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前言
懸臂式掘進(jìn)機(jī)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)截割、裝載、運(yùn)輸、轉(zhuǎn)載煤巖和調(diào)動(dòng)行走、噴霧除塵的聯(lián)合機(jī)組。隨著我國煤炭事業(yè)的發(fā)展，機(jī)械化技術(shù)的普及和推廣，綜合掘進(jìn)機(jī)械化的進(jìn)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(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道有以下優(yōu)點(diǎn)。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(jìn)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(dòng).因此全力研制和使用巷道掘進(jìn)機(jī)可以改善工藝和勞動(dòng)組織，逐步實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)過程的綜合機(jī)械化具有重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。
我國懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段60年代初到70年代末。主要是以引進(jìn)國外掘進(jìn)機(jī)為主。這一階段的主要特點(diǎn)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(jìn)機(jī)并逐步實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。這一階段特點(diǎn)是：可靠性高，已能適應(yīng)我國煤巷掘進(jìn)的需要，出現(xiàn)了重型機(jī)。第三階段由80年代至今。重型機(jī)型大批出現(xiàn)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)與制造水平已相當(dāng)先進(jìn)。這一階段特點(diǎn)是：設(shè)計(jì)水平較為先進(jìn)，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(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用進(jìn)入了一個(gè)較高的水平，已跨入國際先進(jìn)行列，可與國外的懸臂式掘進(jìn)機(jī)媲美。
目前,國內(nèi)外研制和使用巷道掘進(jìn)機(jī)種類繁多.主要分為兩大類:全斷面巷道掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī). 全斷面巷道掘進(jìn)機(jī)主要用于掘進(jìn)巖石巷道，這類掘進(jìn)機(jī)功率大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，巷道斷面形狀單一。在煤炭工業(yè)中沒有得到廣泛應(yīng)用。部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，其工作機(jī)構(gòu)僅能同時(shí)截割工作面煤巖斷面的一部分。為截割破落整個(gè)工作面的煤巖必須在斷面內(nèi)多次連續(xù)地移動(dòng)工作機(jī)構(gòu)的截割頭。故此它能實(shí)際掘出所需巷道斷面形狀。它主要用于掘進(jìn)煤或半煤巖巷道。近年研制的掘進(jìn)機(jī)有以下趨勢：廣泛采用懸臂式可伸縮的工作機(jī)構(gòu)，改善起截割性能和使用范圍。廣泛采用觸爪式裝載機(jī)構(gòu)和履帶式行走機(jī)構(gòu)。加大掘進(jìn)機(jī)的總功率和提高液壓系統(tǒng)的工作壓力。改進(jìn)噴霧除主裝置，支護(hù)設(shè)備和配套轉(zhuǎn)載設(shè)備。
目錄
摘 要 1
Abstract 2
第一章 緒論 2
1.1 掘進(jìn)機(jī)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.1.1 國外掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.1.2 國內(nèi)掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.1.3 掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢 6
1.2 掘進(jìn)機(jī)的種類 7
1.3 掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的目的及意義 10
第二章 懸臂式掘進(jìn)機(jī) 11
2.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)在我國的應(yīng)用 11
2.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu) 13
2.3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展趨勢 14
2.4 國內(nèi)外懸臂式掘進(jìn)機(jī)的差距 15
第三章 懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 16
3.1 截割部的組成 16
3.2 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 17
3.2.1 工況特點(diǎn)及要求 17
3.2.2 傳動(dòng)類型的設(shè)計(jì) 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(jī)的選擇 19
3.5 截割速度方案設(shè)計(jì) 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(shè)計(jì) 22
3.8.2 截齒的設(shè)計(jì) 23
3.8.3 截齒的排列 24
3.9 掘進(jìn)機(jī)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 29
4.1 行星減速器初步參數(shù) 29
4.1.1 傳動(dòng)比的分配 30
4.1.2 各軸功率、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 30
4.2 高速級齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 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(jī)齒輪基本尺寸 33
4.2.5 高速級行星傳動(dòng)齒輪強(qiáng)度的校核 34
4.3 低速級齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 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(qiáng)度的校核 39
4.4 軸設(shè)計(jì)及校核 43
4.5 軸承設(shè)計(jì)及校核 45
4.6 花鍵設(shè)計(jì)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(shù)經(jīng)濟(jì)性分析 49
結(jié)論 50
致謝 72
參考文獻(xiàn) 51
附錄A 譯文 52
附錄B 外文文獻(xiàn) 61
iii
摘 要
懸臂式掘進(jìn)機(jī)是為煤礦綜采及高檔普采工作面采掘巷道的機(jī)械設(shè)備，它結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)性好、機(jī)身矮、重心低、操作簡單、檢修方便。
本次設(shè)計(jì)主要對掘進(jìn)截割部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，截割部由電機(jī)、減速器、伸縮部、截割頭四部分構(gòu)成，其傳動(dòng)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(dòng)截割頭轉(zhuǎn)動(dòng)。
