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前言
懸臂式掘進機是一種能夠?qū)崿F(xiàn)截割、裝載、運輸、轉(zhuǎn)載煤巖和調(diào)動行走、噴霧除塵的聯(lián)合機組。隨著我國煤炭事業(yè)的發(fā)展，機械化技術的普及和推廣，綜合掘進機械化的進程得到了飛速的發(fā)展，與傳統(tǒng)的鉆爆發(fā)相比，使用掘進機掘進巷道有以下優(yōu)點。它不但能夠保證巷道的穩(wěn)定性，有利于巷道德直呼管理。還大大提高了掘進速度和效率。減少巖石的毛頂及瓦斯突出事故,有利于安全生產(chǎn)和減少巷道超挖,減少不必要的工作量,減輕掘工的體力勞動.因此全力研制和使用巷道掘進機可以改善工藝和勞動組織，逐步實現(xiàn)巷道掘進過程的綜合機械化具有重大的技術經(jīng)濟意義。
我國懸臂式掘進機的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段。第一階段60年代初到70年代末。主要是以引進國外掘進機為主。這一階段的主要特點是：使用范圍越來越廣，切割能力逐步提高。第二階段70年代末到80年代。與國外合作生產(chǎn)了幾種懸臂式掘進機并逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化。這一階段特點是：可靠性高，已能適應我國煤巷掘進的需要，出現(xiàn)了重型機。第三階段由80年代至今。重型機型大批出現(xiàn)，懸臂式掘進機的設計與制造水平已相當先進。這一階段特點是：設計水平較為先進，可靠性大幅度提高，功能更加完善。經(jīng)過三階段的發(fā)展，我國懸臂式掘進機的設計、生產(chǎn)、使用進入了一個較高的水平，已跨入國際先進行列，可與國外的懸臂式掘進機媲美。
目前,國內(nèi)外研制和使用巷道掘進機種類繁多.主要分為兩大類:全斷面巷道掘進機和部分斷面掘進機. 全斷面巷道掘進機主要用于掘進巖石巷道，這類掘進機功率大，結(jié)構(gòu)復雜，巷道斷面形狀單一。在煤炭工業(yè)中沒有得到廣泛應用。部分斷面掘進機，其工作機構(gòu)僅能同時截割工作面煤巖斷面的一部分。為截割破落整個工作面的煤巖必須在斷面內(nèi)多次連續(xù)地移動工作機構(gòu)的截割頭。故此它能實際掘出所需巷道斷面形狀。它主要用于掘進煤或半煤巖巷道。近年研制的掘進機有以下趨勢：廣泛采用懸臂式可伸縮的工作機構(gòu)，改善起截割性能和使用范圍。廣泛采用觸爪式裝載機構(gòu)和履帶式行走機構(gòu)。加大掘進機的總功率和提高液壓系統(tǒng)的工作壓力。改進噴霧除主裝置，支護設備和配套轉(zhuǎn)載設備。
目錄
摘 要 1
Abstract 2
第一章 緒論 2
1.1 掘進機在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.1.1 國外掘進機的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.1.2 國內(nèi)掘進機的發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.1.3 掘進機技術的發(fā)展趨勢 6
1.2 掘進機的種類 7
1.3 掘進機設計的目的及意義 10
第二章 懸臂式掘進機 11
2.1 懸臂式掘進機在我國的應用 11
2.2 懸臂式掘進機的結(jié)構(gòu) 13
2.3 懸臂式掘進機的發(fā)展趨勢 14
2.4 國內(nèi)外懸臂式掘進機的差距 15
第三章 懸臂式掘進機截割機構(gòu)方案設計 16
3.1 截割部的組成 16
3.2 傳動方案設計 17
3.2.1 工況特點及要求 17
3.2.2 傳動類型的設計 17
3.3 截割頭轉(zhuǎn)速的初步確定 18
3.4 截割功率以及電機的選擇 19
3.5 截割速度方案設計 20
3.6 伸縮部方案確定 20
3.7 懸臂的長度和回轉(zhuǎn)角度的確定 21
3.8 截割頭及截齒類型的選擇 22
3.8.1 切割頭的設計 22
3.8.2 截齒的設計 23
3.8.3 截齒的排列 24
3.9 掘進機總體布置圖 26
3.10 總體參數(shù)總結(jié) 27
第四章 截割部減速機構(gòu)設計 29
4.1 行星減速器初步參數(shù) 29
4.1.1 傳動比的分配 30
4.1.2 各軸功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計算 30
4.2 高速級齒輪傳動設計 31
4.2.1 選擇齒輪材料 31
4.2.2 齒輪齒數(shù)的選擇 31
4.2.3 初步確定模數(shù) 32
4.2.4 高速機齒輪基本尺寸 33
4.2.5 高速級行星傳動齒輪強度的校核 34
4.3 低速級齒輪傳動的設計 37
4.3.1 選擇齒輪材料： 37
4.3.2 齒輪齒數(shù)的選擇 37
4.3.3 初步確定模數(shù) 38
4.3.4 低速級齒輪基本尺寸 39
4.3.5 低速級行星齒輪強度的校核 39
4.4 軸設計及校核 43
4.5 軸承設計及校核 45
4.6 花鍵設計及校核 46
4.7 聯(lián)軸器的選擇 48
4.7.1 輸入端聯(lián)軸器的選擇 48
4.7.2 輸出端聯(lián)軸器的選擇 48
第五章 技術經(jīng)濟性分析 49
結(jié)論 50
致謝 72
參考文獻 51
附錄A 譯文 52
附錄B 外文文獻 61
iii
摘 要
懸臂式掘進機是為煤礦綜采及高檔普采工作面采掘巷道的機械設備，它結(jié)構(gòu)緊湊、適應性好、機身矮、重心低、操作簡單、檢修方便。
本次設計主要對掘進截割部結(jié)構(gòu)進行了設計，截割部由電機、減速器、伸縮部、截割頭四部分構(gòu)成，其傳動方式為電機輸出軸通過聯(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。
在可截割硬度為85Mpa的基礎上，對傳動系統(tǒng)進行了選型以及方案設計，選用YBUD-200隔爆電動機、二級行星減速器、內(nèi)伸縮式伸縮臂和圓錐形截割頭，其中電機輸出轉(zhuǎn)速為1460r/min，截割頭截割轉(zhuǎn)速為46r/min。我主要對二級行星減速器和伸縮臂做了詳細的結(jié)構(gòu)設計，參照同類型掘進機的參數(shù)對其他部分做了設計。
關鍵詞：EBZ200掘進機 ；截割部 ；齒輪減速器 ；帶伸縮
Abstract
Cantilever boring machine is for coal mining and high quality, the surface mining galleries of the machinery and equipment, and its compact, adaptive, and the phone is low, low gravity, and easy to operate, and easier access.
