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1 緒論
1.1采煤機(jī)的發(fā)展史
20世紀(jì)40年代初，英國(guó)和前蘇聯(lián)相繼研制出了鏈?zhǔn)讲擅簷C(jī)，這種采煤機(jī)是通過截鏈截落煤，在截鏈上安裝有被稱為截齒的專用截煤工具，其工作效率低。同時(shí)德國(guó)研制出了用刨削方式落煤的刨煤機(jī)。50年代初，英國(guó)和德國(guó)相繼研制出了滾筒式采煤機(jī)，在這種采煤機(jī)上安裝有截煤滾筒，這是一種圓筒形部件，其上安裝有截齒，用截煤滾筒實(shí)現(xiàn)落煤和裝煤。這種采煤機(jī)與可彎曲輸送機(jī)配套，奠定了煤炭開采機(jī)械化的基礎(chǔ)。
這種采煤機(jī)的主要缺點(diǎn)有二點(diǎn)：其一是截煤滾筒的高度不能在使用中調(diào)整，對(duì)煤層厚度及其變化適應(yīng)性差；其二是截煤滾筒的裝煤效果不佳，限制了采煤機(jī)生產(chǎn)率的提高。
進(jìn)入60年代，英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和前蘇聯(lián)先后對(duì)采煤機(jī)的截割滾筒做出革命性改進(jìn)。其一是截煤滾筒可以在使用中調(diào)整其高度，完全解決對(duì)煤層賦存條件的適應(yīng)性；其二是把圓筒形截割滾筒改進(jìn)成螺旋葉片式截煤滾筒，即螺旋滾筒，極大地提高了裝煤效果。這兩項(xiàng)關(guān)鍵的改進(jìn)是滾筒式采煤機(jī)稱為現(xiàn)代化采煤機(jī)械的基礎(chǔ)。
可調(diào)高螺旋滾筒采煤機(jī)或刨煤機(jī)與液壓支架和可彎曲輸送機(jī)配套，構(gòu)成綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，使煤炭生產(chǎn)進(jìn)入高產(chǎn)、高效、安全和可靠的現(xiàn)代化發(fā)展階段。從此，綜合機(jī)械化采煤設(shè)備成為各國(guó)地下開采煤礦的發(fā)展方向。自70年代以來，綜合機(jī)械化采煤設(shè)備朝著大功率、遙控、遙測(cè)方向發(fā)展，其性能日臻完善，生產(chǎn)率和可靠性進(jìn)一步提高。工礦自動(dòng)檢測(cè)、故障診斷以及計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理和數(shù)顯等先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)在采煤機(jī)上的到應(yīng)用。
1.2我國(guó)采煤機(jī)的發(fā)展展望
依靠科技進(jìn)步，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)高產(chǎn)高效礦井綜合配套技術(shù)是我國(guó)煤炭科技發(fā)展的主攻方向，根據(jù)世界采煤機(jī)發(fā)展潮流和煤炭科技前沿最新消息，我國(guó)采煤機(jī)應(yīng)在以下方面進(jìn)行攻關(guān)研究，盡快趕上世界水平。
1.2.1大功率、大截深電牽引采煤機(jī)的進(jìn)一步研究
為了滿足高產(chǎn)高效礦井發(fā)展的需要，增產(chǎn)減員，增產(chǎn)減面，實(shí)行合理化集中生產(chǎn)，擬研制截割功率2X500KW~2X600KW，總裝機(jī)功率1200KW~1500KW以上，截深0.8m～1.0m的高效電牽引采煤機(jī)；電機(jī)橫向布置，框架式結(jié)構(gòu)，無(wú)底托架，交流變頻調(diào)速，供電電壓3300V以上；強(qiáng)力型無(wú)鏈牽引系統(tǒng)，具有高牽引速度和牽引力；配用機(jī)載增壓水泵和吸塵滾筒，操作方便，控制、保護(hù)齊全，性能良好。
1.2.2大功率采煤機(jī)的工況監(jiān)測(cè)、故障診斷與控制系統(tǒng)的研究
高可靠性大功率采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效礦井合理集中生產(chǎn)的根本保證，采用機(jī)載計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)，故障診斷及自動(dòng)控制系統(tǒng)是提高大功率采煤機(jī)可靠性和利用率的重要途徑，通過開發(fā)采煤機(jī)監(jiān)測(cè)傳感器和機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以及地面中心站的故障診斷和維修管理專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)工況監(jiān)測(cè)和井下、地面兩極預(yù)報(bào)型故障診斷及維修管理專家系統(tǒng)等機(jī)電一體化技術(shù)，使采煤機(jī)的技術(shù)水平、工作能力得以大幅度提高，保證高效連續(xù)生產(chǎn)。
1.2.3應(yīng)用高新技術(shù)，嚴(yán)格管理，提高可靠性
衡量一個(gè)國(guó)家的采煤機(jī)的技術(shù)水平，首先應(yīng)對(duì)其機(jī)械設(shè)備的先進(jìn)行、品種、質(zhì)量、可靠性、適應(yīng)程度以及壽命等加以分析。我國(guó)是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，改革開放以來，采煤機(jī)得到了很大的發(fā)展，但生產(chǎn)的質(zhì)量、壽命、高新技術(shù)的應(yīng)用、科學(xué)管理等與世界煤炭工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在較大的差距，國(guó)外采煤機(jī)有關(guān)部件的設(shè)計(jì)壽命是：齒輪12500h，軸承20000h～30000h，電機(jī)絕緣壽命4400h，滾筒可產(chǎn)煤300萬(wàn)噸。綜合工作面采煤機(jī)一般都裝有自動(dòng)控制、診斷、數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)線電遙控裝置，不僅操作方便，而且能通過診斷裝置預(yù)先發(fā)現(xiàn)故障并及時(shí)排除。我國(guó)采煤機(jī)的齒輪、軸承、滾筒、電機(jī)等主要部件的設(shè)計(jì)壽命均低于國(guó)外水平。采煤機(jī)大部分不具有監(jiān)控、診斷保護(hù)功能，不能預(yù)報(bào)診斷故障，不能保證采煤機(jī)經(jīng)常處于正常狀態(tài)。我國(guó)要求采煤機(jī)出150萬(wàn)t～200萬(wàn)t煤而不大修，實(shí)際上與要求還有距離。
為了滿足高產(chǎn)高效綜采工作面快速割煤提高生產(chǎn)力的需要，克服液壓牽引的繁雜，電牽引采煤機(jī)是采煤機(jī)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。與目前最先進(jìn)國(guó)外采煤機(jī)相比，國(guó)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，某些關(guān)鍵部件的性能、功能、適應(yīng)范圍還有待完善和提高，尤其是無(wú)線監(jiān)測(cè)、故障診斷及預(yù)報(bào)、信號(hào)傳輸與采煤機(jī)自動(dòng)控制、傳感器等智能化技術(shù)和機(jī)械部件的可靠性、壽命與國(guó)外相比差距甚大。根據(jù)我國(guó)煤炭生產(chǎn)要求和采煤機(jī)發(fā)展趨勢(shì)以及針對(duì)國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)存在的差距，今后主要研究?jī)?nèi)容如下：
進(jìn)一步完善和提高交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的可靠性。重點(diǎn)完善和提高系統(tǒng)裝置抗震、散熱和防潮性能；
