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高速金屬切削立銑刀涂層的研究 摘要 一些用在硬質(zhì)合金和金屬陶瓷端銑刀上的新型民用試驗PVD (物理氣相沉積)涂層正通過實驗室試驗進(jìn)行研究.這些有涂層和無涂層刀具被用在高速的鋼的干切削和鋁合金的濕切削上.最后使用銑床進(jìn)行精加工.刀具壽命被用來作為評價涂層性能的標(biāo)準(zhǔn),同時也以切削力和功率損耗的現(xiàn)場監(jiān)察為基礎(chǔ).最后的結(jié)果按照機(jī)械加工的單位體積損耗來進(jìn)行討論. # 1999 Elsevier Science S.A. All rights reserved. 關(guān)鍵詞: PVD涂層;端銑刀;高速銑削 1. 論文簡介 這項研究工作通過調(diào)查一些用在商用的硬質(zhì)合金和金屬陶瓷端銑刀上的新型涂層進(jìn)行處理[1-3].使用由物理氣相沉積技術(shù)組成并基于陰極電弧的裝置[4].鋼和鋁合金被用作工件材料.一般來講,大家都知道當(dāng)金屬陶瓷基板的涂層效果沒有被完全評估時硬質(zhì)合金表面的PVD涂層可以提升切削刀具的耐磨性[5-11]. 2. 試驗 2.1材料 鋼塊AISI-SAE 1045(HB≈190)和過共晶鋁合金(包含:硅 17±19%, 鐵 1.20%最大, 鎂 0.4±0.7%)用作被加工材料.商用硬質(zhì)合金端銑刀(ISO等級K10-20;體積組成:碳化鎢≈90%,Co≈10%;HV30=1600;抗彎強(qiáng)度3700N/mm2),金屬陶瓷(ISO等級P20;主要由TiCN, TiC, TaC, WC, NbC, Co, Ni組成; HV30=1600; 抗彎強(qiáng)度2300 N/mm2)用作切削刀具. 硬質(zhì)合金(HM)和金屬陶瓷也被用作基板,外表涂上基于陰極電弧系統(tǒng)的PVD涂層[4].一些單層按如下堆放: MoS2和TiN(兩種試驗涂層基板) , TiCN, TiAlCN, TiAlNbN(僅HM); TiAlN(僅金屬陶瓷)和如下混合層TiN+TiCN(兩種試驗涂層基板) .顯微鏡下的涂層如圖1.這些涂層的特性總結(jié)在下面表1中. 2.2銑削試驗 精加工是在CNC銑床上完成,切削速度平均在vc=100±600 m/min;進(jìn)給速率fz=0.04 mm/每齒;軸向切削深度aa=0.5 mm;徑向切削深度ar=10 mm.設(shè)備條件總結(jié)在表2中:干切削以AISI-SAE 1045運行,當(dāng)濕操作時需要5%的乳液配合切削鋁合金以免刀具被焊接到被加工工件上. 該端銑刀刀具的幾何參數(shù)列在表3中. 通過切削力與功率的實時檢測，刀具側(cè)面磨損極限VBB≤0.20 mm被用作評價涂層表現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)（ISO3002\1），VBB是通過一套離線光學(xué)測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。切削力通過安裝在機(jī)床上的三相陀螺儀進(jìn)行測量。主軸電機(jī)消耗的功率通過切削過程中的功率監(jiān)控器進(jìn)行測量。力和功率通過在線的帶有一個數(shù)字信號處理板的計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 3. 結(jié)果與討論 Fig2.3是用鋁合金作為工件材料的的銑削試驗結(jié)果。Fig4-7是用AISI-SAE 1045進(jìn)行試驗的銑削結(jié)果。 由銑削試驗結(jié)果可知，用鋁合金作為工件材料，通過在重金屬基板上涂層實驗發(fā)現(xiàn)其可獲得一個有限的提升，根據(jù)耐磨性與效率的觀點，按照金屬移除體積，未涂層刀具與涂層刀具有著相似的表現(xiàn)。如果將未涂層 刀具作為基準(zhǔn)，那么刀具壽命百分比將在87-113%的范圍內(nèi)進(jìn)行變化，涂有TiALNbN的刀具有著最好的表現(xiàn)：這是一種能抵抗高溫的新型涂層。這些涂層不能進(jìn)行干切削，因其不能產(chǎn)生工件材料與刀具的焊接屏障。 至于鋼AISI-SAE 1045的銑削，其切削表現(xiàn)主要依靠底層件板材料。當(dāng)陶瓷材料為底層材料，未涂層刀具獲得最好的表現(xiàn)，所  有涂層材料在測試中均表現(xiàn)為減少，這種現(xiàn) 象可能是由于刀具材料與工件材料之間的化 學(xué)反應(yīng)。這些涂層并不能有效阻止普遍性磨 損，這是一種最重要的磨損理論，由此可以 將金屬干切削提高到更高的切削速度。（Vc =600/min） 如果將未涂層刀具作為基準(zhǔn)，那么刀具壽命將減少63%（TiN+TiCN）-91%（TiAlN）你會發(fā)現(xiàn)TiN+TiCN是最低的氧化阻力而TiN+TiCN最高。 另一方面，如果底層材料為重金屬，那么未涂層材料表現(xiàn)最差。事實上使用Vc=200m/min的切削速度，未涂層材料太低而不能與涂層材料相比。另外，即使未涂層材料使用Vc=100m/min的切削速度，其與在Vc=200m/min的涂層材料相比也有著很大差距。（fig6） 如果將未涂層刀具作為基準(zhǔn)，下面重要的刀具壽命將會增長：27%（TiALNbN）297%（TiN+TiCN）385%（TiCN）455%（TiAlN）和473%（TiN），從經(jīng)濟(jì)角度來看，涂層與未涂層刀具有以下計算公式： ,(1) 其中，Cw是機(jī)械加工花費（￡it/cm3）;Cm=1170, 機(jī)械刀具的使用花費（￡it/min）；Ct刀具花費（￡it）；Tw刀具壽命（以VBb=0.2mm）；Tt=3,磨損的刀具的變化時間（min），V是金屬的去除體積。 與Eq（1）有關(guān)的數(shù)據(jù)總結(jié)在表4中以，當(dāng)?shù)毒咭越?jīng)濟(jì)方式涂層，刀具耗費意大利市場價格為準(zhǔn)，當(dāng)?shù)毒咛貏e的以實驗為用途進(jìn)行涂層，花費以每種底層材料的涂層的相似類型的經(jīng)濟(jì)花費為基礎(chǔ)，下面的柱形表對機(jī)械花費進(jìn)行了對比，并用Eq（1）進(jìn)行計算。 Fig8表明從經(jīng)濟(jì)角度看，未涂層重金屬是最合適的即使其銑削鋁合金時以刀具壽命（fig2）和金屬移除體積（fig3）來看并不是表現(xiàn)最好的.涂層和未涂層刀具在價格方面的重要差異的影響因素（table4）。Fig9表明從經(jīng)濟(jì)和切削效率來看用陶瓷作為刀具基層材料的未涂層刀具來銑削AISI-SAE 1045是最合適的。 另一方面，fig10與 6,7表明考慮機(jī)械花費，以TiN為涂層的重金屬刀具是最合適的，同樣其在刀具壽命與金屬移除體積方面 表現(xiàn)最好。 至于切削力功率與切削力，F(xiàn)x與Fy在表11-13中表明吸收的plots，通過考慮在監(jiān)控時上下銑削的價值，一般來講，這些量隨著時間增長與刀具磨損有關(guān)。Fig11表明機(jī)械加工鋁合金時，最好的涂層材料TiALNbN（table4）同樣允許切削力的降低，這意味著更好的機(jī)械加工性。 4. 結(jié)論 根據(jù)實驗結(jié)論與以上討論，可以得出以下結(jié)論： 1. 重要刀具壽命的提升與機(jī)械加工花費的減少可以使用涂層重金屬來銑削AISI-SAE 1045 2. 通過應(yīng)用于AISI-SAE 1045，當(dāng)用PVD涂層時陶瓷端銑削的磨損極限增加。 3. 涂有重金屬的刀具不能加工鋁合金，并且不會減少機(jī)械加工花費。 4. 在一些情況下，以重金屬為基礎(chǔ)的PVD涂層刀具可以在濕切削鋁合金時提高磨損極限 5. 