横轴式掘进机总体方案设计与行走系统设计.docx
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横轴式掘进机总体方案设计与行走系统设计
摘要
随着现代化建设脚步的加快，矿山机械也在不断的发展，但由于能源和建设等施工要求的增大，掘进机的性能还不能够完全适应，所以迫切要求设计出新型掘进机以适应工况要求。
横轴式掘进机的总体方案设计对于整机的性能起着决定性的作用。
因此,根据掘进机的用途、作业情况及制造条件,合理选择机型,并正确确定各部结构型式,对于实现整机的各项技术指标、保证机器的工作性能具有重要意义。
本设计是对横轴式掘进机总体方案设计与行走系统设计。
通过应用掘进机设计的一系列知识，对掘进机的悬臂支撑机构；装运机构；行走机构；转载机；冷却喷雾系统；液压系统；电气系统加以分析，并且进一步对行走系统做了优化设计。
最后使设计的系统达到本设计的目的，使该掘进机在满足原有要求的情况下实现体积小、成本低、效率高、结构简单、使用维护方便的要求。
关键词：
横轴式掘进机；总体方案设计；行走系统设计
ABSTRACT
Withtheacceleratedpaceofmodernizationconstruction,miningmachineryarealsoconstantlydevelopment,butduetoenergyandbuildingconstructionrequirementsoftheincrease,boringmachineisnotabletocompletelymeettheperformance,thereisanurgentrequesttodesignanewboringmachinetoadapttoconditionsRequirements.
Theboringmachinedesignoftheoverallplanfortheperformanceoftheplayadecisiverole.Therefore,inaccordancewiththepurposesboringmachine,operatingandmanufacturingconditions,areasonablechoiceofmodelsanddeterminetherightstructureofministries,fortheachievementofthevarioustechnicalindicatorstoensurethatthemachinesworkperformanceisofgreatsignificance.
Thedesignissoboringmachinetodesignspecificanalysis,andforsomeboringmachinerunningthedesigncalculations.Throughtheapplicationofaseriesofboringmachinedesignknowledge,theboringmachinecantileversupportinstitutions;shipment;walk;reproduced;coolingspraysystem;hydraulicsystem;electricalsystemanalysis,theoperatingsystemandfurtheroptimizethedesigndone.Sothatthefinaldesignofthesystemdesignedtoachievethispurpose,sothattheboringmachinetomeettherequirementsoftheoriginalundersmallsize,lowcost,highefficiency,simplestructureandfacilitatetheuseofsafeguardrequirements.
