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采煤机设计论文
1绪论
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229826208
1.1课题背景
煤炭是我国的主要能源，煤炭工业为国民经济发展做出了重大贡献。
但是煤炭工业面临着许多困难和问题，主要包括产业结构不合理，生产投入不足，劳动条件差等方面的问题。
它在一定程度上解决了这些方面的问题，采煤机械化是最终发展的必然。
所以如何提高采煤效率以满足我国现代化建设中迅猛发展的经济对能源的需要就成了十分迫切的要求。
按煤层赋存的条件，对煤炭的开采可以分为露天开采和地下开采。
采煤方法不同，所使用的采煤机械也不同。
在地下开采中，我国所采用的采煤方法基本上以走向长壁式方法为主。
在走向长壁式采煤方法中，有可以分为前进式、后退式、全部垮落式和填充式等。
目前国内外采用这些采煤方法的国家所用采煤机械，绝大多数是滚筒式采煤机、刨煤机和掘进机，只有少数先进的煤矿采用薄煤层采煤机等设备。
1.2薄煤层采煤机的分类及其特点
由于受到煤层厚度的限制，薄煤层采煤机分为骑溜子式和爬底板式两类。
骑溜子式采煤机的机身骑在刮板输送机上，并靠其支撑和导向。
当电动机功率为100KW时，电动机高度h=350mm，国美空间高度至少为C=140~160mm，输送机中部槽高度为180~190mm，则机面高度至少达到A=600~650mm.考虑到顶梁厚度，顶板下沉厚度以及过机空间高度Y（通常Y=90~200mm），则骑溜子薄煤层采煤机只能适用于0.75~0.95m以上的煤层（小值对单滚筒，大值对双滚筒）。
如果电动机功率加大，则电动机高度相应增大，因而最小采高还要加大。
爬底板式采煤机，机身位于机道内，因而机面高度降低，使过煤空间高度及过机空间高度增大（
240mm），这不仅改善了机器性能，而且可使采煤机在0.6~0.8m的及薄煤层中工作。
采用机身在煤壁侧机道内的爬底板式采煤机的工作面通风断面大，提高了工作的安全性。
因此，爬底板采煤机是当前薄煤层采煤机主要的发展方向。
1.3薄煤层采煤机在我国的应用情况
我国薄煤层采煤机的研究始于60年代。
60年代初,在顿巴斯-1型采煤机基础上,我国开始自行研制生产采煤机。
这类薄煤层滚筒采煤机主要有MLQ系列采煤机,如1964年生产的MLQ-64型,1980年生产的MLQ-80型浅截石单滚筒采煤机,另外还有MLQ3-100型采煤机。
70年代至80年代初期,我国自行研制开发了中小功率薄煤层滚筒采煤机。
比较典型的有山东煤研所和淄博矿务局研制的ZB2-100型单滚筒骑输送机采煤机。
ZB2-100型采煤机装机功率100kW,链牵引,牵引传动方式为液压调速加齿轮减速。
牵引力90kN,牵引速度0～214m/min,采高0175～113m、煤质硬度为中硬以下的缓倾斜薄煤层。
80年代,我们在引进了德国、英国等采煤机生产技术的基础上,自主开发和制造适应我国不同的煤层条件的滚筒式采煤机系列产品,并在90年代中期初步完成了主导机型,由液压牵引采煤机向电牵引采煤机升级换型工作。
1980年,黑龙江煤矿机械研究所和鸡西煤矿机械厂共同开发出BM系列骑输送机滚筒采煤机,其中BM-100型双滚筒采煤机,性能良好,能自开缺口、强度高、工作可靠,在我国薄煤层采煤中广泛应用。
但是用双滚筒采薄煤层,结构较复杂,机身又长,所以使用不便,于是又生产出更加简化的BMD-100型单滚筒薄煤层采煤机。
