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摘要 采煤機(jī)是集截割、行走、裝載及運(yùn)輸于一體的巷道掘進(jìn)的綜合化機(jī)組，是井下巷道掘進(jìn)的主要產(chǎn)品。采煤機(jī)液壓系統(tǒng)作為采煤機(jī)控制系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，其控制性能的優(yōu)劣直接決定了采煤機(jī)整體性能的優(yōu)越與否。因此，對(duì)采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的研究對(duì)推動(dòng)我國(guó)采煤機(jī)進(jìn)機(jī)的發(fā)展具有重要的意義。 論文通過(guò)對(duì)MG200/450-BWD型采煤機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了其工況特性，并對(duì)其液壓回路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)工況分析所得參數(shù)對(duì)其各部分執(zhí)行元件的參數(shù)進(jìn)行合理的計(jì)算，經(jīng)過(guò)各個(gè)廠家液壓元件的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，合理的完成液壓系統(tǒng)所需的主要液壓元件的選型，再對(duì)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性能驗(yàn)算，檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的合理性，并進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)上的不足，最終設(shè)計(jì)出一套帶采煤機(jī)液壓系統(tǒng)。此外，通過(guò)對(duì)MG200/450-BWD型采煤機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，明確液壓系統(tǒng)在整體控制中的作用以及相互聯(lián)系，為整體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；液壓系統(tǒng)；工況分析；選型；系統(tǒng)性能驗(yàn)算 Abstract Shearer is a cutting, walking, loading and transportation of tunneling in one integrated unit, is the underground tunneling main products. Shearer hydraulic system as the tunneling machine control system is one of the core technology, the control performance will directly determine the overall performance of Shearer superior or not. Therefore, the hydraulic system of Shearer research on the promotion of the development of TBM has important significance. Papers by MG200/450-BWD Shearer hydraulic system analysis and design, detailed analysis of its working conditions characteristic for constant power control, load sensing and pressure compensation control theory analysis and study, and to optimize the design of its hydraulic circuit through Engineering Analysis parameters obtained for each part of the implementation of its component parameters for a reasonable calculation, through the various advantages and disadvantages of hydraulic components manufacturer contrast, reasonable hydraulic system needed to complete the main hydraulic components selection, and then for the design of hydraulic system performance checking, testing the design of the hydraulic system is reasonable, and further improve the design deficiencies, and ultimately design a load sensing and pressure compensation with the boring machine hydraulic system. In addition, through the EBZ260 type Shearer hydraulic system analysis and design, specifically in the overall control of the hydraulic system and the role of linkages, the overall control system design to provide the basis. Keywords: boring machine; hydraulic system; Engineering Analysis; selection; system performance checking 　 目錄 Abstract II 前言 1 1 緒論 2 1.1 采煤機(jī)概述 2 1.2 國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及研究現(xiàn)狀 3 1.2.1國(guó)外采煤機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及研究現(xiàn)狀 3 1.2.2 國(guó)內(nèi)采煤機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及研究現(xiàn)狀 5 1.3 選題意義 7 2 MG200/450-BWD型采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)分析 8 2.1 MG200/450-BWD型采煤機(jī)簡(jiǎn)介 8 2.2 MG200/450-BWD型采煤機(jī)整機(jī)技術(shù)參數(shù) 8 2.3 MG200/450-BWD型采煤機(jī)的使用環(huán)境 9 2.4 MG200/450-BWD型采煤機(jī)工作過(guò)程分析 9 2.5 MG200/450-BWD型采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)的工況分析 13 2.5.1 采煤機(jī)整機(jī)的工況分析 13 2.5.2 采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)的工況分析 16 2.5.3 破碎機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的工況分析 21 3 MG200/450-BWD型采煤機(jī)調(diào)高液壓回路設(shè)計(jì) 24 3.1 MG200/450-BWD型采煤機(jī)液壓系統(tǒng)額定壓力的確定 24 3.2 MG200/450-BWD型采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)基本回路設(shè)計(jì) 25 3.2.1 采煤機(jī)搖臂調(diào)高回路 25 3.2.2 破碎機(jī)調(diào)高回路 26 3.2.3 擋矸回路 27 3.2.4 制動(dòng)器回路 28 4 MG200/450-BWD型采煤機(jī)液調(diào)高壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算 29 4.1 調(diào)高液壓缸設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 29 4.2.1 調(diào)高液壓缸設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 29 4.2.2 破碎裝置液壓缸設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 31 4.2.3 擋矸裝置液壓缸設(shè)計(jì)與參數(shù)技術(shù) 34 4.2 液壓缸系數(shù)驗(yàn)算 37 5 MG200/450-BWD型采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)的元件選型 39 5.1 液壓泵的選型 39 5.2 泵站電機(jī)的選型 40 5.3 油箱的設(shè)計(jì) 41 6 液壓系統(tǒng)性能驗(yàn)算 42 6.1 液壓系統(tǒng)壓力損失 42 6.