在可截割硬度為85Mpa的基礎(chǔ)上，對傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了選型以及方案設(shè)計(jì)，選用YBUD-200隔爆電動(dòng)機(jī)、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(jī)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(xì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參照同類型掘進(jìn)機(jī)的參數(shù)對其他部分做了設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：EBZ200掘進(jìn)機(jī) ；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(jìn)機(jī)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1.1 國外掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
早在上世紀(jì)30年代，德國、英國、美國等就開始了煤礦巷道掘進(jìn)機(jī)的研制，但巷道掘進(jìn)機(jī)得到較廣泛工業(yè)性應(yīng)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(jìn)機(jī)是世界上第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，不過當(dāng)時(shí)還未能實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的主要功能。1951年匈牙利研制了采用履帶行走機(jī)構(gòu)的F4型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，這種機(jī)型除采用橫軸截割方式和調(diào)動(dòng)靈活的履帶行走機(jī)構(gòu)外，還采用了鏟板和星輪裝在機(jī)構(gòu)，并采用了刮板輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)物料。這種機(jī)型已經(jīng)具備了現(xiàn)代懸臂式掘進(jìn)機(jī)的雛形。F系列掘進(jìn)機(jī)是目前懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)的原始機(jī)型。1971年奧地利ALPINE公司在匈牙利F系列掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)之上，研制了AM-50型掘進(jìn)機(jī)。并在此基礎(chǔ)之上，逐步形成了AM-50系列掘進(jìn)機(jī)。1972年德國引進(jìn)AM-50型掘進(jìn)機(jī)，在半煤巖中使用，在此基礎(chǔ)上EICK-HOFF公司研制成功了WAV-170和WAV-200型掘進(jìn)機(jī)，并在此基礎(chǔ)上形成了WAV系列掘進(jìn)機(jī)。F系列、AM系列和WAV系列都是橫軸截割機(jī)構(gòu)。
1956年前蘇聯(lián)生產(chǎn)了首臺(tái)IIK-3型縱軸式掘進(jìn)機(jī)，在8㎡斷面下煤巷中使用。IIK-3型掘進(jìn)機(jī)是目前縱軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)的雛形。1960—1964年，英國從前蘇聯(lián)引進(jìn)了IIK-3型掘進(jìn)機(jī)，進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，同時(shí)開始了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制。1963年DOSCO公司在IIK-3型掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)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(jìn)機(jī)，并逐步發(fā)展為DOSCO系列掘進(jìn)機(jī)。1968年德EICKHOFF公司在引進(jìn)的DOSCO系列掘進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)上研制開發(fā)出了EV-100型掘進(jìn)機(jī)。后來德國PAURAT公司又自行研制出了ET系列掘進(jìn)機(jī)，使縱軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)逐步形成系列化。1966年，日本三井三池機(jī)械制造有限公司在前蘇聯(lián)IIK-3型掘進(jìn)機(jī)和英國DOSCO掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)上，研制成功了S系列掘進(jìn)機(jī)。到上世紀(jì)70年代后期，系列掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)形成系列化。
經(jīng)過多半個(gè)世紀(jì)的不斷改進(jìn)、發(fā)展的歷程?，F(xiàn)在世界上掘進(jìn)機(jī)的使用已超過4000臺(tái)，有10多個(gè)國家、20多家公司和廠商從事懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)研究和制造。目前，國外掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)以被廣泛用于硬度f低于8半煤巖的采準(zhǔn)巷道掘進(jìn)，并擴(kuò)大到巖巷。重型機(jī)不移位截割斷面達(dá)35-42㎡，多數(shù)機(jī)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(jī)重在50-100t，切割煤巖硬度f為12.部分機(jī)型截割速度已降至1m/s以下，牽引速度采用負(fù)載反饋調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同巖石硬度；一些機(jī)型除設(shè)有后支撐外還在履帶前后安裝了卡爪式液壓扎腳機(jī)構(gòu)，以便在切割巖石時(shí)錨固定位。機(jī)電一體化已成為掘進(jìn)機(jī)發(fā)展趨勢，新推出的掘進(jìn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)方向和斷面監(jiān)控、電動(dòng)機(jī)功率自動(dòng)調(diào)節(jié)、離機(jī)遙控操作及工況監(jiān)測和故障診斷，部分掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)PLC控制，實(shí)現(xiàn)回路循環(huán)檢測。
1.1.2 國內(nèi)掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展大致分為三個(gè)階段。第一階段是上世紀(jì)60年代初期到70年代末，這一階段主要是以引進(jìn)國外掘進(jìn)機(jī)為主，在引進(jìn)的同時(shí)，我們的技術(shù)人員開始嘗試進(jìn)行消化吸收，但研究水平較低，主要以截割煤的輕型機(jī)為主。主要以當(dāng)時(shí)煤炭科學(xué)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(jìn)機(jī)。盡管如此，這一時(shí)期的嘗試也為我國掘進(jìn)機(jī)的第二階段發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。這一時(shí)期產(chǎn)品主要特點(diǎn)是重量輕、體積小、截割能力弱、技術(shù)含量偏低，適應(yīng)煤巖掘進(jìn)。
