接 行走履帶技術(shù)參數(shù)的確定要符合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T577-1996《懸臂式掘 進(jìn)機(jī)履帶機(jī)構(gòu)型式與參數(shù)》的規(guī)定。 2.2.6.1 行走履帶驅(qū)動方式及系統(tǒng)參數(shù)的確定 履帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置所需要的最小功率應(yīng)能滿足掘進(jìn)機(jī)在最大設(shè)計坡度上作業(yè)、爬坡、轉(zhuǎn)彎等工況的要求；最大功率應(yīng)小于在水平路面履帶打滑時的功率。履帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動裝置為液壓馬達(dá)。液壓系統(tǒng)馬達(dá)回路額定壓力應(yīng)符

33、合下表的規(guī)定： 表2-3液壓系統(tǒng)回路額定壓力系列[15] Tab.2-3Tableofhydraulicpressuresystemcircuitratedseries 6.310.012.516.020.025.0 單位：Mpa 結(jié)合目前我們同類同功率型號的掘進(jìn)機(jī)，做類比，我們選擇液壓回路額 定壓力16.0MPa。 2.2.6.2 履帶的接地長度h行駛寬度bi和履帶寬度bi0的確定[5] 這些參數(shù)取決于地面的允許比壓、轉(zhuǎn)向性能、坡度橫向的穩(wěn)定性等。行 駛寬度bi按略?。? 11(1.03~1.37)b1 (2-18) bio(0.16~0.17)bi (2-19)

34、履帶機(jī)構(gòu)履帶板寬度： 表2-4履帶板寬度系列[15] Tab.2-4Tableofthewidthofcrawlermechanismseries 250300370400450500520550600650 單位：mm 結(jié)合煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T577-1996《懸臂式掘進(jìn)機(jī)履帶機(jī)構(gòu)型式與參數(shù)》 的規(guī)定(如表)，取履帶板寬度：450mm，行駛寬度2800mm,履帶接地長度3300mm。 2.2.6.3 驅(qū)動輪直徑D1 采用后輪驅(qū)動，掘進(jìn)機(jī)使用重量為m^kg),則驅(qū)動輪直徑D1(mm)經(jīng)驗公 式： [5] D1(75~85)4m1 (2-20) 取m1二1100kg,D

35、1=460mm 2.2.6.4 履帶節(jié)距Ij1 縮小履帶節(jié)距iji(mm)可以減少行駛速度的不均勻性；增大節(jié)距片，可以 改善接地比壓的分布。一般取節(jié)距％(17.5~33)4m2,m2(kg)為轉(zhuǎn)載機(jī)的有效 重量[16]。取節(jié)距"i=120mm。 2.2.6.5 履帶機(jī)構(gòu)公稱接地比壓的計算與確定 公稱接地比壓由下式計算： G[17]q標(biāo) (2-21) 式中：q一公稱接地比壓，MPa； G一履帶機(jī)構(gòu)所屬掘進(jìn)機(jī)的重量，N; Ei一單邊履帶機(jī)構(gòu)的履帶鏈寬度，mm; 1i—單邊履帶機(jī)構(gòu)的接地長度，mm。 履帶機(jī)構(gòu)的公稱接地比壓為0.14MPa。 1.1.1.6 履帶機(jī)構(gòu)的行走

36、速度 一般設(shè)計有工作和調(diào)動兩種速度。工作速度一般為2?5m/min,調(diào)動速 度一般為10~15m/min[18]。 能實(shí)現(xiàn)快速調(diào)動和慢速作業(yè)的需要，行走機(jī)構(gòu)用液壓馬達(dá)驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)。? 10m/min的無級調(diào)速。工作速度為0~5m/min。 1.1.1.7 履帶傳動的連接方式與履帶機(jī)構(gòu)張緊 結(jié)構(gòu)型式有滑動和滾動兩種連接方式，滑動式結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)阻較大，對特輕型、輕型、中型掘進(jìn)機(jī)推薦采用滑動式結(jié)構(gòu)型式。滾動式運(yùn)行阻力較小,履帶架底部與履帶鏈相接接觸面磨損小。重型和特重型掘進(jìn)機(jī)推薦采用這種 結(jié)構(gòu)形式。在履帶架底部裝設(shè)的支重輪，每個承載力應(yīng)不小于機(jī)重的50%間 距一般為履帶板節(jié)距的1.5倍

