在液压系统设计部分.docx
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在液压系统设计部分
在液压系统设计部分
在液压系统设计部分，基本上确定各零部件的液压使用原理及参数计算。
这里分析计算了截
割部、行走机构、装运机构、中间运输机等载荷分析。
马达部分的确定：
装载部的星轮机构
马达、行走机构的驱动马达、中间运输机的驱动马达等。
油缸部分的确定：
升降油缸、回转
油缸、伸缩油缸、履带行走机构的张紧油缸、铲板部的升举油缸的计算设计。
液压缸的结构设计部分，进行了伸缩油缸的机构设计计算，并绘制零件图。
也进行了泵站的
参数计算确定和液压系统的计算，评估液压系统性能。
最后进行掘进机的经过性分析与稳定性分析。
关键词：
纵轴式掘进机；总体方案设计；液压系统设计
中图分类号：
TH
1引言
1.1当前国内外掘进机研究水平的状况
近年来，随着中国煤炭行业的快速发展，与之唇齿相依的煤机行业也日益受到重视。
在
煤炭行业纲领性文件《关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》中，在全国煤炭工业科学技
术大会上以及国家发改委出台的煤炭行业结构调整政策中，都涉及到发展大型煤炭井下综合
采煤设备等内容。
掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，国家的方针是：
采掘并重，掘进先行。
煤矿巷
道的快速掘进是煤矿保证矿井高产稳产的关键技术措施。
采掘技术及其装备水平直接关系到
煤矿生产的能力和安全。
高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，
也是巷道掘进技术的发展方向。
随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至
千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为了煤矿高效
集约化生产的共性及关键性技术。
中国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也
称为煤巷综合机械化掘进，在中国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘
进机。
中国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于20世纪60年代，以30～50kW的小功率掘进
机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。
80年代初期，中国淮南煤机厂（现重组为
凯盛重工）引进了奥地利奥钢联公司AM50型掘进机、佳木斯煤机厂（现隶属于国际煤机）
引进了日本三井三池制作所S-100型掘进机，经过对国外先进技术的引进、消化、吸收，推
动了中国综掘机械化的发展。
但当时引进的掘进机技术属于70年代的水平，设备功率小、
机重轻、破岩能力低及可靠性差，仅适合在条件较好的煤巷中使用，加之国产机制造缺陷，
在使用中暴露了很多问题。
国内进一步加强对引进机型的消化吸收工作，积极研制开发了适
合中国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。
经过近30年的消化吸收和自主研发，
-2-
当前，中国已形成年产1000余台的掘进机加工制造能力，研制生产了20多种型号的掘进机，
其截割功率从30kW到200kW，初步形成系列化产品，特别是近年来，中国相继开发了以
EBJ-120TP型掘进机为代表的替代机型，在整体技术性能方面达到了国际先进水平。
基本能
够满足国内半煤岩掘进机市场的需求，半煤岩掘进机以中型和重型机为主，能截割岩石硬度
为f＝6～8，截割功率在120kW以上，机重在35t以上。
煤矿现用主流半煤岩巷悬臂式掘进
机以煤科总院太原研究院院生产的EBJ-120TP型、EBZ160TY型及佳木斯煤机厂生产的
S150J型三种机型为主，占半煤岩掘进机使用量的80％以上。
然而，国内当前岩巷施工仍以钻爆法为主，重型悬臂式掘进机用于大断面岩巷的掘进在
中国处于试验阶段，但国内煤炭生产逐步朝向高产、高效、安全方向发展，煤矿技术设备正
