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中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 1 目 錄 1 前言 ............................................................................................4 1.1 設計背景和目的 ...................................................................................4 1.2 國外巖石隧道掘進機法的發(fā)展歷史 ...............................................4 1.3 中國巖石隧道掘進機法歷史的概況 .............................................6 1.4 巖石隧道掘進機的現(xiàn)狀 ......................................................................7 1.5 國際掘進機，盾構機發(fā)展趨勢 .........................................................9 1.5.1 巖石隧道掘進機的分類 ...........................................................10 1.5.2 掘進機分類 ..................................................................................11 1.6 EBZ-125XK 型掘進機簡介 .............................................................12 1.6.1 產(chǎn)品特點 .....................................................................................12 1.6.2 主要用途、適用范圍 .................................................................13 1.6.3 產(chǎn)品型號、名稱及外形 .............................................................13 1.6.4 型號的組成及其代表意義 ..........................................................14 2 總體設計 ...................................................................................................14 2.1 總體 參數(shù) .............................................................................................14 2.1.1 截割都 .........................................................................................15 2.2 掘進機各組成部分基本結構設計 .....................................................15 2.2.1 截割部 ..........................................................................................15 2.2.2 裝載部 ..........................................................................................17 2.3 刮板輸送機 .........................................................................................17 2.4 行走部 ...............................................................................................18 2.5 機架和回轉臺 .....................................................................................19 2.6 液壓系統(tǒng) .............................................................................................20 2.7 電氣系統(tǒng) .............................................................................................22 3 截割機構設計 ..........................................................................................22 3.1 截割頭 ................................................................................................22 3.2 截割減速器 ........................................................................................23 3.3 電動機 ................................................................................................23 