研究可靠的微機(jī)電氣控制系統(tǒng)，重點(diǎn)提高采煤機(jī)機(jī)電控制系統(tǒng)的抗干擾、抗熱效應(yīng)的能力；
開發(fā)或增強(qiáng)電控系統(tǒng)的監(jiān)控功能，重點(diǎn)研究故障診斷與專家系統(tǒng)、工況監(jiān)測(cè)、顯示與信息傳輸系統(tǒng)、工作面采煤機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)、自適應(yīng)變頻電路的漏電監(jiān)測(cè)與保護(hù)技術(shù)、搖臂自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)等；
開發(fā)四象限運(yùn)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；
開發(fā)單機(jī)功率600KW,總裝機(jī)功率1500KW的大功率電牽引采煤機(jī)；
電牽引采煤機(jī)的可利用率、可靠性和壽命的研究。
1.3螺旋鉆采煤機(jī)的概述
螺旋鉆采煤法在我國(guó)剛剛起步，主要用于薄煤層開采，它屬于一種無(wú)人工作面開采方法。工人在支護(hù)條件良好的巷道中工作，徹底地改變了薄煤層回采工人在工作面內(nèi)爬行的工作狀況，安全有了可靠的保障。
螺旋鉆采煤機(jī)是在用于露天開采的螺旋鉆機(jī)的基礎(chǔ)上逐步改造成型的。自20世紀(jì)70年代開始，原蘇聯(lián)在這方面做了大量的研究試驗(yàn)工作。烏克蘭在原有的基礎(chǔ)上研制出2種新型的螺旋鉆采煤機(jī)，并推備批量生產(chǎn)形成規(guī)模。
螺旋鉆采煤機(jī)可以從巷道兩側(cè)雙向鉆孔采煤，不需要輔助的轉(zhuǎn)載設(shè)備便可回收落煤。新汶礦務(wù)局也準(zhǔn)備從國(guó)外進(jìn)口螺旋鉆采煤機(jī)，用于開采薄煤層。
螺旋鉆采煤法的關(guān)鍵設(shè)備是螺旋鉆采煤機(jī)。烏克蘭研制了H1D/-M型螺旋鉆采煤機(jī)，在該機(jī)型基礎(chǔ)上又研制出2種新型的螺旋鉆采煤機(jī)。這2種型號(hào)螺旋鉆采煤機(jī)的工作原理、結(jié)構(gòu)和開采工藝基本相同，都采用電機(jī)主傳動(dòng)、液壓推進(jìn)的工作方式，并由主機(jī)、鉆具、多功能操作臺(tái)、單軌吊、支撐液壓千斤頂、鉆機(jī)行走腰帶、接長(zhǎng)和疊放螺旋鉆桿的裝置、液壓泵站和風(fēng)機(jī)等組成。
變量液壓泵，用于驅(qū)動(dòng)鉆架座和退鉆座的移動(dòng)機(jī)構(gòu)、鉆機(jī)固定機(jī)構(gòu)和定位機(jī)構(gòu)，以及移動(dòng)和操縱鉆機(jī)。該機(jī)工作時(shí)，用設(shè)在機(jī)架四角4個(gè)液壓千斤頂支撐在巷道的頂?shù)装彘g，用來支撐鉆機(jī)；另外用2個(gè)副向液壓千斤頂承受鉆進(jìn)時(shí)的推力。鉆機(jī)由履帶行走機(jī)構(gòu)在巷道內(nèi)移動(dòng)。螺旋鉆采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)是螺旋鉆具，它由鉆頭和成對(duì)的螺旋鉆扦組成。鉆具部分可根據(jù)不同的開采和地質(zhì)條件安裝2-4個(gè)鉆頭，平行地鉆進(jìn)2-4個(gè)鉆孔，并能部分地破碎各鉆孔間的煤枝。這樣鉆孔的寬度可從1.14m調(diào)整到2.77m，使它的效率和煤炭資源回收率得以提高。鉆具上裝有5種傳感器，分別監(jiān)控鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛?、鉆頭旋轉(zhuǎn)扭矩、鉆孔間的煤柱、鉆孔導(dǎo)向、鉆頭與煤層頂?shù)装鍘r層間隙等情況，并通過多功能控制裝置實(shí)現(xiàn)集中控制，較好地解決了鉆孔的導(dǎo)向、孔內(nèi)的瓦斯稀釋和噴霧防塵等問題。在高瓦斯礦井，在鉆機(jī)推進(jìn)過程中螺旋鉆桿將通風(fēng)和噴水的軟管系統(tǒng)帶入鉆孔內(nèi)，并用單獨(dú)的局部扇風(fēng)機(jī)向孔內(nèi)壓入新鮮風(fēng)流，用噴水管在鉆孔內(nèi)噴霧，使鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛群头蹓m含量達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)。
螺旋鉆桿包括頂端螺旋、直線螺旋和連接部分。螺旋鉆桿的最大螺旋葉片直徑為480mm，可與直徑625nm的鉆頭相匹配。用直徑725和825mm的鉆頭時(shí)，在中間段的鉆桿上應(yīng)安裝可拆卸的刮板。裝設(shè)這些刮板后，在螺旋鉆桿的葉片與孔壁之間存在間隙的情況下也能將煤從鉆孔中指出來。
螺旋鉆采煤機(jī)的工作效率除了與開機(jī)鉆孔時(shí)間有關(guān)外，還同鉆孔深度有關(guān)。影響螺旋鉆采煤機(jī)鉆孔深度的主要因素是推力、動(dòng)力和鉆孔的傾斜。烏克蘭的科研人員將英國(guó)collins采煤機(jī)與螺旋鉆機(jī)結(jié)合起來,將collins采煤機(jī)的單鉆頭單鉆桿改為三鉆頭雙鉆桿；將非動(dòng)力切割改為動(dòng)力切割；在鉆頭與推桿間增加了調(diào)整油缸，使鉆頭能夠上下左右擺動(dòng)，較好地解決了鉆孔傾斜問題；同時(shí)增大了螺旋鉆采煤機(jī)的推力和動(dòng)力，使螺旋鉆采煤機(jī)的鉆進(jìn)深度由原來的40m提高到70m。但由于鉆桿是由1m~2m的短鉆桿連接而成，當(dāng)鉆孔深度超過30m后，鉆桿連接機(jī)構(gòu)之間的間隙將會(huì)導(dǎo)致鉆桿的整體剛度降低，使鉆進(jìn)方向發(fā)生偏斜。為此，烏克蘭頓涅茨克煤炭科學(xué)研究所研制了一種導(dǎo)向裝置，可確保螺旋鉆采煤機(jī)比較穩(wěn)定地將鉆孔打到設(shè)計(jì)深度。這種導(dǎo)向裝置是在鉆桿上設(shè)計(jì)一套導(dǎo)向支撐管，可使鉆機(jī)在煤層的垂直和水平兩個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)定向鉆進(jìn)。導(dǎo)向柱的伸縮量，可根據(jù)鉆頭的直徑選擇。
為了提高螺旋鉆采煤機(jī)的回收率，德國(guó)提出一種方法所示，它通過搖控裝置使鉆頭在鉆孔內(nèi)偏轉(zhuǎn)一定的角度，在回撤時(shí)使鉆頭可以繼續(xù)落煤。通過搖控裝置使鉆具的一個(gè)鉆頭偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這樣可單向擴(kuò)孔落煤。另一種方法是通過搖控裝置使2個(gè)鉆頭同時(shí)偏轉(zhuǎn)，與孔中心線成角，便可雙向擴(kuò)孔落煤。
螺旋鉆采煤機(jī)附帶有單軌吊，使鉆桿安裝、拆卸和搬運(yùn)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，減少了輔助時(shí)間，提高了它的有效利用率。
螺旋采煤機(jī)包括兩套分開的機(jī)組，螺旋鉆機(jī)和回收機(jī)組，在操作中，它們共同來規(guī)定螺旋鉆孔間煤柱的寬度。每臺(tái)機(jī)組均由防爆電機(jī)帶動(dòng)液壓泵，它們?cè)诟鱾€(gè)機(jī)組上獨(dú)立驅(qū)動(dòng)所有液壓功能。這種螺旋采煤機(jī)結(jié)合了許多特點(diǎn)，包括：螺旋鉆采煤機(jī)鉆進(jìn)和螺旋機(jī)刮板回收同時(shí)作業(yè)，遙控操作螺旋鉆機(jī)刮板的連接和拆開，液壓刮板轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)在兩個(gè)機(jī)組間供刮板和截割頭使用，操作中隨機(jī)儲(chǔ)備三套螺旋鉆機(jī)刮板，液壓操作平衡和操縱制動(dòng)塊及千斤頂，液壓操作頂板千斤頂帶自動(dòng)載荷控制裝置。