37、［19］。 履帶機(jī)構(gòu)張緊行程應(yīng)大于履帶鏈節(jié)距的一半。具體參數(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計中確 2.2.7 噴霧系統(tǒng)的參數(shù) 外噴霧系統(tǒng)，噴嘴設(shè)置在截割機(jī)構(gòu)懸臂的前端，水壓為1.5MPa。 內(nèi)噴霧系統(tǒng)的噴嘴裝置設(shè)在截割頭截齒座的后面。內(nèi)噴霧系統(tǒng)的壓力不 低于4MPa。對截割硬巖石的情況下，應(yīng)適當(dāng)提高水壓和水量。同時內(nèi)外噴霧系統(tǒng)總水量不得超過掘進(jìn)機(jī)實(shí)際生產(chǎn)能力的6?8%否則造成工作面煤泥積水 現(xiàn)象［18］。 2.2.8 生產(chǎn)率 掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)率包括截割生產(chǎn)率、裝載生產(chǎn)率和運(yùn)輸生產(chǎn)率，它們之間存在一定的關(guān)系。 (1)截割生產(chǎn)率 截割生產(chǎn)率即機(jī)器的生產(chǎn)率，它又分為理論生產(chǎn)率、技術(shù)生產(chǎn)率和實(shí)際 生產(chǎn)率。

38、掘進(jìn)機(jī)的理論生產(chǎn)率為［叫 QT60AVb (2-22) 或者QtrQT 式中：Qt—掘進(jìn)機(jī)理論生產(chǎn)率，m3/h； Qt一掘進(jìn)機(jī)理論生產(chǎn)率，t/h； 一煤巖松散系數(shù)，一般取=1.5; A0一截割頭的橫截面積，m2; Vb一截割頭橫向擺動速度，m/min； r一煤巖的容重，t/m3。 QT60AVb601.50.51.463m3/h 技術(shù)生產(chǎn)率是指掘進(jìn)機(jī)在給定條件下連續(xù)工作一小時獲得的最大生產(chǎn) 率，可按下式確定： Q900aeVKt (2-23) 或QrQ 若用進(jìn)尺速度表示，則為：QlQ60受VKSS (2-24) 式中：Q—技術(shù)生產(chǎn)率，m3/h； Q—技術(shù)生

39、產(chǎn)率，t3/h； Ql一進(jìn)尺速度，m/h; a一截割頭沿工作面移動所破碎煤巖的厚度，m; e一截割頭截入工彳^面的深度，m; S一巷道的毛斷面積，itf； Kt一掘進(jìn)機(jī)工作不連續(xù)系數(shù)，即掘進(jìn)機(jī)純截割時間與總循環(huán)時 間的比值 KL 式中：T一因更換截齒或掘進(jìn)調(diào)動等原因使掘進(jìn)機(jī)停歇的時間，min; K—可靠性系數(shù)，一般取K=0.9?0.8; L一每個工作循環(huán)的工作機(jī)構(gòu)行程，m,可按下式確士7E： LH(B01B021) 20 式中：B01一巷道頂寬，m; B02一巷道底寬，m; D。一截割頭直徑，m; H一巷道高度，m; 實(shí)際生產(chǎn)率是指掘進(jìn)機(jī)在一般工作時間內(nèi)的實(shí)際

40、平均生產(chǎn)率。要考慮司機(jī)操縱機(jī)器和工作面實(shí)際情況造成的一些不可避免的時間損失等。 (2)中間輸送機(jī)生產(chǎn)率 中間輸送機(jī)的最大生產(chǎn)能力為： Qs60VtA20 (2-25) 式中：Qs一生產(chǎn)率，m3/h； 一裝滿系數(shù)。依使用條件，如輸送機(jī)傾角、煤巖硬度、塊度、溫度及溜梢結(jié)構(gòu)定，一般取=0.95?0.9; Vt一鏈速，m/min； A20一輸送機(jī)斷面，m2,由下式確定： 〃i,1-2 A20B2h2B2tan2 4 式中：B2—輸送機(jī)梢寬，m; h2一輸送機(jī)有效高度，m； 2一貨載堆積角，即高于梢?guī)兔簬r的安息角。 〃…1-2, A20B2h2—B2tan2 4 12