3.4 懸臂伸縮裝置 ....................................................................................24 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 2 3.5 回轉臺 ................................................................................................25 4 減速器設計和校核 ..................................................................................25 4.1 減速機構概述 .....................................................................................25 4.2 2K-H 減速器高速級齒輪設計 ...........................................................25 4.2.1 齒輪材料、熱處理工藝及制造工藝選定 ..................................25 4.2.2 減速器原理圖 ..............................................................................26 4.2.3 確定各主要參數(shù) .........................................................................26 4.2.4 幾何尺寸計算 .............................................................................29 4.2.5 齒輪嚙合要素計算 ......................................................................30 4.2.6 齒輪強度驗算 ..............................................................................30 4.2.7 行星輪嚙合強度驗算 ..................................................................35 5 .2K-H 減速器低速級速級齒輪設計 ........................................................43 5.1 齒輪材料、熱處理工藝及制造工藝選定 .........................................43 5.2 確定各主要參數(shù) ................................................................................43 5.3 計算幾何尺寸 ....................................................................................45 5.4 齒輪強度驗算 ....................................................................................46 5.5 減速器其他零件校核 ........................................................................46 5.5.1 輸入軸 校核 .................................................................................46 5.5.2 軸承 校核 .....................................................................................50 5.5.3 鍵 的校核 .....................................................................................51 6. 掘進機的檢修及維護保養(yǎng) .....................................................................53 6.1 機器的日常維護保養(yǎng) ........................................................................53 6.2 機器的定期維護保養(yǎng) .........................................................................54 6.3 潤滑 .....................................................................................................54 6.4 液壓系統(tǒng)用油 .....................................................................................56 6.5 電氣 .....................................................................................................57 7. 