纵轴式掘进机总体方案设计及其装载机构设计Word下载.docx
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28KB纵轴式掘进机总体方案设计及其装载机.•・MicrosoftWord9...
Abstract
Basedonlongitudinalaxiscantilever-boimgmachineasthebackground,themainresearchinthegivenconditions,thedesignofsuitablewoikuigconditionsoftheboimgmachine.
Fustintroducedtothedesignoftheoverallplan,mcludingmacluneiypailsofthe
Selection：
secendAccoidmgtothegenerallayoutandtherequuementsoftheoveralllayoutofthemacluneiy;
Thenthetransmissionofmovementandchoiceofcomponents,andthedeteniiuiationoftheoverallparameters;
Thencalculatedeterminecuttmg,loadingandtransportplanesbetweentheproductivityandtheoveralldetectiontluouglitheboimgmachine;
Finally,theboringmacluiieloadedbodiesofthedesign・
Keywords:
boimgmachine;
institutions;
productivity;
前言1
1总体结构方案设计5
1.1工作机构型式选择5
1.2装载机构类型选择5
1.3输送机构形式选择6
1.4转运机构形式选择6
1.5行走机构7
1.6除尘装置型式选择7
161除尘方式:
8
162除尘系统9
2总体布置10
2.1总体布置的内容10
2.2总体布置的原则10
2.3具体要求10
3传动型式及动力元件的选择12
3.1传动形式及元件选择应遵循的原则：
12
3.2各机构对传动系统的要求及传动形式的选择12
4总体参数的确定14
4.1机型大小14
4.2机器外形尺寸14
4.3机器可掘断面15
4.3.1｛申缩量15
4.3.2悬臂长度和摆角15
5生产率18
5.1截割生产率18
5.2装载生产率19
5.2.1装载眺生产能力确定19
5.2.2星轮结构尺寸确定20
5.2.3中间输送机生产率21
6掘进机的通过性22
6.1离地最小间隙22
6.2可通过巷道最小半径22
6.3适应巷道坡度22
7纵轴式悬臂掘进机装载机构设计24
7.1铲板体结构24
7.2驱动装置24
7.3装载机构设计25
7.3.1装载机构生产能力确定25
7.3.2星轮结构尺寸确定25
7.3.3星轮转速确定26
7.3.4装载功率确定28
结语30
致谢31
参考文献32
附录A33
附录B37
前言
纵轴式悬臂掘进机总体设计的任务是，根据掘进机的用途、作业情况及制造条件，合理选择机型，确定性能参数、整机尺寸及各部分的结构型式，并进行整体布置，以实现整机的各项性能指标。
设计一台纵轴式掘进机并重点设计其装载机构。
为了采煤，井下需要开凿各种巷道。
巷道的开凿称为掘进。
掘进要超前回采，否则会造成失调，严重影响原煤的生产。
巷道按地质构成分岩巷、半煤岩巷和煤巷三种。
巷道掘进的速度和质量以及工人的劳动强度，与掘进机械化程度有很大关系。