This design of boring cut structure has been designed to cut the motor, Reducer, scalability, and cut the 4 components in the drive to motor output shaft by means of a coupling to the torque delivered to the input shaft, drive motor output shaft through the coupling to the torque delivered to the spindle, the spindle drive cut and rotate.
To cut hardness of 85 Mpa, on the basis of the transmission system for the selection, as well as program design and use YBUD - 200 every burglary motor, level 2 planetary, retractable telescopic and conical cut and where the motor output speed of 1460 R/min, cut and cut speed to 46 R/min. My main level 2 planetary and telescoping arms to do the detailed design, the reference type boring machine parameters of the design.
Keywords: EBZ200 machine; Cutting department; Gear reducer; Belt scale
第一章 緒論
1.1 掘進機在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1.1 國外掘進機的發(fā)展現(xiàn)狀
早在上世紀30年代，德國、英國、美國等就開始了煤礦巷道掘進機的研制，但巷道掘進機得到較廣泛工業(yè)性應用還是在第二次世界大戰(zhàn)之后。
1949年匈牙利生產(chǎn)的F2型掘進機是世界上第一臺掘進機，不過當時還未能實現(xiàn)懸臂式掘進機的主要功能。1951年匈牙利研制了采用履帶行走機構(gòu)的F4型懸臂式掘進機，這種機型除采用橫軸截割方式和調(diào)動靈活的履帶行走機構(gòu)外，還采用了鏟板和星輪裝在機構(gòu)，并采用了刮板輸送機轉(zhuǎn)運物料。這種機型已經(jīng)具備了現(xiàn)代懸臂式掘進機的雛形。F系列掘進機是目前懸臂式橫軸掘進機的原始機型。1971年奧地利ALPINE公司在匈牙利F系列掘進機的基礎之上，研制了AM-50型掘進機。并在此基礎之上，逐步形成了AM-50系列掘進機。1972年德國引進AM-50型掘進機，在半煤巖中使用，在此基礎上EICK-HOFF公司研制成功了WAV-170和WAV-200型掘進機，并在此基礎上形成了WAV系列掘進機。F系列、AM系列和WAV系列都是橫軸截割機構(gòu)。
1956年前蘇聯(lián)生產(chǎn)了首臺IIK-3型縱軸式掘進機，在8㎡斷面下煤巷中使用。IIK-3型掘進機是目前縱軸懸臂式掘進機的雛形。1960—1964年，英國從前蘇聯(lián)引進了IIK-3型掘進機，進行工業(yè)性試驗，同時開始了懸臂式掘進機的研制。1963年DOSCO公司在IIK-3型掘進機的基礎上，通過改變截割頭截齒配列和更換電氣系統(tǒng)，研制了MK-II型和MK-IIA型掘進機，并逐步發(fā)展為DOSCO系列掘進機。1968年德EICKHOFF公司在引進的DOSCO系列掘進機基礎上研制開發(fā)出了EV-100型掘進機。后來德國PAURAT公司又自行研制出了ET系列掘進機，使縱軸懸臂式掘進機逐步形成系列化。1966年，日本三井三池機械制造有限公司在前蘇聯(lián)IIK-3型掘進機和英國DOSCO掘進機的基礎上，研制成功了S系列掘進機。到上世紀70年代后期，系列掘進機已經(jīng)形成系列化。
經(jīng)過多半個世紀的不斷改進、發(fā)展的歷程?，F(xiàn)在世界上掘進機的使用已超過4000臺，有10多個國家、20多家公司和廠商從事懸臂式掘進機設計研究和制造。目前，國外掘進機主要生產(chǎn)國有英、德、俄羅斯、奧地利、日本等，所生產(chǎn)的掘進機以被廣泛用于硬度f低于8半煤巖的采準巷道掘進，并擴大到巖巷。重型機不移位截割斷面達35-42㎡，多數(shù)機型能在縱向16°、橫向8°的斜坡上可靠工作，截割功率在132-300kW，機重在50-100t，切割煤巖硬度f為12.部分機型截割速度已降至1m/s以下，牽引速度采用負載反饋調(diào)節(jié)，以適應不同巖石硬度；一些機型除設有后支撐外還在履帶前后安裝了卡爪式液壓扎腳機構(gòu)，以便在切割巖石時錨固定位。機電一體化已成為掘進機發(fā)展趨勢，新推出的掘進機可以實現(xiàn)推進方向和斷面監(jiān)控、電動機功率自動調(diào)節(jié)、離機遙控操作及工況監(jiān)測和故障診斷，部分掘進機實現(xiàn)PLC控制，實現(xiàn)回路循環(huán)檢測。
1.1.2 國內(nèi)掘進機的發(fā)展現(xiàn)狀
我國掘進機的發(fā)展大致分為三個階段。第一階段是上世紀60年代初期到70年代末，這一階段主要是以引進國外掘進機為主，在引進的同時，我們的技術人員開始嘗試進行消化吸收，但研究水平較低，主要以截割煤的輕型機為主。主要以當時煤炭科學研究院太原分院研制的Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型為代表，形成我國第一代掘進機。盡管如此，這一時期的嘗試也為我國掘進機的第二階段發(fā)展打下了良好的基礎。這一時期產(chǎn)品主要特點是重量輕、體積小、截割能力弱、技術含量偏低，適應煤巖掘進。