機器常見故障原因及處理方法 .............................................................57 7.1 截割部 .................................................................................................57 7.2 裝運部 .................................................................................................57 8 安全保護 ...................................................................................................60 9 安全保護 ................................................................................................61 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 3 9．1 安裝與檢查 .....................................................................................61 9.2 維護、修理與故障排除 .....................................................................62 9.3 包裝及保管 .........................................................................................62 參考文獻 ...............................................................................................63 英文原文 ...............................................................................................64 中文譯文 ...............................................................................................73 致 謝 ...................................................................................................80 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 4 1 前言 此次設計的懸臂式掘進機主要是為煤礦綜采及高檔普采工作面采 掘巷道掘進服務的機械設備。主要適用于煤及半煤巖巷的掘進，也適 用于條件類似的其它礦山及工程巷道的掘進。 1.1 設計背景和目的 隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展。目前我國的礦井設計逐漸采用一井一面布 置的采煤方法，其開采強度提高，推進速度增快，從而帶來采掘機械 化比例失調(diào)，采掘矛盾日益彰顯。另外對于一些開采年限較長的礦井， 易采的中厚煤層資源日益減少，而薄煤層的開采比例逐年增加，在全 部采準巷道中,半煤巖巷的比例已經(jīng)達到 25%，但這些巷道中的 90%仍 舊采用著傳統(tǒng)的炮掘作業(yè)，勞動強度大，安全性差。目前，我國大部 分煤礦使用的主要機型多是二十世紀六、七十年代設計的，這些原有 的設計理念逐漸陳舊、零部件可靠性較差、開機率低、維護量大，而 且機重偏輕、截割功率小、過斷層和截割巖石的能力差，不能適應較 復雜煤層的要求。 因此開發(fā)研制綜合性能好、適應范圍廣的新型掘進機已經(jīng)成為當務之 急，用于解決掘進機更新?lián)Q代的問題，緩解采掘矛盾的緊張局面 1.2 國外巖石隧道掘進機法的發(fā)展歷史 1852 年，蒸汽機驅(qū)動的巖石隧道掘進機（RTM）隧道掘進機(TBM)， 在花崗巖中試用，未獲成功。以后的三十年中，設計試制了各式各樣 的掘進機共 13 臺，均有所進步。 從 1884～1926 年間，一些國家又先后設計制造了 21 臺掘進機之 后，因受當時技術條件的限制。直至本世紀的 40 年代末至 50 年代初。 歐美及日本各工業(yè)發(fā)達國家又繼續(xù)研究設計制造和使用掘進機，找尋 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 5 出在隧道快速掘進中更好的機械。并在實際使用中獲得了較為理想的 效果。 目前世界上著名的五大掘進機制造廠商是美國的羅賓斯公司 （Robbins）和賈瓦公司（Jarva）、德國的沃斯公司（Wirth）和德馬 克公司（Dcmag）、瑞典的阿拉斯·科普河公司（Atlas．Copco）,都 是 50 年代和 60 年代開始研制和生產(chǎn)掘進機的。由于產(chǎn)品質(zhì)量好，受 到用戶的青睬，到目前為止世界范圍使用的掘進機已超過 450 臺，掘 進總長度在 2500km 以上，其中美國羅賓斯各型掘進機約 163 多臺。 羅賓斯掘進機制造廠最早于 1947 年研制和生產(chǎn)的原始型掘進機是 在煤層中使用的，但后來也用在頁巖中開挖隧道。在這兩臺掘進機上， 第一次使用了盤形刀具作為對巖體破碎工具并得到較好的效果。 1953 年，制造了一臺直徑為 7．85m 全斷面隧道掘進機（full face tunnel boring machine），是利用回轉刀盤開挖（同時破碎及 掘進）隧道的整個斷面的專用機械總稱。 1955 年，又為某壩的工程建設，連續(xù)制造了三臺直徑為 2．44m 羅賓斯掘進機，該機第一次得到了開挖中硬和硬巖的實踐經(jīng)驗。 1956 年該廠制造的直徑為 3．28m 掘進機機型為 131 型，開挖圍 巖的性質(zhì)是中硬巖及硬巖，該機進行了又一次嘗試和考驗。經(jīng)這次嘗 試和考驗的結果證明是成功的，而且它是硬巖隧道掘進機發(fā)展中的一 個重要轉折點。 到了 1960 年，巖石掘進機的發(fā)展又進入新的階段，又開發(fā)制造了 羅賓斯 161 型掘進機。這是第一臺創(chuàng)紀錄(6 天中掘進了 229m）的羅賓 斯掘進機。