而掘进机是实现掘进机械化的关键。
使用掘进机，就可以取消打眼放炮，一次完成破碎装载的全部工序。
因此，国内外都非常重视掘进机的研制和应用。
悬臂式巷道掘进机具有掘进速度快，巷道成形好，便于与其它设备配套组成综掘作业线以及成本较为合理等优点，因而应用广泛。
近年來掘进机不仅广泛用于煤及软岩巷道的掘进，在中等硬度的半煤岩巷道掘进中也获得良好的技术经济效果。
国外的某些重型掘进机己能切割抗压强度达170MPa的硬岩。
据统计，目前国外各主要产煤国采用掘进机掘进的巷道占釆准巷道的40%以上。
而我国综掘比率为8%左右，与国外先进水平相比尚存在很大差距，与我国煤炭生产的需要，特别是现代化高产高效矿井建设的需要也是极不相适应的，因此，我国掘进机的研制开发以及推广应用，还需作大量工作。
掘进机经历了切割软煤、硬煤及半煤岩的过程。
近期一些重型掘进机己能切割硬岩。
据报道，日本成功地使用TM60K型掘进机掘进全岩巷引水隧道，岩石硬度高达170~200MPa。
目前最大的WAV408型掘进机重达160t,切割功率可达408kW,定位切割断面可达87.5m2o以先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加工精度都能严格控制，乂有优越的国际协作条件，选购外购外协件的范围宽广，有效地保证了主机的质量水平。
此外，近年來广泛地釆用了可靠性技术，其突出表现为简化机械结构、采用降额设计。
在齿轮传动、机械联接及液压传动方面尽量减少串联系统，有的地方以嵌装式结构代替螺栓组结构。
既简化了结构，乂大大提高了可靠性。
国外新型掘进机均配备有完善的工况监测和故障诊断系统，从而可早期发现故障，快速排出故障，大大减少停机时间。
有些重型掘进机还可配置自动控制系统，可以使机器的生产率提高30%左右，还可以保证切割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当引起的尖峰负荷，从而延长机器的使用寿命约20%o
我国于1962年开始掘进机的研制工作，最初是仿苏联产品，机身轻、功率小、性能差，未广泛应用。
八十年代与国外公司合作制造了AM-50及S100型掘进机，这两种机型现己成为国内市场主导产品。
同时，国产掘进机研制步伐也在加快，先后研制出EL-90、ELMB-55、EBJ-6548等机型。
其中ELMB-55得到较大规模的应用。
上述产品主要适用于煤巷掘进，对于硬煤及半煤岩巷道适应性差，机器振动过大，故障率高。
进入九十年代后，发展重点转向半煤岩巷道掘进机。
先后研制了EBJ-132、EBH-132、EBJ-160等机型，机重为36〜50t,切割功率达160kWo同时，机重20t的煤巷掘进机也在改进提高，由ELM系列发展创新的ELMB-75B型掘进机在技术指标与经济合理性方面结合得较好,近儿年來销售势头看好。
综合机械化采煤比打炮和普釆效率大大提高，因而回釆速度大大加快。
这样就要求回釆准备巷道的掘进速度也必须加快，否则会影响综合开釆能力的发挥。
煤和半煤岩巷掘进机，正是在综釆普遍推广，对掘进要求越來越高的情况下诞生和发展起來的。
利用煤和半煤岩巷掘进机掘进，后接皮带输送机或刮板输送机运输，称为综合掘进机械化，简称综掘。
综掘和综采配套，可使采煤工艺大大改进，使矿井机械化迈上新台阶除从国外引进一些煤和半煤岩巷道掘进机外，我国70年代己能生产ELMA,EM-30等型号的煤和半煤岩巷掘进机，1986年乂研制成功并批量生产ELMB-55型掘进机，性能比ELMA型有很大提高。
1988年乂在ELMB-55型基础上乂作了部分改进，称为ELMB-75型，1989年初通过鉴定。