Keywords:
Axial-boringmachine；OverallDesign；Operatingsystemdesign.
前言1
致谢33
参考文献34
前言
掘进机在矿山井下设备中属于大型机械设备。
由于它是集矿岩的破碎、装载和转运于一身，因此它的结构复杂，对设计和制造的要求也是多方面的。
掘进机在巷道掘进中的使用，把工人从繁重的体力劳动中解放出来。
世界上最出使用掘进机的国家是原苏联。
在三十年代，苏联就已经在煤矿井下煤巷掘进中使用上不完善的掘进机。
经过三十年代和四十年代的不断发展与完善过程，在五十年代苏联便首先制造和使用了具有现代掘进机特点的IIK-3型掘进机。
此后，在六十年代，欧洲的几个国家在IIK型掘进机的基础上又开发了几十种新型掘进机。
近二十年来，许多新技术被用于掘进机上，如：
激光导向、自动确定切割路径等。
随着掘进机日臻完善，其适用范围也必须将逐渐扩大。
我国对掘进机的研制是在六十年代开始的。
由于当时掘进机的性能尚不稳定，也未得到普遍推广使用。
在“六五”期间，我国先后从奥地利、原西德、匈牙利、日本和原苏联等国家引进了多种型号的掘进机174台。
我们对这些引进的掘进机进行了消化吸收，对其中的AM-50和S-100两种型号的掘进机又进行了国产化，分别在淮南煤矿机械厂和佳木斯煤矿机械厂生产。
在此期间，我国也研制出了EL-90型和ELMB型，其性能和效率也都有明显长进。
据1990年统计，我国配套煤矿巷道掘进机工程量为8000KM左右，其中煤巷和半煤岩巷约为6800KM，岩巷为1200KM。
在煤矿中综掘水平一般为20%～30%,最多为60%～70%。
掘进机在煤巷和半煤巷平均月掘进速度为300m。
全断面掘进机在全岩巷道掘进机掘进中平均月均进速度为156m。
在“七五”期间，许多煤矿综采机械化水平已经到到90%，有的已实现全部机械化采煤。
与此相比，掘进机明显落后。
随着我国经济建设发展步伐的加快，对能源需求量增加，必然要求加大开采强度。
则巷道掘进速度必然大幅度提高，才能满足煤炭生产的需要。
到上世纪末我国煤矿巷道年掘金长度将达到14亿吨，而现在要求更远远超过超过上世纪末。
要完成这样艰巨的巷道掘进任务，必须尽快研制出高生产率和高可靠性的掘进机械。
从我国采掘机械的发展过程看，掘进机械落后于采煤机械。
因此，加快掘进机的研制速度，已成为保证煤炭生产发展的关键。
1横轴式掘进机的总体方案设计及选型
机体主要包括截割机构；悬臂支撑机构；装运机构；行走机构；转载机；冷却喷雾系统；液压系统；电气系统。
1.1机械传动系统
如图1-1，为所设计掘进机的机械传动系统。
从图中可知，切割电动机通过联轴节，太阳轮，行星轮，内齿轮，太阳轮、驱动切割头进行切割。
耙爪由油马达经齿轮驱动。
油马达的动力同时经齿轮和中间轴传递动另一侧减速器，驱动另一侧的耙爪。
左右两个减速器的传动比相同，所以两个耙爪能保持同步。
行走机构传动系统左右对称布置，分别由油马达通过齿轮，联轴节，太阳轮，行星轮，内齿轮驱动链轮，通过履带和从动链轮驱动掘进机行走。
中间输送机由油马达通过联轴节，齿轮驱动主动链轮，是刮板链在主动链轮和从动链轮之间沿中部槽运转。
1-切割头；2-连接轴；3-太阳轮；4-内齿轮；5-电动机；
6从动轮；7-圆环链；8-主动链轮；9-油马达；10-齿轮；
11-耙爪；12-链轮；13-行星轮；14-中间轴；15-履带
图1-1掘进机机械传动系统
Fig1-1boringmachineTransmissionSystem
1.2截割机构
它是由外水冷电动机，二级行星减速器，内伸缩悬臂筒和截割头组成。