上世紀(jì)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(jìn)設(shè)備，引進(jìn)16個(gè)品種188臺(tái)掘進(jìn)機(jī)對我國煤礦掘進(jìn)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(shù)引進(jìn)、國內(nèi)外合作生產(chǎn)、消化吸收等方式，提高了設(shè)計(jì)、工藝制造水平，使國內(nèi)生產(chǎn)廠家具備年產(chǎn)50臺(tái)以上的能力。使我國基本上結(jié)束了中、小型掘進(jìn)機(jī)依賴進(jìn)口的局面。這一期間我國掘進(jìn)機(jī)的主要特點(diǎn)是可靠性能大幅度提高，已能適應(yīng)我國煤礦的巷道掘進(jìn)，中型掘進(jìn)機(jī)型號(hào)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(jìn)機(jī)的技術(shù)發(fā)展日趨成熟，重型掘進(jìn)機(jī)大批出現(xiàn)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)與加工水平已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)，并具備了根據(jù)礦井的條件實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)的能力。這一時(shí)期形成了多個(gè)系列山產(chǎn)品，主要有煤炭科學(xué)總院太原分院設(shè)計(jì)的EBJ(Z)系列、佳木斯煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的S系列、煤炭科學(xué)研究總院上海分院設(shè)計(jì)的EBJ系列等掘進(jìn)機(jī)。這一階段掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)水平大幅度提高，各種先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)和分析軟件廣泛使用，機(jī)器可靠性大幅度提高，功能日趨完善，功率更大，一些先進(jìn)的故障診斷和顯示技術(shù)，離機(jī)遙控技術(shù)應(yīng)用其中，使我國掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用技術(shù)跨入了國際先進(jìn)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(jī)的使用量也相應(yīng)增多。目前，煤礦機(jī)械的市場前景非常樂觀，而且煤機(jī)產(chǎn)品的利潤也特別大。因此，許多企業(yè)也開始進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)的試制和生產(chǎn)。國內(nèi)懸臂式掘進(jìn)機(jī)生產(chǎn)廠家主要有：太原礦山集團(tuán)有限公司，佳木斯煤礦機(jī)械廠、南京航天晨光掘進(jìn)機(jī)分公司、上海天地、遼源煤礦機(jī)械廠、內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司、淮南煤機(jī)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(qiáng)，市場分額較大，根據(jù)煤炭機(jī)械行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2003年掘進(jìn)機(jī)主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)量（見表1-1）。
表1-1 2003年掘進(jìn)機(jī)主要生產(chǎn)廠家及產(chǎn)量
生產(chǎn)廠家
臺(tái)數(shù)
總噸位
佳煤機(jī)
105
3102
淮南煤機(jī)廠
34
861
南京晨光
22
506
北方重工
16
416
合計(jì)
177
4885
我國的掘進(jìn)機(jī)發(fā)展主要受英國DOSCO、日本三井三池S系列型機(jī)器的影響。目前主要以縱軸懸臂式為主。同時(shí)，由于吸收了奧地利AM系列掘進(jìn)機(jī)的特點(diǎn)，也有部分掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)為橫軸截割方式。
1.1.3 掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢
掘進(jìn)機(jī)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(gè)系列。
（1）增強(qiáng)截割能力。為了實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的截割能力，現(xiàn)代掘進(jìn)機(jī)截割功率不斷增大，截割速度逐漸降低。現(xiàn)代中重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割功率120～300KW,個(gè)別機(jī)型達(dá)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(jī)型降低到1m/s以下。經(jīng)濟(jì)截割硬度100～120MPa，最大可達(dá)140 MPa。
（2） 提高工作可靠性能。由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，使掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)承受交變的沖擊載荷，而且磨損和腐蝕嚴(yán)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(shè)計(jì)、高質(zhì)量的制造及合理的使用和良好的維護(hù)來提高其可靠性。
（3） 采用緊湊化設(shè)計(jì)，降低重心，提高工作穩(wěn)定性。由于懸臂掘進(jìn)機(jī)懸臂過長，使得截割反力較大，不利于機(jī)器穩(wěn)定性工作。針對這個(gè)問題，應(yīng)采用緊湊化設(shè)計(jì)，努力降低機(jī)器的重心，并在機(jī)器的后部或兩側(cè)增設(shè)油缸穩(wěn)定裝置，以提高機(jī)器的工作穩(wěn)定性。
（4） 增強(qiáng)對各種復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性。懸臂式掘進(jìn)機(jī)普遍采用履帶行走裝置，以減小接地比壓；通過增大驅(qū)動(dòng)功率，以增強(qiáng)牽引力和爬坡能力，從而提高對各種地板、工況的適應(yīng)性。
（5） 研究新型刀具和新的截割技術(shù)。為了增強(qiáng)截割能力，提高道具的使用壽命，應(yīng)努力的改進(jìn)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(dòng)控制技術(shù)。截割斷面監(jiān)視和控制技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。采用該技術(shù)將實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)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(jìn)行控制。該技術(shù)包括隨設(shè)備水平姿態(tài)識(shí)別、調(diào)整；切割軌跡記錄和顯示；斷面邊界設(shè)定；斷面成形控制；前進(jìn)方向指示和引導(dǎo)；偏離方向和截割超限報(bào)警等幾個(gè)方面的內(nèi)容。該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)掘進(jìn)。
（7） 發(fā)展掘錨機(jī)組，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)。目前，影響懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度的組要因素就是支護(hù)時(shí)間過長。掘進(jìn)、支護(hù)不能同步作業(yè)，制約了巷道掘進(jìn)速度，降低了掘進(jìn)效率。掘進(jìn)機(jī)組是一種新型、高校、快速的掘進(jìn)設(shè)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(jìn)機(jī)的種類