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計(jì)算 43 6.2.1 計(jì)算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率 43 6.2.2 計(jì)算液壓系統(tǒng)的散熱功率 44 6.2.3 根據(jù)散熱要求計(jì)算油箱容量 46 6.3 計(jì)算液壓系統(tǒng)沖擊壓力 46 7 技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性分析 49 8 總結(jié) 51 致謝 52 參考文獻(xiàn) 53 附錄A 譯文 54 附錄B 外文文獻(xiàn) 63 3 前言 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(guò)截鏈截落煤，在截鏈上安裝有被稱(chēng)為截齒的專(zhuān)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(kāi)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(chēng)為現(xiàn)代化采煤機(jī)械的基礎(chǔ)?？烧{(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(kāi)采煤礦的發(fā)展方向。自70年代以來(lái)，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。 69 1 緒論 1.1 采煤機(jī)概述 世界上第1臺(tái)釆煤機(jī)是原蘇聯(lián)于1952年生產(chǎn)并開(kāi)始使用的，我國(guó)于1952年購(gòu)進(jìn)并使用，而此同時(shí)，雞西煤礦機(jī)械廠即開(kāi)始進(jìn)行仿制工作，于1954年制造出中國(guó)第1臺(tái)深截式采煤機(jī)，即頓巴斯-1型釆煤康拜因，隨后批量生產(chǎn)。在頓巴斯-1型釆煤康拜因的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)研究、改進(jìn)和完善，設(shè)計(jì)制造了多種型式的采煤康拜因，這一時(shí)期的釆煤機(jī)稱(chēng)為中國(guó)第1代采煤機(jī)[1]。 20世紀(jì)60年代初，在頓巴斯-1型釆煤康拜因的基礎(chǔ)上，中國(guó)開(kāi)始自行研制生產(chǎn)釆煤機(jī)，1964年生產(chǎn)出MLQ-64型，1968年生產(chǎn)出MLQI-80型淺截式單滾筒釆煤機(jī)，成為中國(guó)第2代釆煤機(jī)，中國(guó)第2代釆煤機(jī)的特點(diǎn)是截割部滾筒釆用搖調(diào)高，牽引機(jī)構(gòu)也為鋼絲繩牽引，通過(guò)應(yīng)用證明，釆用鋼絲繩牽引，繩筒磨損嚴(yán)重，使用壽命短，同時(shí)牽引力較小，容易拉斷而導(dǎo)致傷人和機(jī)器下滑事故。該類(lèi)型釆煤機(jī)釆用了液壓傳動(dòng)，具有無(wú)級(jí)調(diào)速和過(guò)載保護(hù)等特點(diǎn)。 中國(guó)于20世紀(jì)60年代末70年代初開(kāi)始研制第3代釆煤機(jī)即雙滾筒釆煤機(jī)。1975年生產(chǎn)的M鞏-170型釆煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)了滾筒釆煤機(jī)由單滾筒向雙滾筒的飛躍。M鞏-170型釆煤機(jī)的2個(gè)可調(diào)高滾筒放在釆煤機(jī)的兩端，利用搖臂調(diào)高。牽引機(jī)構(gòu)釆用圓環(huán)鏈牽引，提高了牽引力，但不適應(yīng)大傾角釆煤。MXA-300型系列釆煤機(jī)是西安煤礦機(jī)械廠1983年研制生產(chǎn)的大功率無(wú)鏈牽引雙滾筒釆煤機(jī)，釆用了三頭螺旋滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速有所降低，牽引機(jī)構(gòu)釆用齒輪—銷(xiāo)軌式，傳動(dòng)平穩(wěn)，消除了鏈牽引的缺點(diǎn)，機(jī)器的使用壽命延長(zhǎng)，增設(shè)了副牽引部和可靠的液壓制動(dòng)裝置，可用于大傾角(40°~50°)煤層而不需要設(shè)防滑安全絞車(chē)，提高了工作效率，加大了生產(chǎn)能力。MG132/320-W新型液壓牽引釆煤機(jī)是由泰山建能公司、煤炭科學(xué)研究總院、新漢礦業(yè)集團(tuán)聯(lián)合研制完成的。該釆煤機(jī)釆用滾筒式釆煤機(jī)發(fā)展趨勢(shì)的多電機(jī)橫向布置，液壓牽引系統(tǒng)打破常規(guī)，釆煤機(jī)牽引部泵箱把長(zhǎng)期使用的“濕腔”布置分離液壓元件改為“干腔”布置，實(shí)現(xiàn)了釆煤機(jī)液壓系統(tǒng)的創(chuàng)新。該機(jī)在同類(lèi)釆煤機(jī)設(shè)計(jì)中達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。 國(guó)外于1976年研制出第1臺(tái)電牽引釆煤機(jī)。1991年，由煤炭科學(xué)研究總院上海分院與波蘭科瑪克公司合作，研制成功中國(guó)第1臺(tái)釆用交流變頻調(diào)速的G344-PWD型薄煤層強(qiáng)力爬底板電牽引釆煤機(jī)，性能良好，電牽引釆煤機(jī)成為中國(guó)第4代釆煤機(jī)。2005年煤炭科學(xué)研究總院上海分院又開(kāi)發(fā)出總裝機(jī)功率達(dá)1 815 kW的大功率釆煤機(jī)。隨后，更大功率的電牽引釆煤機(jī)MG900/2215-GWD也問(wèn)世，該型釆煤機(jī)的控制達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，是目前國(guó)內(nèi)功率最大的釆煤機(jī)。如果釆用長(zhǎng)搖臂，最大釆高可達(dá)到創(chuàng)記錄的6m，該型釆煤機(jī)完全能夠滿足國(guó)內(nèi)煤礦高產(chǎn)高效工作面的生產(chǎn)需要。目前，國(guó)內(nèi)使用的交流電牽引釆煤機(jī)的電牽引調(diào)速系統(tǒng)主要有3種：即交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)SRD）、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速原理不盡相同，但基本上都可分為控制部分和牽引電機(jī)部分。在這3種交流電牽引調(diào)速系統(tǒng)中，交流變頻調(diào)速技術(shù)由于具有的諸多優(yōu)點(diǎn)，在大功率釆煤機(jī)的應(yīng)用已趨向成熟，并已成為目前釆煤機(jī)調(diào)速方式的主流，其主要特點(diǎn)是：?jiǎn)?dòng)性能好，可直接實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)；交流變頻調(diào)速屬轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)，故效率高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和大功率電子元器件的不斷發(fā)展，交流變頻調(diào)速的調(diào)速性能和精度可與直流調(diào)速相比。