高度低于零點(diǎn)九米的超薄煤層，在理論上為不可采煤層。該項(xiàng)技術(shù)不僅具有用人少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、安全系數(shù)高、資源損失小且無(wú)需支護(hù)等特點(diǎn)。還使全國(guó)一千多億噸的薄煤層儲(chǔ)量有望得到開采，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值。
薄煤層螺旋鉆無(wú)人工作面開采是指回采工作面上無(wú)人，而是由螺旋鉆機(jī)全部完成工作面內(nèi)的破煤、裝煤、運(yùn)煤等各個(gè)工序，工作面的設(shè)備檢修也都在工作面以外的巷道中進(jìn)行。研制人員經(jīng)過對(duì)螺旋鉆機(jī)的進(jìn)一步改造，其爬坡、移機(jī)、調(diào)向、機(jī)組防滑等性能均有了重大改善，其安全性、穩(wěn)定性和先進(jìn)性在現(xiàn)場(chǎng)得到了充分驗(yàn)證，工效比炮采提高了10倍，直接成本每噸降低了85.7元，大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善了工人的作業(yè)環(huán)境[1]。
該采煤法可廣泛地應(yīng)用于開采圍巖較穩(wěn)定的薄煤層和極薄煤層，并且可以用來開采邊角煤、三下壓煤和回收各種煤柱。近年來，國(guó)外許多產(chǎn)煤大國(guó)由于特厚煤層的開采儲(chǔ)量日益枯竭，對(duì)螺旋鉆機(jī)采煤產(chǎn)生了極大興趣，螺旋鉆采煤成了開采緩傾斜薄煤層最有發(fā)展前景的一種采煤方法，這項(xiàng)采用螺旋鉆采煤的新技術(shù)用人少，工效高，可使平衡表外的儲(chǔ)量得到開采，提高了資源利用率，延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限。該項(xiàng)技術(shù)采用半煤巖掘進(jìn)機(jī)與螺旋鉆機(jī)配套，實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)式采煤，利用掘進(jìn)出的矸石充填鉆孔，實(shí)現(xiàn)了潔凈開采，保證了煤質(zhì)，有利于環(huán)境保護(hù)。
螺旋鉆采煤方法科學(xué)，技術(shù)路線先進(jìn)，在薄煤層采用螺旋鉆無(wú)人工作面開采技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，可在類似煤層賦存條件下的礦井中推廣應(yīng)用，具有廣泛的發(fā)展前景。
1.4螺旋鉆采煤機(jī)的市場(chǎng)價(jià)值
我國(guó)薄煤層可采儲(chǔ)量較大，約6150M，占煤層總可采儲(chǔ)量的19％，特別是南方及需要開采解放層的局礦和一些老礦井，薄及極薄煤層必須開采，而且薄煤層、極薄煤層的煤質(zhì)一般較好。如果仍采用傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型方式開采薄煤層，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，安全威脅極大。所以應(yīng)針對(duì)不同條件選用不同的機(jī)械化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)密集型，不斷降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和減少勞動(dòng)力，是薄煤層開采適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的基本途徑。
1) 螺旋鉆機(jī)在國(guó)外已有40 多年的歷史,隨著該技術(shù)的不斷改進(jìn),特別是90 年代以來實(shí)時(shí)鉆孔導(dǎo)向和定位技術(shù)的革新,加大了鉆進(jìn)深度,提高了資源回收率。當(dāng)邊幫壓煤采用露天或井工開采難以實(shí)施或不經(jīng)濟(jì)時(shí),該技術(shù)已經(jīng)顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。
2) 國(guó)外螺旋鉆機(jī)的成功應(yīng)用為我國(guó)露天煤礦最終邊幫壓煤的回收開采提供了新的技術(shù)和方法。
3) 螺旋鉆機(jī)技術(shù)無(wú)論從資源回收率,還是生產(chǎn)成本皆優(yōu)越于國(guó)內(nèi)現(xiàn)有邊幫開采技術(shù)。該技術(shù)在北露天煤礦的引進(jìn),將為該技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣起到示范作用。
4) 國(guó)內(nèi)不少露天煤礦已開采到或即將到最終邊幫,邊幫下壓煤數(shù)億噸。由于這些露天煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜且煤層頂?shù)装鍙?qiáng)度較低,不適宜采用國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的邊幫開采方法,也不適合連續(xù)采煤機(jī)開采,而引進(jìn)螺旋鉆機(jī)技術(shù)使安全和經(jīng)濟(jì)的回收邊幫壓煤成為可能,因而該技術(shù)在我國(guó)露天煤礦有著廣闊的發(fā)展前景。
2 設(shè)計(jì)要求及方案確定
本課題設(shè)計(jì)一臺(tái)旋旋鉆采煤機(jī)，主要是應(yīng)用于薄煤層的開采，根據(jù)螺旋鉆采煤機(jī)工作情況可以確定設(shè)計(jì)要求和方案。
2.1設(shè)計(jì)要求
2.1.1使用條件
1、 采寬：1.905~2.105m。
2、 采深：向上85m，向下45m。
3、 準(zhǔn)備巷道凈斷面不小于11.2，巷道坡度，臥底不小于0.6m，通風(fēng)依賴于全礦井通風(fēng)負(fù)壓。
4、 煤層厚度：0.6~0.9m，煤層傾角0~，煤的切割的阻力不大于350KN/m。
5、 煤的硬度系數(shù)。
6、 技術(shù)特征表：
序號(hào)
參數(shù)名稱
單位
數(shù)值
1
向上采煤，采深至，切割阻力：
—以內(nèi)
—以內(nèi)
向下采煤，采深至，切割阻力：
—以內(nèi)
—以內(nèi)
t/min
2.0
1.5
1.0
0.75
2
煤層厚度
m
0.6~0.9
3
煤層傾角
0~
4
防爆鉆頭直徑
—BSHK-2DM.00.00.000A
—BSHK-2DM.00.00.000A-01
—BSHK-2DM.00.00.000A-02
mm
625
725
825
5
鉆頭數(shù)量
個(gè)
3
6
鉆頭之間的軸距
mm
640
7
采寬
—BSHK-2DM.00.00.000A
—BSHK-2DM.00.00.000A-01
—BSHK-2DM.00.00.000A-02
mm
1905
2005
2105
8
鉆桿直徑
mm
480
9
鉆桿轉(zhuǎn)速
r/min
55或60
10
鉆桿推進(jìn)速度
—工作狀態(tài) 前進(jìn)
后退
—調(diào)度狀態(tài) 前進(jìn)
后退
m/min
0~1.0
0~1.7
0~2.0
0~3.5
11
鉆進(jìn)推力
—前進(jìn)
—后退
12
推進(jìn)機(jī)構(gòu)類型
—
液壓
13
液壓系統(tǒng)的油壓，不低于
16
14
操縱桿的作用力不低于
40
15
機(jī)組總功率
KW
280
16
工作額定電壓（三相、交流）
V
660
17
通風(fēng)和降塵系統(tǒng)
—
加壓的
18
通風(fēng)管的直徑，不小于
mm
325
19
噴水量，不小于
L/min
50
20
水管噴嘴的壓力，不小于
MPa
1.5
21
外型尺寸不大于：
—長(zhǎng)
—寬
—高
mm
14840
3870
1884
22
機(jī)組重量，不大于
—BSHK-2DM.00.00.000A
—BSHK-2DM.00.00.000A-01
—BSHK-2DM.00.00.000A-02
t
54.5
55.8
57.5
7、 一次移動(dòng)機(jī)組的距離（兩個(gè)鉆孔之間的距離）為2.6~3.1m。
2.1.2液壓系統(tǒng)
1. 支撐液壓缸的行程：1300 mm。
2. 推進(jìn)主液壓缸：直徑125 mm，桿徑70 mm。