目前，國內(nèi)外已經(jīng)生產(chǎn)出許多型號(hào)的巷道掘進(jìn)機(jī)。根據(jù)不同的工作要求，巷道掘進(jìn)機(jī)的截割方式、傳動(dòng)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(jìn)機(jī)按照對于巷道斷面的作用方式可劃分為兩種：全斷面掘進(jìn)機(jī)（如圖1-1）和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)（如圖1-2）。
（1) 全斷面掘進(jìn)機(jī)，也成為連續(xù)作用式巷道掘進(jìn)機(jī)。其工作機(jī)構(gòu)，由一個(gè)或數(shù)個(gè)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(jī)構(gòu)繞機(jī)器中心線旋轉(zhuǎn)，對整個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行截割，全斷面掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)力容量大，能在整個(gè)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(shí)其控制系統(tǒng)相對簡單，有利于實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)控制。采用這種圓盤式工作機(jī)構(gòu)的巷道掘進(jìn)機(jī)，只用于掘進(jìn)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(jìn)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。例如世界著名的英吉利海峽海底隧道就是用11臺(tái)全斷面掘進(jìn)機(jī)完成的，我國的秦嶺西康鐵路隧道也是用兩臺(tái)德國產(chǎn)TB880E全斷面掘進(jìn)機(jī)完成的。但全斷面掘進(jìn)機(jī)也存在一些缺點(diǎn)，對巷道斷面的規(guī)格和形狀適應(yīng)能力非常有限，為了適應(yīng)掘進(jìn)不同規(guī)格的巷道，往往需要配備輔助破碎機(jī)構(gòu)；掘進(jìn)半煤巖巷道時(shí)，無法對煤、巖進(jìn)行分別切割；由于圓盤式工作機(jī)構(gòu)體積龐大，使得進(jìn)入工作面檢查、檢修和更換刀具都很困難，必要時(shí)還需要使掘進(jìn)機(jī)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(yīng)能力比較差。
由于全斷面掘進(jìn)機(jī)存在以上種種缺點(diǎn)，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(jìn)作業(yè)，采用全斷面掘進(jìn)機(jī)無論從經(jīng)濟(jì)角度，還是從性能角度考慮都是很不合適的。
（2) 部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，也稱循環(huán)作用式巷道掘進(jìn)機(jī)。其工作機(jī)構(gòu)僅能同時(shí)截割工作面煤巖斷面的一部分，為截割破落整個(gè)工作面的斷煤巖，必須在斷面內(nèi)多次連續(xù)地移動(dòng)工作機(jī)構(gòu)的截割頭。懸臂式掘進(jìn)機(jī)也稱為部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，工作時(shí)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(dòng)，能夠截割出任意形狀的截面。
由于煤礦巷道掘進(jìn)主要是中短型巷道，全斷面掘進(jìn)機(jī)不太適合這類巷道，所以懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)在煤礦地下巷道施工中得到了廣泛的應(yīng)用。近些年來，隨著掘進(jìn)機(jī)在土木工程和采礦工程中大量應(yīng)用，目前掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)成為各產(chǎn)煤國不可缺少的主要生產(chǎn)設(shè)備之一，而且各國制造、推廣使用的煤、巖和煤-巖巷掘進(jìn)機(jī)多以懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)為主。實(shí)踐證明懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)有以下主要優(yōu)點(diǎn)：由于其工作機(jī)構(gòu)相對來說比較靈活，可在機(jī)器的允許范圍內(nèi)隨意擺動(dòng)，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(biāo)準(zhǔn)巷道斷面的規(guī)格形狀和煤巖賦存情況的適應(yīng)能力比較好，所掘進(jìn)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(jìn)后再安排支護(hù)作業(yè)，這種掘進(jìn)機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)，而且能夠同時(shí)完成破煤巖、運(yùn)輸?shù)裙ぷ?，效率非常高，且掘進(jìn)機(jī)是機(jī)械破巖，斷面形狀易于掌控，所以其掘進(jìn)的煤巖巷道周圍煤巖壁完整光滑，超挖掘量少，減少了支護(hù)量，這與鉆爆法相比，掘進(jìn)速度可提高1-1.5倍，勞動(dòng)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(shí)巷道周圍煤巖因爆破振動(dòng)而破壞的現(xiàn)象發(fā)生。結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、技術(shù)成熟先進(jìn)。目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)多采用耙裝式裝載機(jī)構(gòu)和履帶式行走機(jī)構(gòu)。其裝載能力大、行動(dòng)靈活、工作可靠，對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，再加上懸臂式工作機(jī)構(gòu)的外形尺寸比掘進(jìn)斷面小，有充足的空間用于維修和更換截齒，對于在機(jī)器附近或靠近掘進(jìn)工作面安裝臨時(shí)液壓自移支架或進(jìn)行人工支護(hù)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(jì)安全、成本低效率高，可以連續(xù)工作，有著非常好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。工人的勞動(dòng)條件和勞動(dòng)強(qiáng)度也得到大大的改善，體力勞動(dòng)減少了0.5-1倍（與鉆爆法相比）。同全斷面掘進(jìn)機(jī)相比，掘進(jìn)同樣尺寸的巷道斷面，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的基本投資費(fèi)用僅僅相當(dāng)于全斷面掘進(jìn)機(jī)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(jìn)，采用懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)是非常劃算的，同時(shí)避免了因爆破鉆進(jìn)而造成的人員傷亡，事故率大大減少。