這臺機器也是第一次使用了有永久性密封及機油潤滑軸承 的盤形滾刀。這臺機器目前仍為現(xiàn)有掘進機中最大的一臺掘進機，并 已保持了石方開挖噸位的記錄。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 6 盾構式隧道掘進是羅賓斯 341 型，直徑為 10．3m，僅次于羅莫斯 371 型，機重 550t，它是為開挖地下鐵道制造的。341 型掘進機的設 計原理與目前一般巖石隧道掘進機采用的原理有根本的區(qū)別。它第一 次在隧道開挖施工中采用了局部氣壓原理。 第 17 臺羅賓斯掘進機是 121 型，命名為“阿索梯”掘進機，是在 工程中所使用三臺連續(xù)創(chuàng)造紀錄的掘進機中的一臺。 第 22 臺羅賓斯掘進機的產(chǎn)生是掘進機制造工藝方面的又一重要 階段。這臺直徑為 5．5m 的 181 型掘進機是為白松銅礦制造的，它將 施工掘進堅硬的沉積巖層。這臺機器運到礦山工地，等到隧道定線工 作完成(1968 年）后即用來掘削銅礦的大塊砂巖層 132 型掘進機最近在國外某地評始使用，將通過惡劣的破碎斷層 到堅硬巖層掘進施工一條直徑 3．96m 的下水道。這臺機器的頂蓋（或 盾殼系統(tǒng)）的設計具有最可靠的保護作用，并且允許在靠近開挖面處 于盾殼的保護下安裝隧道支撐盾殼制成三塊，用液壓操縱。這樣機器 就可以在硬巖中轉向而不致于卡位。 第 25 及 26 號機目前上在制造中，其中一臺直徑為 2．44m 的掘進 機提供塔斯碼尼亞水電工程建造壓力隧道用。另一臺直徑為 3.66m 的 掘進機提供外國的供水隧道施工用。 1.3 中國巖石隧道掘進機法歷史的概況 中國全斷面巖石掘進機研究開發(fā)于 1964 年開始這方面工作。1965 年，掘進機的研制列入國家重點科研項目，當時的水電部抽調(diào)技術力 量，以上?？睖y設計院機械設計室為主，集中在上海水工機械廠進行 現(xiàn)場設計，1966 年就生產(chǎn)出中國第一臺直徑為 3.5m 的全斷面巖石掘 進機。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 7 1969 年由廣州市機電工業(yè)局制造了一臺直徑為 4m 的掘進機，通 過（廣西桂林）試驗單位進行試驗性工程的實踐。 在 1970 年期間，由萍鄉(xiāng)礦務局的機修廠生產(chǎn)制造了直徑為 2.6m 掘進機應用于萍鄉(xiāng)青山礦的巷道掘進施工。與此同時的西安煤礦機械 廠也試制了一臺直徑為 3．5m 的掘進機被銅川礦務局作工業(yè)性試驗和 應用。 1971 年試制的掘進機直徑分別為 2．5m、5．5m、3．8m 和 5．9m。。掘進碰到巖石類型白云質(zhì)石灰?guī)r、矽質(zhì)石灰?guī)r、花崗片麻巖 和石灰?guī)r。其中最高月進尺 123m。 1981 年 SJ—58 型隧道掘進機經(jīng)過優(yōu)化設計和精心制造。同年 11 日 25 日投入了引灤入唐工程中古人莊隧道應用性掘進施工。該工程于 1983 年 3 月 15 日隧道掘進貫通，這是中國第一條用掘進機施工的中 型斷面隧道，引起了國內(nèi)地下工程界的關注。 1985 年，在廣西隆林天生橋水電站的水工隧道修建過程中，中國 引進了美國羅賓斯公司掘進機，這是中國第一條采用大斷面的巖石掘 進機施工的隧道。 1991 年，30A 隧道（水磨溝隧道），以采用套筒式（鉸接盾構型） 巖石掘進機(TBM）施工方案。掘進機直徑 5．53m，隧道砼襯砌直徑 4．8m，采用預制的裝配式結構。該機是由美國羅賓斯制造廠生產(chǎn)的 188-227 型(TBM）其使用壽命，可達掘進 40～45km 的隧道。 1.4 巖石隧道掘進機的現(xiàn)狀 目前世界上著名的掘進機制造廠家最負盛名是美國的羅賓斯公司 和賈瓦公司。這幾家公司都是 50、60 年代開始研制和生產(chǎn)掘進機的。 由于產(chǎn)品質(zhì)量好，受到用戶的青睞，而工廠也就生氣勃勃地發(fā)展起來。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 8 加拿大基納礦的 Falconbridge 母公司與美國的 Boretec 公司及加 拿大的 Brown Boveri Howden 公司組成一個聯(lián)合體，旨在設計制造和 試驗一臺硬巖掘進機，于 1988 年聯(lián)邦政府提供了部分資金來實施該項 計劃。 在上述發(fā)展趨勢中更值得一提是英吉利海峽隧道的貫通運行，標 志著掘進機法施工技術的最高水平。隧道全長 48．5km，海底段長 37.5km，隧道最深處在海平面下 100m。這條隧道全部采用掘進機法施 工技術。掘進機在地層深處又要承受 10 個大氣壓的水壓力，同時又要 單向作長距離 21．2km 推進，并且掘進機推進速度必須達到月進尺 1000m 的速度才能在 2 年左右完成。因此掘進機的構造先進性及其配 套設備的可靠性，耐久性均須采用高標準、高質(zhì)量、高技術設計和制 造，同時在材質(zhì)方面必須要耐磨耗及耐腐蝕的材料。所以該隧道的建 成標志著掘進機法施工技術的最新水平，也是融合了英美法日德等國 家掘進機法施工技術于一體的最高成就。 中國全斷面巖石掘進機研究開發(fā)和制造是從 60 年代中期開始的到 目前為止，已生產(chǎn)了 14 臺，直徑為 2．5 至 5．8m 的巖石掘進機，先 后在很多隧道工程的施工中使用。這些隧道用全斷面巖石掘進機掘進 施工基本上都處于工業(yè)性試驗階段。國產(chǎn)機型累計總掘進長度約 12.038km．總之，全斷面巖石掘進機已趨成熟并有所發(fā)展。對巖石掘 進機制造和施工隧道工程也積累了可貴的經(jīng)驗。但和國外先進國家相 比，中國全斷面巖石掘進機還有很大差距。掘進速度相差兩點五倍左 右，機械性能、隧道施工適應性、配套設備、設計制造施工操作、機 械設備維修保養(yǎng)、施工管理等都應有待于深入探索和研究。 引進全斷面巖石掘進機施工，推動中國隧道的快速掘進的又一個 施工實例是甘肅省引大（大通河）入秦（秦王川）大型跨流域灌溉工 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 9 程，也是世界銀行貸款建設項目。按世界銀行采購指南進行國際競爭 性招標。 