這些涂層通過減少磨損和切削力可以提升AISI-SAE 1045的干機(jī)械加工性和鋁合金的濕機(jī)械加工性 References [1] K.N. Strafford, C. Subramanian, J. Mater. Process. Tech. 53 (1995)393. [2] C. Subramanian, K.N. Strafford, Wear 165 (1993) 85. [3] F.H. Loè ffler, Surface and Coatings Tech. 68-69 (1994) 729. [4] H. Curtins, W. Bloèsch, Proceedings of the International Conferenceon Metallurgical Coatings and Thin Films, ICMCTF'95, San Diego,USA, 24-28 April, 1995, Elsevier, Amsterdam, p. 632. [5] R.F. Bunshah et al., Deposition Technologies for Films and Coatings,Noyes Publications, 1982. [6] G.E. D'Errico, E. Guglielmi, in: E. Kuljanic (Ed.), Advanced Manufacturing Systems and Technology, CISM Courses and Lectures No. 372, Springer, Wien, New York, 1996, p. 169. [7] S. Bugliosi, R. Chiara, R. Calzavarini, G.E. D'Errico, E. Guglielmi, in: L.A. Dobrzanski (Ed.), Proceedings of the International Conference of AMT'95, Zakopane, Poland, 17-21 May 1995, p. 67. [8] G.E. D'Errico, S. Bugliosi, E. Guglielmi, in: M.S.J. Hashmi (Ed.), Proceedings of the International Conference of AMPT'95, Dublin,Ireland, vol. 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XX大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 指導(dǎo)教師： 職稱： 所在院（系）： 機(jī)械與動力工程系 教研室（研究室）： 機(jī)制教研室 題 目 新型電牽引采煤機(jī)截割部的設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué)號 一、選題質(zhì)量： 1.采煤機(jī)截割部的設(shè)計符合本專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)，能夠體現(xiàn)綜合訓(xùn)練要求。 2.題目難易程度中等偏上。 3.設(shè)計說明書的設(shè)計與計算部分難度中等但工作量較大。 4.此題目直接與現(xiàn)實中的采煤機(jī)相關(guān)，設(shè)計此采煤機(jī)可以直接與工廠生產(chǎn)相連，產(chǎn) 生效益；同時新型采煤機(jī)的設(shè)計可以提高生產(chǎn)效率；此題目為創(chuàng)新型題目，可培養(yǎng) 學(xué)生的研究精神。 二、開題報告完成情況： 已完成 三、階段性成果： 1.完成開題報告 2.設(shè)計說明書計算部分草稿完成 3.完成AutoCAD的部分圖紙草繪 4.完成國外文獻(xiàn)的翻譯 四、存在主要問題： 1.圖紙設(shè)計需要查資料，因此進(jìn)展緩慢 2.設(shè)計計算工作量稍大，特別是需要校核部分 五、指導(dǎo)教師對學(xué)生在畢業(yè)實習(xí)中，勞動、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)展等方面的評語 指導(dǎo)教師： （簽名） 年 月 日 3 XX大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 題目名稱 新型電牽引采煤機(jī)截割部設(shè)計 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué)號 一、 選題的目的和意義： 與目前國外最先進(jìn)的電牽引采煤機(jī)相比．國內(nèi)電牽引采煤機(jī)在總體參數(shù)性能方面尚有較大差距(1)單臺截割電動機(jī)功率均在400kw以上，目前多數(shù)采煤機(jī)的單臺截割電動機(jī)已達(dá)到600kW，最新的采煤機(jī)單臺截割功率高達(dá)750kw；(2)截割功率的增大，支架隨機(jī)文護(hù)的實現(xiàn)，為加大滾筒截深創(chuàng)造條件，以前滾筒的截保大多足的630-800mm，而今已普遍采用1000-1200mm截深，個別截深l500mm 除上述我同采煤機(jī)存總體水平上存在較大的差距外，在采煤機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計、加工制造和材質(zhì)件能與國外先進(jìn)水平有較大的距離。因使用條件的緣故，采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)具有其特殊性(截出、滾筒、行走機(jī)構(gòu)等都有特定要求)，如滾筒設(shè)計CAD．滾筒設(shè)計制約因素很多，首先要根據(jù)復(fù)雜多樣的煤層地質(zhì)條件，、然后是工作面的生產(chǎn)技術(shù)要求，還要考慮的是采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(滾筒直稈、截深、轉(zhuǎn)速、牽引速度)，而最后要設(shè)計出一個截割效率高，裝煤效果好，塊煤產(chǎn)出多，粉煤生成少，截齒消耗小，使用壽命長，制造成本低的截割滾筒。 二、 國內(nèi)外研究綜述： 20世紀(jì)70年代中期，德國Eickhoff公司和美國JOY公司相繼研制出最早的直流電牽引采煤機(jī)。此后，世界上各主要采煤機(jī)研究制造公司均對電牽引采煤機(jī)進(jìn)行了大量的研究開發(fā)。80年代后期涌現(xiàn)了大量電牽引采煤機(jī)型，并出現(xiàn)了交流電牽引采煤機(jī)。20世紀(jì)90年代，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，開發(fā)出集電子電力、微電子、信息管理以及計算機(jī)智能技術(shù)與一體的大功率電牽引采煤機(jī)。如美國的JOY公司的路系列，英國的Long-Airdox公司的Anderson Electra、Anderson EL系列，德國Eickhoff公司的EDW系列、SL系列，日本三井三他制作所的MCLE-DR系列等電牽引采煤機(jī)。電牽引采煤機(jī)以其性能參數(shù)優(yōu)、可靠性強(qiáng)、自動化程度高、操作方便、控制靈敏、監(jiān)控保護(hù)及檢測功能完善和經(jīng)濟(jì)效益好等眾多優(yōu)點在國際上被迅速推廣使用。 