上世紀70年代末到90年代初期為消化吸收階段。這一階段分別從奧地利、英國、德國、日本、前蘇聯(lián)、美國等國家大規(guī)模的引進設備，引進16個品種188臺掘進機對我國煤礦掘進煤和半煤巖巷道起到重要作用。特別是通過對奧地利阿爾卑尼公司的AM50型和日本三井三池公司的S100的技術引進、國內(nèi)外合作生產(chǎn)、消化吸收等方式，提高了設計、工藝制造水平，使國內(nèi)生產(chǎn)廠家具備年產(chǎn)50臺以上的能力。使我國基本上結(jié)束了中、小型掘進機依賴進口的局面。這一期間我國掘進機的主要特點是可靠性能大幅度提高，已能適應我國煤礦的巷道掘進，中型掘進機型號日趨齊全。
90年代初期至今為自主研發(fā)階段。這一階段中型掘進機的技術發(fā)展日趨成熟，重型掘進機大批出現(xiàn)，懸臂式掘進機的設計與加工水平已經(jīng)相當先進，并具備了根據(jù)礦井的條件實現(xiàn)個性化設計的能力。這一時期形成了多個系列山產(chǎn)品，主要有煤炭科學總院太原分院設計的EBJ(Z)系列、佳木斯煤礦機械廠生產(chǎn)的S系列、煤炭科學研究總院上海分院設計的EBJ系列等掘進機。這一階段掘進機的設計水平大幅度提高，各種先進的三維設計和分析軟件廣泛使用，機器可靠性大幅度提高，功能日趨完善，功率更大，一些先進的故障診斷和顯示技術，離機遙控技術應用其中，使我國掘進機設計和生產(chǎn)使用技術跨入了國際先進水平的行列。
目前，隨著我國工業(yè)發(fā)展對用煤量的需求大大增加，促使我國煤炭行業(yè)煤炭產(chǎn)量逐步的增加，這就對煤機的使用量也相應增多。目前，煤礦機械的市場前景非常樂觀，而且煤機產(chǎn)品的利潤也特別大。因此，許多企業(yè)也開始進行掘進機的試制和生產(chǎn)。國內(nèi)懸臂式掘進機生產(chǎn)廠家主要有：太原礦山集團有限公司，佳木斯煤礦機械廠、南京航天晨光掘進機分公司、上海天地、遼源煤礦機械廠、內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司、淮南煤機廠、三一重工等廠家。其中，三一重工、佳木斯的生產(chǎn)能力最強，市場分額較大，根據(jù)煤炭機械行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2003年掘進機主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)量（見表1-1）。
表1-1 2003年掘進機主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)量
生產(chǎn)廠家
臺數(shù)
總噸位
佳煤機
105
3102
淮南煤機廠
34
861
南京晨光
22
506
北方重工
16
416
合計
177
4885
我國的掘進機發(fā)展主要受英國DOSCO、日本三井三池S系列型機器的影響。目前主要以縱軸懸臂式為主。同時，由于吸收了奧地利AM系列掘進機的特點，也有部分掘進機設計為橫軸截割方式。
1.1.3 掘進機技術的發(fā)展趨勢
掘進機的發(fā)展經(jīng)歷了由大到小、從單一到多樣化的過程，現(xiàn)在已經(jīng)形成輕型、中型、重型3個系列。
（1）增強截割能力。為了實現(xiàn)較強的截割能力，現(xiàn)代掘進機截割功率不斷增大，截割速度逐漸降低?，F(xiàn)代中重型懸臂式掘進機截割功率120～300KW,個別機型達到400 KW。截割頭一般轉(zhuǎn)速為20～50r/min，截割速度1～2m/s，部分機型降低到1m/s以下。經(jīng)濟截割硬度100～120MPa，最大可達140 MPa。
（2） 提高工作可靠性能。由于地質(zhì)條件復雜多變，使掘進機在工作時承受交變的沖擊載荷，而且磨損和腐蝕嚴重。而井下的環(huán)境惡劣，空間狹小，檢修不便，因此要求通過完善的設計、高質(zhì)量的制造及合理的使用和良好的維護來提高其可靠性。
（3） 采用緊湊化設計，降低重心，提高工作穩(wěn)定性。由于懸臂掘進機懸臂過長，使得截割反力較大，不利于機器穩(wěn)定性工作。針對這個問題，應采用緊湊化設計，努力降低機器的重心，并在機器的后部或兩側(cè)增設油缸穩(wěn)定裝置，以提高機器的工作穩(wěn)定性。
（4） 增強對各種復雜地質(zhì)條件的適應性。懸臂式掘進機普遍采用履帶行走裝置，以減小接地比壓；通過增大驅(qū)動功率，以增強牽引力和爬坡能力，從而提高對各種地板、工況的適應性。
（5） 研究新型刀具和新的截割技術。為了增強截割能力，提高道具的使用壽命，應努力的改進刀具的結(jié)構(gòu)，采用新的材料，研究新的爆破方法。
（6） 發(fā)展自動控制技術。截割斷面監(jiān)視和控制技術的開發(fā)和應用。采用該技術將實現(xiàn)掘進工作面切割情況較直觀、全面的觀察和了解，并能對斷面精度和巷道質(zhì)量進行控制。該技術包括隨設備水平姿態(tài)識別、調(diào)整；切割軌跡記錄和顯示；斷面邊界設定；斷面成形控制；前進方向指示和引導；偏離方向和截割超限報警等幾個方面的內(nèi)容。該技術的進一步發(fā)展將實現(xiàn)掘進機的自動掘進。
（7） 發(fā)展掘錨機組，實現(xiàn)快速掘進。目前，影響懸臂式掘進機掘進速度的組要因素就是支護時間過長。掘進、支護不能同步作業(yè)，制約了巷道掘進速度，降低了掘進效率。掘進機組是一種新型、高校、快速的掘進設備，是一種理想的作業(yè)方式，具有良好的發(fā)展前景。
1.2 掘進機的種類
目前，國內(nèi)外已經(jīng)生產(chǎn)出許多型號的巷道掘進機。根據(jù)不同的工作要求，巷道掘進機的截割方式、傳動布置、結(jié)構(gòu)形式和控制系統(tǒng)等，可有多種形式。巷道掘進機按照對于巷道斷面的作用方式可劃分為兩種：全斷面掘進機（如圖1-1）和部分斷面掘進機（如圖1-2）。
（1) 全斷面掘進機，也成為連續(xù)作用式巷道掘進機。其工作機構(gòu)，由一個或數(shù)個裝有盤形滾刀或截割刀具的圓盤以及錐形刀盤組成。在平行于工作面的平面內(nèi)工作機構(gòu)繞機器中心線旋轉(zhuǎn)，對整個工作面同時進行截割，全斷面掘進機驅(qū)動裝置的動力容量大，能在整個工作過程中連續(xù)破碎煤、巖石，所以生產(chǎn)能力很高，并且由于破巖刀具能夠合理地分散布置在截割圓盤上，對工作面的壓力比較均勻，同時其控制系統(tǒng)相對簡單，有利于實現(xiàn)掘進機的自動控制。采用這種圓盤式工作機構(gòu)的巷道掘進機，只用于掘進圓形、拱形斷面的巷道，因此在長距離、大斷面的硬巖隧道工程中，全斷面掘進機得到了廣泛的應用。例如世界著名的英吉利海峽海底隧道就是用11臺全斷面掘進機完成的，我國的秦嶺西康鐵路隧道也是用兩臺德國產(chǎn)TB880E全斷面掘進機完成的。但全斷面掘進機也存在一些缺點，對巷道斷面的規(guī)格和形狀適應能力非常有限，為了適應掘進不同規(guī)格的巷道，往往需要配備輔助破碎機構(gòu)；掘進半煤巖巷道時，無法對煤、巖進行分別切割；由于圓盤式工作機構(gòu)體積龐大，使得進入工作面檢查、檢修和更換刀具都很困難，必要時還需要使掘進機退離工作面；作業(yè)線整體投資比較高，對隧道圍巖地質(zhì)和巷道適應能力比較差。