41、 0.50.360.52tan10 40.191m2 Qs60VtA20 600.90.9600.191。550m3/h (3)裝載機(jī)生產(chǎn)率 膠帶式裝載機(jī)的輸送能力按下式計算： Qd60KB2Vde (2-26) 式中：Qd一膠帶輸送能力，m3/h； K—斷面系數(shù)； Vd一帶速，m/min； e一傾角系數(shù)； B一帶寬，m; Qd60KB2Vde __2 600.850.620.9600.6 595m3/h 掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計以截割生產(chǎn)率為依據(jù)，而裝載、輸送、裝載的生產(chǎn)能力應(yīng) 稍高于截割生產(chǎn)率，要滿足以下關(guān)系： QtQzQSQd TZSd (2-27)

42、過高或過低都會影響設(shè)備的協(xié)調(diào)工作。 本掘進(jìn)機(jī)設(shè)定的裝載效率為230m3/h,在做結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候以此為依據(jù)，所以裝載機(jī)的效率可以是230m3/ho由此滿足式(2-27),掘進(jìn)機(jī)工作協(xié)調(diào)。 2.3 掘進(jìn)機(jī)的傳動系統(tǒng) 根據(jù)上文的設(shè)計和選型，確定的掘進(jìn)機(jī)的傳動系統(tǒng)圖如下: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 t r-M y h J M k-j-i 1 i- _15 19 17 18 \z 1/SO- 13 14 16 圖2-5掘進(jìn)機(jī)的傳動系統(tǒng) Fig.2-5Thedrivesystemofroadheader 1—內(nèi)齒輪2一中心輪3一二級中心輪

43、4―彳丁星輪5—電動機(jī)6、 7一圓錐齒輪8一鏈輪9一鏈輪軸10—內(nèi)齒輪11—二級行星減速 機(jī)12—齒輪13—油馬達(dá)14一齒輪15一齒圈16—油馬達(dá)17、 18―渦輪蝸桿19一星輪 2.4 總體布置圖 8700 1 圖2-6掘進(jìn)機(jī)的總體布置圖 Fig.2-6Theoveralllayoutofroadheader 1一切割部；2—裝載部；3一行走部；4—液壓系統(tǒng)；5—電氣系統(tǒng)；6- 轉(zhuǎn)載部；7—噴霧系統(tǒng) 2.5 總體參數(shù)總結(jié) 根據(jù)設(shè)計的要求和目的，進(jìn)行了掘進(jìn)機(jī)的總體方案設(shè)計。這里確定了本掘進(jìn)機(jī)的型號為EBZ200。這里大多運(yùn)用到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及各煤炭科學(xué)研究院 所的研

44、究成果和經(jīng)驗公式。為了保證實(shí)用性，在參數(shù)的選取上，盡量實(shí)現(xiàn)優(yōu) 化，現(xiàn)把各總體參數(shù)總結(jié)如下： 1）初步確定切割電機(jī)功 率 200kW ; 2）截割頭轉(zhuǎn) 速 46 r /min ； 3）履帶行走速度 。?5/10 m/min ； 4）履帶板 寬 450mm ; 5）行駛寬度 3000 mm; 6）履帶接地長度 3300mm ; 7） 機(jī) 長 8.7 m; 8） 機(jī) 寬 9） 8 m; 9）機(jī) 高 1.8 m; 10）最大掘高 4.5 m; 11）最大掘?qū)? 5.6 m; 12）巷道坡度 ±16 ; 13）水平回轉(zhuǎn)時，懸臂的擺角 33 ； 1