3. 副推進(jìn)液壓缸：直徑90 mm，桿徑56 mm。
4. 推進(jìn)機(jī)構(gòu)的總行程：1900 mm。
5. 導(dǎo)向滑道：直徑210 mm，長(zhǎng)2555 mm。
6. 風(fēng)管伸縮液壓缸：伸縮長(zhǎng)度+130 mm（伸）、-120 mm（縮）。
7. 油泵流量：22L/min。
8. 油箱容積：350L,可波動(dòng)50L。
2.1.3鉆桿
1. 首節(jié)鉆桿：雙頭，直徑分別為570mm、670mm、770mm。
2. 中間鉆桿直徑：480 mm。
3. 風(fēng)筒直徑：320 mm。
4. 穩(wěn)定器鉆桿：直徑分別為450 mm、550 mm，650 mm，長(zhǎng)1540+50 mm或1570+50 mm。
5. 鉆桿的長(zhǎng)度：1570（加聯(lián)軸器節(jié)30 mm深）mm。
2.1.4供電系統(tǒng)
1、 鉆頭電機(jī)功率：132KW×2。
2、 液壓站電機(jī)功率：15 KW。
3、 單軌吊功率：1.5 KW×2。
4、 移動(dòng)變壓站：400KVA。
2.2總體方案的設(shè)計(jì)
本課題主要對(duì)采煤機(jī)推進(jìn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，整個(gè)推進(jìn)機(jī)構(gòu)在螺旋鉆機(jī)機(jī)架上，整個(gè)上機(jī)身是通過兩個(gè)導(dǎo)軌支撐的，上機(jī)可以在導(dǎo)軌上往復(fù)滑動(dòng)，推進(jìn)機(jī)構(gòu)主要靠?jī)蓚€(gè)液壓缸組來實(shí)現(xiàn)，每個(gè)液壓缸組由三個(gè)液壓缸組成，分別為兩個(gè)副推進(jìn)液壓缸和一個(gè)主推進(jìn)液壓缸，通過液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其采煤掘進(jìn)過程，液壓缸組通過差動(dòng)連接來實(shí)現(xiàn)其推進(jìn)行程要求，三個(gè)液壓缸通過一個(gè)夾板來固定以實(shí)現(xiàn)其聯(lián)動(dòng)，主推進(jìn)液壓缸可以自由移動(dòng)，兩側(cè)的輔助液壓缸的缸體一端固定在機(jī)架上。
圖2.1 推進(jìn)機(jī)構(gòu)
推進(jìn)機(jī)構(gòu)的總沖程，導(dǎo)向器一個(gè)直徑為長(zhǎng)度為2555的厚管，傳動(dòng)框架沿導(dǎo)向器進(jìn)行移動(dòng)（其他尺寸見上圖）。
圖2.2 設(shè)計(jì)方案
在傳動(dòng)架上裝了兩個(gè)一左一右的螺旋鉆桿，中間鉆頭由左螺旋鉆帶動(dòng)，通過兩對(duì)齒輪實(shí)現(xiàn)等比傳動(dòng)。
右螺旋鉆桿的軸承前及減速箱的輸出軸上裝了3個(gè)鉆頭，鉆頭軸之間的輸出距離為，兩側(cè)的鉆頭按煤層厚度采用不同的直徑、、。
在各種條件下中間的鉆頭直徑，它的結(jié)構(gòu)由兩側(cè)鉆頭的不同而改變，所有鉆頭采用通用連接。
螺旋鉆桿之間通過連接套傳遞扭矩，螺旋鉆桿的根據(jù)工況條件通過優(yōu)化設(shè)計(jì)可以算出其各參數(shù)。
3 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)
近年來,國(guó)內(nèi)外已開始采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì),采煤機(jī)鉆桿優(yōu)化設(shè)計(jì)的任務(wù)是在滿足裝機(jī)功率、生產(chǎn)率、裝載能力及制造工藝的條件下,尋求最佳鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù),使采出的煤平均塊度最大,浮煤量和煤塵量最小,采煤機(jī)的單位能耗最低,同時(shí)鉆桿的載荷波動(dòng)最小,壽命最長(zhǎng)。但普通的優(yōu)化設(shè)計(jì)均未考慮到影響螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)各因素,因此設(shè)計(jì)方案難以更好地符合客觀實(shí)際。對(duì)采煤機(jī)螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)而求解。
本文選擇螺旋鉆桿裝煤生產(chǎn)率作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo),建立了其數(shù)學(xué)模型并確定了設(shè)計(jì)變量。通過選取煤壁破碎模式、鉆桿工作轉(zhuǎn)速、葉片螺旋升角、鉆桿強(qiáng)度等作為約束條件,使鉆桿參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果更能符合工作實(shí)際,從而提高采煤機(jī)的工作效率。
3.1煤機(jī)螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立
本文在理論分析基礎(chǔ)上,以螺旋鉆桿裝煤生產(chǎn)率為目標(biāo)函數(shù),對(duì)影響其結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)等可變參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量,在一定約束條件下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并編程通過計(jì)算機(jī)計(jì)算,得出影響鉆桿裝煤生產(chǎn)率的幾個(gè)主要可變參數(shù)的最優(yōu)值和在此情況下裝煤生產(chǎn)率的最大值,供鉆桿設(shè)計(jì)、制造及研究時(shí)參考。
3.1.1螺旋鉆桿的裝煤生產(chǎn)率理論分析
煤塊在葉片上的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[2]
如圖3.1所示,當(dāng)螺旋鉆桿裝煤以轉(zhuǎn)速n 旋轉(zhuǎn)(忽略煤自重和葉片與煤塊間的摩擦力) ,煤塊在葉片作用下獲得圓周速度v 和沿葉片的滑動(dòng)速度 ,兩速度合成使煤塊以 的絕對(duì)速度沿葉片的法向方向運(yùn)動(dòng),即：
圖3.1 煤在葉片上的運(yùn)動(dòng)分析
但是由于煤塊和葉片間的摩擦力,使 變成 ,使絕對(duì)速度方向偏離法向一個(gè)摩擦角φ,即方向,則在葉片平均處的速度:
將 沿鉆桿的軸向分解
圖3.2 單頭螺旋葉片鉆桿截面圖
為了準(zhǔn)確地計(jì)算出螺旋鉆桿的最大可能裝載面積,用 的平面E—E去截螺旋葉片,與內(nèi)、外螺旋線分別相交點(diǎn)a 、b、c 、d 可得鉆桿最大可能煤流斷面積。
3.1.2螺旋鉆桿裝煤生產(chǎn)率的計(jì)算
設(shè)螺旋鉆桿裝煤時(shí),煤流的充滿系數(shù)為,則煤流實(shí)際斷面積，因此可計(jì)算出鉆桿的裝煤生產(chǎn)率[2]：
式中:
:為螺旋葉片外徑, m;
:為螺旋葉片內(nèi)徑,m;
:為螺旋葉片厚度,m;
:為螺旋葉片頭數(shù)，取m=1~2;
:為螺旋鉆桿轉(zhuǎn)速, r/ min ;
:為螺旋鉆桿裝滿系數(shù)，0.4~0.6;
:為煤塊與葉片表面摩擦角, 16°;
:為螺旋葉片導(dǎo)程,m;
:為螺旋葉片平均升角, (°)
:為螺旋葉片外緣升角, (°)
:為螺旋葉片內(nèi)緣升角, (°)
可知,影響 的參數(shù)共有9個(gè),其中 為常數(shù); 、為已知量， 、可由煤的機(jī)械物理性能、鉆桿結(jié)構(gòu)和煤的厚度確定; 、 、 、 、為4個(gè)不確定參數(shù),在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),將其作為設(shè)計(jì)變量,則優(yōu)化設(shè)計(jì)變量X 可表示為:
還可知,螺旋鉆桿裝煤生產(chǎn)率Q 是X的函數(shù)。因此,可用如下形式構(gòu)造螺旋鉆桿裝煤生產(chǎn)率的等價(jià)目標(biāo)函數(shù):