SRD技術(shù)在采煤機(jī)上的應(yīng)用雖然起步不久，但具有發(fā)展?jié)摿Γ薪涣髯冾l調(diào)速電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)刷無(wú)整流子的優(yōu)點(diǎn)，也有直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速性能好，控制電路簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，而且啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、啟動(dòng)電流小，這種調(diào)速方式一旦解決了噪聲問(wèn)題和位置傳感器存在的不可靠性問(wèn)題，將更適合在煤礦井下釆掘機(jī)械中使用。電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速技術(shù)本身比較成熟，它屬于改變轉(zhuǎn)差率的交流調(diào)速方式，釆用閉環(huán)系統(tǒng)能得到較大的調(diào)速范圍，可平滑調(diào)速，并具備交流調(diào)速和直流調(diào)速的雙重優(yōu)點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，電磁調(diào)速電動(dòng)機(jī)電流的控制精度和控制性能可以做得更適合釆煤機(jī)的使用，但它在釆煤機(jī)上的應(yīng)用也存在低速性能差、電動(dòng)機(jī)發(fā)熱等問(wèn)題。 1.2 國(guó)內(nèi)外采煤機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及研究現(xiàn)狀 1.2.1國(guó)外采煤機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及研究現(xiàn)狀 近年來(lái)，國(guó)外釆煤機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：牽引方式釆用電牽引，傳統(tǒng)的液壓牽引釆煤機(jī)在國(guó)外雖然仍在生產(chǎn)和使用，但已不占主導(dǎo)地位，由于電牽引釆煤機(jī)的諸多優(yōu)點(diǎn)，國(guó)外目前新開(kāi)發(fā)的采煤機(jī)，特別是大功率采煤機(jī)基本上都是釆用電牽引方式[2-3]。 裝機(jī)總功率不斷增大，國(guó)外釆煤機(jī)的功率在不斷提高，電機(jī)截割功率通常在400 kW以上，功率大的已達(dá)l 000 kW；牽引電動(dòng)機(jī)功率均在40 kW以上，大的甚至達(dá)到125 kW；總裝機(jī)功率通常超過(guò)l 000 kW，最高已達(dá)2 000 kW以上；牽引速度、牽引力也大幅提高，目前大功率電牽引釆煤機(jī)的牽引速度普遍達(dá)到15~25 m/min,牽引力達(dá)到757 kN以上。釆用大截深滾筒已成為提高釆煤機(jī)生產(chǎn)能力的重要途徑。 交流變頻成為主流調(diào)速方式由于交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、可靠性高，維護(hù)管理簡(jiǎn)單和價(jià)格低廉等特點(diǎn)，近幾年發(fā)展很快，交流牽引正逐步替代直流牽引，成為今后電牽引釆煤機(jī)的發(fā)展方向。釆用2個(gè)變頻器分別拖動(dòng)2臺(tái)牽引電機(jī)的牽引系統(tǒng)，可使?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)也正被逐步釆用，成為電牽引技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)特點(diǎn)。 普遍釆用中高壓供電80年代以來(lái)，由于裝機(jī)功率大幅度提高以及工作面的不斷加長(zhǎng)，整個(gè)工作面容量超過(guò)5 000 kW，工作面長(zhǎng)度達(dá)到300 m。為減少輸電線路損耗，提高供電質(zhì)量和電機(jī)性能，新一代大功率電牽引釆煤機(jī)乎都釆用中高壓供電。主要供電等級(jí)有2 300 V、3 300 V、4 160 V和5 000 V等。 監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的智能化現(xiàn)代電牽引釆煤機(jī)均具有建立在微處理機(jī)基礎(chǔ)上的智能化監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)交互式人機(jī)對(duì)話、遠(yuǎn)近控制、無(wú)線電遙控、工況監(jiān)測(cè)及狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)釆集存儲(chǔ)及傳輸、健康（故障）診斷及預(yù)警、自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)高等多種功能，以保證釆煤機(jī)最低的維護(hù)量和最高的利用率；并可實(shí)現(xiàn)與液壓支架、工作面輸送機(jī)的信息交互和聯(lián)動(dòng)控制等功能。英國(guó)Long-Airdox 公司在EL系列機(jī)型上裝置的Im-pact集成保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)；德國(guó)Eickhoff公司的 Eickhoff-數(shù)據(jù)匯集技術(shù)系統(tǒng)；美國(guó)JOY公司6LS型電牽引釆煤機(jī)的JNA網(wǎng)絡(luò)信息中心等。監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的智能化主要功能可歸結(jié)為： 1. 負(fù)載控制：通過(guò)截割電機(jī)電流的精確監(jiān)測(cè)，調(diào)整釆煤機(jī)的牽引速度，使釆煤機(jī)在不同工況下以最優(yōu)化的參數(shù)進(jìn)行工作，從而保證傳動(dòng)系統(tǒng)不易受持續(xù)沖擊影響。 2. 工作面定位控制：可以識(shí)別釆煤機(jī)在工作面的位置，在機(jī)頭、機(jī)尾可自動(dòng)減速和停止，與支架配合實(shí)現(xiàn)自動(dòng)隨機(jī)移架,并可檢查支架是否正確支護(hù)。 3. 與工作面輸送機(jī)聯(lián)機(jī)的負(fù)荷控制：通過(guò)輸送機(jī)的負(fù)荷監(jiān)測(cè)來(lái)調(diào)節(jié)釆煤機(jī)的釆煤量，使釆煤機(jī)和輸送機(jī)的生產(chǎn)能力完全相匹配，既提高輸送機(jī)的可靠性，又充分發(fā)揮工作面的生產(chǎn)能力。 4. 自動(dòng)調(diào)高控制：釆煤機(jī)每移動(dòng)1 m就可精確地測(cè)量截割高度和角度10次，通過(guò)自動(dòng)算法與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較校正，迅速對(duì)釆煤機(jī)進(jìn)行最優(yōu)化的水平調(diào)整。該控制可最大地減小底板的截割臺(tái)階，實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，加快工作面設(shè)備的推進(jìn)速度，提高設(shè)備的使用壽命，使操作人員能盡量避開(kāi)粉塵。 5. 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控和顯示：釆煤機(jī)的數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)可釆集大量各類(lèi)機(jī)器參數(shù)，如：輸入電壓；電機(jī)電流，軸承、繞組和冷卻水溫度；控制電源；潤(rùn)滑油溫度、消耗；液壓系統(tǒng)油位、壓力、溫度；冷卻和噴霧降塵水量/水壓；機(jī)器速度、方向；搖臂的操作角度；過(guò)載保護(hù)監(jiān)控等。 6. 數(shù)據(jù)傳輸、順槽控制及地面監(jiān)控：釆煤機(jī)上的雙向調(diào)制解調(diào)器可通過(guò)雙芯拖移電纜輸送到順槽調(diào)制解調(diào)器，再通過(guò)雙向通訊線路傳送到地面調(diào)制解調(diào)器及協(xié)議控制器。傳送的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)地面監(jiān)控軟型號(hào)。 