三、 畢業(yè)設(shè)計（論文）所用的主要技術(shù)與方法： 文獻(xiàn)法，AutoCAD繪圖等 四、 主要參考文獻(xiàn)與資料獲得情況： 《滾筒式采煤機(jī)理論設(shè)計基礎(chǔ)》，劉春生著，中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003 《采煤機(jī)》，李昌熙等編，煤炭工業(yè)出版社，1988.05 五、 畢業(yè)設(shè)計（論文）進(jìn)度安排（按周說明） 第一周，收集資料 第二周，進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)計算并撰寫論文大綱 第三周，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文 第四周，運用AutoCAD設(shè)計部分零件圖與裝配圖 六、 指導(dǎo)教師審批意見： 指導(dǎo)教師： （簽名） 年 月 日 2 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 題目 新型電牽引采煤機(jī)截割部的設(shè)計 院（系部） 機(jī)械與動力工程系 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 年級班級 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 年 月 日 XX大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 一、題目 二、主要任務(wù)與要求 三、起止日期 年 月 日至 年 月 日 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章） 系 主 任 簽字（蓋章） 年 月 日 XX 大 學(xué) 萬 方 科 技 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 題目 評閱人 簽字（蓋章） 職 　 稱 工作單位 年 月 日 XX大 學(xué) 萬 方 科 技 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）評定書 專業(yè)班級 學(xué)生姓名 題目 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章）　　職稱 年 月 日 XX 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯許可證 經(jīng)審查， 專業(yè) 班 同學(xué)所提交的畢業(yè)設(shè)計（論文），符合學(xué)校本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）的相關(guān)規(guī)定，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書的要求，根據(jù)學(xué)校教學(xué)管理的有關(guān)規(guī)定，同意參加畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章） 年 月 日 根據(jù)審查，準(zhǔn)予參加答辯。 答辯委員會主席（組長） 簽字（蓋章） 年 月 日 XX大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會（小組）決議 院（系） 專業(yè) 班 同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計（論文）于 年 月 日進(jìn)行了答辯。 題目 答辯委員會成員 主 席（組長） 委 員（成員） 委 員（成員） 委 員（成員） 委 員（成員） 委 員（成員） 委 員（成員） 答辯前向畢業(yè)設(shè)計答辯委員會（小組）提交了如下資料： １、設(shè)計（論文）說明 共 頁 ２、圖紙 共 張 ３、評閱人意見 共 頁 ４、指導(dǎo)教師意見 共 頁 根據(jù)學(xué)生所提供的畢業(yè)設(shè)計（論文）材料、評閱人和指導(dǎo)教師意見以及在答辯過程中學(xué)生回答問題的情況，畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會（小組）做出如下決議。 一、畢業(yè)設(shè)計（論文）的總評語 二、畢業(yè)設(shè)計（論文）的總評成績 畢業(yè)設(shè)計答辯委員會主席（組長） 簽名 委員（組員）簽名 年 月 日 —7— XX大學(xué)本科畢業(yè)論文 摘 要 本說明書主要介紹了采煤機(jī)截割部的設(shè)計計算。此新型電牽引采煤機(jī)截割部主要是由一個搖臂減速箱和一個行星減速機(jī)構(gòu)組成,截割部電機(jī)放在搖臂內(nèi)橫向布置,電動機(jī)輸出的動力經(jīng)由三級直齒圓拄齒輪和行星輪系的傳動，最后驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)。截割部采用四行星單浮動結(jié)構(gòu)，減小了結(jié)構(gòu)尺寸，采用大角度彎搖臂設(shè)計，加大了過煤空間，提高了裝煤效果。 關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；截割部；減速箱；行星輪系；設(shè)計 Abstract Calculate in design which cuts the cutting department of main introduction mining machine of this manual.It is made up of a gearbox and moderate breeze gear wheel transmission that the advanced mining machine cuts the cutting department,cut the electrical machinery of cutting department and put to fix up horizontally in the rocker arm,the power that the motor outputs leans on around of transmission of department of gear wheel and planet round via the tertiary straight tooth ,urge the cylinder ti rotate finally.Cut the cutting department and adopt the floating structure of four planetary forms,have reduced the physical dimension, adopt the large angle to curve the rocker arm to design,have strengthened the space of coal,have improved the coal result of putting. Key words: Mining machine;Cut the cutting department;Gearbox;A department of planet;Desigh II 目 錄 前 言 1 1 緒論 2 1.1 采煤機(jī)發(fā)展概述 2 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢 4 1.2.1 國外電牽引采煤機(jī)發(fā)展概況 4 1.2.2 國內(nèi)電牽引采煤機(jī)發(fā)展概況 5 1.2.3技術(shù)特點與發(fā)展趨勢 6 1.2.4 國內(nèi)電牽引采煤機(jī)研究方向 9 2 煤的機(jī)械性能及截割理論 10 2.1 煤層構(gòu)造特點 10 2.1.1 原生性構(gòu)造特點 10 2.1.2 次生性構(gòu)造特點 10 2.1.3 斷裂和裂縫的觀測 11 2.2 煤的物理機(jī)械性質(zhì) 12 2.2.1 煤的物理性質(zhì) 12 2.2.2 煤的機(jī)械性質(zhì) 13 2.2.3 煤的堅固系數(shù) 17 2.2.4 煤的截割阻抗 17 3 截割部的設(shè)計與計算 18 3.1主要技術(shù)參數(shù) 18 3.2傳動比和各軸轉(zhuǎn)矩的計算 19 3.3 齒輪強(qiáng)度校核 22 3.3.1 第Ⅰ級、高速級減速齒輪 22 3.3.2 第Ⅱ級減速齒輪 29 3.4 行星機(jī)構(gòu)的計算 36 3.5 截割部軸的設(shè)計計算 56 3.5.1 離合器齒輪軸 56 3.5.2 齒輪組軸 64 3.6 截割部軸承壽命校核 71 3.6.1 離合齒輪組軸承 71 3.6.2 齒輪組軸軸承 73 4 采煤機(jī)的使用與維護(hù) 75 4．