减速器两端法兰分别与电动机和内伸缩悬臂筒连接。
而截割头通过矩形花键与主轴相连。
另外，在内伸缩悬臂筒上还装有伸缩油缸和外喷雾装置。
1.2.1横轴式与纵轴式截割头的对比
掘进机直接用来破碎煤岩的部件，其形状，尺寸和其上截齿的排列方式对掘进机的工作性能有很大影响。
截割头主要有截割头体，螺旋叶片和截齿座等组成。
在齿座里面有截齿，叶片（或头体）上焊有安装内喷雾喷嘴用的喷嘴座。
a.纵轴式截割头
该截割头体为组焊式结构，在头体上焊有截齿座和喷嘴座。
头体上设有内喷雾水道，截割头通过键与主轴相连。
截割头的形状轮廓有球形，球柱形，球锥形和球锥柱形四种。
见图2-2，其中以球锥形截割头的截齿受力比较合理，在此掘进机的截割头外形轮廓选择为球锥形。
图1-2截割头的形状轮廓
Fig1-2cuttingheadofthecontourshape
置方式对截齿，截割头乃至整机受力有较大影响。
纵轴式截割头的截齿均按螺旋线方式分布在头体上，螺旋线头数一般为2-3条。
截距对截割效果有较大影响。
较大的截距可增加单齿截割力，但截齿的磨损也随之增加，两者应该兼顾。
在选择截距时还应考虑上截割头上不同部位的截齿所受的负荷不同而产生的区别，应力求各截齿的符合均匀，以减小冲击载荷和使截齿的磨损速度接近。
b.横轴式截割头
这种截割头的头体多为厚钢板的组焊结构或螺钉连接结构，由左右对称的两个半体组成。
在头体上焊有齿座和喷嘴座，在头体上还开有内喷雾水道，装有配水装置。
截割头体是通过涨套式联轴器同减速器的输出舟相连，可起过载保护作用。
截割头的形状较为复杂，其外形的包络面一般是由几段不同曲面组合而成。
使用较多的组合型式有：
圆曲线—抛物线—圆曲线（抛物线），圆曲线—椭圆曲线—圆曲线等集中。
工作时，依据不同的工作条件选择截割头包络曲线的组合方式，力争达到最佳最佳截割效果。
横轴式截割头的截齿数量较多，且按空间螺旋线方式分布在截割头上。
螺旋线的旋向为左截割头右旋，右截割头左旋，这样，可将截落的煤岩抛向两个截割头的中间，改善截齿的受力情况，提高装载效果。
c.截齿及齿座
掘进机所采用的截齿有扁形和镐形两种，经长期的实践证明，在截割硬岩时，镐形截齿的寿命比扁形截齿长，且由于镐形齿在使用中有自转磨锐性，耐冲击，所以近十年来，纵轴式截割头也较多采用了镐形截齿。
截齿座用以安装截齿，安装镐形齿的齿座应由两种材料用特殊工艺制成，其内层材料的耐磨性要高于外层，以减少因截齿在截割过程中自动旋转而产生的耐磨量，增加齿座的使用寿命。
也可采用在齿座内嵌套磨损后可及时更换的耐磨合金套。
最后得出设计的截割头的技术特征
型式纵：
轴式
外形尺寸（直径×长度）：
φ970~φ600×700mm
扭矩：
4748.9N·m
切割头速度：
2.21/1.12m/s
截齿齿型：
镐形
齿型数量：
42个
截齿固定方式：
弹簧挡圈
圆锥形切割头上装有42把镐形截齿，每条截齿线上有两个截齿，内喷雾喷嘴对准截齿的硬质合金头。
1.2.2截割减速器
截割减速器的作用是将电动机的运动和动力传递到截割头。
由于截割头工作时承受较大的冲击载荷，因此要求减速器有教高的可靠性和较强的过载能力，其箱体做为悬臂的一部分，应有较大的刚性，连接螺栓应有可靠的放松装置，减速器最好能实现变速，以适应煤岩硬度的变化，增强机器的适应能力，常用的传动形式有：
圆锥—圆柱齿轮传动，圆柱齿轮传动和二级行星齿轮传动。
其传动原理如图1-3所示。
图1-3二级行星轮传动原理
Fig1-3twoplanetarygeartransmissiontheory
二级行星减速器可实现同轴传动，速比大，结构紧凑，传动功率大，多用于纵轴式截割头；
圆锥—圆柱齿轮传动的结构简单，能承受较大的载荷冲击，易实现机械过载保护，多用于横轴式截割头；