掘進機經(jīng)過 30A 隧道的施工實踐，歸納有以下幾點：①施 工安全，②施工速度遠遠超過其他施工方法；③施工質(zhì)量好，使圍巖 始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。④長隧道施工綜合造價低；⑤該機的機械化程度 高，施工方便，用的勞動力極少，減輕工人勞動強度，便于施工管理。 迄今為止，中國巖石掘進機（包括引進掘進機）施工掘進總長度 31．39km?？梢灶A見，隨著中國國民經(jīng)濟建設的發(fā)展，國家的能源、 交通、冶金礦山、煤炭工業(yè)也需要相應地進行大規(guī)模建設。這些工程 大都有相應的隧道（洞）或巷道，都需要鉆爆法和掘進機去開挖施工。 近年來，先進的全斷面掘進機(TBM）在地下工程中愈來愈顯示其 功能的優(yōu)越性。尤其是套簡式盾構型巖石掘進機以及相配套的工藝裝 備，在隧道施工作（如開挖、出渣、襯砌灌漿等平行作業(yè)）實現(xiàn)一次 成洞，有效地利用隧道空間，使施工作業(yè)達到安全、高效和快速施工 的目的。因此，應大力發(fā)展掘進機法修建施工隧道，不僅促進中國隧 道（洞）或巷道的快速掘進，而且具有戰(zhàn)略性意義。 綜上所述是巖石隧道掘進機的現(xiàn)狀。 TBM1172ZH/TS 掘進機在用完后也很可能被放棄。這臺掘進機是為 了臺灣挖掘施工一條高速公路隧道而專門制造的。它在裝上船后被運 往亞洲的中國臺灣省的工地后，在那里重新組裝起來。工作時掘進機 的刀盤每分鐘轉動 5 次，掘進機刀盤上的盤形滾刀把巖石切割（或破 碎），以達到破巖開挖隧道的目的。掘進機像甲殼蟲設有前后地層支 撐器又稱撐靴和推進油缸，產(chǎn)生推進力給予掘削刀盤上刀具進行旋轉 切割和擠壓破碎巖石而向前移動。每小時向前推進最快速度是 4.5m， 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 10 進度取決于巖石的性質(zhì)。該臺掘進機一天 24 小時都工作，剝離物必須 用三輛貨運列車運走。 1.5 國際掘進機，盾構機發(fā)展趨勢 國際掘進機、盾構機發(fā)展趨勢是向大、小兩頭發(fā)展 掘進機、盾構機技術水平的提高與工業(yè)發(fā)展和地下工程的實際需 要密切相關。西方國家在實現(xiàn)工業(yè)化的過程中，逐漸掌握了設計和制 造技術，而科學技術的進步和大量地下工程投入建設，使得這些技術 日臻成熟。 西方國家的企業(yè)，在長期從實踐到理論、再從理論到實踐的反復 探索過程中，逐漸形成了一套針對本國地質(zhì)條件的設備設計理論、模 擬試驗方法和系統(tǒng)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，同時也形成了安裝和調(diào)試的系統(tǒng)技術。 汪建業(yè)說，現(xiàn)在國外企業(yè)已經(jīng)做到了可以根據(jù)不同的地質(zhì)情況設計出 不同的掘進機或盾構機。 目前，國際上能夠設計制造掘進機或盾構機的企業(yè)主要有：美國 的羅賓斯公司、德國的海瑞克公司、維爾特公司，日本三菱公司。這 些企業(yè)都能生產(chǎn)大型裝備，最大工作斷面達 11 米。 掘進機在做“ 大” 的同時，也在向 “小”的方向發(fā)展。在 “極限制造”概 念的指導下，上世紀 80 年代以來，微型掘進機技術在一些發(fā)達國家普 遍得到應用。用這種辦法，不再需要在地面上安裝“拉鎖” ，一切工作 都在地下進行，包括在水下、橋下、建筑物下開挖、鋪設、更換各種 管道。近年來，西方國家的許多城市通過相關法律，不允許在市內(nèi)采 用明挖方法，從而進一步促進了微型掘進機技術的發(fā)展。 據(jù)介紹，日本企業(yè)設計制造小型盾構機水平最高。他們甚至有成 熟的塑料管形成技術，可以做到在掘進的同時，完成制造和埋設地下 管線。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 11 1.5.1 巖石隧道掘進機的分類 巖石隧道掘進法與以往的爆破法不同，不使用火藥，而是在開挖 面上連續(xù)切削或?qū)r石先行破碎后掘進的機械，是一種新型的隧道開 挖施工中專用設備。它的特點是：全斷面機械破碎，聯(lián)合作業(yè)連續(xù)掘 進。比之常規(guī)施工方法，它具有掘進速度快、洞壁光滑勻整、超挖量 小、操作安全以及可以大大地降低工人的勞動強度和改善作業(yè)條件等 一系列極為重要的優(yōu)點。巖石隧道掘進機可以說是目前隧道開挖施工 中一種較為理想的專用機械設備。 至今最常用的方法是根據(jù)使用目的、工程地點、開挖對象、圍巖、 施工方法等隧道掘進機有各種名稱。 1.5.2 掘進機分類 1.按切削方式分類 當前世界＿上使用的隧道掘進機?？纱笾路譃槿珨嗝媲邢鞣绞胶?部分斷面切削方式兩類。部分斷面切削方式是挖掘煤炭用的機械在隧 道挖掘施工上的應用。全斷面切削方式一般開挖的斷面是圓形的。 2．按開挖地層分類 ①土質(zhì)隧道 ②巖石隧道 目前通用的土質(zhì)隧道施工專用機械設備的各種型式掘進機分類方 法有以下幾種： (1）根據(jù)開挖面上的挖掘方式，可以分為人工挖掘（手掘）式， 半機械挖掘式和機械挖掘式； (2）根據(jù)切削面上的擋土方式；可以分為開放型方式和封閉型方 式（土體能自立時采用開放型方式。土體松軟而不能自主時則用封閉 型方式）； 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 12 (3）根據(jù)向開挖面施加壓力的方式，可分為氣壓方式、泥水壓力 方式、削土加壓方式和加泥方式。 ③土質(zhì)隧道盾構掘進機分類 上述各種盾構中，人工挖掘盾構和機械挖掘盾構大多同時采用氣 壓法施工，泥水加壓式盾構基本上在不加氣壓的情況下施工。另外， 土壓系列盾構（該類盾構分類詳見另外篇），一般也是在不加氣壓的 條件下施工的，但是在負有高水壓的地層中施上時，也有同時采用氣 壓法施工的實例。 ④巖石隧道掘進機分類 現(xiàn)在制造掘進機的廠家有 20 多家（著名廠家），生產(chǎn)的機器構 造形式也是多種，從世界范圍內(nèi)使用的 450 臺掘進機中（據(jù) 1982 年報 道）各廠商生產(chǎn)的掘進機在各自范圍自行分類，如前表 5 的分類方式 是根據(jù)《日本土木工程手冊》中分類方法。 