45、4）垂直回轉(zhuǎn)的上擺角 1 32 ； 15）截割到巷道底面時，垂直回轉(zhuǎn) 的下擺角 2 28 ; 16）臥底時，懸臂垂直回轉(zhuǎn)的最大 下擺角 3 30 ； 17）可掘最大斷面 2 Smax23.6m; 18）懸臂長為 3950mm; 19）伸縮部伸縮量 550mm; 20）供電電 源AC1140V; 3懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)方案設(shè)計3.1截割部的組成 掘進(jìn)機(jī)截割部主要由截割電動機(jī)、截割機(jī)構(gòu)減速器、截割頭、懸臂筒組成。見圖3-1.截割部是掘進(jìn)機(jī)直接截割煤巖的裝置，具結(jié)構(gòu)型式、截割能力、運(yùn)轉(zhuǎn)情況直接影響掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)能力、掘進(jìn)效率和機(jī)體的穩(wěn)定性，是衡量掘進(jìn)機(jī)性能的主要

46、因素和指標(biāo)。因此，工作部的設(shè)計是掘進(jìn)機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵。 1截割頭2伸縮部3截割減速機(jī)4截割電機(jī) 圖3-1縱軸式截割部 Figure3-1Verticalaxis-typecuttingunit 圖3-2截割頭 Figure3-2Cuttinghead ?3.2截割部電機(jī)及傳動系統(tǒng)的選擇 切割電機(jī)的選擇應(yīng)根據(jù)工作條件選取，由設(shè)計要求可知，所設(shè)計 的掘進(jìn)機(jī)可截割硬度為小于85Mpa的中硬巖，查表2-1可知應(yīng)該選取功率為200KW的截割電動機(jī)。電機(jī)動力經(jīng)傳動系統(tǒng)傳向截割頭進(jìn)行截割，且機(jī)體為焊接結(jié)構(gòu)，前端與行星減速器相聯(lián)，后端聯(lián)接回轉(zhuǎn)臺。電機(jī)輸出力矩，通過花鍵套傳遞給減速器

47、，再由花鍵套傳到主軸，主軸通過內(nèi)花套鍵與截割頭相聯(lián)，把力（矩）傳遞到割頭上，截割頭以此方式進(jìn)行工作。 ?3.3截割頭及截齒類型的選擇 截割頭是掘進(jìn)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，主要功能是破碎和分離煤巖，是掘進(jìn)機(jī)直接用來破碎煤巖的部件，是掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件。切割頭裝有截齒，用語破碎煤巖的部件。切割頭主要由截割頭體、齒座、螺旋葉片、截齒、噴嘴及筋板等構(gòu)成；螺旋葉片焊在切割頭體上，沿螺旋線并按 截線間距排列齒座和截齒。縱軸式掘進(jìn)機(jī)切割頭的形狀通常有圓柱形、圓錐形、圓錐圓柱形幾種。圓錐形切割頭有利于鉆進(jìn)工作面，也能保證切割出來的巷道表面較平整，保證巷道坡度，也不會給支護(hù)工 作帶來麻煩［5］。所以選擇圓錐形切割

48、頭。 ?3.3.1截齒的設(shè)計 (1)截齒類型的選擇 在截割頭上安裝扁齒(又稱刀齒或徑向齒)或鎬齒(又稱錐形齒或切向齒)。 由于煤巖超硬即按原蘇聯(lián)根據(jù)接觸強(qiáng)度值的大小把巖石分為六類中的中等堅固，選用鎬齒。齒柄為圓錐體，插入齒座后，用U型銷或環(huán)形鋼絲固定。當(dāng)截割煤巖時，齒能在齒座內(nèi)自由轉(zhuǎn)動，使齒尖磨損均勻，保持齒尖銳利。齒柄上有環(huán)形梢，用之以卡住齒。 (2)截齒排列參數(shù)的確定 ①每線齒數(shù) 對于較硬的煤和硬巖，通常選用每線一齒。否則，就會出現(xiàn)加深截梢的現(xiàn)象，即同一截線上的截齒只是加深由前一個截齒截出的截 梢，而崩落的效果極為微弱。對于每線一齒，在排列上應(yīng)使第i條截 線上的截