由于全斷面掘進機存在以上種種缺點，影響了其大量推廣使用，尤其在礦業(yè)部門，對于中短巷道的掘進作業(yè)，采用全斷面掘進機無論從經(jīng)濟角度，還是從性能角度考慮都是很不合適的。
（2) 部分斷面掘進機，也稱循環(huán)作用式巷道掘進機。其工作機構(gòu)僅能同時截割工作面煤巖斷面的一部分，為截割破落整個工作面的斷煤巖，必須在斷面內(nèi)多次連續(xù)地移動工作機構(gòu)的截割頭。懸臂式掘進機也稱為部分斷面掘進機，工作時通過截割頭的旋轉(zhuǎn)和懸臂（也稱為截割臂）的上、下、左、右自由擺動，能夠截割出任意形狀的截面。
由于煤礦巷道掘進主要是中短型巷道，全斷面掘進機不太適合這類巷道，所以懸臂式部分斷面掘進機在煤礦地下巷道施工中得到了廣泛的應用。近些年來，隨著掘進機在土木工程和采礦工程中大量應用，目前掘進機已經(jīng)成為各產(chǎn)煤國不可缺少的主要生產(chǎn)設備之一，而且各國制造、推廣使用的煤、巖和煤-巖巷掘進機多以懸臂式部分斷面掘進機為主。實踐證明懸臂式部分斷面掘進機有以下主要優(yōu)點：由于其工作機構(gòu)相對來說比較靈活，可在機器的允許范圍內(nèi)隨意擺動，截割頭能夠截割出任意形狀不同斷面的巷道，可以分別截割半煤巖巷道的煤和巖石，對于采掘標準巷道斷面的規(guī)格形狀和煤巖賦存情況的適應能力比較好，所掘進巷道斷面尺寸形狀的變化范圍較寬。工作效率高，質(zhì)量好。如果掘進后再安排支護作業(yè)，這種掘進機就可以實現(xiàn)連續(xù)掘進，而且能夠同時完成破煤巖、運輸?shù)裙ぷ?，效率非常高，且掘進機是機械破巖，斷面形狀易于掌控，所以其掘進的煤巖巷道周圍煤巖壁完整光滑，超挖掘量少，減少了支護量，這與鉆爆法相比，掘進速度可提高1-1.5倍，勞動效率提高1-2倍，巷道成本可降低30-50%，可以有效的避免爆破作業(yè)時巷道周圍煤巖因爆破振動而破壞的現(xiàn)象發(fā)生。結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、技術成熟先進。目前懸臂式掘進機多采用耙裝式裝載機構(gòu)和履帶式行走機構(gòu)。其裝載能力大、行動靈活、工作可靠，對環(huán)境的適應能力強，再加上懸臂式工作機構(gòu)的外形尺寸比掘進斷面小，有充足的空間用于維修和更換截齒，對于在機器附近或靠近掘進工作面安裝臨時液壓自移支架或進行人工支護也非常方便，空頂面積小，安全生產(chǎn)性能高，從而使其使用范圍得到了大大的推廣。經(jīng)濟安全、成本低效率高，可以連續(xù)工作，有著非常好的經(jīng)濟效益和社會效益。工人的勞動條件和勞動強度也得到大大的改善，體力勞動減少了0.5-1倍（與鉆爆法相比）。同全斷面掘進機相比，掘進同樣尺寸的巷道斷面，懸臂式掘進機的基本投資費用僅僅相當于全斷面掘進機的15% ，尤其是在中短巷道的施工中，這一優(yōu)勢更加明顯，因此對于絕大多數(shù)的礦山井下巷道掘進，采用懸臂式部分斷面掘進機是非常劃算的，同時避免了因爆破鉆進而造成的人員傷亡，事故率大大減少。
掘進機的工作過程是：先操縱行走機構(gòu)向工作面推進，然后使截割頭在工作面左下角鉆入工作面，再用水平擺動油缸使截割頭橫向截割到巷道的右側(cè)。然后利用升降油缸把截割頭上升接近等于截割頭直徑的距離，并使截割頭向巷道左側(cè)截割。如此往復截割，截割頭就可以完成整個工作面的截割，其截割順序如圖1-1所示。
圖1-1 截割順序圖
按照懸臂上截割頭布置形式的不同，分為橫軸式掘進機（截割頭旋轉(zhuǎn)軸和懸臂主軸垂直）和縱軸式掘進機（截割頭旋轉(zhuǎn)軸和懸臂主軸同軸）兩種?？v軸式截割頭傳動方便、結(jié)構(gòu)緊湊，能截出任意形狀的斷面，易于獲得較為平整的斷面，有利于采用內(nèi)伸縮懸臂，可挖柱窩或水溝。截割頭的形狀有圓柱形、圓錐形和圓錐加圓柱形，由于后兩種截割頭利于鉆進，并使截割表面較平整，故使用較多。缺點是由于縱軸式截割頭在橫向擺動截割時的反作用力不通過機器中心，與懸臂形成的力矩使掘進機產(chǎn)生較大的振動，故穩(wěn)定性較差。橫軸式截割頭分滾筒形、圓盤形、拋物線形和半球形幾種。這種掘進機截齒的截割方向比較合理，破落煤巖較省力，排屑較方便，但在切進工作面時必須左右移動，所以不如縱軸式工作機構(gòu)使用方便。這種截割頭的優(yōu)點是截深較小，截割與裝載情況較好?？v向牽引時，截割阻力矩可為機器的自重所平衡，穩(wěn)定性較好，適于截割抗壓強度較高的煤巖。其缺點是傳動裝置較復雜，在切入工作面時需左右擺動，不如縱軸式工作機構(gòu)使用方便；因為截割頭較長對掘進斷面形狀有限制，難以獲得較平整的巷道側(cè)壁。
1.3 掘進機設計的目的及意義
煤炭的不斷消耗使得我國的能源計劃在不斷更替。如果，能在煤礦開采處更高效的進行，勢必對能源的利用具有促進作用。所以，掘進機械的自動化和現(xiàn)代化是必要的。高性能的掘進機械將對能源的利用具有重要作用。掘進機械的設計和創(chuàng)新將始終貫穿著過去、現(xiàn)在以及未來的發(fā)展。
第二章 懸臂式掘進機
2.1 懸臂式掘進機在我國的應用
我國煤巷懸臂式掘進機的研制和應用始于20世紀60年代，以30～50kW的小功率掘進機為主，研究開發(fā)和生產(chǎn)使用都處于試驗階段[2]。80年代初期，為適應煤礦機械化生產(chǎn)發(fā)展的需要，我國引進了AM50型、S-100型掘進機兩種為代表的機型，對發(fā)展我國綜掘機械化起到了推動作用。同時，國內(nèi)加強對引進機型的消化吸收工作，積極研制開發(fā)了適合我國地質(zhì)條件和生產(chǎn)工藝的綜合機械化掘進裝備。經(jīng)過近30年的消化吸收和自主研發(fā)，目前，我國已形成年產(chǎn)1000余臺的掘進機加工制造能力，研制生產(chǎn)了20多種型號的掘進機，初步形成系列化產(chǎn)品，基本能夠滿足國內(nèi)市場的需求。