圆柱齿轮传动可实现截割头的二级转速，但减速箱的结构复杂，体积和重量较大，不提倡使用。
1.2.3电动机
为实现较强的连续过载能力，适应复杂多变的截割载荷，并利用喷雾水加强冷却效果，目前，悬臂式掘进机多采用防爆水冷式电动机来驱动截割头。
为满足悬臂长度的需要和减小电动机的径向尺寸，可采用串联双转子电动机；为满足截割不同硬度的煤岩的需要，避免在减速箱中变速，可采用双速电动机。
经过计算和比较，选择DEB—30S型隔爆外水冷电动机。
电动机的机座为钢板焊接机构，外壳设有回形水套，进出水口分别位于电动机的下部和上部。
接线盒在电动机的有上方45度位置。
根据供电电压380V和660V将定子接线连接成三角形和Y形。
电动机轴承采用二硫化钼润滑脂。
电动机的主要技术要求如下：
功率：
30KW起动转矩/额定转矩：
2.5N·m
电压：
380/660V最大转矩/额定转矩：
2.5N·m
电流：
59/34A起动电流/额定电流：
7A
频率：
50Hz冷却水量：
0.3-0.4
/h
转速：
1470r/min冷却水压：
>1.5Mpa
效率：
0.9定子绕组允许温升：
85°
功率因数：
0.86
1.2.4悬臂伸缩装置
煤巷掘进机的悬臂有不可伸缩和伸缩式两种。
不可伸缩式悬臂的结构简单，尺寸小，重量轻，但掏槽时是借助行走机构的推力使截割头钻入煤壁，因而履带需要频繁开动，且当钻入煤壁的阻力较大时，履带容易打滑，推进力也较大。
伸缩式悬臂有内伸缩和外伸缩两种
外伸缩悬臂的结构。
它主要由导轨架，工作臂和推进油缸组成。
推进油缸的前端和工作臂相连，后端和导轨架相连。
在其作用下，工作臂和相对导轨架做伸缩运动。
此种悬臂的结构尺寸和移动重量较大，推进阻力大，不利于机器的工作稳定性；但其结构简单，伸缩部件加工容易，精度要求较低。
内伸缩悬臂的结构如图1-4。
它主要由花键套，内，外，外伸缩套，保护套，主轴等组成。
截割减速器的轴出轴上联结有内花键套，主轴的右端开有外花键，并插入花键套内。
主轴的左端通过花键和定位螺钉与截割头相联，使减速器的输出轴可驱动截割头旋转。
保护套和内伸缩套同截割头相联，但不随截割头转动。
外伸缩套则和减速器箱体固联。
推进油缸的前端和保护套相联，后端和电动机壳体相联，在其作用下，保护套带动截割头，主轴和内伸缩套相对于外伸缩套前后移动，实现悬臂的伸缩。
这种悬臂的结构尺寸小，移动部件的重量轻，移动阻力较小，利于机器的稳定，但需有较长的花键轴，加工较难，结构也较复杂。
伸缩悬臂的伸缩行程应与截割深度（最大掏槽深度）相适应，一般为500-600mm；推进油缸的推进力应能克服伸缩部件的移动阻力和沿悬臂轴线方向的截割反力。
图1-4内伸缩悬臂的结构
Fig1-4stretchingthestructurecantilevered
1.2.5截割头的设计参数：
影响切割头设计的主要因素有：
煤岩的特性参数：
包括硬度，抗拉和抗压强度，腐蚀性等。
切割头截割参数：
包括尺寸，几何形状，截齿数目，截齿布置，截齿空间安装位置，截线间距。
工艺特性参数：
主要指切割深度，切削厚度，摆动速度，截割头摆动角速度。
以上诸多因素相互制约，关联和影响，在设计中摇相互匹配，综合统一考虑。
现在国内已经对截割头有了很深入的研究，出现了很多不同类型的掘进机截割头。
基于以上因素可以选择已有的成形的用于实践中的截割头。
同时根据方案设计要求，选用已有的掘进机S100-41型悬臂式掘进机的截割头；适用于f=8~10左右的半煤岩巷道和薄煤层巷道。
各参数如下：
功率：
45Kw；
截割头转速：
27r/min；
最大钻进力：
112.5KN；
截割头最大侧推力：
37.7KN；
截割头升力：
34.9KN；
截割头降力：
36.3KN；
相应在满足条件的情况下，使用S100-41型悬臂式掘进机的截割悬臂。