3.1.3螺旋葉片設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核
根據(jù)牛頓第二定律，在垂直葉片和平行葉片方向上分解：
圖3.3 螺旋葉片的受力分析
：
式中：
—螺旋葉片對(duì)鉆粉的支持力，；
—鉆粉的離心力，；
—微小段鉆粉的支持力，；
—重力角加速度，；
—鉆粉與孔壁的摩擦力，；
—鉆粉與旋轉(zhuǎn)面的摩擦力，；
—鉆粉與孔壁的摩擦系數(shù)；
—鉆粉與旋轉(zhuǎn)面的摩擦系數(shù)；
—鉆桿的旋轉(zhuǎn)角速度；
—鉆桿的推進(jìn)速度；
—鉆粉離旋轉(zhuǎn)軸在軸的坐標(biāo)；
—螺旋升角；
—采煤的傾角，即鉆頭與水平方向的夾角；
由得：
表3.1 根據(jù)本課題所提供的參數(shù)以及參考資料
0.3
0.4
60r/min
m/s
~
根據(jù)以上參數(shù)我們編制MATLAB程序求得葉片的最大剪切應(yīng)力，當(dāng)
時(shí)，
圖3.5 葉片的應(yīng)力分析
圖3.6 螺旋葉片在半徑方向上的位置與受力關(guān)系
由上式我們可以得到在螺旋葉片危險(xiǎn)截面在螺旋葉片與鉆桿的焊接處，在設(shè)計(jì)時(shí)只須校核處的強(qiáng)度滿足要求，那么整個(gè)鉆桿也就滿足強(qiáng)度要求，按文獻(xiàn)，選擇埋弧焊，采用角焊逢方式，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得，強(qiáng)度校核公式[10]：
將 ，代入上式：
，求得，焊逢寬度
3.1.4優(yōu)化約束條件的建立
(1) 鉆桿工作轉(zhuǎn)速的約束[5] [6]
螺旋鉆桿能將采下來的煤裝進(jìn)工作面輸送機(jī),為了保證螺旋鉆桿在裝煤過程中既不發(fā)生堵塞又不至于將煤拋過采空區(qū),螺旋鉆桿的轉(zhuǎn)速必須滿足如下關(guān)系:
式中:
為滿足鉆桿裝煤不發(fā)生堵塞的最低臨界速度,
為防止煤塊拋過采空區(qū)的最高臨界速度,
為螺旋鉆桿截深,0.6~1.0m; 為鉆桿的牽引速度, m/ min ; 為采高, m; 為煤的松散系數(shù), = 1. 5～1.7 ; 為鉆桿的裝煤量系數(shù)0.56; 為浮煤堆積厚度,0.1m; a為鉆桿外緣至輸送機(jī)間的水平距離,
0.2~0.3m; b為輸送機(jī)溜槽寬度,0.3~0.4m; h為輸送機(jī)溜槽高度,0.15~0.3m; g為重力加速度,9.8。
本文的鉆桿轉(zhuǎn)速根據(jù)工作情況，已經(jīng)給定。
(2) 葉片螺旋升角的約束[5]
要使裝煤的效果不至于太差,葉片螺旋升角的范圍，
(3) 合理的鉆桿直徑[5] [7]
為保證螺旋葉片具有足夠的裝煤空間,防止堵塞或過多的循環(huán)煤量,在主軸結(jié)構(gòu)布置時(shí)盡量減小鉆桿直徑,使葉片直徑Dy與鉆桿直徑Dg保持一定的比例。一般控制:
(4) 螺旋葉片厚度的取值[8]
(5)保證合理螺旋葉片的螺距[8] [9]
螺距是相鄰兩螺線之間的軸向距離，在確定了導(dǎo)程和頭數(shù)以后，螺距即可求得。為了使兩葉片之間的空間能順利排煤而不被大快煤卡住，兩葉片間距應(yīng)為。
（6）等式約束：[2]
則：
根據(jù)以上條件，采煤機(jī)螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：
3.1.5模型的求解
在MATLAB6.5中，通過計(jì)算機(jī)編程，求解得：
即：
螺旋葉片的鉆桿直徑
螺旋葉片的導(dǎo)程
螺旋升角、
螺旋葉片的厚度
螺旋鉆桿的排煤量
螺旋采煤機(jī)的各種鉆桿通過以上模型，在MATLAB6.5中編程函數(shù)求解得各種型號(hào)的鉆桿的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
表3.2 鉆桿的設(shè)計(jì)參數(shù)
鉆桿名稱
葉片數(shù)
升角
導(dǎo)程
中間鉆桿
480
1
26.6
448
192
首節(jié)鉆桿
570
2
28.2
570
220
首節(jié)鉆桿
670
2
28.2
670
266
首節(jié)鉆桿
770
2
28.2
770
305
穩(wěn)定器鉆桿
450
2
28.0
452
192
穩(wěn)定器鉆桿
550
2
28.2
550
218
穩(wěn)定器鉆桿
650
2
28.2
650
258
3.2鉆桿軸及連接件的設(shè)計(jì)
表3.3 幾種常用軸用材料的[τ]及A值
軸的材料
Q235-A，20
Q237,35
45
40Cr,35SiMn,
38SiMnMo,3Cr13
[τ]N/
15~25
20~35
25~45
35~55
A
140~126
135~112
126~112
112~97
本設(shè)計(jì)中軸的材料為45號(hào)無(wú)逢鋼管，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（新版1）表1.1-14查得：，
選擇[τ]=25，軸的彎扭合成強(qiáng)度計(jì)算：
鉆桿設(shè)計(jì)為一空心軸，鉆桿傳遞的扭矩為，軸的外徑，內(nèi)徑，長(zhǎng)度為，空心軸的用料情況可用軸的截面積，扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定的臨界剪應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定的臨界剪應(yīng)力（E為彈性模量）。材料的允許剪應(yīng)力也為。
（1）軸上的輸出轉(zhuǎn)矩T
其中η為聯(lián)軸器的效率，取值為0.99, 考慮動(dòng)載荷以及過載, 工作情況系數(shù)，取聯(lián)軸器工作情況系數(shù)。
（2）軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件
根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為
取
扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定的臨界剪應(yīng)力
圖3.7 鉆桿所受擠壓應(yīng)力圖
（3）軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件
取
圖3.8 鉆桿所受應(yīng)力圖
上述問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型如下：
對(duì)于該非線性問題的求解，通過計(jì)算機(jī)編寫LINGO程序，求解得：
Objective Value: f=19792.02
Variable Value: x=108
故螺旋鉆桿的內(nèi)徑為
螺旋采煤機(jī)的各種鉆桿通過以上模型，在LINGO中編程求解得各內(nèi)徑參數(shù)如下：
表3.4 鉆桿的優(yōu)化參數(shù)
鉆桿名稱
葉片數(shù)
中間鉆桿
480
1
192
108
首節(jié)鉆桿
570
2
227
136
首節(jié)鉆桿
670
2
266
159
首節(jié)鉆桿
770
2
305
183
穩(wěn)定器鉆桿
450
2
190
100
穩(wěn)定器鉆桿
550
2
218
130
穩(wěn)定器鉆桿
650
2
258
154
3.3聯(lián)接套的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中軸的材料為35SiMn，，，所以選擇[τ]=35,聯(lián)軸套與鉆桿采用焊接方式，焊縫不低于，設(shè)聯(lián)軸套的內(nèi)徑和外徑分別為和，聯(lián)軸套采用鑄造方式成型，聯(lián)軸套的設(shè)計(jì)如下圖
（1）軸上的輸出轉(zhuǎn)矩T
其中η為聯(lián)軸器的效率，取值為0.99, 考慮動(dòng)載荷以及過載, 工作情況系數(shù)，取聯(lián)軸器工作情況系數(shù)。
（2）軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件