49、齒的圓周角 i與螺旋角頭數(shù)m0和相鄰截線上截齒的角度 i1i2保持下列關(guān)系: 3600(iiii) i。 m0 ②截線間距S 它表征相鄰截齒齒尖軌跡的距離，其值影響單個截齒載荷、受力大小、破碎效果和功率消耗。對縱軸式切割頭選擇截線間距時，尤其應(yīng)考慮煤巖特性和水平擺動速度，因為截線間距在切割過程中發(fā)生變 化，總之，確定截線間距時應(yīng)全面考慮煤巖性質(zhì)、截割厚度、牽引速度等因素。橫切割頭在擺動切割時，實(shí)際截割間距隨擺動速度變化，而切深保持不變。實(shí)驗證明，被截下的煤巖量與截線間距和切深有關(guān)，過小的截線間距使煤巖過于粉碎，產(chǎn)生粉塵、單位能耗高、截割效率低。過大的間距

50、則會在煤壁上保留棱邊，也引起截割效率減少，正確的截線間距是切深的二倍，即s2h'Vs/nZs。｛h'-截齒切深，m；vs-牽引速度或擺動速度，m/min;n-切割頭轉(zhuǎn)速，r/min;Zs-一條截線上的截齒數(shù)。 具體選取時可以參照下表的經(jīng)驗值。 表3-1橫切割頭截割參數(shù)與礦物特性關(guān)系 Table3-1therelationoftransversecuttingheadscutting parametersandmineralcharacteristics 礦物特性 超硬材料 硬材料 中硬材料 軟材料 單向抗壓強(qiáng)度/Mpa >80 60-80 30-60 <30 牽引

51、速度/(m/s) 0.2-0.4 0.3-0.4 0.35-0.6 0.65 截線距/mm 40-50 50-60 60-100 70-120 ③相鄰鎬齒間的最佳間距 由網(wǎng)式4-13知：s/d=tg s為兩相鄰截齒的中心距；d為直徑；為斷面傾斜著經(jīng)過一時 的計算值。時鎬形截齒的圓錐角的一半。 ?3.3.2截齒的排列 (1)截齒排列方式 ①順序式。截齒是一個挨一個進(jìn)行截割的，形成的截梢兩邊不對 稱，截齒兩側(cè)受力不等。另外，這種布置方式，切削斷面較小。其條 件是：螺旋頭數(shù)與每線齒數(shù)之比為1. 形成兩側(cè)接 ②交叉式。截齒以一個間隔一個的次序進(jìn)行截割的，

52、 近對稱的截梢，可以保證截齒兩側(cè)受力基本平衡，切屑面積大，截割 比能耗低。這種排列方式有利于降低截齒的側(cè)向和截割比能耗。其條 件是：螺旋頭數(shù)與每線齒數(shù)之比為2. 圖3-3 截齒排列方式 Figure3-3pickarrangementway (2)截齒排列圖 Figure3-4pickarrangement 左截割頭的排列為右旋，右截割頭的排列為左旋。這樣，在工作時割落的煤巖拋向兩個截割頭的中間，改善了截割時的受力情況和裝載效果。 (3)截齒的安裝 ①截割角口(又叫切削角)。

53、截割角是截齒軸線與齒尖運(yùn)動軌跡的切線之間的夾角。實(shí)驗表明截割角在45-55之間時截割阻力最小。此范圍內(nèi)，截齒以較好的位置鍥入巖石，它對切割頭很重要。大的角雖然提高切削效率，但磨損比較嚴(yán)重，容易使齒尖變鈍，以致無法切入礦物。當(dāng)角很小時，所需進(jìn)給力增大，容易使截齒超載，此時，截齒不僅軸線方向承受負(fù)荷，而且齒頂方向負(fù)荷較大，使進(jìn)給力和切削力達(dá)到十分有效的使用效果，經(jīng)德國礦冶技術(shù)有限公司試驗分析，推 薦最佳的截割角為46. 圖3-5鎬形齒的安裝角度 Figure3-5pickaxeshapecuttingpickinstallmentangle ②傾斜角B。截齒按傾斜角安裝，保證截齒在