1.2.2 國(guó)內(nèi)采煤機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)及研究現(xiàn)狀 國(guó)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(guó)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(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)與國(guó)外相比還有較大的差距。因而國(guó)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(guó)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(diǎn)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(diǎn)是高采煤機(jī)電控系統(tǒng)抗干擾、抗熱效應(yīng)的能力。 3. 開(kāi)發(fā)或增強(qiáng)電控系統(tǒng)的監(jiān)控功能。重點(diǎn)是研究故障診斷與專(zhuān)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)變頻電路的漏電檢測(cè)與保護(hù)技術(shù)、搖臂自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)等。 4. 開(kāi)發(fā)可四象限運(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(kāi)采的需要。 5. 開(kāi)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(kāi)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(dòng)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。 隨著煤礦對(duì)高產(chǎn)、高效工作面要求，近年來(lái)采煤機(jī)的技術(shù)發(fā)展日新月異。一是采煤機(jī)裝機(jī)功率不斷增加。為了滿足高產(chǎn)高效綜采工作面快速割煤對(duì)采煤機(jī)的高強(qiáng)度、高性能需要，不論是厚、中厚煤層還是薄煤層采煤機(jī)，其裝機(jī)功率（包括截割功率和牽引功率）均在不斷加大。二是控制系統(tǒng)日趨完善。采煤機(jī)電氣控制功能逐步齊全，可靠性不斷提高，在通用性，互換性和集成化等方面已有較大進(jìn)步。三是國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)90年代初已逐步停止研究開(kāi)發(fā)液壓牽引采煤機(jī)，并將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向電牽引采煤機(jī)，后者已成為國(guó)內(nèi)采煤機(jī)的研究重點(diǎn)。本文主要介紹國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)產(chǎn)品與技術(shù)的有關(guān)情況。 幾款國(guó)內(nèi)產(chǎn)品介紹 目前，天地科技股份有限公司、太原礦山機(jī)器集團(tuán)有限公司、雞西煤礦機(jī)械有限公司和無(wú)錫盛達(dá)機(jī)械制造有限公司等采煤機(jī)主要生產(chǎn)廠商推出了各種型號(hào)規(guī)格的電牽引采煤機(jī)，從直流電牽引采煤機(jī)到交流電牽引采煤機(jī)，又到四象限電牽引采煤機(jī)。 天地科技股份有限公司研制的MG250/600－AWD采煤機(jī)采用PWM變頻調(diào)速技術(shù)、它由模塊式大功率晶體管和微機(jī)控制技術(shù)組成；采用擺線輪－銷(xiāo)軌無(wú)鏈牽引系統(tǒng)，調(diào)速范圍廣。截割電機(jī)橫向布置在整體彎曲搖臂上，搖臂和機(jī)身聯(lián)接沒(méi)有動(dòng)力傳遞，減少了傳動(dòng)環(huán)節(jié)。采用兩級(jí)直齒輪，一級(jí)行星輪傳動(dòng)，搖臂與機(jī)身采用鉸軸聯(lián)接，搖臂和調(diào)高油缸支承力及牽引的反作用力均作用在牽引減速箱上，機(jī)身三段之間不受此力影響；采用整體彎曲搖臂，增大了過(guò)煤空間。 太原礦山機(jī)器集團(tuán)有限公司推出的MGTY200/500-1.1D電牽引采煤機(jī)適用于較薄煤層高產(chǎn)效工作面，機(jī)身由左、右牽引部和中間箱體三部分組成，結(jié)合面采用燕尾槽、楔鐵定位，偏心螺母連接，此結(jié)構(gòu)增加了過(guò)煤空間，縮短了機(jī)身長(zhǎng)度。采用彎搖臂結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度按250kw設(shè)計(jì)，可配用200kw和250kw截割電機(jī)。牽引方式為鏈輪銷(xiāo)軌式無(wú)鏈牽引系統(tǒng)。采用機(jī)截式一拖一交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)隨時(shí)檢測(cè)顯示，可配備無(wú)線遙控裝置實(shí)現(xiàn)離機(jī)操作。閥組裝配和水路系統(tǒng)的主要元件都集中在集成塊上，調(diào)高油缸設(shè)計(jì)為近水平。 無(wú)錫盛達(dá)機(jī)械制造有限公司推出的MWG200（250）/500（600）－CD開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速牽引采煤機(jī)，其截割電機(jī)橫向布置在搖臂上，搖臂和機(jī)身采用銷(xiāo)軸連接，取消螺旋傘齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，機(jī)身主體分三段，取消了底托架，用高強(qiáng)度液壓螺母聯(lián)接，緊固可靠，各主要部件均可從采空處側(cè)抽出，更換方便。 雞西煤礦機(jī)械有限公司推出的MG250/591-WD電牽引采煤機(jī)主要特點(diǎn)為：機(jī)身三大部件之間使用高強(qiáng)度T形螺栓和四個(gè)楔形啞鈴銷(xiāo)以及兩個(gè)Φ150定位銷(xiāo)連接和緊固。截割電機(jī)、牽引電機(jī)的啟動(dòng)、停止等操作采用旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)控制外，其余控制如牽引速度調(diào)整、方向設(shè)定、左右搖臂的升降，急停等操作均由設(shè)在機(jī)身兩端操作站的按鈕進(jìn)行。所有電機(jī)橫向布置。機(jī)械傳動(dòng)都是直齒傳動(dòng)。電機(jī)、行走箱驅(qū)動(dòng)輪組件等均可從老塘側(cè)抽出?？赏ㄟ^(guò)更換電控部或液壓傳動(dòng)部而成為交流變頻調(diào)速電牽引或液壓牽引采煤機(jī)以實(shí)現(xiàn)電液互換，而其它部件通用。兩動(dòng)力輸入部位可安裝液壓馬達(dá)，也可安裝40Kw牽引電機(jī)。 1.3 選題意義 煤炭是中國(guó)的主要能源之一。長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭在中國(guó)一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中一直占70℅以上，雖然近年來(lái)新能源和可再生能源快速發(fā)展，但中國(guó)能源資源的賦存特點(diǎn)決定了在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，以煤炭為主的能源格局很難改變。隨著中國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)強(qiáng)度加大，煤礦開(kāi)采深度增加，構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，自然災(zāi)害增多，易采煤區(qū)的不斷枯竭，釆煤的難度不斷加大。為了保證我國(guó)煤炭能源的安全，同時(shí)也為了保證在難度大的采煤區(qū)機(jī)械保障較高的效率，就必須要在釆煤機(jī)械上下功夫，提高采煤機(jī)械化設(shè)備的使用效率，以保證我國(guó)煤炭資源的戰(zhàn)略安全。