根据适用单位反映，ELMB-75型是一种成功的国产煤巷和半煤岩巷掘进机，主要性能指标不低于国外同类产品水平。
现在国内的掘进机以佳木斯煤机厂为代表，该厂在EBZ100型掘进机的基础上，近儿年连续开发出具有国际同类产品先进技术和国内领先技术水平、并具有自主知识产权的“大力士”牌多种机型，其中EBZ55、EBZ100、EBZ135、EBZ150、EBZ200、EBZ230.EBZ300型掘进机己形成了轻、中、重型、硬岩系列化，拥有9种机型18个品种。
己经走入世界先进行列。
但是我国的掘进机也存在许多缺点和不足：
1）产品设计水平偏低
目前国内应用最多的几种机型中AM-50和S100是国外七十年代研制的产品，除切割硬度偏低之外，内喷雾系统及防碰撞装置实际上不起作用，许多电气保护工作不可靠，普遍存在用户甩保护现象，电控系统抗振性差。
国内自行研制的机型如EL-90>
ELM系列等结构比较杂乱，体积庞大，总体设计造型很差。
新近研制的EBJ-132、EBH-132、EBJ-160
等较多地吸收了国外八十年代产品的技术，总体设计水平有很大提高，主要表现为结构紧凑、造型简洁、重心降低，选用外购元件性能及质量有较大幅度提高，安全保护更为完善,代表了我国掘进机最新技术水平。
但与国外新型掘进机相比，仍存在约10年的差距。
2）技术引进缺少创新
我国引进技术生产的机型生产多年改进不大，尤其是不能结合我国制造、使用水平进行改进，逐渐暴露出许多缺点。
3）制造质量较差
国产掘进机在使用中普遍存在联接螺栓易松动或断裂、液压系统泄漏严重、机电保护装置易失灵以及溜槽、齿座等耐磨性差的现象。
特别是引进技术生产的掘进机，因部分元部件质量较差影响整机性能，有些液压电气元件寿命比国外进口件差很多，形成强烈对比。
4）配套设备不足
配套设备不足主要表现在支护、转载、辅助材料运输及通风除尘等方面。
如支护方面尚无适用的架棚机，运输方面缺少转载机，通风除尘缺少风机等。
总体设计是机械产品设计过程中的重要内容和主要环节，它是在方案设计之后紧接着进行的设计工作。
悬臂纵轴式掘进机（以下简称掘进机）的总体设计对整机性能的优劣起着决定性的作用，并决定了各总成、系统、各部件之间的协调性，统一性和匹配关系，从而获得总体的高端性能和较好的技术经济效益。
掘进机的总体设计，主要包括以下内容：
1）据设计任务书选择机型及各部件结构型式。
2）定整机的主要技术性能参数，包括尺寸参数、重量参数、运动参数和技术经济指标。
3）按照总体设计的性能要求，确定整机系统的组成及它们之间的匹配性以及各个部件的主要技术参数。
4）进行必要的总体计算，并绘制液压、电控系统图等。
掘进机的装载机构设计是对掘进机装载机构的铲板体、驱动装置及其执行机构的形式及结构进行了设计研究，通过对星轮装载机构的力学分析，介绍了星轮装载机构的星轮结构、星轮转速及装载功率的确定方法，为设计研究提供理论依据。
装载机构是掘进机的主要工作机构之一，其性能直接影响着整机的生产能力。
掘进机装载部分主要由铲板体、驱动装置和升降油缸等组成。
装载机构的作用是将截割机构破落下來的煤岩收集、装载到中间刮板输送机上，然后经后部转载设备卸载。
装载机构的设计要与整机相匹配，设计要求为：
1装载机构的生产率应大于截割机构的生产率；
2装载铲板的宽度应大于行走履带的宽度，铲板应能升降，且装载铲板的前沿应呈切刀形状，以减少铲板插入阻力；
3执行机构的设计要做到尽量增大装载面积，提高载效果，行星式装载机构，要减少星轮插入阻力，使装载机构具有最佳的运动特性和动力特性。
掘进机是由部件组成的有机整体其整体性能不仅取决于每个部件的好坏更主要是取决与各个部件间的相互协调，所以掘进机总体设计对整机的性能起决定作用。