掘進(jìn)機(jī)的工作過程是：先操縱行走機(jī)構(gòu)向工作面推進(jìn)，然后使截割頭在工作面左下角鉆入工作面，再用水平擺動(dòng)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(fù)截割，截割頭就可以完成整個(gè)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(jìn)機(jī)（截割頭旋轉(zhuǎn)軸和懸臂主軸垂直）和縱軸式掘進(jìn)機(jī)（截割頭旋轉(zhuǎn)軸和懸臂主軸同軸）兩種。縱軸式截割頭傳動(dòng)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(jìn)，并使截割表面較平整，故使用較多。缺點(diǎn)是由于縱軸式截割頭在橫向擺動(dòng)截割時(shí)的反作用力不通過機(jī)器中心，與懸臂形成的力矩使掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，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(jìn)機(jī)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(jìn)工作面時(shí)必須左右移動(dòng)，所以不如縱軸式工作機(jī)構(gòu)使用方便。這種截割頭的優(yōu)點(diǎn)是截深較小，截割與裝載情況較好?？v向牽引時(shí)，截割阻力矩可為機(jī)器的自重所平衡，穩(wěn)定性較好，適于截割抗壓強(qiáng)度較高的煤巖。其缺點(diǎn)是傳動(dòng)裝置較復(fù)雜，在切入工作面時(shí)需左右擺動(dòng)，不如縱軸式工作機(jī)構(gòu)使用方便；因?yàn)榻馗铑^較長對掘進(jìn)斷面形狀有限制，難以獲得較平整的巷道側(cè)壁。
1.3 掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的目的及意義
煤炭的不斷消耗使得我國的能源計(jì)劃在不斷更替。如果，能在煤礦開采處更高效的進(jìn)行，勢必對能源的利用具有促進(jìn)作用。所以，掘進(jìn)機(jī)械的自動(dòng)化和現(xiàn)代化是必要的。高性能的掘進(jìn)機(jī)械將對能源的利用具有重要作用。掘進(jìn)機(jī)械的設(shè)計(jì)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(jìn)機(jī)
2.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)在我國的應(yīng)用
我國煤巷懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制和應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代，以30～50kW的小功率掘進(jìn)機(jī)為主，研究開發(fā)和生產(chǎn)使用都處于試驗(yàn)階段[2]。80年代初期，為適應(yīng)煤礦機(jī)械化生產(chǎn)發(fā)展的需要，我國引進(jìn)了AM50型、S-100型掘進(jìn)機(jī)兩種為代表的機(jī)型，對發(fā)展我國綜掘機(jī)械化起到了推動(dòng)作用。同時(shí)，國內(nèi)加強(qiáng)對引進(jìn)機(jī)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(jī)械化掘進(jìn)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(tái)的掘進(jìn)機(jī)加工制造能力，研制生產(chǎn)了20多種型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)，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(jìn)機(jī)主要有煤科總院太原研究院研制的EBJ(Z)系列、佳木斯煤機(jī)廠生產(chǎn)的S系列、煤科總院上海研究院設(shè)計(jì)的EBJ系列等型掘進(jìn)機(jī)。代表機(jī)型主要有太原分院研制的EBJ-160、EBZ160TY和EBJ-120TP型掘進(jìn)機(jī)，另外還有佳木斯煤機(jī)廠生產(chǎn)的S150、S200型掘進(jìn)機(jī)。我國現(xiàn)用主流掘進(jìn)機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)見表2-1。
表2-1 我國主流掘進(jìn)機(jī)的主要技術(shù)性能表
技術(shù)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(jī)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(yīng)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(jìn)機(jī)均為國外20世紀(jì)70年代的產(chǎn)品，設(shè)備功率小、機(jī)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(jìn)機(jī)為代表的替代機(jī)型，在整體技術(shù)性能方面達(dá)到了國際先進(jìn)水平，正在推廣應(yīng)用。
我國研制的新一代煤巷掘進(jìn)機(jī)具有以下技術(shù)特點(diǎn)：
（1）整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)合理；
（2）機(jī)身矮、重心低、工作穩(wěn)定性好；
（3）生產(chǎn)能力大、破巖能力強(qiáng)、適應(yīng)性好；
（4）采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，可靠性高，減少了維護(hù)量；
（5）采用無支重輪履帶行走機(jī)構(gòu)和履帶導(dǎo)向輪黃油缸張緊裝置，提高了履帶行走機(jī)構(gòu)的可靠性；
（6） 液壓系統(tǒng)簡單可靠，增設(shè)了自動(dòng)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(jìn)機(jī)在煤巷掘進(jìn)中取得了較好的成績，實(shí)際年進(jìn)尺可達(dá)6 000～8 000m，基本滿足了煤巷高效掘進(jìn)的需要。
懸臂式掘進(jìn)機(jī)在我國重點(diǎn)煤礦已普遍使用，發(fā)揮了重要作用。但由于是單巷掘進(jìn)，且采用單體錨桿進(jìn)行錨桿支護(hù)，掘進(jìn)和支護(hù)不能平行作業(yè)，影響了掘進(jìn)速度的進(jìn)一步提高。
2.2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)
懸臂式掘進(jìn)機(jī)由截割部、鏟板部、第一運(yùn)輸機(jī)、本體部、行走部、后支承、第二運(yùn)輸機(jī)、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(jī)構(gòu)。截割機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在傳動(dòng)系統(tǒng)中一般設(shè)齒形聯(lián)軸節(jié)，不設(shè)機(jī)械式過載保護(hù)裝置，經(jīng)兩級行星減速器帶動(dòng)主軸前端的截割頭。
（2）裝運(yùn)機(jī)構(gòu)。它一般由裝載機(jī)構(gòu)和中間輸送機(jī)組成。它們可采用分別驅(qū)動(dòng)或集中聯(lián)動(dòng)方式，既可用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。裝載機(jī)構(gòu)方案是既能裝設(shè)耙爪式也可裝設(shè)星輪式，兩者可以互換使用。
（3）行走機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)一般采用履帶型式，兩條履帶分別由各 自的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。履帶的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力有電動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)兩種，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一般只設(shè)置一種行走速度，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可采用低速大扭矩馬達(dá)直接帶動(dòng)履帶鏈輪，或采用中速液壓馬達(dá) +減速器帶動(dòng)履帶鏈輪的傳動(dòng)方式，它可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。