进入90年代以来,为了满足厚薄煤层薄煤层作为解放层开采矿井的迫切需要,并代中厚煤层滚筒采煤机技术,1997年,由务局、煤科总院上海分院联合研制了MG200/450-BWD型薄煤层采煤机,该采用多电机驱动、交流变频调速、无链牵引总装机功率达450kW,其中截割功率2×牵引功率2×25kW,牵引力400kN,牵引速6m/min。
采用骑输送机布置方式,可用于110～117m的薄煤层综合机械化工作面。
样机于1997年12月在晋华宫煤矿9#层83面投入使用,取得了最高月产量916万吨、产量5300吨的好成绩。
国内几种类型薄煤层采煤情况比较见表。
表1-1我国几种类型薄煤层采煤机基本情况比较
型号采高范围/M牵引力/KN牵引方式生产年代
BM-1000.75-1.3120（液压）锚链牵引70
5MG200-B0.8-1.5160（液压）锚链牵引70
MG344-PWD1.0-1.8180（液压）锚链牵引70
MG250-BW0.9-1.6350/262（交流）齿轮—销轨式无链牵引80
MG200/450-BWD0.85-1.5440（液压）无链牵引80-90
MG250/550-BWD1.0-1.7440（交流）无链牵引90
我国薄煤层采煤机经过40多年的发展,技术已趋成熟。
但一个突出的问题是:
目前我国薄煤层采煤机为方便设计,在行走机构上均采用中厚煤层采煤机所用的相关参数,例如销排节距,一般大都采用126mm。
这样做虽能保证其正常运行,但其强度余量过大。
近几年来,我国薄煤层采煤机得到了很大的发展,但在质量和寿命和高新技术应用等方面与国内大型采煤机,特别是与国外采煤机相比,还存在较大的差距。
因此我们还需要进一步的改进和更新。
1.4薄煤层采煤机设计的目的及意义
在产品的总体方案设计阶段，首先要明确产品必须实现哪些功能，还要明确用户使用产品的各种条件和用户对产品的要求和愿望。
然后根据国家的技术经济政策，基于设计能力和产品制造技术水平，从宏观方面考虑所要求的功能。
并能实现用户要求的各种结构方案，最后经过技术经济评价，确定一种或两种结构方案继续进行结构设计。
因此，通过总体结构的方案设计，不至于使产品结构方案出现大的失误，也不至于从开始设计时就纠缠与具体的结构细节而忽略拉总体结构的合理性，甚至照成设计的返工而浪费时间。
在此基础上再对薄煤层采煤机的截割部进行细致设计使其有更高的生产效率.
对滚筒式采煤机的使用经验表明只有按照“量体裁衣”的原则来设计采煤机，这样的采煤机才能在煤炭开采中满足要求。
到本世纪末，我国原煤的产量必须超过十四亿吨。
才能满足我国工农业生产发展的需要。
为此必须加大煤炭生产机械化力度，大幅度提高煤炭
生产率。
这就要求我们不断开采出技术先进，高效率并且可靠的新型采煤机，不仅满足过内生产之需，而且力争打入国际市场。
虽然薄煤层采煤机的型号、规格有许多,但它的各主要组成部分大同小异，其区别主要在截割机构的传动和截割部上,因此合理选择薄煤层采煤机的截割部的参数，可以改善其工作性能和减少采煤比能耗。
选择这个题目就是要进一步熟悉薄煤层采煤机各部分的工作原理，对其进行更好的改进，并对它的截割部减速器进行细致分析设计，使其耐用并且省时省力容易装修，使其在工作中能够有更好的经济效益。
2薄煤层采煤机的总体结构方案的设计
2.1实现采煤机基本功能的结构方案设计
用于走向长臂采煤法的采煤机应该具有的如下三种基本功能；
（1）把煤从煤煤壁上破碎下来的功能；
（2）把破碎先来的煤装在工作面输送机上的功能；
（3）采煤机能沿着工作面自移的功能；
2.1.1实现破碎煤壁功能结构方案
（1）铣削式结构方案
在鼓形滚筒的表面或在旋转滚筒的叶片上安装截齿，滚筒随采煤机前移并自转，截齿便用铣削的方式把煤从煤壁上截割下来，这就是铣削式结构。
具体分为侧铣和端铣两种，侧铣方式中螺旋滚筒结构应用最普遍，其主要优点是它不仅能实现截落煤的功能还能实现装煤的功能；水平旋转轴调整滚筒高度方便，对不同的煤层厚度的适应性好；具有自开缺口的功能等。