開挖軟至中硬巖層的“加爾惠德”隧道掘進機按巖層特性和估計 的巖石抗壓強度在設計中劃分成三組： (1）流砂和粉砂，需用葉片型刀具。 (2）白堊土和粘土，抗壓強度 0～14．1Mpa,需用割刀。 (3）沙巖、硬粘土和石灰?guī)r，其抗壓強度為 14．1～141.0Mpa,需 用盤形滾刀。 3．羅賓斯回合掘進機分類 現(xiàn)已制造的羅賓斯掘進機可分為三大類： (1）桁架式掘進機，該類掘進機常用于軟巖開挖。 (2）撐板式掘進機，用于不易塌落或密實的巖石。 (3）盾構式掘進機，能用于混合型地層（部分硬的粘土或堅實的 沙土層）。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 13 1.6 EBZ-125XK 型掘進機簡介 1.6.1 產(chǎn)品特點 EBZ-125XK 是西安煤礦機械廠與科研院校合作開發(fā)的中型懸臂式 掘進機。該機主要特點是：1）結構緊湊、適應性好、機身矮、重心低、 操作簡單、檢修方便；2）炮頭采用具有 36 把鎬型截齒、齒座呈螺旋 線形排布的球微錐形截割頭；3）有低速大扭矩液壓馬達直接驅(qū)動的第 一運輸機；4）有星輪與低速大扭矩馬達連接成一體的弧形三齒星輪裝 料裝置；5）有馬達+減速機構形式的行走部；6）有滑動式行走結構上 用的耐磨板；7）有為液壓錨桿鉆機及二運輸機留的液壓接口；8）電 氣系統(tǒng)有失壓、短路、過載、溫度、瓦斯斷電等保護功能。 1.6.2 主要用途、適用范圍 EBZ-125XK 型懸臂式掘進機主要是為煤礦綜采及高檔普采工作面 采掘巷道掘進服務的機械設備。主要適用于煤及半煤巖巷的掘進，也 適用于條件類似的其它礦山及工程巷道的掘進。該機可經(jīng)濟切割單向 抗壓強度≤60MPa 的煤巖，可掘巷道最大寬度(定位時)5m，最大高度 3.75m，可掘任意斷面形狀的巷道，適應巷道坡度±16 0。該機后配套 轉載運輸設備可采用橋式膠帶轉載機和可伸縮式帶式輸送機，實現(xiàn)連 續(xù)運輸，以利于機器效能的發(fā)揮。 1.6.3 產(chǎn)品型號、名稱及外形 產(chǎn)品型號、名稱為 EBZ-125XK 型掘進機，外形參見圖 l。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 14 1-截割部 2-裝載部 3-刮板輸送機 4-機架和回轉臺 5-履帶行走部 6-油箱 7-操作臺 8-泵站 9-電控箱 10-護板總成 圖 1 EBZ-125XK 型掘進機 1.6.4 型號的組成及其代表意義 E B Z 125 XK 設計代號 截割機構功率（KW） 縱軸式截割機構 懸臂式掘進機 掘進設備 2 總體設計 2.1 總體參數(shù) 機 長 8.6m 機 寬 2.1m 機 高 1.55m 地 隙 250mm 截割臥底深度 240mm 接地比壓 0.14MPa 機 重 35t 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 15 總功率 190kW 可經(jīng)濟截割煤巖硬度 ≤60MPa 可掘巷道斷面 9～18m 2 最大可掘高度 3.75m 最大可掘?qū)挾? 5.0m 適應巷道坡度 ±16 0 機器供電電壓 660／l140V 2.1.1 截割都 電動機 型號 YBU-125 功率 125kW 轉速 1470 r/min 截割頭 轉速 55 r/min 截齒 鎬形 最大擺動角度 上 42 0 下 3l 0 左右各 390 2.2 掘進機各組成部分基本結構設計 2.2.1 截割部 截割部又稱工作機構，結構如圖 2 所示，主要由截割電機、叉形 架、二級行星減速器、懸臂段、截割頭組成。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 16 1-截割頭 2-懸臂段 3-二級行星減速 4-齒輪聯(lián)軸節(jié) 5-叉形架 6-截 割電機 7-電機護板 圖 2 EBZ-125XK 截割機構 截割部為二級行星齒輪傳動。行星減速器結構如圖 3 所示，由 125kW 的水冷電動機輸入動力，經(jīng)齒輪聯(lián)軸節(jié)傳至二級行星減速器， 經(jīng)懸臂段，將動力傳給截割頭，從而達到破碎煤巖的目的。 整個截割部通過一個叉形框架、兩個銷軸鉸接于回轉臺上。借助 安裝于截割部和回轉臺之間的兩個升降油缸，以及安裝于回轉臺與機 架之間的兩個回轉油缸，來實現(xiàn)整個截割部的升、降和回轉運動，由 此截割出任意形狀的斷面。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 17 圖 3 二級行星減速器 2.2.2 裝載部 裝載機構包括裝載部件和鏟板兩部分。掘進機的裝載部件有雙環(huán) 形刮板鏈式、螺旋式、耙爪式和星輪式等幾種，由于受煤巖塊度大小 等因素的影響，該執(zhí)行元件受載荷沖擊較大，工作環(huán)境惡劣。目前通 常采用兩種裝載方式:即星輪式和蟹爪式。蟹爪式裝載機構是普遍采用 的一種型式，屬于四連桿機構，其基本形式有曲柄、搖桿和曲柄導桿 機構，左右兩蟹爪以 180°的相位交替工作，兩者尖端的運動軌跡為 雙腰形曲線。本次設計是采用 m5.2的鏟板。 如圖 2.1 所示： 裝載部安裝于機器的前端。通過一對銷軸和鏟板的左右升降油缸 鉸接于主機架上，在鏟板油缸的作用下，鏟板繞銷軸上下擺動。當機 器截割煤巖時，應使鏟板前端緊貼底板，以增加機器的截割穩(wěn)定行。 圖 2.1 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 18 2.3 刮板輸送機 刮板輸送機結構如圖 2.2，主要由機前部、機后部、驅(qū)動裝置、 邊雙鏈刮板、張緊裝置和脫鏈器等組成。是一種有撓性牽引機構的連 續(xù)運輸機械。 圖 2.2 刮板輸送機結構 刮板輸送機位于機器中部，前端與主機架和鏟板鉸接，后部托在 機 架上。機架在該處設有可拆裝的墊片，根據(jù)需要，刮板輸送機后部可 墊高，增加刮板輸送機的卸載高度。 刮板輸送機適用于煤炭傾斜角不超過 25°的才沒工作面，但對于以 兼作采煤機運行軌道與機組配合的刮板輸送機，當工作面傾斜角超過 10°時，要采取防滑措施，在采煤工作面的下順和聯(lián)絡眼，也可以使用 刮板輸送機。