由圖示知，在套筒上開有四個(gè)孔，故取
圖3.8 鉆桿接結(jié)套截面示意圖
根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)，軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為:
取，則
扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定的臨界剪應(yīng)力，則
（3）軸的扭轉(zhuǎn)剛度條件
取，則
（4）焊接和工藝條件
為了保證足夠的強(qiáng)度，焊縫不低于焊縫不低于，故聯(lián)接套的外徑要大于鉆桿軸徑的2倍焊縫以上，內(nèi)徑要小于得鉆桿軸徑，得：
則：
為了保證合理的工藝結(jié)構(gòu)，即套筒的內(nèi)徑和外徑保證一定的比列，通同時(shí)在結(jié)構(gòu)上要滿足強(qiáng)度條件的要求，通常取，則可以得到其約束方程為：
根據(jù)以上的約束條件，可以建立對(duì)套筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，取設(shè)計(jì)變量，則其數(shù)學(xué)模型表達(dá)如下：
目標(biāo)函數(shù)：
約束條件：
求解得：,
聯(lián)結(jié)套通過以上模型，在LINGO8.0中編程，求解得各聯(lián)結(jié)套的外徑和內(nèi)徑優(yōu)化參數(shù)如下：
表3.4 鉆桿的優(yōu)化參數(shù)
鉆桿名稱
中間鉆桿
192
108
222
132
首節(jié)鉆桿
227
136
251
150
首節(jié)鉆桿
266
159
290
174
首節(jié)鉆桿
305
183
329
197
穩(wěn)定器鉆桿
192
108
222
132
穩(wěn)定器鉆桿
218
130
242
145
穩(wěn)定器鉆桿
258
154
282
169
本章主要利用了最優(yōu)化方法對(duì)螺旋鉆頭各參數(shù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)出來的結(jié)論與實(shí)際工作中的鉆桿進(jìn)行比較，本設(shè)計(jì)的鉆桿煤的輸送能力提高了，在滿足強(qiáng)度條件的情況下通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，減少了材料，因此本設(shè)計(jì)采取的具有積極意義。
4 傳動(dòng)減速箱的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.1齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
在只有兩個(gè)電機(jī)同時(shí)還要帶動(dòng)三個(gè)鉆頭的情況下，只有需要加個(gè)減速箱來傳動(dòng)一個(gè)動(dòng)力。 設(shè)計(jì)時(shí)，通過左螺旋鉆頭帶動(dòng)中間鉆頭旋轉(zhuǎn)。在這里的減速箱的設(shè)計(jì)中它既要滿足可以傳動(dòng)動(dòng)力的問題。同時(shí)還要滿足等比傳動(dòng)，即傳動(dòng)比為1，還有就是它的體積盡可能小，初步所設(shè)計(jì)的減速箱如圖4.1示：
圖4.1 齒輪設(shè)計(jì)示意圖
同時(shí)為了要保證1與3軸的轉(zhuǎn)向相同。為實(shí)現(xiàn)使其體積較小，本文設(shè)計(jì)齒輪1、4相同，齒輪2、3相同，并且齒輪1、4小于齒輪2、3，因此它也保證了等比傳動(dòng)，同時(shí)使體積較小。
4.1.1基本的參數(shù)
1． 電機(jī)的功率：
2.轉(zhuǎn)速
4.1.2齒輪的計(jì)算
1、 擇齒輪的材料查表8-17
小齒輪軸選用：
，，
2、 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算（以下設(shè)計(jì)參考機(jī)械設(shè)計(jì)工程學(xué)[12]）
查機(jī)械手冊(cè)[10]，齒輪的傳動(dòng)效率如下表4-1所示：
表4-1 齒輪的傳動(dòng)效率
精 度 等 級(jí)
效率
7級(jí)精度（油潤(rùn)滑）
0.98
8級(jí)精度（油潤(rùn)滑）
0.97
9級(jí)精度（油潤(rùn)滑）
0.96
第一級(jí)齒輪模數(shù)的確定原則如下：
表4.2 齒輪模數(shù)
最大扭
900～2000
2000～3500
3500～6000
模數(shù)
6
8
10
（1） 確定齒輪傳動(dòng)精度等級(jí)：
按
估取圓周速度 ：
參考表8-14，表8-15選取，齒輪第Ⅱ公差組8級(jí)
（2）齒寬系數(shù)：
查表8-23按齒輪相對(duì)軸承為非對(duì)稱布置，取=0.8
（3） 小齒輪的齒數(shù)：
在推薦值20~40中
小齒輪的齒數(shù) =24
大齒輪的齒數(shù) =40
（4）齒數(shù)比u:
（5）齒輪的轉(zhuǎn)矩：
由式（8-53）得：
（6）載荷系數(shù)K
由式（8-54）得：
齒向載荷分配系數(shù),由式（8-55）及得：
查表8-21并插值：
則載荷系數(shù)K的初值：
=1×1.18×1.07×1.2
= 1.4141
（7）彈性系數(shù)
查表8-22,=189.8
（8）節(jié)點(diǎn)影響系數(shù)：
查表8-84得：=2.5
（9）重合度系數(shù)
查表8-65（）得：=0.87
（10）許用接觸應(yīng)力
由式（8-69）得
由式（8-69）得:
（11）硬化系數(shù)
（12）接觸強(qiáng)度安全系數(shù)
查表8-27，按一般可靠度查~1.1?。?1.1
故的設(shè)計(jì)初值
故的設(shè)計(jì)初值
（13）齒輪模數(shù)m:
（14）齒輪的參數(shù)
a) 分度圓直徑的計(jì)算
b) 齒頂高的計(jì)算
c) 齒根高的計(jì)算
d) 齒全高的計(jì)算
e) 中心距a
f)
取,大齒輪,小齒輪
4.1.3彎曲強(qiáng)度校核計(jì)算
由公式8-66,，齒型系數(shù)，查公式8-67,取
小輪,大輪
應(yīng)力修正系數(shù)，查圖,取
小輪,大輪
重合度系數(shù)，由公式8-67,取
許用彎曲應(yīng)力，由公式8-71
彎曲疲勞應(yīng)力，查圖8-72,取
，
彎曲壽命系數(shù)，查圖8-73,取
尺寸系數(shù)，查圖8-74,取
安全系數(shù)，查表8-27,取
則
故彎曲疲勞強(qiáng)度滿足要求。
4.2軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
4.2.1按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度概略計(jì)算軸徑
由前面計(jì)算出來的齒輪直徑，本文設(shè)計(jì)1、3軸為齒輪軸，現(xiàn)在本位主要對(duì)第2根軸進(jìn)行的計(jì)算。
1）選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)。查表“軸的常用材料及其機(jī)械性能”得[14]：
查表“軸的許用彎曲應(yīng)力”得：
按式：計(jì)算軸的直徑：
C為與許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力[]有關(guān)的系數(shù)： C=110
所以，取
4.2.2計(jì)算支反力和繪彎扭矩圖
由圖4.1可知第2 根軸的受力情況，它一方面受到齒輪1、3對(duì)它的作用力，同時(shí)該軸還有軸承對(duì)它的支撐作用力。
設(shè)計(jì)時(shí)，各段長(zhǎng)度為：
根據(jù)受力分析和材料力學(xué)知識(shí)，計(jì)算其支反力和繪出其彎扭矩圖，如下所示：
（a）示意圖
(b)垂直面受力圖
(c)垂直面彎矩圖
(d)水平面受力圖
(e)水平面彎矩圖
(f)合成彎矩圖
(g)扭矩圖
剖面E-E與剖面C-C之間的轉(zhuǎn)矩
= 9550000×132/65×0.99×1.5
=3.120×N.m