端铣式结构是在齿冠外侧安装大截齿当齿冠自转并随采煤机移动时，截齿实现破煤功能。
这种结构的特点是截齿安装的比较少，煤的块度大，机器能耗小；实现简单，制造容易；负荷变化大，机器动特性较差。
图2-1水平轴螺旋滚筒结构图2-2垂直轴滚筒结构
图2-3端铣式结构方案
（2）钻削式结构方案
钻削式结构在唤醒悬臂的前端安装截齿，这种悬臂的内表面上也安装有截齿。
这种结构被称为钻削头，悬臂则被成为钻削臂。
当钻削头自转并沿其轴线方向推进时，首先在煤层中由钻削头截割出现截槽，而此环形槽所围成的柱状煤体则被钻削头内的截齿所破碎。
这种结构的优点是结构简单，制造方便；集落煤和装煤功能于一体；煤的坡度大，机器能耗低。
其缺点是这种结构应布置于采煤机的端面，机身必沿其钻削出的空间前进，因此，机身长；这种结构不能自开缺口；为使地板平整还必须配有截割盘，沿顶板和地板截割煤层，因此使整个机器复杂化；此外这种结构对煤层厚度的适应性小。
（3）滚压式结构方案
滚压式破煤结构是在螺旋筒的旋叶上和滚筒端面安装滚演盘刀当,当滚筒前移并自转时，盘刀压向煤壁，其刃部的挤压和剪切作用达到破没的目的。
这种结构的优点在于，彩霞煤的块度大，煤尘明显低；机器能耗小；盘刀寿命长。
缺点在于机构复杂，成本高。
采煤机的落煤功能是采煤机的第一功功能，因此，现在把既有落煤功能的结构称为采煤机的工作机构。
在采煤机的设计中，工作机构设计的合适与否，对采煤机的工作占有举足轻重的地位。
2.1.2实现装煤功能的设计方案
把煤从煤壁上破碎下来以后，还要装在工作面输送机里运到工作面之外。
实现扎中装煤功能的机构与落煤结构的种类有关。
经过淘汰和筛选，只有两种类型的装煤结构被广泛应用。
一种是与落煤结构相结合，不仅具有落煤功能而且兼有装煤的功能。
比如，螺旋滚筒式工作机构，采煤下来的碎煤被螺旋叶片自煤壁向采空区方向输送，并装到工作面输送机里。
另一种是专门用于装煤的机构，如装煤犁，这是一种斜面结构,和犁地的犁一般，被单独的牵引机构牵引，在工作面往返运行，把碎落在底板上的煤装入输送机里。
这种结构往往与没有装煤功能的工作机构配合。
2.1.2实现采煤机自动移动功能的结构方案
采煤机沿工作面移动被称为牵引，能使采煤机实现自移的结构有称作牵引机构。
现在广泛应用的牵引机构可以分为两大类；既链牵引机构和无链牵引。
（1）链牵引机构
链牵引机构是由圆环链、链轮、和紧链装置组成。
牵引链的两端固定在紧链装置上，并与采煤机的链轮啮合。
当链轮装动时，由于链轮与圆环链的啮合作用，采煤机便沿牵引链移动。
图2-4链牵引机构
（2）无链牵引机构
随着采煤机功率的不断加大，采煤机的总装机容量已超过1000KW。
牵引链中的拉力也已增至400-800KN。
因此牵引链机构已限制了采煤机功率的提高。
无链牵引机构就随之产生和发展起来了。
无链牵引机构种类繁多，大体上可归纳为三类；主动轮—齿条、闭合链—齿条和迈步油缸推进三类。
其中主动轮—齿条无链牵引系统应用最广。
2.2薄煤层采煤机的主要技术参数的确定
（1）截深
截深是指薄煤层采煤机工作机构完全按截入煤壁的深度，即采煤机沿工作面走向一次推进的距离。
对于中厚和厚煤层，考虑到工作面输送机的最大输送能力以及充分利用顶板压力对煤壁的予破坏效应，截深绝定为0.6m。
对于薄煤层，为保证工作面单产和生产率，适当加大截深，取截深0.75-1.0m.通过设计分析，截深取为0.8m。
（2）采高
才高是指最大可能开采的高度，是由采煤机的机械结构决定的。
对于单一煤层的开采，才高要与煤层厚度相当。
当厚煤层分层开采时，按最大分层厚度约为最大才高的90-95%，最下煤层厚度约为最小采高的110-120%来确定采煤机的采高。