目前我國懸臂式掘進機主要有煤科總院太原研究院研制的EBJ(Z)系列、佳木斯煤機廠生產(chǎn)的S系列、煤科總院上海研究院設計的EBJ系列等型掘進機。代表機型主要有太原分院研制的EBJ-160、EBZ160TY和EBJ-120TP型掘進機，另外還有佳木斯煤機廠生產(chǎn)的S150、S200型掘進機。我國現(xiàn)用主流掘進機主要技術性能參數(shù)見表2-1。
表2-1 我國主流掘進機的主要技術性能表
技術參數(shù)
AM50
S-100
EBJ-120TP
EBZ160TY
S150J
ELMB-75C
EBJ-160SH
斷面/㎡
6～18
8～23
8～18
9～21
9～23
6～17
8～24
截割硬度/MPa
60
70
60
80
80
70
80～100
機重/t
26.8
27
36
51.5
44.6
23.4
53
總功率/kW
174
145
190
250
205
130
314
截割功率/kW
100
100
120
160
150/80
75
160
適應坡/（°）
16
16
16
16
16
16
16
系統(tǒng)壓/MPa
16
16
16
23
16
16
16
外形尺寸
/m×m×m
7.5×2.1×1.65
12.2×2.8×1.8
8.6×2.1×1.55
9.8×2.55×1.7
9.0×2.8×1.8
8.22×2.5×1.56
10.8×2.7×1.5
生產(chǎn)廠家
淮南
佳木斯
太原分院
太原分院
佳木斯
南京晨光
上海分院
AM50型、S-100型掘進機均為國外20世紀70年代的產(chǎn)品，設備功率小、機重輕、破巖能力低及可靠性差，僅適合在條件較好的煤巷中使用。近年來，我國相繼開發(fā)了以EBJ-120TP型掘進機為代表的替代機型，在整體技術性能方面達到了國際先進水平，正在推廣應用。
我國研制的新一代煤巷掘進機具有以下技術特點：
（1）整機結(jié)構(gòu)緊湊、設計合理；
（2）機身矮、重心低、工作穩(wěn)定性好；
（3）生產(chǎn)能力大、破巖能力強、適應性好；
（4）采用液壓馬達直接驅(qū)動裝載機構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，可靠性高，減少了維護量；
（5）采用無支重輪履帶行走機構(gòu)和履帶導向輪黃油缸張緊裝置，提高了履帶行走機構(gòu)的可靠性；
（6） 液壓系統(tǒng)簡單可靠，增設了自動加油裝置，提高了液壓系統(tǒng)的可靠性；
（7） 電氣系統(tǒng)采用了PLC控制，具有工礦檢測和故障診斷功能。
近幾年，國產(chǎn)掘進機在煤巷掘進中取得了較好的成績，實際年進尺可達6 000～8 000m，基本滿足了煤巷高效掘進的需要。
懸臂式掘進機在我國重點煤礦已普遍使用，發(fā)揮了重要作用。但由于是單巷掘進，且采用單體錨桿進行錨桿支護，掘進和支護不能平行作業(yè)，影響了掘進速度的進一步提高。
2.2 懸臂式掘進機的結(jié)構(gòu)
懸臂式掘進機由截割部、鏟板部、第一運輸機、本體部、行走部、后支承、第二運輸機、液壓系統(tǒng)、水系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)構(gòu)成。
（1）截割機構(gòu)。截割機構(gòu)的驅(qū)動方式由交流電動機驅(qū)動，在傳動系統(tǒng)中一般設齒形聯(lián)軸節(jié)，不設機械式過載保護裝置，經(jīng)兩級行星減速器帶動主軸前端的截割頭。
（2）裝運機構(gòu)。它一般由裝載機構(gòu)和中間輸送機組成。它們可采用分別驅(qū)動或集中聯(lián)動方式，既可用交流電動機驅(qū)動，也可用液壓馬達驅(qū)動。裝載機構(gòu)方案是既能裝設耙爪式也可裝設星輪式，兩者可以互換使用。
（3）行走機構(gòu)。行走機構(gòu)一般采用履帶型式，兩條履帶分別由各 自的動力來驅(qū)動，可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。履帶的驅(qū)動動力有電動機和液壓馬達兩種，電動機驅(qū)動一般只設置一種行走速度，液壓馬達驅(qū)動可采用低速大扭矩馬達直接帶動履帶鏈輪，或采用中速液壓馬達 +減速器帶動履帶鏈輪的傳動方式，它可實現(xiàn)無極調(diào)速。
履帶結(jié)構(gòu)型式有滑動和滾動兩種，當機器調(diào)動速度≤lOm／min的中、輕型掘進機，宜采用滑動結(jié)構(gòu)型式；當機器的調(diào)動速度>lOm／min的重型、特重型掘進機，應采用滾動結(jié)構(gòu)型式。
(4）液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)多采用開式系統(tǒng)多路閥集中控制(直接操縱或遙控操縱)方式。以往國內(nèi)外多采用齒輪泵，近年來掘進機液壓系統(tǒng)采用柱塞泵有增多的趨勢。
(5）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計、制造、檢驗，必須符合 GB3836-2000標準中的有關規(guī)定和要求。
2.3 懸臂式掘進機的發(fā)展趨勢
(1）重型化、大功率。隨著采煤機械化程度的提高和巷道斷面的不斷擴大 ，掘進機面對越來越硬和研磨性更強的巖石，單向抗壓強度超過 170MPa，因此，開發(fā)研制高功率、大質(zhì)量 的重型硬巖掘進機尤為迫切。目前，國外許多重型掘進機截割功率達到 200—300kW，最高可達 500kW。而我國重型掘進機尚處于發(fā)展階段 ，截割功率 目前 已達 200kW，越來越高的截割功率雖然可提供給截割頭巨大 的截割力，但使機器的振動進一步加劇 ，對生產(chǎn)率、機器的壽命和 日常保養(yǎng)都將產(chǎn)生不利影 響。隨之而來的是機器的重量越來越大，以增加穩(wěn)定性。
(2）掘 、鉆、錨一體化。研制集掘、鉆 、錨為一體的采掘錨綜合機組 ，以實現(xiàn)快速掘進的同時又能打眼安裝錨桿，支護頂板、側(cè)幫 ，實現(xiàn)掘進、支護平行作業(yè)，解決掘進機利用率低 的問題。因此，掘、鉆、錨一體化是實現(xiàn)巷道快速掘進，滿足高產(chǎn) 、高效工作面發(fā)展需要的重要技術途徑。