其中：
1）垂直平面內(nèi)支承點(diǎn)A的支反力：
垂直平面內(nèi)支承點(diǎn)B的支反力：
2)垂直平面內(nèi)剖面C—C處的彎矩：
垂直平面內(nèi)剖面E--E處的彎矩：
3)水平平面內(nèi)支承點(diǎn)A的支反力：
水平平面內(nèi)支承點(diǎn)B的支反力：
5) 水平平面內(nèi)剖面C--C處的彎矩：
水平平面內(nèi)剖面E--E處的彎矩：
5)剖面C—C處的合成彎矩：
剖面E--E處的合成彎矩：
同樣對(duì)于第1、3軸的設(shè)計(jì)和校核也可以類似軸2的方式進(jìn)行。
4.2.3強(qiáng)度精確校核（驗(yàn)算安全系數(shù)）
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)和彎矩圖及扭矩圖可見，剖面E—E為危險(xiǎn)截面，故對(duì)之作精確校核。
1） 查表“螺紋、鍵、花鍵、橫孔處及配合的邊緣處有效
應(yīng)力集中系數(shù)、”得過盈配合為時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)
2） 查表“尺寸系數(shù)、”（按毛坯尺寸），得尺寸系數(shù)
3） 查表“不同表面粗糙度的表面質(zhì)量系數(shù)”（按表面磨削考慮）得表面質(zhì)量系數(shù)
4） 綜合影響系數(shù)
5） 彎曲應(yīng)力幅：
其中：
則：
6）平均應(yīng)力：
7）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力幅：
其中：
8）扭轉(zhuǎn)平均應(yīng)力：
9）只考慮正應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù)：
只考慮切應(yīng)力時(shí)的安全系數(shù)：
則工作安全系數(shù)S：
按材質(zhì)不夠均勻，計(jì)算不夠精確。查表“軸的許用安全系數(shù)”得 [S]=1.5~1.8 可知：
故軸滿足強(qiáng)度要求。
5 推進(jìn)液壓缸、機(jī)架以及導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
5.1液壓缸的設(shè)計(jì)
采煤機(jī)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)采用由液壓作為推進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，根據(jù)采煤機(jī)的工作情況：
1、 的切割的阻力不大于。
2、 支撐液壓缸的行程：。
3、 推進(jìn)機(jī)構(gòu)的總行程：。
4、 液壓系統(tǒng)的油壓，不低于16。
圖5.1 推進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖
采煤機(jī)在工作時(shí)，受到切割阻力和推進(jìn)阻力，根據(jù)煤層對(duì)鉆頭的作用力，以及螺旋鉆桿在前進(jìn)和后退時(shí)受到的阻力，可以計(jì)算推進(jìn)液壓缸作用在活塞上的載荷，油液作用在單位面積上的壓強(qiáng)[15]：
從上式可知，壓力值的建立是由載荷的存在而產(chǎn)生的，在同一個(gè)活塞的有效工作面積上載荷越大，克服載荷所需要的壓力就越大。
最高允許壓力，也是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)壓力，是液壓缸能用以長(zhǎng)期工作的壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。各國(guó)規(guī)范通常規(guī)定為：
根據(jù)液壓缸的總行程和推進(jìn)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，初步設(shè)計(jì)液壓鋼如下
圖5.2 推進(jìn)液壓示意圖
5.1.1鋼筒的設(shè)計(jì)計(jì)算
圖 5.3 位移循環(huán)圖
在上述工作的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)主機(jī)進(jìn)行工況分析，工況分析包括運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析，對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)還需編制負(fù)載和動(dòng)作循環(huán)圖，由此了解液壓缸或液壓馬達(dá)的負(fù)載和速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，以下對(duì)工況分析的內(nèi)容作具體介紹。
a、運(yùn)動(dòng)分析
主機(jī)的執(zhí)行元件按工藝要求的運(yùn)動(dòng)情況，可以用位移循環(huán)圖(L—t)，速度循環(huán)圖(v—t)，或速度與位移循環(huán)圖表示，由此對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析。
1.位移循環(huán)圖L—t
圖4-1為液壓機(jī)的液壓缸位移循環(huán)圖，縱坐標(biāo)L表示活塞位移，橫坐標(biāo)t表示從活塞啟動(dòng)到返回原位的時(shí)間，曲線斜率表示活塞移動(dòng)速度。該圖清楚地表明液壓機(jī)的工作循環(huán)分別由快速下行、減速下行、壓制、保壓、泄壓慢回和快速回程六個(gè)階段組成。
2.速度循環(huán)圖v—t(或v—L)
工程中液壓缸的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)可歸納為三種類型。圖5-4為三種類型液壓缸的v—t圖
圖5.4 速度循環(huán)圖
第一種如圖5-4中實(shí)線所示，液壓缸開始作勻加速運(yùn)動(dòng)，然后勻速運(yùn)動(dòng)， 最后勻減速運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)；
第二種，液壓缸在總行程的前一半作勻加速運(yùn)動(dòng)，在另一半作勻減速運(yùn)動(dòng)，且加速度的數(shù)值相等；
第三種，液壓缸在總行程的一大半以上以較小的加速度作勻加速運(yùn)動(dòng)，然后勻減速至行程終點(diǎn)。
v—t圖的三條速度曲線，不僅清楚地表明了三種類型液壓缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也間接地表明了三種工況的動(dòng)力特性。
b、動(dòng)力分析
動(dòng)力分析，是研究機(jī)器在工作過程中，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的受力情況，對(duì)液壓系統(tǒng)而言，就是研究液壓缸的負(fù)載情況。
1.液壓缸的負(fù)載及負(fù)載循環(huán)圖
(1)液壓缸的負(fù)載力計(jì)算。工作機(jī)構(gòu)作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸必須克服的負(fù)載由六部分組成：
式中：為切割阻力；為摩擦阻力；為慣性阻力； 為密封阻力；為排油阻力。
圖5.5導(dǎo)軌形式
① 切割阻力：
螺旋采煤機(jī)的最大截割阻力為，由于本推進(jìn)機(jī)構(gòu)采用2個(gè)液壓缸系統(tǒng)，故
表5.1 摩擦因數(shù)f
導(dǎo)軌類型
導(dǎo)軌材料
運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
摩擦因數(shù)(f)
滑動(dòng)導(dǎo)軌
鑄鐵對(duì)鑄鐵
啟動(dòng)時(shí)
低速(v＜0.16m/s) 高速(v＞0.16m/s)
0.15～0.20
0.1～0.12
0.05～0.08
滾動(dòng)導(dǎo)軌
鑄鐵對(duì)滾柱(珠)
淬火鋼導(dǎo)軌對(duì)滾柱(珠)
?
0.05～0.02
0.003～0.006?