在向重型化、大型化、强力化、大功率和机电一体化发展，新集能源股份公司、新汶矿业集
团、淮南矿业集团及平顶山煤业集团公司等企业先后引进了德国WAV300、奥地利AHM105、
英国MK3型重型悬臂式掘进机。
全岩巷重型悬臂式掘进机代表了岩巷掘进技术今后的发展
方向。
虽然三一重装去年推出了国内第一台EBZ200H型硬岩掘进机，但国产重型掘进机与国
外先进设备的差距除总体性能参数偏低外，在基础研究方面也比较薄弱，适合中国煤矿地质
条件的截割、装运及行走部载荷谱没有建立，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等
方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统等核心技术方面有较
大差距。
1.2本设计的主要研究内容
本论文的研究内容有：
根据给定的设计要求和目的，按照中国煤炭行业标准和行业设计
规范，进行纵轴式掘进机的总体方案设计与液压系统设计。
主要有以下几个方面：
a.按行业标准MT138—1995《悬臂式掘进机的型式与参数》，MT238.3—《悬臂
式掘进机|第3部分|通用技术条件》，结合工作要求和设计目的，确定掘进机的总体型式和
总体参数；
b.分析整个工作部件的工作原理，给出机械传动系统图和绘制整体配置图；
c.为实现工作要求，进行了整体液压系统原理设计，形成本掘进机的液压系统原理图；
d.对截割部、行走机构、装载机构、中间运输机构进行载荷分析，确定各部分的载荷，
为进行液压系统各执行元件的设计提供依据。
这里经过计算确定了8个马达和11个油缸的
主要参数；
e.重点选取伸缩油缸进行详细的结构设计，确定缸筒壁厚度，缸体外径，进出口布置，
工作行程，平底缸盖厚度，活塞宽度，最小导向长度，缸体长度等，并进行了强度，刚度和
稳定性校核；
f.进行液压系统参数计算，由各回路的流量、工作压力，完成液压系统参数计算，确定
泵站的主要技术参数，确定6个小系统所需要的6个泵及其各自的功率，并综合确定泵站电
机的功率参数。
同时，由6个小系统的总体最大流量，确定油箱容积。
进行液压系统的性能
验算，确定整个系统的效率、产生的热量和温升，以评估系统的优越。
并做了液压缸的工作
速度验算，保证系统工作的顺利进行。
g.按照规范进行了掘进机的经过性与稳定性分析。
-3-
2掘进机总体设计与液压系统设计的理论基础与设计规范
2.1掘进机型式的基本参数要求
根据MT238.3—《悬臂式掘进机|第3部分|通用技术条件》，确定掘进机型式的基
本参数。
表2-1掘进机型式的基本参数[1]
Tab.2-1Tableofthebasicparametersofroadheadermodels
机型
技术参数单位
特轻轻中重超重
切割煤岩最大
单向抗拉强度MPa≤40≤50≤60≤80≤100
煤,m3/min0.60.8———
生产能力煤夹
矸,m3/min
0.350.40.50.60.6
切割机构功率kW≤55≤7590～132>150>200
适应工作最大
坡度（绝对值）
不小于
（·）±16±16±16±16±16
可掘巷道断面㎡5～126～167～208～2810～32
机重（不包括转
载机）
T≤20≤25≤50≤80>80
2.2掘进机的截割头载荷计算公式
截齿截割岩石的阻力产生了截割力,其值与被切削的岩石有关,也与截齿的形状和切深
有关。
这些参数大多经过假岩壁截割试验取得,所需截割力的近似计算按式（2-1）求得
K
Ph
c
cz
ccos（/2）
0.0162
2
β
σ
=π[2]（2-1）
式中：
cP—平均截割力,kN;
ch—切屑厚度（截齿截割煤岩体的深度）,mm;
zσ—岩石的抗拉强度,MPa;
cβ—截齿的刀具角,°;
K—岩石的脆性系数,DzK=σ/σ,其中Dσ为岩石的抗压强度。
在K取值
为10左右时，本公式准确性比较高。
2.3纵轴式掘进机的截割头每个截齿的最大切割厚度计算公式
对于纵轴式掘进机截割头,每个截齿的最大切削厚度可由式（2-2）计算求得:
hVnmcb0=/[2]（2-2）
式中：
bV—截割头牵引速度（或摆动速度）,mm/min；
0n—截割头的转速,r/min；
m—在一条截线上的截齿数。
-4-
2.4工况分析及载荷计算公式
对于液压缸，外负载为：
cfiF=F+F+F[3]（2-3）
式中：