1.3悬臂支撑机构
悬臂支撑机构的作用是支撑悬臂，并使其实现升降和回转运动。
它主要由升降和回转油缸及回转台组成。
悬臂铰接于回转台的回转体上，升降油缸的一端和悬臂铰接，另一端和回转体铰接。
在升降油缸的作用下，悬臂可在垂直方向上下摆动，回转体则可带动悬臂作水平方向的摆动。
回转体是悬臂支撑机构中的重要部件，位于机器的中央。
它主要由回转体，回转支承，回转座和回转油缸组成。
回转体和悬臂铰接，回转座固联于机架上，在回转体和回转座中间装有回转支承。
工作时，截割反力通过回转台传到机架上。
回转台也是一个将悬臂工作机构和其他机构（装运，行走等机构）相连的连接部件，其机构是否合理，对机器的性能，可靠性，整机结构和高度尺寸有重大影响。
对回转台的基本要求是：
1）承载能力大，耐冲击振动。
2）惯性小，运动平稳，噪音低。
3）结构紧凑，高度尺寸小。
4）回转力矩变化小
回转台的传动方式有齿条油缸式和油缸拉推式。
齿条油缸式的传动原理见图1-5（a）,它是利用齿条油缸推动装在回转体上的齿轮带动回转体转动的，其回转力矩和倒角无关。
油缸推拉式的结构和传动原理见图1-5（b），其对称布置的两个回转油缸的后端和机架相连，前端和回转体相连。
工作时一腿一拉带动回转体转动,其回转力矩和转角有关：
当悬臂位于机器的纵向轴线位置时回转力矩最大，向两边回转时逐渐减小。
此钟结构的回转台的高度尺寸较小，有利于矮机身设计。
齿条油缸式回转台的结构比较复杂，回转体的重量大，高度尺寸大，不利于矮机身设计。
但回转力矩稳定，承载能力较强。
a齿条油缸式b油缸推拉式
图1-5齿条油缸式和油缸拉推式传动原理
Fig1-5rackofthefueltankandfueltankspush-pulldriveprinciple
由于悬臂连同回转体是由回转支承（轴承）支承在装于机器上的回转座上的，回转支承在工作是承受着由截割头传来的。
复杂多变的轴向，径向载荷和倾覆力矩，所以要求回转支承具有较强的承载能力和较强的使用寿命。
目前采用的支承形式有以下两种：
1）平面滑动回转支承。
利用面接触来减小比压，支承的轴向尺寸
小，重量轻，承载能力强，耐冲击振动，噪音低，寿命长。
但支承是非标准件，需进行专门的设计和制造，加工和安装精度要求高。
2）大型滚动回转轴承。
有滚珠式，滚柱式，交叉滚子式和三排滚子式等多种。
此钟支承采用点线接触，比压较大，承载能力和耐冲击及振动能力也较差。
但其作为一种标准件，可由专业厂家生产，制造精度易保证，也较易安装。
1.4装运机构
掘进机的钱不下端有着一个重要部件，它负责把截割头破碎下来的煤或碎石等由此装载并通过刮板运出，这就是装载机构。
装运机构主要有耙装部，减速器和中间输送机组成。
1.4.1耙装部
耙装部主要由耙爪，铲板，升降油缸，减速器组成。
目前，悬臂式掘进机所采用的耙装部的型式有：
蟹爪式，刮板式和圆盘星轮式三种。
见图1-6。
a.蟹爪式装载机构
能调整耙爪的运动轨迹，可将煤岩准确运至中间刮板运输机，生产率高，结构简单，工作可靠，应用较多。
b.刮板式装载机构
可形成封闭运动，装载宽度大，但结构复杂，装载效果差，应用较少。
c.圆盘星轮式装载机构
工作平稳，动载荷小，装载效果好，使用寿命长，多用于中型和重型机。
图1-6悬臂式掘进机耙装部的型式
Fig1-6cantileveredboringmachinerakewiththeDepartmentoftype
鉴于工况条件，和实际使用的情况，选用蟹爪式耙装部，本文设计的机构采用MHR-S100-41型掘进机的装运机构，主要是由耙装机构、减速器和中间输送机组成的。
耙装机构主要由耙抓3、铲板2、升降油缸和减速器组成如图所示。
1-减速器2-铲板3-耙爪4-升降油缸