1采煤機(jī)使用過程中常見故障與處理 75 4.1.1 采煤機(jī)截割部與牽引部連接部位損壞的原因分析： 75 4.2大功率采煤機(jī)截割部溫升過高現(xiàn)象及解決方法 76 4.2.1 發(fā)熱原因的分析 77 4.2.2 解決方法 77 4．3采煤機(jī)軸承的維護(hù)及漏油的防治 78 4.3.1采煤機(jī)軸承損壞形式和原因 78 4.3.2 預(yù)防和改進(jìn)措施 79 4.3.3 加強(qiáng)軸承使用中維護(hù)和保養(yǎng) 80 4.3.4 采煤機(jī)漏油及處理 80 4．4煤礦機(jī)械傳動齒輪失效的改進(jìn)途徑 81 4.4.1設(shè)計 82 4.4.2 選材 83 4.4.3 加工工藝 83 4.4.4 熱處理 84 4.4.5 表由強(qiáng)化處理 85 4.4.6 正確安裝運行 85 4.4.7 潤滑 85 致 謝 89 參考文獻(xiàn) 90 iii 前 言 我國是一個貧油、少氣、富煤的國家，因此我國是產(chǎn)煤大國，煤炭是我國最主要的能源，是保證我國國民經(jīng)濟(jì)飛速增長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 然而采煤一直以來都被人們看作一項非常危險的事情。在以前國內(nèi)有很多小型煤窯，由于規(guī)模小，技術(shù)落后，大部分都是靠人工進(jìn)行挖煤、運輸煤。因此經(jīng)常出現(xiàn)各種事故，而且大量浪費了資源。大型的采煤機(jī)械的出現(xiàn)使這一現(xiàn)象得到了改觀。采煤機(jī)作為采煤的主要工具是實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)機(jī)械化和現(xiàn)代化的重要設(shè)備之一。機(jī)械化采煤可以減輕體力勞動、提高安全性，達(dá)到高產(chǎn)量、高效率、低消耗的目的。它對提高煤的采掘效率有著重要的影響。 20世紀(jì)70年代主要靠進(jìn)口采煤機(jī)來滿足我國生產(chǎn)的需要，到今天幾乎是我國采煤機(jī)占領(lǐng)我國的整個采煤機(jī)市場，依靠科技進(jìn)步，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)高效礦井綜合配套技術(shù)是我國煤炭科技的發(fā)展的主攻方向，我國的采煤機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了自主研發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)化，系列化階段。 1 緒論 1.1 采煤機(jī)發(fā)展概述 機(jī)械化采煤開始于本世紀(jì)40年代，是隨著采煤機(jī)械的出現(xiàn)而開始的。40年代初期，英國、蘇聯(lián)相繼生產(chǎn)了采煤機(jī)，使工作面落煤、裝煤實現(xiàn)了機(jī)械化。但當(dāng)時的采煤機(jī)都是鏈?zhǔn)焦ぷ鳈C(jī)構(gòu)，能耗大、效率低，加上工作面輸送機(jī)不能自移，所以生產(chǎn)率受到一定的限制。 50年代初期，英國、聯(lián)邦德國相繼生產(chǎn)出了滾筒式釆煤機(jī)、可彎曲刮板輸送機(jī)和單體液壓支柱，從而大大推進(jìn)了采煤機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展。滾筒式采煤機(jī)采用螺旋滾筒作為截割機(jī)構(gòu)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動并切人煤壁后，通過安裝在滾筒螺旋葉片上的截齒將煤破碎，并利用螺旋葉片把破碎下來的煤裝人工作面輸送機(jī)。但由于當(dāng)時采煤機(jī)上的滾筒是死滾筒，不能實現(xiàn)調(diào)高，因而限制了采煤機(jī)的適用范圍，我們稱這種固定滾筒采煤機(jī)為第一代采煤機(jī)。因此，50年代各國采煤機(jī)械化的主流還只是處于普通機(jī)械化水平。雖然在1954年英國已研制出了自移式液壓支架，但由于采煤機(jī)和可彎曲刮板輸送機(jī)尚不完善，綜采技術(shù)僅僅處在開始試驗階段。 60年代是世界綜采技術(shù)的發(fā)展時期。第二代采煤機(jī)——單搖臂滾筒采煤機(jī)的出現(xiàn)，解決了采高調(diào)整問題，擴(kuò)大了采煤機(jī)的適用范圍。這種采煤機(jī)的滾筒裝在可以上下擺動的搖臂上，通過擺動搖臂來調(diào)節(jié)滾筒的截割高度，使采煤機(jī)適應(yīng)煤層厚度變化的能力得到了大大加強(qiáng)。1964年，第三代采煤機(jī)——雙搖臂滾筒采煤機(jī)的出現(xiàn)，進(jìn)一步解決了工作面自開切口問題。另外，液壓支架和可彎曲輸送機(jī)技術(shù)的不斷完善，把綜采技術(shù)推向了一個新水平，并在生產(chǎn)中顯示了綜合機(jī)械化采煤的優(yōu)越性——高效、高產(chǎn)、安全和經(jīng)濟(jì)，因此各國競相采用綜采。進(jìn)入70年代，綜采機(jī)械化得到了進(jìn)一步的發(fā)展和提高，綜采設(shè)備開始向大功率、高效率及完善性能和擴(kuò)大使用范圍等方向發(fā)展，相繼出現(xiàn)了功率為750—1000kW的采煤機(jī)，功率為900—1000kW、生產(chǎn)能力達(dá)1500t／h的刮板輸送機(jī)，以及工作阻力達(dá)1500kN的強(qiáng)力液壓支架等。1970年采煤機(jī)無鏈牽引系統(tǒng)的研制成功以及1976年出現(xiàn)的第四代采煤機(jī)——電牽引采煤機(jī)，大大改善了采煤機(jī)的性能，并擴(kuò)大了它的使用范圍。世界上第一臺直流電牽引(他勵)采煤機(jī)是由西德艾柯夫公司1976年研制的EDW一150—2L型采煤機(jī)。該采煤機(jī)首次使用就顯示出電牽引的優(yōu)越性，即效率高、產(chǎn)量大、可靠性高，其故障率只是液壓牽引采煤機(jī)的l／5。同年，美國久益公司研制出了1LS直流(串勵)電牽引采煤機(jī)，以后陸續(xù)改進(jìn)發(fā)展為2LS、3LS、4LS系列；1996年生產(chǎn)的6LS05型采煤機(jī)，其總裝機(jī)功率為1530kW，是目前世界上功率最大的釆煤機(jī)。 我國采煤機(jī)始于50年代，主要從國外引進(jìn)，自70年代開始，我國處于引進(jìn)與開發(fā)相結(jié)合的發(fā)展時期，能自行設(shè)計和生產(chǎn)適合各種煤層的螺旋滾筒式采煤機(jī)。我國采煤機(jī)的發(fā)展在80年代處于興盛時期，在90年代進(jìn)入電牽引階段。1997年研制了我圖第一臺大功率電牽引采煤機(jī)，實現(xiàn)了采煤機(jī)技術(shù)的升級換代。現(xiàn)在我國采煤機(jī)技術(shù)正向高技術(shù)、高性能、高可靠性及電牽引方向發(fā)展。 滾筒式采煤機(jī)總體結(jié)構(gòu)一般由截割部、電動機(jī)、牽引部和電氣控制系統(tǒng)以及輔助裝置組成。截割部是工作機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動裝置的總稱，它包括固定減速箱、搖臂和滾筒，是采煤機(jī)實現(xiàn)截煤、破煤和裝煤的工作部分。采煤機(jī)截割部減速器一般分為固定減速器和搖臂減速器，其作用是將電動機(jī)的動力傳遞給螺旋滾筒，它主要包括齒輪減速的機(jī)械傳動系統(tǒng)和供搖臂調(diào)高滾筒用的液壓傳動系統(tǒng)。本文設(shè)計的電牽引采煤機(jī)就是采用了搖臂減速器與行星機(jī)構(gòu)的傳動系統(tǒng)。