履帶結(jié)構(gòu)型式有滑動(dòng)和滾動(dòng)兩種，當(dāng)機(jī)器調(diào)動(dòng)速度≤lOm／min的中、輕型掘進(jìn)機(jī)，宜采用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)型式；當(dāng)機(jī)器的調(diào)動(dòng)速度>lOm／min的重型、特重型掘進(jìn)機(jī)，應(yīng)采用滾動(dòng)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(jìn)機(jī)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(dòng)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(jì)、制造、檢驗(yàn)，必須符合 GB3836-2000標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定和要求。
2.3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展趨勢
(1）重型化、大功率。隨著采煤機(jī)械化程度的提高和巷道斷面的不斷擴(kuò)大 ，掘進(jìn)機(jī)面對越來越硬和研磨性更強(qiáng)的巖石，單向抗壓強(qiáng)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(jìn)機(jī)尤為迫切。目前，國外許多重型掘進(jìn)機(jī)截割功率達(dá)到 200—300kW，最高可達(dá) 500kW。而我國重型掘進(jìn)機(jī)尚處于發(fā)展階段 ，截割功率 目前 已達(dá) 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(jī)器的振動(dòng)進(jìn)一步加劇 ，對生產(chǎn)率、機(jī)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(jī)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(jī)組 ，以實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的同時(shí)又能打眼安裝錨桿，支護(hù)頂板、側(cè)幫 ，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)平行作業(yè)，解決掘進(jìn)機(jī)利用率低 的問題。因此，掘、鉆、錨一體化是實(shí)現(xiàn)巷道快速掘進(jìn)，滿足高產(chǎn) 、高效工作面發(fā)展需要的重要技術(shù)途徑。
(3）噴霧降塵設(shè)備隨機(jī)化。目前，掘進(jìn)機(jī)大多設(shè) 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(yán)重。因此，對現(xiàn)有機(jī)型設(shè)置機(jī)載降塵設(shè)備，強(qiáng)化外噴霧 的使用效果 ，將會(huì)使掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)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(dòng)化。配置激光導(dǎo)向系統(tǒng) 、計(jì)算機(jī)斷面控制系統(tǒng)和遙控系統(tǒng) ，以降低對操作人員的反應(yīng)要求 ，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)能力。
(6）矮型化 。在加大機(jī)重、截割功率和提高截割硬度的前提下 ，注重發(fā)展機(jī)身較低 的機(jī)型，以易于井下運(yùn)輸和適用于掘進(jìn) 中、小斷面巷道，同時(shí)也為配置其他輔助設(shè)備 (錨桿安裝機(jī)、輔助工作平臺(tái)等)帶來了方便。
(7）附件化。保留必要的截、裝 、運(yùn) 、行主要組成功能，將 降塵、輔助支護(hù)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(shè)計(jì)、制造、使用都帶來方便。
(8)裝載運(yùn)輸裝置亦采用可伸縮型結(jié)構(gòu)，保證機(jī)器的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性。
2.4 國內(nèi)外懸臂式掘進(jìn)機(jī)的差距
與國際先進(jìn)水平相比，我國在用煤礦主要高效掘進(jìn)設(shè)備的破巖能力、適應(yīng)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(jìn)設(shè)備，如大功率重型掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)、掘錨機(jī)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(lǐng)，連續(xù)采煤機(jī)基本被美國JOY公司所壟斷，掘錨機(jī)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(jìn)機(jī)最大截割功率為200kW與進(jìn)口機(jī)型還有一定的差距，連續(xù)采煤機(jī)、掘錨機(jī)組國內(nèi)正在處于研制階段，連續(xù)采煤機(jī)2007年上半年推出了樣機(jī)。國產(chǎn)重型掘進(jìn)設(shè)備在設(shè)計(jì)制造、加工工藝、自動(dòng)化技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)等方面同國際先進(jìn)水平存在較大差距。
重型國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)與國外先進(jìn)設(shè)備的差距除總體性能參數(shù)偏低外，在基礎(chǔ)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(yùn)及行走部載荷譜沒有建立，沒有完整的設(shè)計(jì)理論依據(jù)，計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真等方面還處于空白；在元部件可靠性、控制技術(shù)、在截割方式、除塵系統(tǒng)等核心技術(shù)方面有較大差距。
第三章 懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
3.1 截割部的組成
掘進(jìn)機(jī)截割部主要由截割電動(dòng)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，其結(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)性能的主要因素和指標(biāo)。因此，工作部的設(shè)計(jì)是掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)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
圖3-2截割頭
3.2 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
懸臂式掘進(jìn)機(jī)的傳動(dòng)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(dòng)截割頭轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.2.1 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?yàn)槠涔ぷ魈攸c(diǎn)所致，截割臂的外形多設(shè)計(jì)成寶塔狀，即越靠近截割頭（動(dòng)力輸出端），其外形尺寸越小。因此，處于截割臂前端的傳動(dòng)，在設(shè)計(jì)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)理所致，當(dāng)截割煤巖時(shí)，煤巖的反作用力使截割阻力和沖擊負(fù)載毫無保留地傳遞至齒輪、軸、軸承等傳動(dòng)件上。
（3）載荷變化大