54、橫向擺動截割時， 沿合速度方向截入巖體。由于截割頭橫擺速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于截割速度，因 此，(3角很小。(arctgVb/Vj)。為了使刀齒能磨損均勻，保持銳利的工作狀態(tài)，以便降低截割阻力，根據(jù)實(shí)踐和實(shí)驗表明，截齒應(yīng)向截割頭橫擺方向偏轉(zhuǎn)8這樣，截齒的運(yùn)動方向與進(jìn)入巖體方向一致，也有助于截齒的自轉(zhuǎn)。 3.3.3 掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷計算 當(dāng)截割頭的結(jié)構(gòu)、幾何尺寸以及截齒排列方式等都已確定，就應(yīng)當(dāng)進(jìn)行截割頭載荷計算，這是截割頭設(shè)計的重要一步。截割頭的載荷大小與煤巖性質(zhì)、截齒結(jié)構(gòu)尺寸、截齒布置參數(shù)等因素有關(guān)，而且隨位置不同而變化。這是由于截割頭工作時，煤巖的破碎是不連續(xù)的， 每個截齒的截割阻力成周期性

55、變化，因此截割頭上的載荷是隨時間變化的。 通過截割頭載荷計算可以求得截割頭的各載荷曲線，由此得出載 荷的最大值、最小值、平均值和擺動值以及載荷的合力作用點(diǎn)。這種確定截割頭的載荷的方法比較科學(xué)、準(zhǔn)確，便于對截割頭的載荷和截割特性的研究。 (1)切屑厚度的計算 當(dāng)截割頭橫向擺動截割時，在圓周范圍內(nèi)，每個截齒最大工作角度為180o如果順著截割頭旋轉(zhuǎn)軸朝工作面方向看，截齒工作半周的切屑斷面成月牙形。當(dāng)每條截線上有兩齒時，最大切屑厚度是在同一條截線相鄰二齒相繼截割而形成的。當(dāng)每條截線上有一齒時，這個齒的切割深度即最大切屑厚度。確切的說，最大切屑厚度是指在橫向在與巷道中線垂直方向的切屑斷面厚度。截

56、割頭上第i個齒的最大切 屑厚度himax應(yīng)按下式計算： himaxvbicosi/nm式中Vbi：第i個截齒橫向擺動速度； 日:第i個截齒截割頭中心線的角度； n：截割轉(zhuǎn)速； m：同一條截線上截齒數(shù)。 在截割頭工作過程中，n和m是不變化的，Bi的變化范圍也不大，只有出有較明顯的變化。在截割同一種煤巖時，靠近截割頭小端處的截齒有較大的切屑厚度。 3.3.4 截齒受力計算 掘進(jìn)機(jī)截割頭在正常截割狀態(tài)下，截齒受到截割阻力、牽引阻力和側(cè)向力。而具體的某個截割頭的截割受力與相鄰截線上的截齒排列方式有關(guān)系。當(dāng)相鄰兩條截線上的截齒在同一個葉片上，這種截割方 式為順序式截割；當(dāng)相鄰兩條截線上

57、的截齒不在同一個葉片上，這種 截割方式稱為交叉式截割。順序式截割，屬半封閉式截割，有明顯的側(cè)向力；交叉式截割，屬淺封閉式截割，截齒幾乎不受側(cè)向力。 在計算瞬時載荷之前，對截齒的平均受力、截割頭對旋轉(zhuǎn)軸的截割阻力矩、截割電機(jī)的功率及其單位能耗等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行計算評估，與瞬時負(fù)載情況對比分析，對以后瞬時負(fù)載、功率等計算有指導(dǎo)意義。 1.單個截齒平均截割阻力z載荷公式 zPkKtKgKy0.250.018th0.1Sj (3-1) 鎬形齒牽引阻力y公式y(tǒng)Kn1zN (3-2) 鎬齒承受側(cè)向力x計算公式 xKn2z,N 式中Pk―—巖石接觸強(qiáng)度，單位Mpa; Pk―—截齒類型系數(shù)，

58、鎬形齒1.5,徑向齒為1; Kz――截齒幾何形狀影響系數(shù)， 鎬形齒KgKKKd 徑向齒KgKbkd K——硬質(zhì)合金刀頭形狀系數(shù); K——刀桿頭部形狀系數(shù); Kd——硬質(zhì)合金刀頭直徑系數(shù); Kb——截齒刀部寬度影響系數(shù), Kb0.920.01b,b是刀齒刃布寬度，單位mm; Kg-一截齒前刃面形狀影響系數(shù)，前刃面是平面，取1,橢 圓形或頭形前刃面取0.95; Ky截齒截角影響系數(shù); t——平均截線距，mm; h平均切屑厚度，mm; Sj ——齒的后刃面磨鈍后在牽引方向投影面積, mm2,徑向 齒取30-40mm2,切向齒取15-20mm2; 2 .