要想達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，現(xiàn)代化、高產(chǎn)、高效、安全可靠的采煤機(jī)的研究相當(dāng)重要，采煤機(jī)技術(shù)的創(chuàng)新有助于推動(dòng)中國(guó)采煤機(jī)械裝備整體水平的提高，有助于中國(guó)煤炭事業(yè)發(fā)展。 本文主要針對(duì)大功率電牽引采煤機(jī)——MG200/450-BWD型的無(wú)鏈電牽引采煤機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)其工作裝置進(jìn)行工況分析。目前，長(zhǎng)壁工作面的煤炭機(jī)械化開(kāi)采主要應(yīng)用采煤機(jī)，而無(wú)鏈電牽引采煤機(jī)在煤礦的使用率最高，與國(guó)外先進(jìn)的機(jī)型相比，國(guó)產(chǎn)的設(shè)備在使用壽命和可靠性上都有很大差距，智能化程度不高，本課題旨在對(duì)采煤機(jī)對(duì)搖臂調(diào)高液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)合采煤機(jī)工作環(huán)境及工作要求，力求液壓系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、性能優(yōu)越。 2 MG200/450-BWD型采煤機(jī)調(diào)高液壓系統(tǒng)分析 2.1 MG200/450-BWD型采煤機(jī)簡(jiǎn)介 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，對(duì)能源的需求量將會(huì)日益增加。而作為我國(guó)傳統(tǒng)能源的煤炭是推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展的重要能源保障。我國(guó)目前煤礦大部分都已經(jīng)經(jīng)過(guò)了多年的開(kāi)采，而對(duì)一些薄煤礦由于技術(shù)的原因我們的開(kāi)采還不到位，潛力很大，因此對(duì)薄煤層采煤機(jī)的需求量很大。所以說(shuō)研制開(kāi)發(fā)薄煤層采煤機(jī)有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的社會(huì)效益。而目前我國(guó)的薄煤層采煤機(jī)并不能滿足實(shí)際工況的需要，其中一個(gè)主要的原因是由于其截割部的設(shè)計(jì)并不是很完善，而該設(shè)計(jì)正是在這樣一個(gè)背景下進(jìn)行的，對(duì)薄煤層采煤機(jī)截割部的設(shè)計(jì)就是為了滿足實(shí)際工況的需求，使其發(fā)揮更大的作用。 我國(guó)薄煤層資源豐富,1.3m以下煤層可采儲(chǔ)量約占全部可采儲(chǔ)量的20%。但由于薄煤層開(kāi)采煤層厚度薄,與中厚及厚煤層相比,薄煤層機(jī)械化開(kāi)采存在著:工作條件差,設(shè)備移動(dòng)困難;煤層厚度變化、斷層等地質(zhì)構(gòu)造對(duì)薄煤層設(shè)備生產(chǎn)性能影響大,以及投入產(chǎn)出比高,經(jīng)濟(jì)效益不如厚與中厚煤層等特殊問(wèn)題,造成薄煤層機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)發(fā)展速度相對(duì)緩慢。發(fā)展機(jī)械化開(kāi)采,是提高薄煤層工作面生產(chǎn)效率的唯一出路,而實(shí)現(xiàn)薄煤層工作面高產(chǎn)高效的關(guān)鍵是要有高性能的薄煤層生產(chǎn)設(shè)備。滾筒采煤機(jī)由于具有截割效率高、破煤巖能力強(qiáng)、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn),必將成為薄煤層開(kāi)采的主力設(shè)備。 2.2 MG200/450-BWD型采煤機(jī)整機(jī)技術(shù)參數(shù) 表 2-1 MG200/450-BWD型采煤機(jī)的主要參數(shù) Tab. 2-1 Main parameters of MG200/450-BWD Shearer 項(xiàng) 目 數(shù) 據(jù) 單 位 裝機(jī)功率 2*200+2*25 Kw 采高范圍 1.0---1.7 m 牽引調(diào)速方式 無(wú)鏈交流電牽引 牽引速度 0--6 m/min 牽引力 ?1000 --?1250 Kw 滾筒直徑 600 mm 滾筒轉(zhuǎn)速 44.7（40） r/min 截深 800 mm 機(jī)身布置方式 騎輸送機(jī) 機(jī)器重量 20 T 2.3 MG200/450-BWD型采煤機(jī)的使用環(huán)境 MG200/450-BWD型采煤機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊,運(yùn)轉(zhuǎn)靈活,重心低,工作穩(wěn)定；具有可靠性好、先進(jìn)性、適用性、經(jīng)濟(jì)性、互換性等特點(diǎn)，但一般在下列條件下才可正常工作： 1) 海拔不超過(guò)2000m； 2) 環(huán)境溫度-20℃～+40℃； 3) 周?chē)諝庀鄬?duì)濕度不大于90%(+25℃)； 4) 在有瓦斯、煤塵或其他爆炸性氣體環(huán)境礦井中； 5) 與垂直面的安裝斜度不超過(guò)18°； 6) 無(wú)破壞絕緣的氣體或蒸氣的環(huán)境中； 7) 無(wú)長(zhǎng)期連續(xù)漏水的地方； 8) 污染等級(jí)：3級(jí)； 9) 安裝類(lèi)別：Ⅲ類(lèi)。 2.4 MG200/450-BWD型采煤機(jī)工作過(guò)程分析 采煤機(jī)的功能有兩個(gè)，即對(duì)煤巖的截割破落和裝載。采煤機(jī)通過(guò)螺旋滾筒上的截齒對(duì)煤壁進(jìn)行切割；通過(guò)滾筒螺旋葉片的螺旋面進(jìn)行裝載，將從煤壁上切割下來(lái)的煤運(yùn)出，在利用葉片外緣將煤拋到刮板輸送機(jī)中部槽內(nèi)運(yùn)走。 單滾筒采煤機(jī)（見(jiàn)圖1-5a、圖1-5b）滾筒一般位于采煤機(jī)下端，以使?jié)L筒割落下的煤不經(jīng)機(jī)身下部就運(yùn)走，從而可降低采煤機(jī)機(jī)面（由底板到機(jī)身上表面）高度。單滾筒采煤機(jī)上行工作（圖1-5a）時(shí)，滾筒割頂部煤并把落下的煤裝入刮板輸送機(jī)，同時(shí)跟機(jī)懸掛鉸接頂梁，割完工作面全長(zhǎng)后，將弧形擋煤板翻轉(zhuǎn)180°；機(jī)器下行工作（圖1-5b）時(shí)，滾筒割底部煤及裝煤，并隨之推移刮板輸送機(jī)。這種采煤機(jī)沿工作面往返一次進(jìn)一刀的采煤法稱(chēng)為單向采煤法。 圖 1-5 滾筒采煤機(jī)的工作原理 Fig. 1-5 Working principle of?drum?shearer 雙滾筒采煤機(jī)（1-5c）工作時(shí)，前滾筒割頂部煤，后滾筒割底部煤。因此，雙滾筒采煤機(jī)沿工作面牽引一次，可以進(jìn)一刀，返回時(shí)，又可進(jìn)一刀，即采煤機(jī)往返一次進(jìn)兩次刀，這種采煤法稱(chēng)為雙向采煤法。 必須指出，為了使?jié)L筒落下的煤能裝入刮板輸送機(jī)，滾筒上螺旋葉片的螺旋方向必須與滾筒旋轉(zhuǎn)方向相適應(yīng)，對(duì)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)（人站在采空區(qū)側(cè)看）的滾筒，螺旋葉片方向必須右旋；逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的滾筒，螺旋葉片方向必須左旋，可歸結(jié)為“左轉(zhuǎn)左旋，右轉(zhuǎn)右旋”。 當(dāng)采煤機(jī)沿工作面雙向割煤時(shí)，每次割完工作面全長(zhǎng)時(shí)，工作面就向前推進(jìn)一個(gè)截深的距離。在采煤機(jī)重新開(kāi)始截割下一刀之前，首先要使?jié)L筒切入煤壁，推進(jìn)一個(gè)截深，這一過(guò)程稱(chēng)為進(jìn)刀。綜采工作面兩端巷道的斷面較大，刮板輸送機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾一般可伸進(jìn)巷道，當(dāng)采煤機(jī)截割到工作面端頭時(shí)，其滾筒可截割至巷道，因此不需要人工預(yù)開(kāi)切口，而是由采煤機(jī)在進(jìn)刀過(guò)程中自開(kāi)切口。