截割時(shí)，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(dòng)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(jìn)設(shè)備的可靠性，相應(yīng)地制定了一套實(shí)驗(yàn)檢測標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。如新設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)的減速器必須進(jìn)行性能試驗(yàn)和耐久性實(shí)驗(yàn)，截割減速器的耐久性實(shí)驗(yàn)為連續(xù)滿載運(yùn)行1000h。
3.2.2 傳動(dòng)類型的設(shè)計(jì)
由于行星齒輪傳動(dòng)具有多分流傳動(dòng)、低壓力嚙合、作用力平衡和運(yùn)行多變性等一系列特點(diǎn)，所以在同等工作條件下與定軸齒輪傳動(dòng)相比，行星齒輪傳動(dòng)具有外形尺寸小，重量輕、傳動(dòng)效率高、工作可靠和同軸傳動(dòng)等許多突出優(yōu)點(diǎn)，因此國內(nèi)外縱軸式掘進(jìn)機(jī)的截割結(jié)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)均采用行星齒輪傳動(dòng)，以期在提高承載能力、效率和可靠性的同時(shí)，盡可能地減輕重量、縮小外廓尺寸、降低制造成本。要求傳動(dòng)裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，并滿足一定的強(qiáng)度要求和減速比要求。因此，這種工作機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置多采用行星齒輪傳動(dòng)，以滿足以上要求。
如果采用一級減速，則傳動(dòng)比太大，導(dǎo)致齒輪結(jié)構(gòu)很難滿足現(xiàn)實(shí)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(dòng)可靠。由于懸臂采用內(nèi)伸縮式，電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、的減速器相對于軸向是固定的，從傳動(dòng)裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等考慮，采用雙級行星齒輪傳動(dòng)。工作機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)布置圖3-1。
圖3-3傳動(dòng)系統(tǒng)
截割電動(dòng)機(jī)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(dòng)切割頭進(jìn)行切割。中心輪固定在懸臂主軸上，行星輪與之嚙合，同時(shí)又與一個(gè)內(nèi)齒輪嚙合，內(nèi)齒輪固定在箱體上。
為了使減速器的強(qiáng)度能滿足電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩和動(dòng)載荷，即使電動(dòng)機(jī)過載以至停止，減速器也不至于出現(xiàn)機(jī)械故障。若減速器的強(qiáng)度不能滿足電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩，必須設(shè)過載保護(hù)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(jìn)機(jī)的動(dòng)力源都采用交流電動(dòng)機(jī)。截割機(jī)構(gòu)功率大小，在實(shí)際設(shè)計(jì)中一般采用類比法，再結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的一些個(gè)性因素及經(jīng)驗(yàn)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(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(或轉(zhuǎn)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(shí)，還可以降低截割頭上的動(dòng)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(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的經(jīng)濟(jì)截割速度，所以本次設(shè)計(jì)的巖巷掘進(jìn)機(jī)截割轉(zhuǎn)速也設(shè)定為46r/min。
3.4 截割功率以及電機(jī)的選擇
根據(jù)所截割煤巖的特性、工作機(jī)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(jìn)機(jī)，來選定截割電機(jī)功率。
表3-1 我國主流掘進(jìn)機(jī)的主要技術(shù)性能表
技術(shù)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(jī)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(yīng)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(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)MT477-1996YBU系列掘進(jìn)機(jī)用隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)選，選擇電動(dòng)機(jī)型號(hào)為：YBUD-200隔爆電動(dòng)機(jī)其主要性能數(shù)據(jù)如下：
型號(hào)
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(shè)計(jì)
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(shí)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(dòng)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(dòng)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(dòng)等運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)以及截齒上承受的截割阻力、截割電機(jī)功率等動(dòng)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(gè)要求。因?yàn)樯形囱兄瞥鼋馗铑^拖動(dòng)裝置的無級調(diào)速系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)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(shí)可以根據(jù)巖石變化而隨時(shí)改變截割速度。如果在傳動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)變速器將使傳動(dòng)系統(tǒng)大大復(fù)雜化，這與掘進(jìn)機(jī)工作部傳動(dòng)系統(tǒng)的的設(shè)計(jì)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。
3.6 伸縮部方案確定
伸縮機(jī)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(dòng)機(jī)、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(hù)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(dòng)完成伸縮動(dòng)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(dòng)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