59、對截割頭旋轉(zhuǎn)軸的截割阻力矩計算 一_Dcp.. MzmP。k℃ 2 (3-4) 式中z——作用在一個截齒上的截割阻力，N; 每條截線上的齒數(shù); Dcp Dcp p——截割頭上的總截線條數(shù); ―一截割頭平均直徑，m; 1 3 截割頭長度，m; Sk 過截割頭轉(zhuǎn)軸的截割頭縱斷面面積， m2; kTp 考慮同時截割煤的截齒個數(shù)的系數(shù)，最大取 0.5; k 0c 煤巖體松裂系數(shù)，最大取1。 3 .截割電動機(jī)功率計算 Kw Mn0 160 (3-5) 式中 n0 截割頭每秒轉(zhuǎn)數(shù); 工作機(jī)構(gòu)傳動效率, 可取為 0.8

60、 4 .單位能耗計算 w _ 60 L D Vb Kw h/ (3-6) 式中 z——截齒截割阻力; t——平均截線距，mm; h平均切屑厚度，mm。 負(fù)載和功率的初定為以后設(shè)計擺動速度和鉆進(jìn)速度、計算載荷提 供參考依據(jù)。 3.3.5瞬時載荷、力矩及功率計算 1 .單個截齒瞬時載荷計算截割阻力公式 Zpk[kTkak,(0.250.01仇hi)0.1Sj] DJ (3-7) 鎬形齒牽引阻力yi公式 V\ Kn1 Zi n (3-8) 鎬齒承受側(cè)向力Xi計算公式 XiK (3-9) 式中i為第i個截齒;

61、hi hi max sin i i ti為截齒齒尖與截割頭徑向截面中心連線 和X軸的夾角。 Vbi cos i h r i max n m , mm ti ——截齒的切削寬度, mm;由于截線距不等，所以，在計算 1,、 t「ti-(ti1ti1) 時取截齒所在截線上下各一半，即2。 2 .某一瞬時截割頭受到的合力及合力矩計算 合力及其合力矩計算方法(以橫擺為例圖文說明) ：首先計算各 個截齒的截割阻力z和牽引阻力y,如圖4-2所示。 然后將z和y轉(zhuǎn) 化到相應(yīng)截齒所在截線的平面與截割頭軸線的交點(diǎn)處, 力平移過去同 時截割阻力產(chǎn)生

62、了一個力矩，如圖4-3所示。在各個交點(diǎn)處建立局部 坐標(biāo)系，具三個方向和質(zhì)心處的坐標(biāo)系方向一致，即一個軸沿截割頭 軸線，一個軸位于過截割頭軸線并垂直于水平地面的面上，另一個軸 方向便確定，這樣將轉(zhuǎn)化到各個交點(diǎn)處的力投影到局部坐標(biāo)系中，在 將所有的局部坐標(biāo)系的力和力矩轉(zhuǎn)化到質(zhì)心處的坐標(biāo)系并合成為三向力和三向力矩（包含有側(cè)向力，如果沒有側(cè)向力則只有兩個方向的力和三向力矩）。 栽齒璘時負(fù)荷圖 圖3-6截齒瞬時負(fù)荷圖 Figure3-6thepictureofthechargesentence 圖3-7截齒力矩轉(zhuǎn)化圖 Figure3-6momentalofthegare

63、 (1)單齒上的載荷，如圖3-7—Zi、Yi。 (2)局部坐標(biāo)系上的力和力矩 RxiZisin(ti)Yicos(ti). (3-10) Ryi乙cos(ti)Yisin(ti) (3-11) 1Mzi-ZiDi 2 (3-12) 式中一一截割頭轉(zhuǎn)動的角速度，rad/s; i一一在t時刻，第i個截線上的工作截齒在截割頭圓周方向的角 度，rad; Di——第i個齒的徑向距離的二倍(即直徑)； (3)截割頭質(zhì)心上的三向力和三向力矩計算 在t時刻，截割頭受到的瞬時三向力為： RxRxiN. (3-13) RyRyin. (3-14) 在t時刻，截割頭受到