靜壓導(dǎo)軌
鑄鐵
?
0.005
② 摩擦阻力：
為液壓缸帶動(dòng)的運(yùn)動(dòng)部件所受的摩擦阻力，它與導(dǎo)軌的形狀、放置情況和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，其計(jì)算方法可查機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)手冊(cè)。圖5.5為最常見的兩種導(dǎo)軌形式，其摩擦阻力的值為：
平導(dǎo)軌：
V形導(dǎo)軌：
式中：
f為摩擦因數(shù)，參閱表5-1選??； 為作用在導(dǎo)軌上總的正壓力或沿V形導(dǎo)軌橫截面中心線方向的總作用力，在本文中為整個(gè)液壓缸的重力，整個(gè)液壓缸重量系統(tǒng)不大于，取；為V形角，一般為90°。
?本文設(shè)計(jì)液壓缸導(dǎo)軌為V形導(dǎo)軌，根據(jù)公式
③ 慣性阻力：
慣性阻力為運(yùn)動(dòng)部件在啟動(dòng)和制動(dòng)過程中的慣性力，可按下式計(jì)算：
式中：為運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量；為運(yùn)動(dòng)部件的加速度；為運(yùn)動(dòng)部件的重量(N)；為重力加速度，；為速度變化值；為啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間(s)，一般＝0.1～0.5s，取大，則：
表5-1 螺旋采煤機(jī)鉆桿推進(jìn)速度
鉆桿推進(jìn)速度
單位
值
——工作狀態(tài) 前進(jìn)
后退
——調(diào)度狀態(tài) 前進(jìn)
后退
m/min
④ 密封阻力：
密封阻力指裝有密封裝置的零件在相對(duì)移動(dòng)時(shí)的摩擦力，其值與密封裝置的類型、液壓缸的制造質(zhì)量和油液的工作壓力有關(guān)。在初 算 時(shí)，可按缸的機(jī)械效率考慮；驗(yàn)算時(shí)，按密封裝置摩擦力的計(jì)算公式計(jì)算。
⑤ 油阻力：
排油阻力為液壓缸回油路上的阻力，該值與調(diào)速方案、系統(tǒng)所要求的穩(wěn)定性、執(zhí)行元件等因素有關(guān)，在系統(tǒng)方案未確定時(shí)無(wú)法計(jì)算，可放在液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算中考慮。
由于采煤機(jī)的切割阻力很大，密封阻力和排油阻力可以忽略不計(jì)
即，。
則
5.1.2液壓缸工作壓力的確定
液壓缸要承受的負(fù)載包括有效工作負(fù)載、摩擦阻力和慣性力等。液壓缸的工作壓力按負(fù)載確定。對(duì)于不同用途的液壓設(shè)備，由于工作條件不同，采用的壓力范圍也不同。設(shè)計(jì)時(shí)，液壓缸的工作壓力可按負(fù)載大小及液壓設(shè)備類型參考表5.2、表5.3來確定。
表5.2 液壓缸的公稱壓力（單位：MPa,GB7938-87）
0.63
1.0
1.6
2.5
4.0
6.3
10.0
16.0
25.0
31.5
40.0
表5.3 各類液壓設(shè)備常用的工作壓力(單位：MPa)
設(shè)備類型
一般機(jī)床
一般冶金設(shè)備
農(nóng)業(yè)機(jī)械、小型工程機(jī)械
液壓機(jī)、重型機(jī)械、軋機(jī)壓下、起重運(yùn)輸機(jī)械
工作壓力
1～6.3
6.3～16
10～16
20～32
表5.4 液壓缸中的背壓力
系統(tǒng)類型
背壓力
回油路上有節(jié)流閥
0.2~0.5
回油路上有背壓閥或調(diào)速閥
0.5~1.5
采用輔助泵補(bǔ)油的閉式回路
1.0~1.5
主液壓缸計(jì)算：
1.初選液壓缸工作壓力
由工況分析可知，推進(jìn)階段的負(fù)載力最大，所以，液壓缸的工作壓力按此負(fù)載力計(jì)算，根據(jù)液壓缸與負(fù)載的關(guān)系，選。液壓缸回油腔有背壓，設(shè)背壓，取往復(fù)速比
表5.5 液壓缸工作壓力與活塞桿直徑
液壓缸工作壓力P（MPa）
￡5
5~7
>7
推薦活塞桿直徑
(0.5~0.55)D
(0.6~0.7)D
0.7D
表5.6 液壓缸往復(fù)速度比推薦值
液壓缸工作壓力P（MPa）
￡10
12.5~20
>20
往復(fù)速度比
1.33
1.46~2
2
2.計(jì)算液壓缸尺寸由式得：
.
液壓缸直徑：
?
副液壓缸計(jì)算：
.
主液壓缸直徑：
液壓缸的缸筒長(zhǎng)度由活塞最大行程，活塞長(zhǎng)度，活塞桿導(dǎo)向套長(zhǎng)度，活塞桿密封長(zhǎng)度和特殊要求的長(zhǎng)度確定。其中活塞長(zhǎng)度為（0.6~1.0）D；導(dǎo)向套長(zhǎng)度為（0.6~1.5）d。為減少加工難度，一般液壓缸缸筒長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20~30倍。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)液壓缸參數(shù)如下：
推進(jìn)機(jī)構(gòu)的總行程：
單個(gè)液壓缸的行程
推進(jìn)主液壓缸：直徑，桿徑。
副推進(jìn)液壓缸：直徑，桿徑。
5.1.3液壓缸的校核
1、缸筒壁厚的驗(yàn)算
中、高壓液壓缸一般用無(wú)縫鋼管做缸筒，大多屬薄壁筒，即d/D￡0.08，此時(shí)，可根據(jù)材料力學(xué)中薄壁圓筒的計(jì)算公式驗(yàn)算缸筒的壁厚，即
式中: —缸筒內(nèi)的最高工作壓力
[s]—缸筒材料的許允應(yīng)力，
采用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的無(wú)逢鋼管，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[10]表30-116，，。
因?yàn)橹魍七M(jìn)液壓缸的壁厚，副推進(jìn)液壓缸的壁厚，故滿足強(qiáng)度要求。
2、液壓缸穩(wěn)定性驗(yàn)算
活塞桿長(zhǎng)度根據(jù)液壓缸最大行程L而定。對(duì)于工作行程中受壓的活塞桿，當(dāng)活塞桿長(zhǎng)度L與其直徑d之比大于10時(shí)，應(yīng)對(duì)活塞桿進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算
式中：
——液壓缸的最大作用力
——活塞的桿直徑
——空心活塞的桿的內(nèi)徑
——活塞的抗拉強(qiáng)度，
查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表30-116，，，則
主推進(jìn)液壓缸
故主推進(jìn)液壓缸滿足強(qiáng)度要求
副推進(jìn)液壓缸
故滿副推進(jìn)液壓缸足強(qiáng)度要求
，須考慮活塞桿彎曲的穩(wěn)定性，校核公式如下：
式中：安全系數(shù)，通常取
式中：活塞桿的彈性模量，活塞桿的慣性矩, ，液壓缸安裝未端系數(shù),查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取，考慮活塞桿材料不均勻的系數(shù)，取。
故滿足穩(wěn)定性要求
5.2液壓缸的結(jié)構(gòu)
圖5 .6 雙作用單活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖[13]
上圖表明，液壓缸一般由后端蓋、缸筒、活塞桿、活塞組件、前端蓋等主要部分組成；為防止油液向液壓缸外泄或由高壓腔向低壓腔泄漏，在缸筒與端蓋、活塞與活塞桿、活塞與缸筒、活塞桿與前端蓋之間均設(shè)置有密封裝置，在前端蓋外側(cè)，還裝有防塵裝