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(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器和減速器等連成一個(gè)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(tái)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(dòng)，實(shí)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(shí)移動(dòng)部分質(zhì)量較大，不利于機(jī)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(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(dòng)，帶動(dòng)截割頭旋轉(zhuǎn)，通過油缸伸縮帶動(dòng)伸縮部實(shí)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(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(dòng)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(guān)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(guān)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(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?？v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(huì)給支護(hù)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(shè)計(jì)
(1)切割頭長度
切割頭長度的大小影響工作循環(huán)時(shí)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500~700 mm。大功率的掘進(jìn)機(jī)可以在1000 mm左右。根據(jù)設(shè)計(jì)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(shí)間。當(dāng)切割頭的功率和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，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600~900 mm。大功率的掘進(jìn)機(jī)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(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、。按幾何關(guān)系，要保證巷道的頂、底板、側(cè)壁平整，應(yīng)使。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。這樣錐形切割頭的錐角確定在之間。
本掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)合同類掘進(jìn)機(jī)運(yùn)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(shè)計(jì)
（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(jiān)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(shí)，齒能在齒座內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，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(huì)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(gè)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(yīng)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(guān)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(gè)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(shí)，尤其應(yīng)考慮煤巖特性和水平擺動(dòng)速度，因?yàn)榻鼐€間距在切割過程中發(fā)生變化，總之，確定截線間距時(shí)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(dòng)切割時(shí)，實(shí)際截割間距隨擺動(dòng)速度變化，而切深保持不變。實(shí)驗(yàn)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。過大的間距則會(huì)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(dòng)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(shí)可以參照下表的經(jīng)驗(yàn)值。
表3-2 橫切割頭截割參數(shù)與礦物特性關(guān)系
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(shí)的計(jì)算值。時(shí)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(gè)挨一個(gè)進(jìn)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(gè)間隔一個(gè)的次序進(jìn)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(shí)割落的煤巖拋向兩個(gè)截割頭的中間，改善了截割時(shí)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(yùn)動(dòng)軌跡的切線之間的夾角。實(shí)驗(yàn)表明截割角在45°-55°之間時(shí)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(shí)，所需進(jìn)給力增大，容易使截齒超載，此時(shí)，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(yàn)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(dòng)截割時(shí)，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，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(shí)踐和實(shí)驗(yàn)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(dòng)方向與進(jìn)入巖體方向一致，也有助于截齒的自轉(zhuǎn)。
3.9 掘進(jìn)機(jī)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(jìn)機(jī)的總體布置圖
3.10 總體參數(shù)總結(jié)
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根據(jù)設(shè)計(jì)的要求和目的，進(jìn)行了掘進(jìn)機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)。這里確定了本掘進(jìn)機(jī)的型號(hào)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)研究院所的研究成果和經(jīng)驗(yàn)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 ；
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(jī)??長? 8.7 m；
8)機(jī)??寬? 2.8 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(shí)，懸臂的擺角 ；
14)垂直回轉(zhuǎn)的上擺角