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢 1.2.1 國外電牽引采煤機(jī)發(fā)展概況 20世紀(jì)70年代，美國JOY公司研制成功了1LS多電機(jī)橫向布置直流電牽引采煤機(jī)，此后又陸續(xù)研制了2LS-6LS等型多電機(jī)橫向布置電牽引采煤機(jī)。7LS5采煤機(jī)總功率1940kW，牽引速度30m／min，采用JOY Ultratrac2000型強(qiáng)力銷軌無鏈牽引系統(tǒng)，加大銷軌節(jié)距和寬度，并采用鍛造銷排，裝備了與6LS5型通用的JNA機(jī)載計算機(jī)信息中心，具有人機(jī)通訊界面、故障診斷圖形顯示和儲存、無線電遙控、牽引控制和保護(hù)等功能。 德國Eickhoff公司于1976年研制成功直流電牽引采煤機(jī)，并基本停止了液壓牽引采煤機(jī)的研發(fā)，此后又陸續(xù)開發(fā)了多種形式電牽引采煤機(jī)。20世紀(jì)90年代開發(fā)的SL系列橫向布置交流電牽引采煤機(jī)，將截割電機(jī)布置在搖臂上。其中SL500型電牽引采煤機(jī)裝機(jī)功率達(dá)1815kW，最大牽引力869kN；SL300型電牽引采煤機(jī)總裝機(jī)功率1138kW，采用雙變頻器一拖一系統(tǒng)，最大牽引速度達(dá)36．7 m／min：SLl000型采煤機(jī)裝機(jī)功率達(dá)2600kW，牽引力1003kN。控制系統(tǒng)具有交互式人機(jī)對話、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)報、在線控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋? 英國long-Airdox公司于1984年研制成功第1臺將截割電機(jī)布置在搖臂上的多電機(jī)橫向布置的Electra55V型直流電牽引采煤機(jī)，在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出功率更大的Electral000型直流電牽引采煤機(jī)。20世紀(jì)90年代，在Electra系列機(jī)型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加大功率，改進(jìn)控制系統(tǒng)，開發(fā)了EL系列交流電牽引采煤機(jī)，主要機(jī)型有EL600、ELl000、EL2000、EL3000型。在EL系列機(jī)型上裝置的Impact集成保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)具有負(fù)荷控制、機(jī)器監(jiān)控、采煤機(jī)自動定位、自動調(diào)高、區(qū)域控制‘智能化安全聯(lián)鎖、隨機(jī)故障診斷和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。日本三井三池制作?987年后陸續(xù)研制成功多種截割電機(jī)縱向布置的MCLE．DR系列交流電牽引采煤機(jī)，近幾年又開發(fā)了截割電機(jī)橫向布置的多電機(jī)交流電牽引采煤機(jī)。采煤機(jī)裝有微機(jī)工況監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，可數(shù)字顯示牽引速度、滾筒位置、留頂?shù)酌汉穸取㈦姍C(jī)負(fù)載及各處溫度，具有無線遙控裝置，并可加裝紅外線發(fā)射器操縱液壓支架。表l為國外代表性電牽引采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。 1.2.2 國內(nèi)電牽引采煤機(jī)發(fā)展概況 我國電牽引采煤機(jī)在消化吸收國外引進(jìn)采煤機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過二次開發(fā)擁有了許多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的換代產(chǎn)品，在我國煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面，國產(chǎn)采煤機(jī)已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，完全采用國產(chǎn)裝備的高產(chǎn)高效工作面不斷涌現(xiàn)。1991年，煤炭科學(xué)研究總院上海分院與波蘭合作，在國內(nèi)率先研制成功我國第l臺采用交流變頻調(diào)速技術(shù)的薄煤層爬底板采煤機(jī)，接著又先后研制成功了截割電機(jī)縱向布置的交流電牽引采煤機(jī)、截割電機(jī)橫向布置的適用于中厚和較薄煤層的交流電牽引采煤機(jī)。上海分院研制的MG系列電牽引采煤機(jī)已形成九大系列共幾十個品種。太原礦山機(jī)器廠與上海分院合作，將AM500液壓牽引采煤機(jī)改造成MG375／830-WD型交流電牽引采煤機(jī)后，又自主研制成功了MGTY400／900-3·3D型和MG750／1800-3．3D型機(jī)載交流變頻調(diào)速鏈軌式電牽引采煤機(jī)，現(xiàn)正在國家“十一五”科技支撐計劃資助下研發(fā)裝機(jī)總功率達(dá)2 500kW、最大采高6.0 m、年產(chǎn)1000萬t的交流電牽引采煤機(jī)；雞西煤機(jī)廠與上海分院合作將MG2x300-W型液壓牽引采煤機(jī)改造成MG300／360-WD型交流電牽引采煤機(jī)后，又開發(fā)了MG200／463型、MG400／985型交流電牽引采煤機(jī)；遼源煤機(jī)廠與邢臺礦業(yè)集團(tuán)合作研制成功我國首臺應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速技術(shù)的MG668-WD型電牽引采煤機(jī)；無錫采煤機(jī)廠與中紡機(jī)電研究所合作研制成功國內(nèi)首臺應(yīng)用開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速技術(shù)的MG200／500-CD型電牽引采煤機(jī)。表2為國內(nèi)具有代表性機(jī)型的采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。 1.2.3 技術(shù)特點與發(fā)展趨勢 (1) 裝機(jī)功率增大、性能參數(shù)提高 ①單臺截割電機(jī)功率多在400kW以上。多數(shù)采煤機(jī)單臺截割電機(jī)功率己達(dá)600kW以上，EL3000采煤機(jī)單臺截割電機(jī)功率達(dá)900kW，SLl000采煤機(jī)的單臺截割電機(jī)功率高達(dá)1000kW，太原礦山機(jī)器集團(tuán)也正在研發(fā)單臺截割電機(jī)功率1000kW的新型大功率采煤機(jī)。 ②牽引功率多在80kW以上，最大已達(dá)300kW。 ③總裝機(jī)功率超過1000kW，如7LS5達(dá)1940kW，EL3000總裝機(jī)功率達(dá)2000kW，SLl000總裝機(jī)功率更高達(dá)2600kW。 ④牽引速度、牽引力大幅提高。牽引速度15～25 m／min，牽引力500 kN以上。最大牽引速度60m／min(EL3000)，最大牽引力已達(dá)1000kN以上(EL3000、SLl000、西安煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)MG900／2210、雞西煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的MG800／2040)，太原礦山機(jī)械集團(tuán)有限公司即將推出牽引力l 125kN的采煤機(jī)。 ⑤截割功率增大，支架實現(xiàn)隨機(jī)支護(hù)，滾筒截深加大。10a前，截深大多是630-700mnl，現(xiàn)普遍采用截深1000～1200raln，別已達(dá)到1500 nun截深。 ⑥采煤機(jī)可靠性和開機(jī)率提高。國外采煤機(jī)大修周期2a，出煤量400～600萬t，要求采煤機(jī)出煤量300-400萬t而不大修，差距較大。 (2) 中高壓供電 隨著采煤機(jī)裝機(jī)功率大幅度提高，工作面不斷加長，整個工作面容量超過5000kW，工作面長度達(dá)到300m。為減少輸電線路損耗，提高供電質(zhì)量和電機(jī)性能，普遍采用中高壓供電。主要供電等級有2300V、3300V、4160V、5000V等。 (3)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)智能化 現(xiàn)代電牽引采煤機(jī)均配備有智能化監(jiān)控、監(jiān)測和保護(hù)系統(tǒng)，可以實現(xiàn)交互式人機(jī)對話、無線電遙控、工況監(jiān)測及狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集存儲及傳輸、故障診斷及預(yù)警、自動控制、自動調(diào)高等多種功能，以保證采煤機(jī)維護(hù)量最小，利用率最高，并可實現(xiàn)與液壓支架、工作面輸送機(jī)的信息交互和聯(lián)動控制等功能。如安德森公司EL系列機(jī)型上裝置Impact集成保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)，Eichhoff公司的Eichhoff數(shù)據(jù)匯集技術(shù)系統(tǒng)， JOY公司6LS型電牽引采煤機(jī)的JNA網(wǎng)絡(luò)信息中心等。 (4)電牽引系統(tǒng)向交流調(diào)速發(fā)展 早期的電牽引采煤機(jī)大多采用直流調(diào)速系統(tǒng)。日本20世紀(jì)80年代中期研制成功第1臺交流電牽引采煤機(jī)，交流調(diào)速系統(tǒng)以其技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、維護(hù)管理簡單、價格低廉等優(yōu)點，被迅速推廣應(yīng)用。20世紀(jì)90年代中后期研制的大功率電牽引采煤機(jī)均采用交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)。目前，交流電牽引已經(jīng)取代直流電牽引。早期的交流牽引均采用一個變頻器拖動2臺牽引電機(jī)，變頻器對電機(jī)的性能參數(shù)難以準(zhǔn)確檢測，控制和保護(hù)功能無法完全發(fā)揮。如今主流交流電牽引采煤機(jī)均采用2個變頻器分別拖動2臺牽引電機(jī)的牽引系統(tǒng)，使?fàn)恳目刂坪捅Ｗo(hù)性能更加完善。這種一拖一的牽引系統(tǒng)已經(jīng)成為電牽引技術(shù)發(fā)展的又一特點。 (5)總體結(jié)構(gòu)趨向模塊化及多電機(jī)橫向布置 橫向布置方式可使各部件由單獨電機(jī)驅(qū)動，機(jī)械傳動系統(tǒng)彼此獨立，可模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便。美國從1LS開始將截割電機(jī)橫向布置在搖臂上，至今沿用。英國從Electra550開始，采用電機(jī)橫向布置。德國于20世紀(jì)90年代開發(fā)了橫向布置的SL系列電牽引采煤機(jī)。目前國內(nèi)外的電牽引采煤機(jī)幾乎都采用了橫向布置方式。 (6)無鏈牽引向齒輪-齒軌式演變 隨著牽引力的不斷增大，銷輪．齒軌式無鏈牽引已經(jīng)淘汰，齒輪．鏈軌式無鏈牽引也已使用不多，現(xiàn)在采煤機(jī)無鏈牽引正逐步趨向于采用齒輪．齒軌式無鏈牽引，這是一種從齒輪．銷軌式演變而來的無鏈牽引結(jié)構(gòu)，圓柱銷被齒軌所取代，焊接結(jié)構(gòu)改成了整體精密鑄造或鍛造，寬度增大，節(jié)距由125mm增加至175 mm。 1.2.4 國內(nèi)電牽引采煤機(jī)研究方向 國內(nèi)電牽引采煤機(jī)代表機(jī)型在總體參數(shù)和性能方面已接近國外先進(jìn)水平。但一些關(guān)鍵部件及其總體性能、功能、適應(yīng)范圍等方面還有待進(jìn)一步完善和提高。尤其是在線工況監(jiān)測、故障診斷及預(yù)報、信號傳輸與采煤機(jī)自動控制、傳感器等智能化技術(shù)與國外相比還有較大的差距。因而國內(nèi)電牽引采煤機(jī)的智能化程度低，設(shè)備可靠性、安全性和可維護(hù)性較差，今后國內(nèi)電牽引采煤機(jī)的主要研究方向如下； (1)進(jìn)一步完善和提高交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)的可靠性。重點是完善和提高系統(tǒng)裝置的抗振、散熱和防潮等性能。 (2)研究可靠的微機(jī)電氣控制系統(tǒng)。重點是提高采煤機(jī)電控系統(tǒng)抗干擾、抗熱效應(yīng)的能力。 (3)開發(fā)或增強(qiáng)電控系統(tǒng)的監(jiān)控功能。重點是研究故障診斷與專家系 統(tǒng)、工況監(jiān)測、顯示與信息傳輸系統(tǒng)、工作面采煤機(jī)自動運行控制系統(tǒng)、自適應(yīng)變頻電路的漏電檢測與保護(hù)技術(shù)、搖臂自動調(diào)高系統(tǒng)等。 (4)開發(fā)可四象限運行的礦用交流變頻調(diào)速裝置，使采煤機(jī)能適應(yīng)較大傾角煤層開采的需要。 (5)開發(fā)裝機(jī)功率更大、采高更高的采煤機(jī)，提高煤炭產(chǎn)量及回采率。 (6)加強(qiáng)提高采煤機(jī)開機(jī)率和可靠性的研究。 (7)電器元件小型化的研究。由于裝機(jī)功率增大，電動機(jī)、變壓器、變頻器等設(shè)備的體積也相應(yīng)增大，為滿足整機(jī)結(jié)構(gòu)布置緊湊的要求，必須研究設(shè)備小型化的技術(shù)途徑。 2 煤的機(jī)械性能及截割理論 煤體是采煤機(jī)械的破碎對象，對采煤機(jī)的刀具受力、能耗和裝機(jī)功率等都有直接影響，因此需要討論煤及煤層的性質(zhì)；同時，為了解煤的破碎機(jī)理，探求截煤過程的合理參數(shù)，仗工作機(jī)構(gòu)可靠、經(jīng)濟(jì)地工作，也需要討論截煤理論及截齒的受力。 2.1 煤層構(gòu)造特點 煤是遠(yuǎn)古地質(zhì)時代沉積物，并且在此后的漫長歲月中，在與空氣隔絕、高壓、高溫的條件下，經(jīng)過漫長的碳化變質(zhì)過程形成的。原始沉積物的不同，碳化變質(zhì)程度的差異，使煤炭的機(jī)械性質(zhì)和煤層的構(gòu)造在不同地域有很大差異。煤層含有矸石和硫化鐵等硬夾雜物，沉積過程 中形成的分層面(稱為層理)、地質(zhì)力使煤層破碎形成的斷裂面(稱為節(jié)理)，使煤層各處的性質(zhì)不同．即煤是一種非均質(zhì)、各向異性的脆性物質(zhì)。煤層的構(gòu)造特點按其形成原因分為原生性和次生性兩大類。 2.1.1 原生性構(gòu)造特點 原生性構(gòu)造特點由煤層生成時的條件所致，如生成煤層的材料、當(dāng)時的自然條件和環(huán)境條件等。人們用下面幾個概念描述原生性構(gòu)造特點，即層理、節(jié)理和非均質(zhì)性等。原生性構(gòu)造特點中的層理、節(jié)理是屬于潛伏性的，是指在煤層整體中固有的結(jié)構(gòu)面，這是一種非連續(xù)性弱結(jié) 合面。通常肉眼不易發(fā)現(xiàn)它們，僅能在煤層破碎過程中顯現(xiàn)出來，這時人們能看到的是光滑而規(guī)則的離層面。 2.1.2 次生性構(gòu)造特點 次生性構(gòu)造特點是由于地質(zhì)動力形成的煤層特征，通常用斷裂和裂脒這兩個概念來描述。斷裂是指在煤層內(nèi)明顯充實的分離面；裂隙則是指煤層內(nèi)張開著的明顯可見的大裂縫。 2.1.3 斷裂和裂縫的觀測 煤層中存在著弱結(jié)合面，使煤層強(qiáng)度大為降低。