1总体结构方案设计
1.1工作机构型式选择
部分断面掘进机的工作机构有截链式、圆盘铳削式和悬臂截割式。
因为悬臂截割式掘进机具有机体灵活性，体积较小，可决各种形状和断面的巷道，并能实现煤岩分掘，截割效果较好，掘进速度较高的优点，是当前煤和半煤岩巷掘进机的一种基本形式。
所以部分断面掘进机的工作机构现在主要采用悬臂式。
截割头按布置方式，可以分为纵轴式和横轴式两种。
纵轴式的优点是：
传动方便，有利于采用内伸缩悬臂，结构布置较紧凑，若接割头和悬臂的集合参数合理选取，可获得较平整的巷道断面，可截割任意形状的断面（梯形、拱形、矩形），可挖柱窝或挖水沟。
这种工作的机构的缺点是：
横向截割煤岩反作用力不通过机器中心，而与悬臂形成较大的力矩，使机器产生较大的震动，稳定性较差，特别是机重较小的掘进机。
因此，在抗压强度较小的煤岩中掘进时，需加大机身的重量或装设辅助支撑装置。
目前这种截割头在部分断面掘进机中使用较多。
1.2装载机构类型选择
装载机构的有以下4种形式：
双环刮板链式、螺旋式装载机构、蟹爪式装载机构和星轮式。
1）单双环形刮板链式。
单环形是利用一组环形刮板链直接将煤岩装到机体后面的转载机上。
双环形是由两排并列、转向相反的刮板链组成。
若刮板链能左右张开或收拢，就能调节装载宽度，但结构复杂。
环形刮板链式装载机构制造筒单，但由于单向装载，在装载边易形成煤岩堆积，从而会造成卡链和断链。
同时，由于刮板链易磨损，功率消耗大，使用效果较差。
2）螺旋式。
是横轴式掘进机上使用的一种装载机构，它利用左右两个截割头上旋向相反的螺旋叶片将煤岩向中间推入输送机构。
由于头体形状的缺点，这种机构目前使用很少。
3）耙爪式。
是利用一对交替动作的耙爪來不断地耙取物料并装入转载运输机构。
这
种方式结构简单、工作可靠、外形尺寸小、装载效果好，目前应用很普遍。
但这种装载机构宽度受限制，为扩大装载宽度，可使铲板连同整个耙爪机构一起水平摆动，或设计成双耙爪机构，以扩大装载范围。
4）星轮式。
该种机构比耙爪式简单、强度高、工作可靠，但装大块物料的能力较差。
通常，应选择耙爪式装载机构，但考虑装载宽度问题，可选择双耙爪机构，也可设计成耙爪与星轮可互换的装载机构。
装载机构可以采用电动机驱动，也可用液压马达驱动。
但考虑工作环境潮湿、有泥水，选用液压马达驱动为好。
装载部是由铲板本体、侧铲板、铲板驱动装置、从动轮装置等组成。
通过两个液压马达带动星轮，把截割下來的物料装到刮板运输机内的装置。
本掘进机采用弧形三齿星轮式装载，装载部是用两个液压马达驱动星轮实现耙装运动，通过多路手动换向阀分别向两个排量为400ml/f的液压马达供油，确保星轮工作基本上平稳一致。
13输送机构形式选择
部分断面掘进机多采用刮板链式输送机构。
输送机构一般是由机尾向机头方向倾斜向上布置的。
输送机构有以机头轴为主动轴的，由设置在机头的电动机或油马达，通过减速装置驱动机头轴运转，有的机型海同时以机尾从动轴间接地带动装载机构工作。
有的掘进机以机尾轴为主动轴，设置在机尾的电动机，通过减速装置驱动装载机构工作，间接地从输送机构的机尾为主动轴，带动刮板输送式输送机工作，输送机构则不单独设置减速装置。
所以本机釆用刮板输送机位于机器中部，前端較接于铲板上，后部托在机架上，刮板输送机为双边链刮板式。
由液压马达驱动，主要由机前部、机后部、驱动装置、脱链器等组成。
链条张紧装置采用油缸张紧方式。
1.4转运机构形式选择
纵轴式掘进机掘进工作面的作业线配套方式有很多种，目前的掘进机的转载机构大多采用胶带式输送机。
胶带转载机构的传动方式，通常有三种形式，第一种是由油马达直接或通过减速器
驱动机尾卷筒。