(3）噴霧降塵設備隨機化。目前，掘進機大多設 有內(nèi)、外噴霧裝置 ，但對呼 吸性粉塵 降塵效果差，噴嘴堵塞嚴重。因此，對現(xiàn)有機型設置機載降塵設備，強化外噴霧 的使用效果 ，將會使掘進機在工作時的粉塵濃度大大降低。
(4）液壓系統(tǒng)逐步趨于完善 、可靠 。
(5）智能化、自動化。配置激光導向系統(tǒng) 、計算機斷面控制系統(tǒng)和遙控系統(tǒng) ，以降低對操作人員的反應要求 ，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力。
(6）矮型化 。在加大機重、截割功率和提高截割硬度的前提下 ，注重發(fā)展機身較低 的機型，以易于井下運輸和適用于掘進 中、小斷面巷道，同時也為配置其他輔助設備 (錨桿安裝機、輔助工作平臺等)帶來了方便。
(7）附件化。保留必要的截、裝 、運 、行主要組成功能，將 降塵、輔助支護等裝 置以附件形式出現(xiàn)。這樣 ，可根據(jù)需要選擇裝配各種附加件，給設計、制造、使用都帶來方便。
(8)裝載運輸裝置亦采用可伸縮型結(jié)構(gòu)，保證機器的機動性和適應性。
2.4 國內(nèi)外懸臂式掘進機的差距
與國際先進水平相比，我國在用煤礦主要高效掘進設備的破巖能力、適應性及可靠性等方面還存在一定的差距。煤礦使用的高效掘進設備，如大功率重型掘進機、連續(xù)采煤機、掘錨機組、四臂錨桿鉆車以及履帶式全液壓鉆車等幾乎被國外廠商（或合資）所占領，連續(xù)采煤機基本被美國JOY公司所壟斷，掘錨機組主要由奧地利奧鋼聯(lián)公司提供，四臂錨桿鉆車由澳大利亞約翰芬蕾公司控制。我國煤及半煤巖巷掘進機最大截割功率為200kW與進口機型還有一定的差距，連續(xù)采煤機、掘錨機組國內(nèi)正在處于研制階段，連續(xù)采煤機2007年上半年推出了樣機。國產(chǎn)重型掘進設備在設計制造、加工工藝、自動化技術和關鍵技術指標等方面同國際先進水平存在較大差距。
重型國產(chǎn)掘進機與國外先進設備的差距除總體性能參數(shù)偏低外，在基礎研究方面也比較薄弱，適合我國煤礦地質(zhì)條件的截割、裝運及行走部載荷譜沒有建立，沒有完整的設計理論依據(jù)，計算機動態(tài)仿真等方面還處于空白；在元部件可靠性、控制技術、在截割方式、除塵系統(tǒng)等核心技術方面有較大差距。
第三章 懸臂式掘進機截割機構(gòu)方案設計
3.1 截割部的組成
掘進機截割部主要由截割電動機、截割機構(gòu)減速器、截割頭、懸臂筒組成。見圖3-1.截割部是掘進機直接截割煤巖的裝置，其結(jié)構(gòu)型式、截割能力、運轉(zhuǎn)情況直接影響掘進機的生產(chǎn)能力、掘進效率和機體的穩(wěn)定性，是衡量掘進機性能的主要因素和指標。因此，工作部的設計是掘進機設計的關鍵。
1 截割頭 2 伸縮部 3 截割減速機 4 截割電機
圖3-1 縱軸式截割部
圖3-2截割頭
3.2 傳動方案設計
懸臂式掘進機的傳動方式為電機輸出軸通過聯(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。
3.2.1 工況特點及要求
（1）低速重載小體積
由于國內(nèi)外掘進機均向著重型化方向發(fā)展，其截割機構(gòu)傳遞的功率相應地也越來越大，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。特別是一般掘進機因為其工作特點所致，截割臂的外形多設計成寶塔狀，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，在設計上因尺寸問題受到極大的限制。
（2）沖擊負荷大
掘進機是通過截割頭完成截割煤巖的，因破碎機理所致，當截割煤巖時，煤巖的反作用力使截割阻力和沖擊負載毫無保留地傳遞至齒輪、軸、軸承等傳動件上。
（3）載荷變化大
截割時，由于受被截割物料軟硬不均，牽引速度和截割深度的影響，載荷始終處于大幅度波動之中，而其載荷又不易被測定。
（4）高可靠性
我國越來越重視掘進設備的可靠性，相應地制定了一套實驗檢測標準和規(guī)范。如新設計掘進機的減速器必須進行性能試驗和耐久性實驗，截割減速器的耐久性實驗為連續(xù)滿載運行1000h。
3.2.2 傳動類型的設計
由于行星齒輪傳動具有多分流傳動、低壓力嚙合、作用力平衡和運行多變性等一系列特點，所以在同等工作條件下與定軸齒輪傳動相比，行星齒輪傳動具有外形尺寸小，重量輕、傳動效率高、工作可靠和同軸傳動等許多突出優(yōu)點，因此國內(nèi)外縱軸式掘進機的截割結(jié)構(gòu)傳動系統(tǒng)均采用行星齒輪傳動，以期在提高承載能力、效率和可靠性的同時，盡可能地減輕重量、縮小外廓尺寸、降低制造成本。要求傳動裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，并滿足一定的強度要求和減速比要求。因此，這種工作機構(gòu)的傳動裝置多采用行星齒輪傳動，以滿足以上要求。
如果采用一級減速，則傳動比太大，導致齒輪結(jié)構(gòu)很難滿足現(xiàn)實要求，因此，決定采用2級NGW行星齒輪減速。NGW行星齒輪減速器結(jié)構(gòu)簡單，傳動可靠。由于懸臂采用內(nèi)伸縮式，電動機、聯(lián)軸器、的減速器相對于軸向是固定的，從傳動裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等考慮，采用雙級行星齒輪傳動。工作機構(gòu)傳動系統(tǒng)布置圖3-1。
圖3-3傳動系統(tǒng)
截割電動機通過聯(lián)軸節(jié)、中心輪、行星輪、內(nèi)齒輪、中心輪、行星輪和聯(lián)軸節(jié)驅(qū)動切割頭進行切割。中心輪固定在懸臂主軸上，行星輪與之嚙合，同時又與一個內(nèi)齒輪嚙合，內(nèi)齒輪固定在箱體上。
為了使減速器的強度能滿足電動機的最大轉(zhuǎn)矩和動載荷，即使電動機過載以至停止，減速器也不至于出現(xiàn)機械故障。若減速器的強度不能滿足電動機的最大轉(zhuǎn)矩，必須設過載保護裝置，如安全銷、壓緊彈簧、液壓或摩擦聯(lián)軸器等。
3.3 截割頭轉(zhuǎn)速的初步確定
掘進機的動力源都采用交流電動機。截割機構(gòu)功率大小，在實際設計中一般采用類比法，再結(jié)合掘進機的一些個性因素及經(jīng)驗來確定。