在煤的開采過程中，為節(jié)省能源和延長機(jī)械壽命，采煤工藝過程就應(yīng)充分利用煤層強(qiáng)度降低的這一現(xiàn)象。因此，在井下觀測斷裂和裂縫存在的規(guī)律，并對其進(jìn)行正確描述和掌握，對于煤炭開采是十分必要的。從如下諸方面描述這些規(guī)律。 （1）斷裂和裂縫的傾角與走向 斷裂和裂縫的傾角是指斷裂面和裂縫一側(cè)的平面與水平面的夾角。裂縫和斷裂的走向是指斷裂和裂縫一側(cè)平面與巷道軸線的夾角。這通常由地質(zhì)和測量方面的工程技術(shù)人員給出，標(biāo)注在圖紙上。 （2）裂縫密度 ①線裂縫密度S1:表示單位勘探線或測定線長度上的裂線條數(shù)，稱為線裂縫密度，即 （2-1） 式中 N——觀測到的裂縫條數(shù)，條； L——鉆孔巖心長度或巷道壁必及工作面的測定線長度，m。 ②面積裂縫密度S2：表示巷道壁或工作面上單位煤層面積上裂縫線總長度，即 （2-2） 式中 F——煤層被觀測而積，m2； N——在F面積內(nèi)的裂縫總條數(shù)，條； Li——第i條裂縫長度，m。 （3） 裂縫平均間隔 裂縫平均間距用s。表示，它表示在觀測范圍內(nèi)裂縫之間的平均距離，由式(2一1)可得 （2-3） （4） 裂縫充填程度 通過觀察工作面可發(fā)現(xiàn)裂縫之中是否已充滿煤粉，充滿情況可分為全充填、半充填和基本未充填等類型。 2.2 煤的物理機(jī)械性質(zhì) 煤的基本性質(zhì)可以分為物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)兩大類。 2.2.1 煤的物理性質(zhì) 煤的物理性質(zhì)主要是：容重、濕度、松散性、孔隙性、導(dǎo)電性和熱脹性等。其中與煤層開采密切相關(guān)的有：容重和濕度。 （1）客重 煤巖體的容重是指單位體積煤在干燥狀態(tài)下的重量。根據(jù)煤種類不同，如泥炭、煙煤、無煙煤以及褐煤等，其容重在1 3 t／m3～1．45 t／m3范圍內(nèi)變化(計算時通常取l.35)，表2-l給出了幾種煤和巖石的容重。 表2—1幾種煤和巖石的容重 煤和巖石名稱 花崗巖 砂巖 石灰?guī)r 頁巖 泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤 容重/t·m-3 2.56-2.67 2.11-2.64 2.46-2.6 2.16 1.3-1.45 （4）煤的濕度 煤的濕度用含水率表示。含水率是指在煤層的縫隙中存留的水的重量與煤固體重量之比。含水率高的煤巖體，結(jié)構(gòu)被弱化，其強(qiáng)度有明顯降低。采煤機(jī)械開采這樣的煤層時，功率消耗明顯降低，而且粉塵也少。 2.2.2 煤的機(jī)械性質(zhì) 煤的機(jī)械性質(zhì)是指煤體受到機(jī)械旌加的外力時所表現(xiàn)出的性質(zhì)和抵抗外力的能力。在破碎煤體時可借助于煤的機(jī)械性質(zhì)選擇對煤體作用力的形式、截煤刀具形狀和種類等。因此，采用機(jī)械開采時，了解煤的機(jī)械性質(zhì)尤其重要。 煤體的機(jī)械性質(zhì)主要是：強(qiáng)度、硬度、接觸強(qiáng)度、摩擦與磨蝕性；彈性、塑性與脆性、蠕變與松弛等。這些性質(zhì)的參數(shù)多數(shù)是借助于材料力學(xué)的研究方法在試驗室中得到。 （1） 強(qiáng)度 強(qiáng)度是衡量物體在特定方向上抵抗破壞能力的指標(biāo)，如抗壓強(qiáng)度δy抗剪強(qiáng)度δj和抗拉強(qiáng)度δl等等。強(qiáng)度極限通常用試件在實驗機(jī)上測定。研究結(jié)果表明，煤的抗壓強(qiáng)度δy最大，抗剪強(qiáng)度δj次之，抗拉強(qiáng)度δl最小，三種強(qiáng)度在數(shù)值上大約有如下關(guān)系： Δy/δj/δl=1:（0.1-0.4）：（0.03-0.1） 據(jù)此，在設(shè)計采煤機(jī)械時，設(shè)法盡量利用拉伸或剪切破壞，以減少刀具受力和能耗。幾種煤巖體材料的抗壓強(qiáng)度值見表2—2。 表2-2煤巖材料的抗壓強(qiáng)度 不同地區(qū)、不同礦層的煤巖材料強(qiáng)度均不同，由于煤的各向異性，因而同一煤體不同方向的強(qiáng)度也不同。前蘇聯(lián)學(xué)者和英國學(xué)者的研究結(jié)果表明．垂直于層理加載與平行于層理加載二者相比較，前者抗壓強(qiáng)度較后者大30％～50％。 另外，研究表明，各種煤體強(qiáng)度與其埋藏深度(由地表面算起的深度)之間的對應(yīng)關(guān)系有所不同。波蘭學(xué)者對某地區(qū)煤巖體的強(qiáng)度與其埋藏深度關(guān)系的研究結(jié)果見表2—3。 表2—3煤巖體的強(qiáng)度與其埋藏深度的關(guān)系 （2） 硬度 煤體硬度表示在較小的局部表面積上抵抗外力作用而不破壞的能力?？梢杂貌际嫌捕扔?、洛氏硬度計或肖氏硬度計來測定煤體的硬度。 （3） 接觸強(qiáng)度 上面提到的硬度，由于其測定方法所限，只代表煤巖體測定部位的個別顆?；蜴樟ｉg粘結(jié)物的硬度。為了能在宏觀上表示煤巖材料的表面強(qiáng)度，采用接觸強(qiáng)度這一概念。 接觸強(qiáng)度可按幾次實驗測壓頭上的載荷值只與S壓頭下表面積之比來計算，即 （2-4） 式中 pk——巖石材料接觸強(qiáng)度，MPa； pi——巖石材料脆性破壞的蹄間壓頭的載荷，N； n——壓頭下壓次數(shù)； s——壓頭下表面積，mm2。 接觸強(qiáng)度的概念在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計與使用中經(jīng)常遇到。前蘇聯(lián)有關(guān)學(xué)者根據(jù)接觸強(qiáng)度值的太小，把巖石分為六類：松軟(400 MPa以下)，次中等堅固(400 MPa一600 MPa)，中等堅固(650 MPa～1250 MPa)，堅固(1250 MPa～2450 MPa)，很堅固(2450 MP8～4500 MPa)和極堅固(4500 MPa以上)。 （4） 摩擦與腐蝕性 金屬零部件或硬質(zhì)臺金在煤體表面運動時，要受到摩擦阻力的作用。這種金屬與非金屬問的摩擦作用將引起如下后果：金屬部件是運動主體，將消耗其有用功；使金屬零部件表面或硬質(zhì)合金受到磨損，表面形狀改變，增加了切割阻力；使金屬零部件和硬質(zhì)合金發(fā)熱，使其硬度降低，加劇磨損，因此需要用水來冷卻。 煤體對金屬或硬質(zhì)合金的摩擦作用大小用摩擦系數(shù)p表示，F(xiàn)值大小因金屬或硬質(zhì)合金以及煤巖材料種類而異，也因作相對運動的二者之間壓力大小和相對運動速度大小而異。 前蘇聯(lián)學(xué)者對煤炭與鋼的摩擦系數(shù)研究結(jié)果表明：煤的強(qiáng)度增加，摩擦系數(shù)p值由0.5下降到0.3左右；當(dāng)煤與鋼相對滑動速度由0.lm/s增加到3.1 m/s時,μ值由0.4下降到0.15；當(dāng)法向壓力增加，μ值也減少。表2-4和表2-5給出了幾種材料之間的摩擦系數(shù)值。 表2—4鉆頭鋼、硬質(zhì)臺金與巖石的摩擦系數(shù) 表2—5煤與鋼、煤與煤的摩擦系數(shù) 磨蝕性(研磨性)：煤巖對金屬、硬質(zhì)合金或其他固體磨蝕的能力。表征煤巖磨蝕性的方法很多，這里介紹幾種應(yīng)用比較普遍的方法，用標(biāo)準(zhǔn)金屬試件在一定壓力下與被測煤巖材料接觸，并作相對移動。設(shè)作用力為P(N)，摩擦路程為L(m)，金屬試件被磨蝕掉的體積為△V(cm3)，則磨蝕系數(shù)ω。為 (2-5) 此外：還有用標(biāo)準(zhǔn)金屬試棒在一定條件下每千米摩擦路程磨蝕掉的質(zhì)量△Ⅲ(mg)或長度△l(mm)來表征磨蝕性的，此時用ρ表示磨蝕性系數(shù)。 研究結(jié)果表明，對于磨蝕性已定的煤巖，切割刀具在破碎煤巖時的磨損量與摩擦路徑成正比，與刀具對煤巖表面正壓力成正比．與刀具和煤巖之間的相對速度成正比，還與刀具的溫升成正比。