图1-7耙装机构
Fig1-7withbodyplans
1.4.2减速器
如图1-8所示为耙装部减速器。
减速器技术特征
输出转速（r/min）42.8-51.7机械保护装置无
输出扭矩（N.m）4030减速器一次注油量18
总传动比49.5
由图1-8中可知，减速器输入端圆锥齿轮1与大圆锥齿轮2啮合，同时2与圆锥齿轮3啮合，3出端与中间轴4的球面万向联轴节5联接，4另一端的球面万向联轴节6与另一侧减速器的输入轴齿轮（与1相同）相联，两个减速器的减速比相同，两个耙爪的耙集次数相同。
1-减速器输入端圆锥齿轮；2-大圆锥齿轮；3-圆锥齿轮；4-中间轴；5，6-球面万向联轴节
图1-8耙装部减速器
Fig1-8rakewiththeDepartmentofreducer
1.4.3中间输送机构
运输长度（m）
4.5
刮板间距（mm）
440
龙门高（mm）
350
刮板长度（mm）
468
中间槽尺寸（宽×高）（mm）
500×400
链轮速度（r/min）
61
链条形式
圆环链
链轮齿形
圆弧形
圆环链规格（mm）
￠16×P55×7L
链轮分度圆节距（mm）
55
圆环链破断力（KN）
120
主要由油马达，减速器，链轮，刮板链和张紧装置组成。
中间输送机的驱动机构位于卸载端，由单独的液压马达驱动。
1.4.4参数选择
装载机构的设计要与整机相匹配。
设计要求为：
保证悬臂掘进机的最大生产率，装载机的生产率应大于切割机的生产率。
这是所确定装载机构参数的先决条件。
为了便于整机的行走移动，装载机宽度大于行走履带宽度，铲板可升降，有的铲板还可以水平回转摆动一各角度。
现代悬臂式掘进机转载铲板的前沿呈切刀形状，目的所减少铲板插入阻力。
装载机一般采用曲柄摇杆机构，目的所减少空回行程时间。
各杆的尺寸确定，摇做到尽量增大装载面积，提供转载效果，减少蟹抓插入阻力，使四杆机构具有最佳的运动特性和动力特性。
基于以上原因，可以选择S100-41掘进机的扒装部，输送机最大过煤岩能力与掘进机截割头相配套，可以满足工作需要。
参数如下：
转载形式：
耙爪式
转载宽度：
2800mm
耙装次数：
0.65次/min
输送机形式：
双边刮板式
链速：
0.65m/min
链条规格：
φ16×P55×7L（mm）
1.5行走机构
1.5.1整体设计分析
现代悬臂式掘进机均采用履带式行走机构。
用来实现机器的调动，牵引转载机，并在悬臂不可伸缩式机型中提供掏槽时所需要的推进力。
此外，机器的重量和掘进作业中产生的截割反力也通过该机构传递到地板上。
履带式行走机构的设计要求：
1）具有良好的爬坡性能和灵活的转向性能。
2）履带应具有较小的接近角和离去角，以减小运行阻力。
3）应合理确定机器的重心位置，以避免履带出现零比压。
4）履带有可靠的制动装置，以保证机器在最大坡度上工作不会下滑。
5）履带的接地比压小，因而驱动功率大，以各种适应恶劣的地板工况。
6）履带车的尺寸高度要小，以利于降低机器的高度和重心。
7）两条履带应分别驱动，其动力可选用液压马达和电动机。
由于液压马达对井下泥水等恶劣工况有良好的适应性，便于调节行走速度，易于实现过载保护，无须防爆，因而获得了较广泛的应用。
液压马达驱动有高速和低速两种方案，高速方案是用高速马达（轴向柱塞马达）通过减速器驱动链轮，其马达和制动装置体积较小，便于结构布置，但传达路线长，效率低；低速方案是采用内曲线低速大扭矩马达直接驱动链轮，传动简单，但马达和制动装置体积较大，结构布置困难，稳定性较差。
两者相比，高速方案应用较多。
基本结构由履带，驱动机构，支重轮，张紧缓冲装置及履带架等构成。
履带由履板和销子组成与地面接触的带式部件。
分整式和组合式两种。
整体式履带由整体履板和连接销组成，结构简单，制造方便。
组合式履带
升级会员 