第二种形式，是由电动卷筒驱动主卷筒旋转。
第三种方式是：
由电动机通过减速器驱动住卷筒旋转
为了实现巷道掘进机胶带转运机构卸载端作上下调高和左右摆动，以使转运的煤岩能够准确地卸入矿车或转载机中，一般将转运机构的机尾安装在掘进机尾部的回转台托架上，可通过人力或回转油缸，使整个转运机构绕回转台中心摆动一定角度，并使鸡头卸载端达到卸载的摆角要求。
同时，通过升降油缸使卸载端绕尾餃接中心做升降运动。
使卸载端达到卸载的告诉范围。
1.5行走机构
形式选择该种掘进机的行走机构有迈步式、导轨式和履带式等几种。
1）迈步式。
该种行走机构是利用液压迈步装置來工作的。
采用框架结构，使人员能自由进出工作面，并可越过装载机构到达机器的后面。
使用支撑装置可起到掩护顶板、临时支护的作用。
但由于向前推进时，支架反复交替地作用于顶板，掘进机对顶板的稳定性要求较高，局限性较大，所以这种行走机构主要用于岩巷掘进机，在煤巷、半煤岩巷中也有应用。
2）导轨式。
将掘进机用导轨吊在巷道顶板上，躲开底板，达到冲击破碎岩石的目的。
这就要求导轨具有较高的强度。
这种行走机构主要用于冲击式掘进机。
3）履带式。
适用于底板不平或松软的条件，不需修路铺轨。
具有牵引能力大，机动性能好、工作可靠、调动灵活和对底板适应性好等优点。
但其结构复杂、零部件磨损较严重。
目前，部分断面掘进机通常釆用履带式行走机构。
由于其工作环境差，用电动机驱动易受潮烧毁，最好选用液压马达驱动。
1.6除尘装置型式选择
由于掘进机连续地破落煤岩，使工作面粉尘飞扬，这不仅影响工人的身体健康，也关系到安全生产。
单靠通风不呢感将空气含尘量降到标准范围以下，因此必须釆用必要的除尘措施。
1.6.1除尘方式：
分为喷雾式和抽出式两种。
喷雾式：
喷雾式除尘是用喷嘴把具有一定压力的水高度扩散，使其雾化，是尘粉附在雾状水粒表面沉淀下来，以达到灭尘的效果。
这种除尘方式分为外喷雾和内喷雾。
外喷雾是在工作机构的悬臂上装有喷嘴，向截割头喷射压力水，喷出的水雾扩散后将截割头包围。
这种喷雾装置的典型结构，呈马蹄状，布置在截割头后面的工作臂上。
这种喷雾方式结构简单，工作可靠，使用寿命长，由于喷雾离粉尘源较远，粉尘容易扩散开，降尘效果较差。
内喷雾是在截割头上装设喷嘴，对着截齿喷射。
内喷雾的喷嘴按螺旋线布置在截割头上。
截割头体芯部为一密封腔，压力水经空腔由喷雾嘴射出，为了减少截割头上零件的数量和缩短喷射距离以提高灭尘效果，有的掘进机的喷雾水经齿座由截齿喷出。
内喷雾的特点是：
喷雾距离截齿近，灭尘效果好，耗水量小，冲淡瓦斯、冷却截齿和扑灭火花的效果较好。
喷嘴容易堵塞和损坏，供水管路复杂，活动联结处密封困难。
为了提高降尘效果部分断面掘进机大多采用内、外喷雾相结合的办法，并且和截割电动机、液压系统的冷却要求结合起來考虑。
将冷却水由喷嘴喷出降尘。
抽出式。
由于仅采用喷雾装置不能保证应有的空气净化程度，一些掘进机上还设有吸尘装置,其工作原理是，用吸尘装置在产生粉尘的地方吸入含尘空气，然后在特制的机构中分离粉尘，清洗后的空气在掘进机工作位置的后面放入巷道。
常用的吸尘装置是集尘器。
设计掘进机时，应根据掘进机的技术条件來选集尘器。
为提高除尘效果，可采用两级净化除尘。
由于集尘器跟随掘进机移动，风机的噪音很大，应安装消音装置。
抽出式除尘装置灭尘效果好，但因设备增多，使工作面空间减小。
近年來,除尘设备有向抽出式和喷雾式联合并用方向发展的趋势。
162除尘系统
Fig.1-1BormgniachuieDustRemovalSystem
1-截割头内喷雾；
2■•压力调节器；
3-减压阀；
4、9-油马达；
5-通往换向阀油路；
6-截割头外喷雾：