F—工作负载；
fF—摩擦负载；
iF—惯性负载。
对于液压马达，外负载为：
nfiM=M+M+M[3]（2-4）
式中：
M—工作负载扭矩；
fM—摩擦阻力矩；
iM—惯性力矩。
3纵轴式掘进机总体设计
悬臂式掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三大系统组
成，并经过主体部将各执行机构有机的组合于一体。
总体方案设计主要是进行掘进机的选型
和总体参数的确定。
根据任务书的要求，按行业标准MT138—1995《悬臂式掘进机的型式
与参数》，MT238.3—《悬臂式掘进机|第3部分|通用技术条件》选定机型类别为重型
掘进机。
按照行业的设计规范和使用的情况，确定各部件的驱动方式和连接结构。
这里除了
截割头使用电机驱动外，其余的都采用液压驱动。
本掘进机的总体设计，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，并绘制传动系统图和总体配置图。
切割头采用圆锥形式，按行业标准MT477-1996《YBU系列掘进机用隔爆型三相异步电
动机》选取截割电机，减速机采用二级行星减速器。
内伸缩式结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活
方便，因此采用内伸缩式截割头。
耙装部机构采用弧形三齿星轮式，有左右两个，对称布置。
输送机构，采用刮板链式输送机，由机尾向机头方向倾斜向上布置。
转载机采用胶带输送机
的形式。
行走机构采用履带式，驱动方式由液压马达驱动，可在底板不平或者松软的条件下
工作。
采用喷雾式除尘，综合使用内喷雾形式和外喷雾形式。
掘进机的总体参数，是指主要性能参数，它表示了掘进机特性的指标。
掘进机的总体参
数有：
机重、外形尺寸、可掘断面、生产率、截深、摆动速度、切割力等。
确定的主要参数如表3-1：
-5-
表3-1主要技术参数
Tab.3-1maintechnicalparameters
总体参数
总体长度总体宽度总体高度总重卧底深度
8.7m2.8m1.8m45t200mm
爬坡能力截割硬度
±16°≤60Mpa
截割范围
高度宽度面积
4.5m5.6m22.6㎡
截割部
截割头形状截割头转速截割头伸缩量隔爆型三相电动机喷雾
圆锥台形46r/min550mm
YBUD2-132-4隔
爆，水冷方式，1台
内、外喷雾方式
水平回转角上摆角下摆角
33°32°28°
铲板部
装载形式装载宽度星轮转速装载能力铲板卧底
三齿星轮式2.8m28r/min230m3/h300mm
铲板抬起
340mm
刮板输送机
运输形式溜槽宽度链速龙门高度张紧形式
双边链刮板式540mm0.90m/s360mm油缸张紧
行走部
形式履带宽度制动方式接地比压行走速度
履带式450mm摩擦离合器制动0.14MPa0-5/10m/min
接地长度张紧形式
3.3m油缸张紧
-6-
在本总体方案设计的最后，给出了本掘进机的传动系统图和总体配置图。
确定的掘进机的传动系统图如图3-1：
789101112
191718
123456
13
16
14
15
图3-1掘进机的传动系统
Fig.3-1Thedrivesystemofroadheader
1—内齿轮2—中心轮3—二级中心轮4—行星轮5—电动机6、7—圆锥齿轮8—链轮
9—链轮轴10—内齿轮11—二级行星减速机12—齿轮13—油马达14—齿轮15—齿圈16—
油马达17、18—涡轮蜗杆19—星轮
4掘进机液压系统设计
液压系统设计在明确基本要求的基础上，进行工况分析，工作负载计算，拟订液压系统
图。
在进行各回路的设计之后，确定总体工作原理图，再进行各回路的执行元件的设计计算。
这里进行了截割部、行走机构、装载部、中间运输机构的载荷分析，详细确定了各部分的工
作情况，载荷大小，公式和分析方法来源于中国煤炭行业标准和中国煤炭科学研究院的研究
成果。
由此确定了各部件的驱动方式和驱动元件的参数，包括8个马达的技术参数和11个
油缸的主要尺寸确定。
重点选取伸缩油缸进行详细的结构设计，确定缸筒壁厚度，缸体外径，进出口布置，工
作行程，平底缸盖厚度，活塞宽度，最小导向长度，缸体长度等，并进行了强度，刚度和稳
定性校核。
完成液压系统参数计算，确定泵站的主要技术参数，经过计算确定6个小系统所需要的
6个泵及其各自的功率，并综合确定泵站电机的功率参数。