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 19 2.4 行走部 履帶行走部是懸臂式掘進機整機的支承座，用來支承掘進機的自 重、承受切割機構在工作過程中所產(chǎn)生的力，并完成掘進機在切割、 裝運及調(diào)動時的移動。履帶行走機構包括左右行走機構、并以掘進機 縱向中心線左右對稱。履帶行走機構包括導向輪、張緊裝置、履帶架、 支重輪、履帶鏈及驅(qū)動裝置等部件。當驅(qū)動輪轉動時，與驅(qū)動輪相嚙 合的履帶有移動的趨勢。但是，因為履帶下分支與底板間的附著力大 于驅(qū)動輪、導向輪和支重輪的滾動阻力，所以履帶不產(chǎn)生滑動，而輪 子卻沿著鋪設的滾道滾動，從而驅(qū)動整臺掘進機行走。掘進機履帶行 走機構的轉彎方式一般有 2 種：① 一側履帶驅(qū)動，另一側履帶制動； ②兩側履帶同時驅(qū)動，但方向相反?，F(xiàn)在設計將支重輪作成和機架一 體的結構，這樣的結構簡單，而且在井下的環(huán)境中它比支重輪可靠性 能更高。由于沒有了支重輪，所以履帶的磨損比較嚴重，要采用更好 的耐磨合金鋼。 掘進機部在掘進作業(yè)時。它承受切割機構的反力、傾覆力矩及動 載荷。腰帶機構的設計對整機正常運行、通過性能和工作穩(wěn)定性具有 重要作用。 履帶機構設計要求：具有良好的爬坡性能和靈活的轉向性能； 兩條履帶分別驅(qū)動，其動力可選用液壓馬達或電動機；履帶應有 較小的接近角和離去角。以減少其運行阻力；要注意合理設計整機重 心位置。使履帶不出現(xiàn)零比壓現(xiàn)象；履帶應有可靠的制動裝置，以保 證機器在設計的最大坡度工作不會下滑。其示意圖見圖 2.3 2.5 機架和回轉臺 機架是整個機器的骨架，它承受來自截割、行走和裝載的各種載 荷。機器中的各個部件均用螺栓、銷軸及止口與機架聯(lián)接，機架為組 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 20 焊件。 回轉臺主要用于支承，聯(lián)接并實現(xiàn)切割機構的升降和回轉運動。 回轉臺座在機架上，通過大型回轉軸承用于止口、36 個高強度螺栓與 機架相聯(lián)。工作時，在回轉油缸的作用下，帶動切割機構水平擺動。 截割機構的升降是通過回轉臺支座上左、右耳軸鉸接相連的兩個升降 油缸實現(xiàn)的。 圖 2.3 履帶行走機構 2.6 液壓系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)是由若干液壓元件與管路組合起來能完成一定動作的整 體。液壓系統(tǒng)一般由動力機構、操縱機構、執(zhí)行機構、輔助裝置和液 壓油組成。動力機構，也就是通常說的主油泵,是把機械能傳給液體， 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 21 造成液體壓力能的機構。操縱機構，是控制和調(diào)節(jié)液壓油的壓力、流 量及方向，以滿足機器的工作性能要求，并實現(xiàn)各種不同工作循環(huán)的 機構。常用的液壓元件是控制油液的流量、壓力、流動方向的流量控 制閥、壓力控制閥及方向控制閥，以滿足系統(tǒng)所要求的運動規(guī)律和運 動參數(shù)。輔助裝置，是為了改善液壓系統(tǒng)的工作條件、確保液壓系統(tǒng) 正常工作所必須的輔助部件,包括過濾器、油箱、管路、蓄能器和冷卻 器等。執(zhí)行機構，是把油液的壓力能轉化為機械運動能，輸出到機器 工作部件上去的機構。應用在巷道掘進機液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行機構，可 分為兩類。一類是具有往復運動的液壓缸，通過鉸鏈連結組成擺缸機 構；另一類是具有旋轉運動的油馬達，作為掘進機部分組件的動力源。 采用這兩類執(zhí)行機構的液壓系統(tǒng)，通常稱為油泵-油缸系統(tǒng)和油泵-油 馬達系統(tǒng)。XK–15 型巷道掘進機借助于油泵-油缸系統(tǒng)，可實現(xiàn)截割 機構的推進、升降和回轉運動；裝載機構鏟板的升降和回轉運動；轉 運機構卸載斷的升降和回轉運動；機體的支撐起重。 巷道掘進機在井下存在大量煤塵、巖粉和污水的惡劣條件下工作； 地質(zhì)條件復雜多變；工作面的空間很??；掘進機的調(diào)動較困難；掘進 工作的工序銜接對掘進效率影響很大，所有這些因素，都對巷道掘進 機的工作適應性和可靠性提出了較高的要求。因此巷道掘進機的液壓 傳動系統(tǒng)應滿足以下主要要求： 2） 液壓傳動系統(tǒng)的工作可靠性要高。 2） 要有靈敏的過載保護裝置，以防止掘進機和液壓元件的損壞。 2） 要能適應負載變化大的特點，過載能力高。同時要易于無級調(diào)速。 2） 傳遞功率要大，結構緊湊，重量輕。 2） 控制方式簡便集中，便于使用、維護和檢修。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 22 掘進機液壓系統(tǒng)圖如圖 2.4 所示： 圖 2.4 掘進機液壓系統(tǒng) 2.7 電氣系統(tǒng) 電氣系統(tǒng)由前級饋電開關、KXJ250/1140EB 型隔爆兼本質(zhì)安全型 掘進機用電控箱、CZD14/8 型礦用隔爆型掘進機電控箱用操作箱、 XEFB—36/150 隔爆型蜂鳴器、DGY—60/36 型隔爆照明燈、LA810—1 型隔爆急停按鈕、KDD2000 型瓦斯斷電儀以及驅(qū)動掘進機各工作機構 的防爆電動機和連接電纜組成。 3 截割機構設計 3.1 截割頭 截割頭是掘進機上直接切割破碎煤巖的旋轉部件，其形狀、尺寸 和切齒的排列分布方式對掘進機的工作性能都有很大的影響。切割頭 主要由截割頭體，旋轉葉片和截齒座等組成。在截齒座里裝有截齒， 葉片（或頭體）上焊有安裝內(nèi)噴霧嘴用的噴嘴座。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 23 截割頭體有橫軸式和縱軸式兩種，本次設計的截割頭體為縱軸式 截割頭體，如圖 3.2 所示。 圖 3.2 截割頭 縱軸式截割頭（圖 3.2）的頭體為組焊式結構，在頭體上焊有截 齒座和噴嘴座，頭體內(nèi)設有內(nèi)噴霧水道，截割頭通過見與減速器的輸 出軸相聯(lián)結。截割頭有球形、球柱形、球錐形和球錐柱形四種形式， 本次設計的是球柱形球體直徑為 840mm，柱形 352mm×420mm×420mm。 