截齒必須具有的一定的截割速度和足夠的截割力，才能實現(xiàn)對煤巖的有效破碎。顯然在一定的功率下，適當降低截割速度(或轉(zhuǎn)速)，將使截割力矩和截割力相應增加，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，截割頭轉(zhuǎn)速為30~100。對于中硬巖，可選，對于砂巖和石灰?guī)r，平均截割速度=0.6~0.8 ，最高=0.9~1 ，截割頭轉(zhuǎn)速為20~40[11]。目前市場上絕大多數(shù)掘進雙速掘進機的截割速度為23r/min和46r/min，這兩種截割速度被認為是截割硬巖和煤巖的經(jīng)濟截割速度，所以本次設計的巖巷掘進機截割轉(zhuǎn)速也設定為46r/min。
3.4 截割功率以及電機的選擇
根據(jù)所截割煤巖的特性、工作機構(gòu)的類型，參照類似工作條件、工作范圍的國內(nèi)外各種掘進機，來選定截割電機功率。
表3-1 我國主流掘進機的主要技術性能表
技術參數(shù)
AM50
S-100
EBJ-120TP
EBZ160TY
S150J
ELMB-75C
EBJ-160SH
斷面/㎡
6～18
8～23
8～18
9～21
9～23
6～17
8～24
截割硬度/MPa
60
70
60
80
80
70
80～100
機重/t
26.8
27
36
51.5
44.6
23.4
53
總功率/kW
174
145
190
250
205
130
314
截割功率/kW
100
100
120
160
150/80
75
160
適應坡/（°）
16
16
16
16
16
16
16
系統(tǒng)壓力/MPa
16
16
16
23
16
16
16
外形尺寸
/m×m×m
7.5×2.1×1.65
12.2×2.8×1.8
8.6×2.1×1.55
9.8×2.55×1.7
9.0×2.8×1.8
8.22×2.5×1.56
10.8×2.7×1.5
生產(chǎn)廠家
淮南
佳木斯
太原分院
太原分院
佳木斯
南京晨光
上海分院
根據(jù)設計要求，截割硬度小于85Mpa，選擇截割功率為200kW。
根據(jù)截割功率，結(jié)合行業(yè)標準MT477-1996YBU系列掘進機用隔爆型三相異步電動機選，選擇電動機型號為：YBUD-200隔爆電動機其主要性能數(shù)據(jù)如下：
型號
額定功率
同步轉(zhuǎn)速
滿載轉(zhuǎn)速
YBUD-200
200KW
1500r/min
1460r/min
3.5 截割速度方案設計
在掘進機工作過程中，巖石硬度不是恒定的，各種硬度的巖石對應的經(jīng)濟截割速度不同，所以截割速度最好是隨時變化著的，掘進機在掘進巷道工程中，其工作狀態(tài)與工況參數(shù)有密切關系。如：截齒的磨損與其線速度有直接關系；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，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，為了保證掘進機有高的掘進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、懸臂擺動等運動學參數(shù)以及截齒上承受的截割阻力、截割電機功率等動力學參數(shù)都應該是不同的。但是，現(xiàn)在正實用的掘進機不能實現(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)，本次設計掘進機有兩種截割速度，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)中設計變速器將使傳動系統(tǒng)大大復雜化，這與掘進機工作部傳動系統(tǒng)的的設計原則相矛盾，所以變速直接采用電機變速，通過改變電機極數(shù)改變速度和功率。
3.6 伸縮部方案確定
伸縮機構(gòu)有內(nèi)伸縮式和外伸縮式。
（1）內(nèi)伸縮式（也稱套筒式）
由伸縮部分和固定部分組成。電動機、聯(lián)軸器和減速器相對于懸臂本身在軸向是固定的?；ㄦI主軸、截割頭、內(nèi)套筒和保護套筒是可伸縮部分，在伸縮油缸作用下，通過花鍵連接，相對固定部分移動完成伸縮動作。其原理如圖3-2（b）所示。
(a)內(nèi)伸縮式 (b)外伸縮式
1 懸臂；2 減速器；3 電動機；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
圖3-4懸臂伸縮原理圖
(2)外伸縮式（又稱滑架式）
外伸縮式裝置是將電動機、聯(lián)軸器和減速器等連成一個剛性整體，構(gòu)成懸臂的可伸縮部分，而固定部分為一與回轉(zhuǎn)臺鉸接的滑架?？缮炜s部分裝在滑架內(nèi)，利用伸縮油缸使其來回整體移動，實現(xiàn)伸縮，其原理如（圖2-3a）所示。
外伸縮式結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，主軸與減速器在軸向固定連接，密封性能好，但伸縮時移動部分質(zhì)量較大，不利于機器的穩(wěn)定性。
通過上述比較，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。
伸縮機構(gòu)由保護筒，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)運動，帶動截割頭旋轉(zhuǎn)，通過油缸伸縮帶動伸縮部實現(xiàn)伸縮[5]。
3.7 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)和機器工作的穩(wěn)定性，懸臂伸縮量一般為450~550mm，選取500mm。
(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5m，上擺角，下擺角，取水平擺角=。
取升降中心高為1800mm。
由幾何關系可得出懸臂長為3610mm。
取垂直回轉(zhuǎn)中心至水平回轉(zhuǎn)中心的距離為890mm。
由幾何關系可以得出，最大掘?qū)?.5m。
3.8 截割頭及截齒類型的選擇