同时，由6个小系统的总体最大
流量，确定油箱容积。
进行液压系统的性能验算，确定整个系统的效率、产生的热量和温升，以评估系统的优
越。
并做了液压缸的工作速度验算，保证系统工作的顺利进行。
本设计确定的主要液压系统参数如表4-1。
-7-
表4-1主要液压系统参数
Tab.4-1mainhydraulicsystemparameters
泵站
三联泵1三联泵2系统额定压力油箱容量
电机额定功
率
电机工作转
速
CBZ2063/63/32CBZ2063/50/3216MPa640L110kW1450r/min
电机额定电压
AC1140V
装载回路
马达型号泵型号系统工作压力泵提供流量泵工作功率
马达额定工
作转速
2个NHM1200CBZ206316MPa77.6L/min24.4kW28r/min
中间运输回路
马达型号泵型号系统工作压力泵提供流量泵工作功率
马达额定工
作转速
NHM400CBZ206316MPa77.6L/min24.4kW87.2r/min
行走回路（左、右）
马达型号泵型号系统工作压力泵提供流量泵工作功率
马达额定工
作转速
NHM175ACBZ203216MPa45.5L/min17.8kW280r/min
转载机与水泵回路
装载机马达水泵系统工作压力串联回路流量泵工作功率
马达额定工
作转速
BM-E630CBZ205016MPa77.64L/min24.4kW87.2r/min
泵—缸回路
泵型号系统工作压力泵提供流量泵工作功率
CBZ205016MPa61.63L/min19.3kW
本设计确定的油缸的参数如表4-2。
表4-2油缸的主要参数
Tab.4-2mainparametersoffueltank
伸缩油缸1个
油缸驱动力杆径内径无杆腔有效面积有杆腔有效面积工作最大流量
29.7kN80mm125mm123cm272.5cm225.3L/min
升降油缸2个
油缸驱动力杆径内径无杆腔有效面积有杆腔有效面积工作最大流量
410.4kN110mm180mm254cm2159cm213.3L/min
回转油缸2个
油缸驱动力杆径内径无杆腔有效面积有杆腔有效面积工作最大流量
440.9kN110mm180mm254cm2159cm28.3L/min
履带行走机构张紧油缸2个
油缸驱动力杆径内径无杆腔有效面积有杆腔有效面积
106.7kN63mm100mm78.5cm247.4cm2
铲板油缸2个
油缸驱动力杆径内径无杆腔有效面积有杆腔有效面积工作最大流量
89kN63mm100mm78.5cm247.4cm215.5L/min
-8-
伸缩油缸结构设计得出的主要参数如表4-3。
表4-3伸缩油缸的重要参数
Tab.4-3mainparametersofextendablefueltank
缸筒壁厚度缸体外径进出口布置行程平底缸盖厚度最小导向长度缸体长度
13.5mm152㎜
螺纹连接
M33×2
550mm12㎜230mm720㎜
液压系统的性能参数如表4-4。
表4-4液压系统的主要性能参数
Tab.4-4themainperformanceparametersofhydraulicsystem
系统效率系统热量系统温升
0.21868.3×103W14.15oC
5本掘进机液经过性与稳定性分析
稳定性是指掘进机在规定方向行走和工作时不发生翻倒或侧滑的能力。
它不但关系到行
走和工作的安全、机器的生产率，而且还直接影响截齿、机械联接与传动元件、以及电气元
件和液压元件的寿命，是评价悬臂式掘进机使用性能的一项重要指标，只有具有良好的稳定
性，才能保证机器性能的充分发挥。
本设计按照规范进行了掘进机的经过性与稳定性分析。
这是评估掘进机的综合性能的重要指标，是最终确定本掘进机的是否能够出产的重要依据。
经过性参数如表5-1。
表5-1经过性参数
Tab.5-1theparametersofthroughperformance
离地最小间隙接地比压适应巷道坡度
253mm0.14Mpa±16°
稳定性参数有：
（一）静态稳定性计算结果如表5-2。
表5-2静态稳定性参数
Tab.5-2staticstabilityparameters
极限倾翻角
上山（坡）极限倾翻角下山（坡）极限倾翻角横向极限倾翻角
下滑临界坡度角
40°31°36°45°
（二）动态稳定性计算结果如表5-3。