采煤機(jī)的進(jìn)刀方式主要有斜切式進(jìn)刀和正切式進(jìn)刀兩種。 (1) 端部斜切法 利用采煤機(jī)在工作面兩端25~30m范圍內(nèi)斜切進(jìn)刀稱(chēng)為端部斜切法，如圖7-2所示。 圖 7-2 端部斜切進(jìn)刀法 其操作過(guò)程如下： 1) 采煤機(jī)下行正常割煤時(shí)，滾筒2割頂部煤，滾筒1割底部煤（圖7-2a），在離滾筒1約10 m處開(kāi)始逐段移輸送機(jī)。當(dāng)采煤機(jī)割到工作面運(yùn)輸巷處（輸送機(jī)頭）時(shí)，將滾筒2逐漸下降，以割底部殘留煤，同時(shí)將輸送機(jī)移成如圖7-2b所示的彎曲行。 2) 翻轉(zhuǎn)擋煤板，將滾筒1升到頂部，然后開(kāi)始上行斜切（圖7-2b中虛線），斜切長(zhǎng)度約為20m，同時(shí)將輸送機(jī)移直（圖7-2c）。 3) 翻轉(zhuǎn)擋煤板并將滾筒1下降割煤，同時(shí)將滾筒2上升，然后開(kāi)始下行截割（圖7-2中虛線），直到工作面運(yùn)輸巷。 4) 翻轉(zhuǎn)擋煤板，將滾筒位置上下對(duì)調(diào)，由滾筒2割殘留煤（圖7-2d），然后快速移過(guò)斜切長(zhǎng)度（25~30 m）開(kāi)始上行正常割煤，隨即移動(dòng)下部輸送機(jī)，直到工作面回風(fēng)巷時(shí)又反向牽引。重復(fù)上述進(jìn)刀過(guò)程。 可見(jiàn)，端部斜切法要在工作面兩端近20 m地段使采煤機(jī)往返一次，翻轉(zhuǎn)擋煤板及對(duì)調(diào)滾筒位置3次，所以工序比較復(fù)雜。這種進(jìn)刀法適用于工作面較長(zhǎng)、頂板較穩(wěn)定的條件。 (2) 中部斜切法（半工作面法） 利用采煤機(jī)在工作面中部斜切進(jìn)刀稱(chēng)為中部斜切法，如 圖 7-3 中部斜切進(jìn)刀法 其操作過(guò)程如下： 1) 開(kāi)始時(shí)工作面是直的，輸送機(jī)在工作面中部彎曲（圖7-3a），采煤機(jī)在工作面運(yùn)輸巷將滾筒1升起，待滾筒2割完殘留煤后快速上行至工作面中部，裝凈上一刀留下的浮煤，并逐步使?jié)L筒斜切入煤壁（圖7-3a中虛線）；然后轉(zhuǎn)入正常割煤，直到工作面回風(fēng)巷；再翻轉(zhuǎn)擋煤板，將滾筒1下降割殘留煤，同時(shí)將下部輸送機(jī)移直。這時(shí)工作面是彎的，輸送機(jī)是直的（圖7-3b）。 2) 將滾筒2升起，機(jī)器下行割掉殘留煤后，快速移到中部，逐步使?jié)L筒斜切入煤壁（圖7.3b中虛線），轉(zhuǎn)入正常割煤，直到工作面運(yùn)輸巷；再翻轉(zhuǎn)擋煤板，將滾筒2下降，即完成了一次進(jìn)刀；然后將上部輸送機(jī)逐步完成圖7-3c所示狀態(tài)，即又恢復(fù)到工作面是直的，輸送機(jī)是彎的位置。 3) 將滾筒1上升，機(jī)器快速移到工作面中部，又開(kāi)始新的斜切進(jìn)刀，重復(fù)上述過(guò)程。 2.5 MG200/450-BWD型采煤機(jī)液壓調(diào)高系統(tǒng)的工況分析 2.5.1 采煤機(jī)整機(jī)的工況分析 （1） 正常截割工況 采煤機(jī)在正常截割工況下工作時(shí)，處于水平底板且煤層條件較理想，采煤機(jī)騎在刮板輸送機(jī)上，有牽引電機(jī)經(jīng)過(guò)減速調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)采煤機(jī)前進(jìn)，前滾筒處于升起狀態(tài)，截割頂板以下部分，后滾筒與其相反，截割底板以上部分的煤。在采煤機(jī)推進(jìn)過(guò)程中，受到牽引力、推進(jìn)阻力、截割阻力、軸向力等不同方向的作用力，根據(jù)工況需要，采煤機(jī)的液壓系統(tǒng)需確定系統(tǒng)壓力及調(diào)高油缸的參數(shù)，保證采煤機(jī)截割部搖臂在工作過(guò)程中完成調(diào)高和鎖死動(dòng)作，提高采煤機(jī)的可靠性[11]。 圖 3-1 采煤機(jī)的靜力學(xué)分析 Fig. 3-1 Statics analysis of shearer 要準(zhǔn)確進(jìn)行受力分析是很難的，因此，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，并以采煤機(jī)實(shí)際工作中受力最不利的工況進(jìn)行分析[12-13]。如圖3-1所示，采煤機(jī)所受的外負(fù)載和各支撐反力示意圖，以水平工作、無(wú)鏈牽引為分析前提。圖中，、為滑靴、導(dǎo)向套支撐反力和對(duì)應(yīng)的摩擦力，=1，…，6,；為摩擦系數(shù)；、為前、后滾筒的推進(jìn)阻力，；、為前、后滾筒的截割阻力，；、為前、后滾筒的軸向力，；為采煤機(jī)質(zhì)量，；、、為各受力點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置尺寸，；、為采煤機(jī)的牽引速度、牽引力，、。 如圖3-1所示，沿、、三個(gè)坐標(biāo)軸列出力平衡方程，，，，即 (3-1) 以點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)軸列出力矩平衡方程，，，，即， (3-2) 其中 式中 —煤層傾角，（°）。 將式3-1和式3-2寫(xiě)成矩陣形式 即 （2）斜切開(kāi)采工況 采煤機(jī)處于初始斜切階段時(shí)，由于前導(dǎo)向裝置已進(jìn)入彎道，后導(dǎo)向裝置仍保持直線移動(dòng)，隨著采煤機(jī)的推進(jìn)，前導(dǎo)向裝置將對(duì)后導(dǎo)向裝置向煤壁側(cè)偏移，使采煤機(jī)逐漸切入煤壁，截深由零逐漸加大，此時(shí)采煤機(jī)為斜切進(jìn)刀方式，既有牽引方向進(jìn)刀，同時(shí)又有軸向進(jìn)刀。目前，為了實(shí)現(xiàn)斜切進(jìn)刀，國(guó)內(nèi)外廣泛采取了在滾筒端盤(pán)的煤壁側(cè)端，安裝端面截齒，同時(shí)在端盤(pán)上開(kāi)有較大的排煤窗口，以降低斜切時(shí)滾筒軸向力的增量。 采煤機(jī)在斜切狀態(tài)下工作時(shí)，滾筒截割阻力Pz隨切削厚度的增加而增加，并基本成線性關(guān)系，而推進(jìn)阻力Py與Pz亦成比例關(guān)系,即Py=KqPz，因此Py與切削厚度亦成比例關(guān)系。通過(guò)計(jì)算可以看出，在采煤機(jī)斜切開(kāi)采過(guò)程中，滾筒剛進(jìn)入煤壁進(jìn)行斜切作業(yè)時(shí)，前導(dǎo)向滑靴受到了一個(gè)比較大的壓力，然后壓力隨截割深度的增加而變大，比正常開(kāi)采工況下的壓力要大290 kN左右。在這個(gè)過(guò)程中，后導(dǎo)向滑靴由于受力不平衡開(kāi)始翹起，隨著截割深度的增加受力開(kāi)始向下轉(zhuǎn)移，最后平穩(wěn)的落在刮板輸送機(jī)上。隨著截割深度的增加，采煤受到扭動(dòng)力逐漸增大，前后導(dǎo)向滑靴受到的向力越來(lái)越大。由此可判斷傾斜開(kāi)采工況下的采煤機(jī)機(jī)械性能，隨著牽引力的增加斜切作業(yè)過(guò)程中滾筒的進(jìn)刀角越大，載荷也會(huì)隨之增加，說(shuō)明該工況下采煤機(jī)要在十分惡劣的條件下開(kāi)采[14-16]。 圖 3-2 采煤機(jī)的斜切工況 Fig. 3-2 miter conditions of shearer 在此工況條件下，采煤機(jī)所受的軸向力對(duì)工作機(jī)構(gòu)的影響最大。若將斜切時(shí)滾筒軸向進(jìn)刀的推進(jìn)阻力視為附加軸向力ΔPA，則可引申推論：滾筒牽引方向推進(jìn)阻力Py和軸向推進(jìn)阻力ΔPA分別于各自方向的切削厚度成正比。由于滾筒沿牽引方向及軸向切削煤體的體積與各自方向的切削厚度成正比，因此滾筒的Py與ΔPA分別與各自方向切削煤體的體積成正比。由于滾筒端盤(pán)安裝了端面截齒，斜切時(shí)，滾筒軸向進(jìn)刀不是靠端盤(pán)周邊上齒體甚至是齒座的側(cè)面來(lái)強(qiáng)行擠壓煤體，而是靠端面截齒的齒尖來(lái)有序地完成正常破煤進(jìn)刀，因此，也可以認(rèn)為，斜切時(shí)滾筒軸向進(jìn)刀與牽引方向進(jìn)刀的截割狀態(tài)，在一定程度上是相似的。 2.5.2 采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)的工況分析 采煤機(jī)利用調(diào)高機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整工作高度，以適應(yīng)不同煤層的厚度變化。