薄煤层的厚度是在0.8-1.3mm，此次设计的最大采高为1.2m.最小采高取为0.65m。
这样可以满足要求。
（3）牵引速度
采煤机牵引速度由煤层厚度、截深、煤层物理机械性质以及用户对采煤机生产率的要求确定的。
牵引速度即采煤机沿工作面移动的速度。
由于煤层的机械力学性质复杂多变，需要随时调节牵引速度，使采煤机能在正常负载下工作。
当用户生产率已定，则当采高和截深加大牵引速度就减小；当采高和截深小，势必加大牵引速度。
当煤层中含矸量较大或煤层硬度较高，才么及的牵引速度也必须减低。
我国采煤机的牵引速度在2.5-5m/min的范围，国外的可达15m/min.由于生产率按照正常的计算取15t/min故由
Q
=60HJV
式中H—薄煤层采煤机采高，m;
J—薄煤层采煤机截深，m;
V
—薄煤层采煤机可能达到的平均牵引速度，m/min;
—煤的密度，一般为1.3~1.35t/m
Q
—薄煤层采煤机理论生产率，t/h.
采高H,薄煤层的厚度在0.6-1.2米。
截深J也已设计给出为0.8m。
煤的密度由煤岩性质取1.35t/m
。
则
V
=
（2-1）
这样取牵引速度0~9.1m/min便可满足设计要求。
（4）牵引力
采煤机的牵引力是采煤机克服牵引阻力的能力。
采煤机的牵引阻力取决于煤层的物理机械性质、工作面倾角、采煤机自重以及导向装置摩擦阻力等。
在初定牵引力时，可按p=（1-1.3）N
p—采煤机牵引力，KN。
N—采煤机总装机功率，KW。
表2-1采煤机装机功率
采煤机装机功率（KW）采煤机牵引力（KN）
50100
100100-120
150160-180
200200-220
300250-300
表2-2采煤机装机功率
煤层阻抗AKN/m
煤层厚度m
0.5-0.70.7-1.21.2-2.22.0-3.5
采煤机装机率kw
<120
120-240
>240
100120200250
12535-150150-250250-350
150150-200300-350--
设计生产率T/min
3-44-66-1010-15
（5）截割速度
截割速度是截煤滚筒截齿圆围切向速度，此速度与滚筒直径、滚筒转速以及采煤机牵引速度有关。
实践证明，截齿的截割速度与截齿的磨损速度相关。
为减缓截齿磨损取低截割速度。
当采高大，牵引速度大，为不发生滚筒装煤堵塞和对煤的二次破损，滚筒速度应加大则截割速度也相应加大。
目前，截割速度一般为3.5-5.0m/s，对小直径滚筒而言截割速度甚至为1.85-2.7m/s。
（6）装机功率
采煤机装机功率，是指采煤机总装机功率。
可按下表估算。
（7）采煤机设计生产率
采煤机理论设计生产率按下式计算：
Q
=60HJV
（2-2）
式中H—薄煤层采煤机采高，m;
J—薄煤层采煤机截深，m;
V
—薄煤层采煤机可能达到的平均牵引速度，m/min;
—煤的密度，一般为1.3~1.35t/m
Q
—薄煤层采煤机理论生产率，t/h.
考虑到对采煤机检查、维护等技术因素对生产率的影响，应计算出采煤机的技术设计生产率Q；
Q=Q
.KT/h（2-3）
式中K—采煤机技术工作时间利用系数，
K=
（2-4）
—割一刀煤采煤机的纯工作时间，min。
—割一刀煤所需的辅助时间，min.
—割一刀煤消除故障时间，min。
此外，应考劳动组织以及配套设备等对生产率的影响。
因此，采煤机实际生产率Q
；
Q
=Q
（2-5）
式中
—采煤机纯利用系数；
=
（2-6）
—因技术和组织原因引起的停机时间，min.
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