64、的瞬時三向力矩為: Mx (3-15) My (3-16) Mz (3-17) Ryi Li N mm . , ) R Li N mm. Mzi Zi Di i i N mm? , ) 注意：Li有正負(fù)之分，靠近截割頭頭部的為正值，靠近端面的為負(fù)值。 3 .求功率、均值、方差和波動系數(shù) 功率：N以』0,Kw 160 1n (3-18)均值：Er—R ni1 (3-19) 均方差：R1-(REr)\ni1 (3-20) R 波動系數(shù)：RE~波動系數(shù)是用來衡量載荷波動平穩(wěn)情況，R 波動系數(shù)越小說明載荷越平穩(wěn)，掘進(jìn)機(jī)受力情況越好；反之掘進(jìn)機(jī)受力情

65、況相對惡劣。當(dāng)載荷波動系數(shù)很大時說明截割頭設(shè)計不合理，需重新設(shè)計。 3.4 截割速度方案設(shè)計 在掘進(jìn)機(jī)工作過程中，巖石硬度不是恒定的，各種硬度的巖石對應(yīng)的經(jīng)濟(jì)截割速度不同，所以截割速度最好是隨時變化著的，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)巷道工程中，其工作狀態(tài)與工況參數(shù)有密切關(guān)系。如：截齒的磨損與其線速度有直接關(guān)系；所以傳動零件以及緊固件的疲勞破壞都與載荷的性質(zhì)與載荷的穩(wěn)定程度有關(guān)，而載荷的穩(wěn)定程度有是截割頭轉(zhuǎn)速、懸臂擺動速度、切屑厚度以及截割阻力等參數(shù)的函數(shù)。對于不同的截割對象，為了保證掘進(jìn)機(jī)有高的掘進(jìn)效率和可靠的工作狀態(tài)，從理論方面分析，截割頭轉(zhuǎn)速、截齒線速度、懸臂擺動等運(yùn)動學(xué)參數(shù)以及截齒上承受的截割阻力、

66、截割電機(jī)功率等動力學(xué)參數(shù)都應(yīng)該是不同的。但是，現(xiàn)在正實(shí)用的掘進(jìn)機(jī)不能實(shí)現(xiàn)這個要求。因為尚未研制出截割頭拖動裝置的無級調(diào)速系統(tǒng)，本次設(shè)計掘進(jìn)機(jī)有兩種截割速度，高速級用于截割硬度較小的巖石，低速級用于截割硬度較大的巖石，工作時可以根據(jù)巖石變化而隨時改變截割速度。如果在傳動系統(tǒng)中設(shè)計變速器將使傳動系統(tǒng)大大復(fù)雜化，這與掘進(jìn)機(jī)工作部傳動系統(tǒng)的的設(shè)計原則相矛盾，所以變速直接采用電機(jī)變速，通過改變電機(jī)極數(shù)改變速度和功率。 3.5 傳動方案設(shè)計 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的傳動方式為電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩傳遞給減速器的輸入軸，減速器輸出軸通過聯(lián)軸器將轉(zhuǎn)矩傳遞給主軸，主 軸帶動截割頭轉(zhuǎn)動。 3.5.1 工況特點(diǎn)及要求 (1)低速重載小體積 由于國內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)均向著重型化方向發(fā)展，其截割機(jī)構(gòu)傳遞的功率相應(yīng)地也越來越大，但是截割結(jié)構(gòu)外形尺寸缺沒有隨功率的增加而成比例地增加。特別是一般掘進(jìn)機(jī)因為其工作特點(diǎn)所致，截割臂的外形多設(shè)計成寶塔狀，即越靠近截割頭(動力輸出端)，其外形尺寸越小。因此，處于截割臂前端的傳動，在設(shè)計上因尺寸問題受到極大的限制。 (2)沖擊負(fù)荷大 掘進(jìn)機(jī)是通過截割頭完成截割煤巖的，因破碎機(jī)