受井下工作空間和采煤機(jī)總體結(jié)構(gòu)限制，調(diào)高機(jī)構(gòu)既要具有足夠的強(qiáng)度和剛度，保證提供足夠的調(diào)高力矩，又要結(jié)構(gòu)合理、安裝緊湊，不影響采煤機(jī)其他功能部件的正常使用。 （1）采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)工作過(guò)程分析 螺旋滾筒式采煤機(jī)的調(diào)高機(jī)構(gòu)（如圖3-3所示）主要通過(guò)液壓缸帶動(dòng)搖臂上下擺動(dòng)來(lái)調(diào)整滾筒高度。綜采過(guò)程中，在確定工作條件的前提下，以斜切開(kāi)口為例，采煤機(jī)在靠近巷道的工作面一端開(kāi)始與刮板輸送機(jī)配合工作，隨著采煤機(jī)的行進(jìn)，截割部的搖臂開(kāi)始根據(jù)工作需要調(diào)整螺旋滾筒的高度[17-19]。 圖 3-3 滾筒的調(diào)高機(jī)構(gòu) Fig. 3-3 Height adjusting mechanism of drum 1- 螺旋滾筒；2-搖臂；3-機(jī)架；4-調(diào)高油缸 首先前搖臂調(diào)高油缸活塞桿外伸，推動(dòng)搖臂向上擺動(dòng)，滾筒上升到指定位置停止，而后搖臂此時(shí)需向下擺動(dòng)，使后滾筒截割機(jī)身下方的煤，在采煤機(jī)行進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)不同的底板條件，調(diào)高油缸需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使螺旋滾筒處在合適的位置，當(dāng)采煤機(jī)行進(jìn)至長(zhǎng)壁工作面的另一端時(shí)，前、后截割滾筒分別落下和升起，沿工作面繼續(xù)工作，采煤機(jī)以此循環(huán)工作。螺旋滾筒的直徑應(yīng)大于采高的二分之一，通過(guò)前、后螺旋滾筒的配合，完成整個(gè)煤壁的開(kāi)采工作，在采高范圍內(nèi)完成最大的采煤效率。 （2）滾筒采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)受力分析 (1) 滾筒調(diào)高的基本受力分析 滾筒是采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，它可隨搖臂上下擺動(dòng)，以便調(diào)節(jié)采煤機(jī)的截割速度。滾筒截煤時(shí)，其受力情況（如圖3-4）所示。作用在滾筒上的主要外力有：沿采煤機(jī)牽引方向的推進(jìn)阻力、垂直牽引方向的縱向截割阻力、滾筒軸向力、滾筒的重力G1和搖臂重力G2。此外、還有截割阻力矩M [20-22]。這里主要討論與調(diào)高有關(guān)的和的計(jì)算方法。 圖 3-4 滾筒截煤時(shí)的受力分析 Fig. 3-4 Stress analysis of the drum at cutting coal (2) 滾筒的推進(jìn)阻力 影響推進(jìn)阻力的因素比較復(fù)雜，很難精確地計(jì)算，當(dāng)采煤機(jī)牽引力確定，在有傾角的條件下，常采用近似估算。即 (3-3) 式中 T——采煤機(jī)的最大牽引力，N； K1——后、前滾筒的截割阻力之比，取K1=0.2~0.8（薄煤層取小值，中煤層取大值。對(duì)于單滾筒K1=0）。已知最大牽引力為980kN，則計(jì)算可得Py為321 kN。 (3) 滾筒的縱向截割阻力 根據(jù)截煤理論，單截齒截煤時(shí)的受力情況（如圖3-5）。作用在一個(gè)截齒上的截割阻力為 (3-4) 式中 A——截割阻力系數(shù)，N/m； hmax——截齒的最大切屑厚度，m； ψi——第i個(gè)截齒在截齒分布圓上的位置角。 圖 3-5 滾筒受力 Fig. 3-5 Stress analysis of drum 在垂直牽引力方向上的分力為 (3-5) 故滾筒的縱向截割阻力為 (3-6) 由力矩平衡原理可知，滾筒的驅(qū)動(dòng)力矩Mq應(yīng)等于其截割力矩M，即Mq=M，則 (3-7) 式中 P——滾筒的切向圓周力，N； Rc(Dc)——從齒尖算起的滾筒半徑（直徑），mm。 若設(shè) (3-8) 當(dāng)沿圓周截齒間的齒距角Ψ=15°時(shí)，K=0.79；而當(dāng)Ψ=30°，K=0.8。顯然，Ψ的變化對(duì)二力的比值影響不大，故取K=0.8。對(duì)于確定的采煤機(jī)，當(dāng)裝機(jī)功率一定時(shí)，給出的滾筒圓周力計(jì)算公式為 (3-9) 式中 NH——驅(qū)動(dòng)截割部電動(dòng)機(jī)的額定功率，kW； η——截割部機(jī)械傳動(dòng)效率； n——螺旋滾筒轉(zhuǎn)速，rad/min； Dc——螺旋滾筒直徑，mm。 所以有 (3-10) 已知截割部額定功率為200kW，螺旋滾筒轉(zhuǎn)速為447 rad/min，滾筒直徑為600mm。 計(jì)算可得P為102 kN，則P z為81.6 kN。 (4) 搖臂的轉(zhuǎn)矩及油缸的拉力計(jì)算 確定調(diào)高油缸設(shè)計(jì)載荷時(shí)，需正確選擇調(diào)高油缸的設(shè)計(jì)工況。從現(xiàn)場(chǎng)使用來(lái)看：一種是采煤機(jī)不牽引，滾筒調(diào)高；另一種是采煤機(jī)牽引，滾筒調(diào)高。對(duì)比兩種工況，顯然，選擇后者工況是合理的（后一種工況油缸載荷較大）。當(dāng)然，從安全的角度出發(fā)，還應(yīng)以采煤機(jī)下行悶車(chē)時(shí)的工況對(duì)調(diào)高油缸進(jìn)行強(qiáng)度校核，一旦強(qiáng)度不能滿足要求（油缸尺寸受到限制），應(yīng)在調(diào)高油缸的進(jìn)出口油路中加設(shè)安全閥。 圖 3-6 調(diào)高機(jī)構(gòu)的受力分析 Fig. 3-6 Stress analysis of the height adjusting mechanism 對(duì)選定的工況，由于滾筒的轉(zhuǎn)向和升降方向不同，調(diào)高油缸的載荷也不同。以雙滾筒采煤機(jī)前滾筒順轉(zhuǎn)、下擺為例進(jìn)行分析。當(dāng)滾筒順轉(zhuǎn)、下擺時(shí)，其受力情況（如圖3-6）。滾筒軸心的絕對(duì)速度應(yīng)是采煤機(jī)牽引速度vq與滾筒下擺速度vg2的合成，即 (3-11) 將參數(shù)代入，計(jì)算得 偏離牽引方向的角度為 (3-12) 可得β=3.79°。 此時(shí)滾筒的推進(jìn)阻力為 (3-13) 由圖3-8得小搖臂R與油缸活塞桿AB的夾角γ (3-14) 可得γ=50.75°其中，（θ取98°、λ取15°均為定數(shù)）。 油缸活塞桿的作用力臂，作用在搖臂上的力矩主要有： 1) 由推進(jìn)阻力產(chǎn)生的力矩 (3-15) 2) 由截割阻力產(chǎn)生的力矩 (3-16) 3) 由滾筒和搖臂重力G產(chǎn)生的力矩 (3-17) 式中 G——滾筒和搖臂折算到滾筒軸上的總重量，N。 4) 滾筒和搖臂的慣性阻力矩 (3-18) 式中 —回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m-2； ——角加速度，rad/s2。 5）搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦阻力矩 (3-19) 式中 ——摩擦系數(shù)； ——搖臂支撐軸承的直徑，m； ——搖臂支撐軸承的支反力，N。 6）調(diào)高油缸的驅(qū)動(dòng)力矩 (3-20) 由力矩平衡方程,得 (3-21) 油缸的輸出力為 (3-22) 若考慮粘性摩擦阻力，則油缸的拉力為 (3-23) 式中 ——油缸的黏性摩擦系數(shù)，N?s/m； ——油缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度，m/s。 表 3-1 調(diào)高系統(tǒng)各力矩的計(jì)算值 Tab. 3-1 Calculate the value of each moment of adjusting system My Mz MG Mg Mμ 269 82.4 892 42.6 14 由計(jì)算可得，搖臂調(diào)高液壓缸工作拉力為1 526.04kN，同理可得工作推力為2 034.7kN。 2.5.3 破碎機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的工況分析 破碎裝置是大功率大采高采煤機(jī)重要部件?？