表5-3动态稳定性参数
Tab.5-3dynamicstabilityparameters
不同截割情况的稳定比
纵向截割（上下截割）
当截割头向上截割时当截割头向下截割时
横向截割（左右截割）轴向钻进
K=3.8K=1.8K=2.3K=3.4
-9-
6结语
本设计主要是根据掘进机的设计要求和用途，进行本掘进机总体方案设计和液压系统设
计，确定掘进机型号为EBZ132，能够满足中低硬岩、煤层的经济截割，切割能力较强，应
用范围也很广泛，不只在井下采掘作业，也能够在工程建筑里面的航道掘进。
EBZ132整机
结构紧凑，布局合理，机重与截割功率匹配，接地比压小，地隙大，适应性强。
正方形的周长=边长×4
长方形的面积=长×宽
正方形的面积=边长×边长
三角形的面积=底×高÷2
平行四边形的面积=底×高
梯形的面积=（上底+下底）×高÷2
直径=半径×2半径=直径÷2
圆的周长=圆周率×直径=
圆周率×半径×2
圆的面积=圆周率×半径×半径
长方体的表面积=
（长×宽+长×高＋宽×高）×2
长方体的体积=长×宽×高
正方体的表面积=棱长×棱长×6
正方体的体积=棱长×棱长×棱长
圆柱的侧面积=底面圆的周长×高
圆柱的表面积=上下底面面积+侧面积
圆柱的体积=底面积×高
圆锥的体积=底面积×高÷3
长方体（正方体、圆柱体）
的体积=底面积×高
平面图形
名称符号周长C和面积S
正方形a—边长C＝4a
S＝a2
长方形a和b－边长C＝2（a+b）
S＝ab
三角形a,b,c－三边长
h－a边上的高
s－周长的一半
A,B,C－内角
其中s＝（a+b+c）/2S＝ah/2
＝ab/2·sinC
＝[s（s-a）（s-b）（s-c）]1/2
＝a2sinBsinC/（2sinA）
四边形d,D－对角线长
α－对角线夹角S＝dD/2·sinα
平行四边形a,b－边长
h－a边的高
α－两边夹角S＝ah
＝absinα
菱形a－边长
α－夹角
D－长对角线长
d－短对角线长S＝Dd/2
＝a2sinα
梯形a和b－上、下底长
h－高
m－中位线长S＝（a+b）h/2
＝mh
圆r－半径
d－直径C＝πd＝2πr
S＝πr2
＝πd2/4
扇形r—扇形半径
a—圆心角度数
C＝2r＋2πr×（a/360）
S＝πr2×（a/360）
弓形l－弧长
b－弦长
h－矢高
r－半径
α－圆心角的度数S＝r2/2·（πα/180-sinα）
＝r2arccos[（r-h）/r]-（r-h）（2rh-h2）1/2
＝παr2/360-b/2·[r2-（b/2）2]1/2
＝r（l-b）/2+bh/2
≈2bh/3
圆环R－外圆半径
r－内圆半径
D－外圆直径
d－内圆直径S＝π（R2-r2）
＝π（D2-d2）/4
椭圆D－长轴
d－短轴S＝πDd/4
立方图形
名称符号面积S和体积V
正方体a－边长S＝6a2
V＝a3
长方体a－长
b－宽
c－高S＝2（ab+ac+bc）
V＝abc
棱柱S－底面积
h－高V＝Sh
棱锥S－底面积
h－高V＝Sh/3
棱台S1和S2－上、下底面积
h－高V＝h[S1+S2+（S1S1）1/2]/3
拟柱体S1－上底面积
S2－下底面积
S0－中截面积
h－高V＝h（S1+S2+4S0）/6
圆柱r－底半径
h－高
C—底面周长
S底—底面积
S侧—侧面积
S表—表面积C＝2πr
S底＝πr2
S侧＝Ch
S表＝Ch+2S底
V＝S底h
＝πr2h
空心圆柱R－外圆半径
r－内圆半径
h－高V＝πh（R2-r2）
直圆锥r－底半径
h－高V＝πr2h/3
圆台r－上底半径
R－下底半径
h－高V＝πh（R2＋Rr＋r2）/3
球r－半径
d－直径V＝4/3πr3＝πd2/6
球缺h－球缺高
r－球半径
a－球缺底半径V＝πh（3a2+h2）/6
＝πh2（3r-h）/3
a2＝h（2r-h）
球台r1和r2－球台上、下底半径
h－高V＝πh[3（r12＋r22）+h2]/6
圆环体R－环体半径
D－环体直径
r－环体截面半径
d－环体截面直径V＝2π2Rr2
＝π2Dd2/4
桶状体D－桶腹直径
d－桶底直径
h－桶高V＝πh（2D2＋d2）/12
（母线是圆弧形,圆心是桶的中心）
V＝πh（2D2＋Dd＋3d2/4）/15
（母线是抛物
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