截齒的分布方式為對截齒、截割頭乃至整機的影響都比較大?？v 軸式截割頭的截齒均按螺旋線方式分布在頭體上，螺旋線一般有 2-3 條。截距對截割效果有較大的影響，較大的截距可以增加單齒截割力， 但截齒的磨損也會相應增大，因此兩者應兼顧。在選擇截距時，還應 考慮到截割頭上不同部位的截齒所受的負荷不同有所區(qū)別，力求個截 齒的負荷均勻，以減小沖擊載荷和截齒的磨損。 掘進機所采用的截齒和采煤機一樣有扁形和錐形兩種。在截割硬 巖時錐形截齒的壽命比扁形長，本次采用的是扁形（半煤巖） 。 3.2 截割減速器 截割減速器的作用是將電動機的運動和動力傳遞到截割頭上。由 于截割頭工作時應承受較大的沖擊載荷，因此要求減速器的可靠性高， 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 24 過載能力大；其箱體作為懸臂的一部分，應有較大的剛性；聯(lián)結螺栓、 螺釘應有可靠的防松裝置。本次采用的傳遞形式為 2K-H 二級行星傳動。 如圖 3.3 所示。 3.3 電動機 為實現(xiàn)較強的過載能力，適應復雜多變的截割載荷，并利用噴霧 水加強冷卻效果，懸臂式掘進機多采用防爆水冷式電動機來驅(qū)動截割 頭。根據(jù)所給設計要求（截割功率：125kW、額定電壓：1140/660v） 選用 YBK2 序列煤礦井下防爆電動機。機座號為 315M。 3.4 懸臂伸縮裝置 掘進機掘進時，截割頭切入煤巖的方式一種是利用行走機構向前 推進，使截割頭切入，這種方式的截割頭不能伸縮，結構比較簡單， 但行走機構移動頻繁；另一種是截割頭懸臂可以伸縮，一般利用液壓 缸的推 力使截割頭沿懸臂上的導軌移動，使截割頭切入煤壁，履帶不需 要移動。有內(nèi)伸縮和外伸縮兩種，本次設計采用的是內(nèi)伸縮形式。如 圖 3.3 所示。 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 25 圖 3.3 內(nèi)伸縮式懸臂 內(nèi)伸縮懸臂主要由花鍵套內(nèi)外伸縮套，保護套主軸等組成。截割 減速器的輸出軸上連接有內(nèi)花鍵套，主軸右端開有花鍵槽，并插入花 鍵套內(nèi)。主軸右端通過花鍵和定位螺釘與截割頭相連接，使減速器的 輸出軸驅(qū)動截割頭旋轉。保護套和內(nèi)伸縮套同截割頭相連接，但不隨 截割頭轉動。外伸縮套則和減速器箱體相連接。推進液壓缸的前端和 保護套相連接，后端和電動機相連接，并在其作用下，保護套帶動截 割頭、主軸和內(nèi)伸縮套相對于外伸縮套前后移動，實現(xiàn)懸臂的伸縮。 這種懸臂結構尺寸小，移動部件的重量輕，移動阻力小，有利于機器 的穩(wěn)定。但需要較長的花鍵，加工較難，結構也比較復雜。 3.5 回轉臺 回轉臺是懸臂支撐機構中的主要部件，位于機器的中央。它連接 左右履帶架，支撐懸臂，實現(xiàn)懸臂的回轉、升降運動，承受著復雜的 交變沖擊載荷?；剞D臺同時也是一個將懸臂工作機構和其他機構（裝 載、行走機構）相連得連接部件，其機構是否合理，對機器的性能、 可靠性、整體結構和高度尺寸有重大影響。對回轉臺有如下基本要求： （1） 承載能力大，耐沖擊振動； （2） 慣性小，運動平穩(wěn)，噪音低； （3） 機構緊湊，高度尺寸小 （4） 回轉力矩變化小 4 減速器設計和校核 4.1 減速機構概述 減速機構是用來讓截割電機的速度減小，增大扭矩的，本次設計 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 26 的截割機構的減速機構是采用直聯(lián)電動機的方式，考慮到要采用有限 的空間布置，就選用 2K-H 型減速器。該減速器如圖 4.1 所示. 其結構 特點是：內(nèi)齒圈固定，太陽輪圍繞中心軸旋轉，行星輪圍繞行星輪軸 旋轉，為 2K-H 傳動。在機械傳動中，它已經(jīng)獲得了較為廣泛的應用。 2K-H 傳動的傳動比范圍為 =20～500，其傳動效率為 0.8～0.9。baei 4.2 2K-H 減速器高速級齒輪設計 4.2.1 齒輪材料、熱處理工藝及制造工藝選定 太陽輪和行星輪材料為 20CrNi2Mo,表面滲碳處理，表面硬度為 57HRC。 實驗齒輪齒面接觸疲勞強度為 aHMP1450lim?? 實驗齒輪齒根彎曲疲勞極限： 太陽輪 aFMP40lim?? 行星輪 28li 齒形為漸開線直齒。最終加工為磨齒，精度等級為 7 級。 內(nèi)齒圈的材料為 42CrMo，調(diào)質(zhì)處理，硬度為 262-302HBS 實驗齒輪的接觸疲勞極限 aHP750lim?? 實驗齒輪的彎曲疲勞極限 FM28li 齒形的最終加工為插齒精度等級為 7 級 4.2.2 減速器原理圖 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 27 圖 4.1 2K-H 行星減速器傳動示意圖 a-高速級太陽輪 b-高速級內(nèi)齒輪 c-高速級行星輪 a1-低速級太陽輪 b1-低速級級內(nèi)齒輪 c1 -低速級行星輪 4.2.3 確定各主要參數(shù) (1) 高速級傳動部 減速器的總傳動比1i i 根據(jù) 值，采用二級 NGW 型減速器（見圖 3.3）i 根據(jù)系列設計要求，令低速級傳動比 固定，且取 ，則高速2i52?i 級傳動比 1i （2） 行星輪數(shù)目 查表以及根據(jù)傳動比 ，取pn1i3pn （3） 載荷不均衡系數(shù) 高速級采用太陽輪浮動和行星浮動的均k 載機構，取 15.?FpHk （4） 配齒計算 太陽輪齒數(shù)， 取 )(23整 數(shù)式 中 取 ?c 內(nèi)齒圈齒數(shù) 56)134.()1(???izab 行星輪齒數(shù) 齒輪模數(shù) 和中心距 am 按照推薦公式計算太陽輪分度圓直徑： 式中 73.65402?ni346.57.2i2?cn.2? c32lim1)1(???HdPAtdauKT??；齒 數(shù) 比 69.2??? 中國礦業(yè)大學徐海學院畢業(yè)設計（論文） 28 ；使 用 系 數(shù) 為 75.1?AK .0齒 寬 系 數(shù) 為d? aHMP145lim?? 代入 模數(shù)， 取 7?m 則 7.6317.0???adb? 則取 a = 125 mm b = 65 mm （6） 計算變位系數(shù) （5） 傳動ca