膳渲糜诓擅簷C(jī)右端或左端，與機(jī)身懸掛鉸接，用鉸接銷(xiāo)連接，破碎機(jī)以鉸接銷(xiāo)為回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)；實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的滾筒上升和下降。破碎裝置滾筒的升降由調(diào)高油缸的行程來(lái)控制。從而調(diào)節(jié)破碎滾筒相對(duì)，工作面輸送機(jī)刮板之間的距離。 圖 3-7 破碎裝置 Fig. 3-7 Crushing device 1-調(diào)高油缸；2-破碎機(jī)搖臂；3-破碎滾筒 由于長(zhǎng)壁采煤的采煤高度增加，片幫和落煤的塊度增大。當(dāng)片幫和落煤的塊度較大時(shí)，煤不能順利通過(guò)機(jī)身與工作而輸送機(jī)之間的過(guò)煤通道。為此需專(zhuān)門(mén)的裝置進(jìn)行破碎即破碎裝置。連接在破碎機(jī)上的液壓缸通過(guò)伸縮動(dòng)作，控制搖臂的升降，采煤機(jī)騎在刮板輸送機(jī)工作時(shí)，搖臂下降最低調(diào)節(jié)位置，滾筒與刮板槽鋼頂?shù)淖钚【嚯xa=0.3 m；在片幫和落煤塊度不大的工況下，搖臂上升至預(yù)定高度，滾筒與刮板槽鋼頂?shù)淖畲缶嚯xb=1000 mm。破碎裝置工況分析簡(jiǎn)圖（如圖3-8），其中L為2.7 m，R為1.8 m，L1為1.350 m，機(jī)重G為5 370 kN,破碎裝置在采煤機(jī)機(jī)身鉸接點(diǎn)的位置高度c=2 m，a，b為破碎機(jī)滾筒最低和最高位置到刮板輸送機(jī)槽鋼頂部的距離，c為破碎機(jī)與采煤機(jī)機(jī)身鉸接點(diǎn)到刮板輸送機(jī)槽鋼頂部的距離，L為破碎機(jī)搖臂長(zhǎng)度。 圖 3-8 破碎機(jī)的工況分析 Fig. 3-8 Analysis of the crusher working conditions 由力矩平衡方程,得 (3-24) 計(jì)算液壓缸的活塞桿的拉力 (3-25) 式中 G——破碎機(jī)機(jī)重，kN； R——破碎機(jī)重心到鉸接點(diǎn)的距離，m； F ，F(xiàn)＇——液壓缸的拉力，kN； α，α＇——破碎機(jī)搖臂與水平面的角度，°； θ，θ＇——液壓缸與破碎機(jī)搖臂之間的夾角，°； L1—液壓缸與搖臂的鉸接點(diǎn)到破碎機(jī)與采煤機(jī)機(jī)身鉸接點(diǎn)的距離，m； 在搖臂上升的過(guò)程中，以O(shè)1為中心，由重力產(chǎn)生的力矩隨著滾筒高度的增大而增大，液壓缸與水平方向的夾角為α隨著滾筒高度的增大而減小，不難推出液壓缸活塞桿的拉力在最高點(diǎn)時(shí)拉力最大，其中θ取15°，θ＇取40°。 根據(jù)簡(jiǎn)圖可知 ， (3-26) 計(jì)算可得α=39.02°，α＇=21.74°。這樣就可計(jì)算液壓缸活塞桿的拉力F=2 315 kN。 3 MG200/450-BWD型采煤機(jī)調(diào)高液壓回路設(shè)計(jì) 采煤機(jī)滾筒調(diào)高液壓系統(tǒng)的基本要求和功能： 采煤機(jī)采用油缸調(diào)高，所以采用雙作用單活塞油缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?？紤]到滾筒和搖臂自重影響，滾筒升比降載荷大，所以選定活塞桿伸出為升，縮進(jìn)為降。本課題的液壓調(diào)高系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能及所需元件如下： (1) 實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂的升降，通過(guò)活塞要實(shí)現(xiàn)伸出、縮進(jìn)、鎖緊三個(gè)動(dòng)作，就要建立油缸和換向閥； (2) 截煤時(shí)要實(shí)現(xiàn)搖臂的舉角不變，即為了保證搖臂在采高的過(guò)程中固定在某一位置，需要系統(tǒng)采用精度較高的鎖緊回路，就要在油缸的進(jìn)出油路裝液壓鎖丁； (3) 為了保證系統(tǒng)壓力恒定或是限制系統(tǒng)的最大壓力，在油泵的出口應(yīng)當(dāng)安裝溢流閥做安全閥；為了限制執(zhí)行原件的最大工作壓力，需將溢流閥旁接在油缸的進(jìn)口； (4) 為能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和遙控?fù)Q向的功能，需安裝手動(dòng)換向閥和電磁換向閥。手動(dòng)換向閥可以通過(guò)操縱手柄來(lái)實(shí)現(xiàn)閥芯的換向;通過(guò)電磁換向閥可以進(jìn)行離機(jī)控制，同時(shí)電磁換向閥可以提供一定的動(dòng)力給手動(dòng)換向閥，當(dāng)電磁換向閥向手動(dòng)換向閥提供動(dòng)力后，操縱手把，手動(dòng)換向閥就可以向油缸提供大量的油液使得活塞桿伸縮而調(diào)節(jié)搖臂。 3.1 MG200/450-BWD型采煤機(jī)液壓系統(tǒng)額定壓力的確定 液壓系統(tǒng)工作壓力的選定，直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理程度。選擇液壓系統(tǒng)的工作壓力主要考慮的是液壓系統(tǒng)的重量和經(jīng)濟(jì)性之間的平衡，在系統(tǒng)功率已確定的情況下，如果系統(tǒng)工作壓力選得過(guò)低，則液壓元件、輔助的尺寸和重量就增加，系統(tǒng)造價(jià)也相應(yīng)增加；如果系統(tǒng)工作壓力高，則液壓執(zhí)行元件—液壓缸的活塞面積（或液壓馬達(dá)的排量）小、重量輕，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)造價(jià)會(huì)相應(yīng)的降低。同時(shí)執(zhí)行元件油腔的容積減小，體積彈性模量增大，有利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。但如果系統(tǒng)的工作壓力選擇過(guò)高，則對(duì)管路、接頭和元件的強(qiáng)度以及對(duì)制造液壓元件、輔助的材質(zhì)、密封、制造精度等要求也會(huì)大大提高，有時(shí)反而會(huì)導(dǎo)致液壓設(shè)備重量和成本的增加以及系統(tǒng)效率和使用壽命的下降。同時(shí)，高壓時(shí)，內(nèi)泄漏大量，容積效率降低，系統(tǒng)發(fā)熱和溫升嚴(yán)重，系統(tǒng)功率損失增加，噪聲加大，元件壽命縮短，維護(hù)也較困難。 通常液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照負(fù)載大小或主機(jī)的類(lèi)型進(jìn)行選擇，推薦的選擇方法如表4-1和4-2所示，執(zhí)行元件的回油背壓經(jīng)驗(yàn)值如表4-3所示，液壓系統(tǒng)的壓力損失經(jīng)驗(yàn)值如表4-4所示[23]。 表 4-1 按負(fù)載選擇執(zhí)行元件工作壓力 Tab. 4-1 Select working pressure of executive component according to the load 負(fù)載/kN ＜5 5~10 10~20 20~30 30~50 ＞50 工作壓力/MPa ＜.8~1 1.5~2 2.5~3 3~4 4~5 ＞5~7 表 4-2 按主機(jī)類(lèi)型選擇執(zhí)行元件工作壓力 Tab. 4-2 Select working pressure of executive component according to the host type 主機(jī)類(lèi)型 磨床 組合機(jī)床 龍門(mén)刨床 拉床 農(nóng)業(yè)機(jī)械 工作壓力（MPa） ≤5 3~5 2~8 8~10 10~16 主機(jī)類(lèi)型 塑料機(jī)械 航空航天 液壓機(jī)、大中型工程機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械 工作壓力（MPa） 6~25 21~28 20~32 表 4-3 執(zhí)行元件回油背壓 Tab. 4-3 Return oil pressure of executive component 系統(tǒng)類(lèi)型 背壓/MPa MP ///MPa 系統(tǒng)類(lèi)型 背壓/MPa 簡(jiǎn)單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2~0.5 用補(bǔ)油