截割頭是掘進機的工作機構(gòu)，主要功能是破碎和分離煤巖，是掘進機直接用來破碎煤巖的部件，是掘進機的關鍵部件。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?？v軸式掘進機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，也不會給支護工作帶來麻煩[5]。所以選擇圓錐形切割頭。
3.8.1 切割頭的設計
(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?？v軸式掘進機切割頭長度應略大于截深。目前，縱軸式掘進機切割頭的長度一般為500~700 mm。大功率的掘進機可以在1000 mm左右。根據(jù)設計要求，確定本掘進機為中型掘進機，選擇切割頭的長度為780 mm。
(2)切割頭直徑
切割頭直徑影響切割力和工作循環(huán)時間。當切割頭的功率和轉(zhuǎn)速一定時，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。目前，縱軸式掘進機切割頭的直徑一般為600~900 mm。大功率的掘進機可以在1000 mm以上。這里選擇切割頭的平均直徑為800 mm。
(3)切割頭錐角
對于縱軸式掘進機的圓錐形切割頭，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。
設切割頭的半錐角為，懸臂水平擺角為，上下擺角分別為、。按幾何關系，要保證巷道的頂、底板、側(cè)壁平整，應使。顯然對于確定的掘進機，其切割頭的半錐角是定值。掘進機的水平擺角通常為。這樣錐形切割頭的錐角確定在之間。
本掘進機設計結(jié)合同類掘進機運用情況，選取。
(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。
3.8.2 截齒的設計
（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)形槽，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，通常選用毎線一齒。否則，就會出現(xiàn)加深截槽的現(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槽，而崩落的效果極為微弱。對于每線一齒，在排列上應使第i條截線上的截齒的圓周角與螺旋角頭數(shù)和相鄰截線上截齒的角度保持下列關系：。
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，實際截割間距隨擺動速度變化，而切深保持不變。實驗證明，被截下的煤巖量與截線間距和切深有關，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。{h-截齒切深，m；-牽引速度或擺動速度，m/min；n-切割頭轉(zhuǎn)速，r/min；-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3-2 橫切割頭截割參數(shù)與礦物特性關系
礦物特性
超硬材料
硬材料
中硬材料
軟材料
單向抗壓強度/Mpa
＞80
60-80
30-60
＜30
牽引速度/（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。
3.8.3 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行截割的，形成的截槽兩邊不對稱，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)與毎線齒數(shù)之比為1.
②交叉式。截齒以一個間隔一個的次序進行截割的，形成兩側(cè)接近對稱的截槽，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)與毎線齒數(shù)之比為2.
圖3-5 截齒排列方式
（2）截齒排列圖
圖3-6 截齒排列
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α（又叫切削角）。截割角是截齒軸線與齒尖運動軌跡的切線之間的夾角。實驗表明截割角在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，但磨損比較嚴重，容易使齒尖變鈍，以致無法切入礦物。當角很小時，所需進給力增大，容易使截齒超載，此時，截齒不僅軸線方向承受負荷，而且齒頂方向負荷較大，使進給力和切削力達到十分有效的使用效果，經(jīng)德國礦冶技術有限公司試驗分析，推薦最佳的截割角為46°.
圖3-7 鎬形齒的安裝角度
Figure 3-7 pickaxe shape cutting pick installment angle
②傾斜角β。截齒按傾斜角安裝，保證截齒在橫向擺動截割時，沿合速度方向截入巖體。由于截割頭橫擺速度遠遠低于截割速度，因此，β角很小。（）。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)實踐和實驗表明，截齒應向截割頭橫擺方向偏轉(zhuǎn)8°。這樣，截齒的運動方向與進入巖體方向一致，也有助于截齒的自轉(zhuǎn)。
3.9 掘進機總體布置圖
1—切割部；2—裝載部；3—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)
圖3-8 掘進機的總體布置圖
3.10 總體參數(shù)總結(jié)
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根據(jù)設計的要求和目的，進行了掘進機的總體方案設計。這里確定了本掘進機的型號為EBZ200。這里大多運用到行業(yè)標準，以及各煤炭科學研究院所的研究成果和經(jīng)驗公式。為了保證實用性，在參數(shù)的選取上，盡量實現(xiàn)優(yōu)化，現(xiàn)把各總體參數(shù)總結(jié)如下：
1) 初步確定切割電機功率?? 200kW；
2) 截割頭轉(zhuǎn)速??? 46 ；
3) 履帶行走速度? 0～5/10 ；
4) 履帶板寬??? 450mm；
5) 行駛寬度 3000 mm；
6)履帶接地長度 3300mm；
7)機??長? 8.7 m；
8)機??寬? 2.8 m；
9)機 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 ；
14)垂直回轉(zhuǎn)的上擺角