7-水冷却；
8-水泵；
10-油冷却器；
11-减压阀；
12-Y型过滤器；
13■供水管；
14■截割电动机；
15■流量开关:
16-水箱:
17-通往外联换向阀:
18-通往油箱油路:
19-喷雾泵
2总体布置
2・1总体布置的内容
总体布置的内容包括以下儿个方面：
1）确定各部件在整机上的位置，并对外形尺寸提出要求；
2）确定各部件、部件与整机之间的连接方式；
3）估算整机的重量及重心位置，并对各部件的重量提出要求;
4）布置个操纵机构、司机座位等；
5）审核各运动件的运动空间，排除可能发生的运动干涉。
2.2总体布置的原则
1）保证整机的稳定性
2）结构紧凑并有较高的传动效率
3）便于操作和维修，工作安全可靠；
4）外形平整美观。
23具体要求
在总体布置时要注意以下问题：
1）工作机构减速器的进、出轴尽量同轴线；
2）悬臂和铲板的尺寸关系相适应，既有利于装载，乂要避免截割头截割铲板；
3）悬臂的水平和垂直摆动中心的位置可以重合，也可以不重合。
从增加机器的稳定性看，摆动中心的高度应尽量降低。
在保证悬臂摆动不与其它机构干涉的条件下，摆动中心的位置应尽量靠后，但必须保证中心在机器的纵向对称平面内；
4）总体设计时，其重心的位置仅需估算纵向坐标x值：
X=ZGi*Xi/SGi（2-1）
Gi=各部件的重心
Xi=各部件重心坐标。
当各主要部件设计出来之后。
应进行校核，不满足要求时需进行调整，使中心位于履带中心稍偏前且小于L/6范围内（L为履带接地长度）。
此外，还要求中心位置在截割机构回转台中心线之后，而且重心高度越低越好，以提高机器作业时的稳定性；
5）总体布置应考虑左右两侧重量对称并照顾工作习惯及方便操作。
司机座一般设在机身左侧、且位于机身后部，座椅高度应保证司机的视线，使其能够很好地操纵机器，截割出规则的巷道；
6）操纵台的位置要适当，应保证司机操纵方便、省力。
仪表显示装置的位置要便于司机观察，乂不分散司机正常操作的注意力。
3传动型式及动力元件的选择
1）技术先进性：
能够改善机器性能，提高生产率；
2）经济合理性：
传动系统尽量简单、元件少，易加工，价格低，维修容易，使用寿命长。
3）工作可靠性：
传动系统的可靠性表现为元件的使用寿命，因此也是对元件质量的要求；
4）适应性：
元件应适应传动系统的载荷、工况及环境等条件的要求。
3.2各机构对传动系统的要求及传动形式的选择
掘进机的截割、装载、运输、行走等机构一般均为分别传动，各部件受力状态及工作条件不同，因而对传动形式有不同的要求。
工作机构要求有较大的短时过载能力，而油马达对冲击负荷很敏感，过负荷能力低,影响截割头正常连续运转。
所以，掘进机的工作机构宜采用电动机的为动力的机械传动形式。
应利用体积小、功率大、过负荷能力强的专用电动机，并配备可靠的电器保护装置。
根据动作机构结构紧凑的特点,通常工作机构的减速器设在悬臂内，成为悬臂的组成部分。
截割头调速方式一般釆用配换挂轮的方法，变速机构力求简单。
装载机构传动装置的特点是:
减速器需装在尺寸有限的铲板下部,因而设计空间较小,工作条件恶劣，减速器经常泡在煤岩泥中，卡料时易过载。
装载、运输机构若釆用机械传动，由于电动机尺寸较大，不便在运输机尾安装，一般是在铲板上部安装两台电动机作为装载、输送机构的共同动力，这样势必使减速箱尺寸增大,在铲板下布置较紧张。
此外，考虑星轮及链板卡链过载工况，为保护电动机不至烧毁,一般需要在减速器内设安全摩擦片离合器。
装载、运输机构若采用齿轮油马达传动，由于尺寸小，重量轻，可使二者分别传
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