這一研究成果對采煤機(jī)械的設(shè)計和使用都是很重要的，應(yīng)該使采煤機(jī)械具有適當(dāng)?shù)墓r參數(shù)“盡量減少在工作過程中刀具的磨損量。 （5） 彈性、塑性與脆性 煤體的彈性、塑性與脆性是反映煤炭受外力作用與其變形之間關(guān)系的性質(zhì)。 煤體的彈性：當(dāng)作用于煤體上的外力消失后，煤體的變形也完全消失，稱煤的這種能恢復(fù)其原來形狀和體積的性能為彈性。破碎彈性較高的煤體，消耗的能量也較高，破碎也顯得困難。一般煤體的彈性都比較小。 煤體的脆性：當(dāng)作用于煤體上的外力除去后，煤體無殘余變形，當(dāng)煤體在外力作用下破碎時，其變形也極小，這種性質(zhì)被稱為脆性。脆性好的煤體，容易被破碎。通常煤體材料的脆性都極好，因此其破壞也都屬于脆性破壞。 2.2.3 煤的堅固系數(shù) 堅固性系數(shù)又稱堅硬度，是用來衡量煤破碎難易程度的指標(biāo)，它綜合反映了煤的強(qiáng)度、硬度和彈塑性等因素。堅固性系數(shù)是前蘇聯(lián)學(xué)者普羅托季雅柯諾夫于1926年提出的，固此又稱普氏系數(shù)。 我國用堅固性系數(shù)來進(jìn)行巖石分級和煤層分類。煤和軟巖?≤4，中硬巖?=4～8，硬巖 ?≥8～20(最硬的巖石)；同時還規(guī)定?≤1.5的煤稱為軟煤，?=1.5～3.0的煤稱為中硬煤，?≥3.0的煤稱為硬煤。 2.2.4 煤的截割阻抗 截割阻抗是刀具截煤時煤及煤層抵抗機(jī)械作用的能力。它不僅能反映采煤機(jī)械刀具截煤的真實過程，而且可在井下現(xiàn)場測定，即能全面反映礦山條件的影響。因此，截割阻抗是表征煤的截割性能的一個常用指標(biāo)。煤、巖及硬雜物的截割阻抗見表2—6。 表2—6煤、巖機(jī)硬雜物的截割阻抗 從有效使用采煤機(jī)械的角度，可將煤層按截割阻抗分為三類： A≤180 N／mm的煤稱為軟煤，適合用各種刨煤機(jī)，特別是脆性煤層最適于刨煤機(jī)工作；A=180 N／mm～240 N／mm的煤稱為中硬煤。其中韌性煤適合用采煤機(jī)，脆性煤適合用滑行刨；A=240 N／mm～360 N／mm的煤稱為硬煤，韌性煤必須用大功率采煤機(jī)，脆性煤可用滑行刨或動力刨。 3 截割部的設(shè)計與計算 3.1 主要技術(shù)參數(shù) 1. 適應(yīng)煤層： 采高范圍 1.5～3.0 m 煤層傾角 ≤20° 煤質(zhì)硬度 ≤4.50MPa 截割電機(jī) 電機(jī)型號 YBC-150A（水冷） 額定功率（kW） 150 額定電壓（V） 1140 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 1475 牽引電機(jī) 電機(jī)型號 YBC-75（水冷） 額定功率（kW） 75 額定電壓（V） 1140 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 1465 2. 其它參數(shù)： 截深（mm） 800 牽引速度（m/min） 0～7.7 牽引力（kN） 400 滾筒直徑（mm） Φ1400 滾筒轉(zhuǎn)速（r/min） 39.26 3. 配套輸送機(jī)： SGB630/220型刮板輸送機(jī) 3.2 傳動比和各軸轉(zhuǎn)矩的計算 1.確定總傳動比 ： == =39.26 2.確定各級傳動比： 各級傳動比分配如下： （、、） （、、） （、、） 行星減速： （、、、） 3.確定各級傳動效率和總效率： =0.992 =0.992 =0.992 =0.992 =0.992 =0.992 則： =0.602 ----注：調(diào)高系統(tǒng)的功率損失不計，以偏安全。 4.確定各軸轉(zhuǎn)速、輸入功率： 1）轉(zhuǎn)速： 2）輸入功率： 3.3 齒輪強(qiáng)度校核 3.3.1 第Ⅰ級、高速級減速齒輪 (1)選擇齒輪材料和熱處理方法，確定齒輪的疲勞極限 應(yīng)力： 由于齒輪尺寸要求小，大小齒輪均選用合金鋼硬齒面齒輪。有效 硬化層深 小齒輪：20CrMnMo,滲碳淬火，有效硬化層深1.2~1.6mm，齒面硬 度58~62HRC，心部硬度≥32HRC。 大齒輪：20CrMnMo,滲碳淬火， 1.1~1.5mm，齒面硬度56~60HRC， 心部硬度≥32HRC。 齒輪的疲勞極限應(yīng)力按中等質(zhì)量要求MQ (2)初定齒輪主要參數(shù)和尺寸： 分度圓直徑： 節(jié)圓直徑： 基圓直徑： 齒頂圓直徑： 齒根圓直徑： 校核重合度： 無縱向重合度： 端面重合度： 齒頂圓壓力角： 嚙合角： 則總的重合度： 所以重合度符合要求。 齒輪圓周速度： 按此速度參考表“第Ⅱ公差組精度與圓周速 度的關(guān)系”選用較高的齒輪精度等級----7-6-6(GB/T10095--1988）, 以提高齒輪傳動的質(zhì)量，減低齒輪的噪聲。 (3）校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度許用接觸應(yīng)力： 實際接觸應(yīng)力： 確定式中各參數(shù)： 分度圓上的切向力： 使用系數(shù)： 動載系數(shù)： 其中： 齒向載荷分布系數(shù)： 齒間載荷分布系數(shù)： 根據(jù) 查表“齒間載荷分配系數(shù)、”得： 節(jié)點區(qū)域系數(shù)： 材料彈性系數(shù)： 重合度系數(shù)： 螺旋角系數(shù)： 單對齒嚙合系數(shù)： 計算齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)： 齒面接觸應(yīng)力循環(huán)數(shù)： t 按使用壽命為10年，每年360天，每天工作 8小時。 按齒面允許有一定點蝕查圖“接觸強(qiáng)度計算的 壽命系數(shù)”得壽命系數(shù)。 潤滑油膜影響系數(shù)： 查表“潤滑油膜影響系數(shù)值”得： 齒面工作硬化系數(shù)： 由圖“齒面工作硬化系數(shù)”得 尺寸系數(shù)： 按，查圖“接觸強(qiáng)度計算的尺寸系數(shù) ”得 將以上數(shù)據(jù)代入安全系數(shù)計算式得： 由表“最小安全系數(shù)、參考值”取一 般可靠度（失效概率0.01），選用最小安全系數(shù) 。大小齒輪的安全系數(shù)>。 4）校核齒根彎曲強(qiáng)度： 算式中各參數(shù)確定如下： 齒向載荷分布系數(shù)： 齒間載荷分布系數(shù)： 重合度系數(shù)： 螺旋角系數(shù)： 當(dāng)量齒數(shù)： 由此查圖“外齒輪的復(fù)合齒形系數(shù)”得 將以上數(shù)據(jù)代入計算式： 齒輪彎曲疲勞安全系數(shù)： 應(yīng)力修正系數(shù)： 彎曲應(yīng)力循環(huán)數(shù)與接觸應(yīng)力循環(huán)數(shù)相同，據(jù)此 查圖“彎曲強(qiáng)度計算的壽命系數(shù)”得 相對齒根圓角敏感系數(shù)： 相對齒根表面狀況系數(shù)： 取齒根表面粗糙度，據(jù)此查圖“相對 齒根表面狀況系數(shù)”得 尺寸系數(shù)： 查圖“彎曲強(qiáng)度計算的尺寸系數(shù)”得 將以上數(shù)據(jù)代入安全系數(shù)計算式： 按一般可靠度，查表“最小安全系數(shù)、 參考值”取最小安全系數(shù)。 。 由此可知第一級齒輪強(qiáng)度滿足要求 d1=138mm 故很安全 故很安全 3.3.2 第Ⅱ級減速齒輪 (1) 選擇齒輪材料和熱處理方法，確定齒輪的疲勞極限應(yīng)力： 由于齒輪尺寸要求小，大小齒輪均選用合金鋼硬齒面齒輪。 小齒輪：20CrMnMo,滲碳淬火，有效硬化層深1.2~1.6mm，齒面 硬度58~62HRC，心部硬度≥32HRC。 大齒輪：20CrMnMo,滲碳淬火，有效硬化層深1.1~1.5mm，齒面 硬度56~60HRC，心部硬度≥32HRC。 齒輪的疲勞極限應(yīng)力按中等質(zhì)量要求MQ (2) 初定齒輪主要參數(shù)和尺寸： 分度圓直徑： 節(jié)圓直徑： 基圓直徑： 齒頂圓直徑： 齒根圓直徑： 校核重合度： 無縱向重合度： 端面重合度：