掘锚联合机组整体方案设计Word文档格式.docx

1、选用何 种支护方式首先要考虑岩石应力场。在英国，一般煤矿开采深度在800m左右，除了没有突出现象外，其余的情况与德国煤矿 大致相同。制约欧洲大多数长壁煤矿的主要因素就是顺槽巷道的掘进。几乎所有的欧洲煤矿顺槽都采 用单 巷掘进。因为深度大，应力大，不适宜采用多巷掘进，因此支护便成了制约所有顺 槽掘进设备的瓶颈 （需要的循环时间最长） 。德国煤矿传统型的支护设备是可屈服拱型钢梁，每米重3444kg，加上充填 （在拱型钢梁后面把水泥浆泵进去），常常还带有锚杆，这样的巷道支护成本很高，并且工序复杂，进度慢。由于进度慢，又部分地导致了加长工作面。目前德国拥有西方世界最长的工作面，通常长达350400m，

2、还有几个面超过400m。这样就需要选用大型的工作面设备，因此巷道断面又要进一步加大，掘进速 度更加下降，支护更加困难，造成恶性循环。但是，过去15年所开发的高强度锚杆，经过在欧州的深井煤矿中应用，业已证明是成功的。英国差不多所有的长壁顺槽巷道现都用连采机掘成矩形，采用锚杆支护。在德国也有计划要增大锚杆支护量，尤其是在主运输巷。 高强度锚杆支护与传统的支 护方式相比，它有几大优点： 1）减少长壁工作面端头支护耽搁的时间，工作面回采速度加快； 2）在巷道掘进和长壁工作面回采时，支护更有效； 3）掘进速度加快； 4）支护成本降低，极大地降低支护上所投入的人工； 5）安全状况大有改善； 6）运输和辅助

3、服务更方便； 7）顶板支护强度的设计与巷道服务的年限及用途紧密相连； 8）巷道的使用得到改善（规格及形状）。锚杆支护虽然比传统的顶板支护方式快多了，但是它仍然是最慢的一道工序。在一天24h 内，连采机开机率只有20%30%。为了改进这一局面，需要采用整体改进的方法，达到掘进、顶板支护、煤炭运输、通风、服务及材料供应相配套，使生产设备达到优化。在欧洲，达到这样效果的设备只有掘锚机。它能在独眼巷里快速掘进，支护紧跟迎头。在欧洲的典型采矿条件下，必须紧靠迎头打上高强度锚杆支护。1.1.2 适用于欧洲的掘锚机系统在美国和澳大利亚，连续采煤机主要用于沿煤层快速掘巷，并与重型长壁设备一起使用， 使长壁回采

4、工艺成为高产高效的主要采煤系统。新一代掘锚机已具备的性能，再加上在深井，特别是应力大的煤矿，在巷道支护上采用高强度的支护系统，使这样的系统在欧洲煤 矿使用也大有可能。英国成功地在矩形断面巷道上采用锚杆支护，带来了巷道掘进设备的革命。从80年代中叶 到现在，巷道的掘进由过去使用掘进机全部改为使用连采机，到现在又开始采用掘锚机。 现在全世界已有130多台专门设计的掘锚机（其中包括大修后装上钻机的那些连采机），其中英国有14台在用。最新式设计，如久益公司生产的12BM15型掘锚机系统，可提供能自动伸缩的带式输送机、通风、电气及集尘等设备。所有这一切都是把结实耐用、经过实践检验的设备安装在 掘锚机后面

5、的拖曳平板车上来实现的。该系统总长不超过30m。而欧洲原先使用的标准掘进 机系统，全部铺开，长度超过100m。这种极大简化了的掘锚机系统与以前相比有许多优点，掘锚 机系统的安全性能更好， 劳动力减少，掘进速度更快，锚杆支护标准更高，底板支护效 果更好， 巷道也更为稳定。RJB公司的多米尔矿、里卡矿以及DSK公司的威尔斯矿先后引进了12BM15掘锚机，连带整个后 配套系统，包括电气、运输、通风及灭尘装置。1.2 国内现状我国掘进机的发展起步较晚，尽管我国在1956年引进前苏联K-3型掘进机用于煤巷掘进，60年代中后期也进行了国产掘进机的研制。但技术上落后，性能和可靠性都很差，未能在生产中应用。7

6、0年代我国掘进机的研制和应用才真正起步，比世界各主要国家晚1520年。80年代中期开始，我国先后引进了40余台连续采煤机，主要在条件适合的矿井推广。90年代引进了十余台连续采煤机，在神华、黄陵等矿区使用，其中美国久益公司的12CM18-10D型设备在神东大柳塔矿用于煤巷掘进，创造月进尺2705米的当时世界记录，说明了掘锚联合机组是煤巷快速掘进的理想设备之一，但我国在掘锚联合机组的研究开发方面基本属于空白。1.3 国内外锚杆孔钻进设备现状锚杆支护是有宜于加快井巷掘进速度、提高顶板支护效果、降低支护劳动强度和减少支护材料消耗的先进技术。我国仅国有重点煤矿每年掘进500多万米巷道，1997年末，锚杆

7、支护率全国平均已达31.5%，按规划，到2000年，锚杆支护率平均应达到50%，但已有大同、邢台、平顶山、铁法、西山、龙口等16个矿务局率先使锚杆支护率超过50%。国外先进采煤国锚杆支护率往往超过80%。锚杆孔钻进是锚杆支护施工的重要环节，锚杆支护的发展需要大量锚杆孔钻进设备作保证。锚杆孔钻进设备包括锚杆钻机和配套钻具（钻杆、钻头等）。分析锚杆孔钻进设备现状，展望它的发展前途，有助于不断促进锚杆孔钻进设备的技术进步，使其适应锚杆支护技术的需要。锚杆孔钻进设备以锚杆钻机为主体。锚杆钻机按结构分为单体式、钻车式、机载式；按动力分为电动式、气动式、液压式；按破岩方式分为回转式、冲击式、冲击回转式、回

8、转冲击式。与锚杆钻机配套的钻具，因破岩方式不同而不同，总的来说有回转类破岩钻具、冲击类破岩钻具以及回转冲击类破岩钻具。1.3.1 国外现状国外锚杆孔钻进设备的品种与功能多样，技术性能优越，可靠性高。美国煤矿大量使用塔架钻车式锚杆钻机，班工作效率达120240根，并着手开发计算机控制的全自动锚杆钻机。法国生产的转架式锚杆钻机集钻孔、安装锚杆为一体，并具有储存锚杆杆体的锚杆仓。芬兰生产具有树脂注射系统的钻车式锚杆机，使钻孔、安装锚杆杆体、注入粘结剂全由机械完成，机械化程度颇高。澳大利亚有4家锚杆钻机生产厂家，生产各种不同类型的锚杆钻机，尤以单体气动支腿式锚杆钻机使用居多，并有多家公司生产能与掘进配

9、套的单体支腿式液压锚杆钻机。澳大利亚气动支腿式锚杆钻机主要有柱塞马达与齿轮马达式两种（早期叶片式气动马达已淘汰），采用玻璃钢碳素纤维支腿。澳大利亚液压锚杆钻机可以以矿物油和难燃液为工作液，回转机构由摆线液压马达驱动，有的产品采用玻璃钢碳素纤维支腿使机重减轻。1.3.2 国内现状国内锚杆钻机的研制经历了30多年的历程，曾先后研制机械支腿式电动锚杆钻机、钻车式锚杆钻机、支腿与导轨式液压锚杆钻机、支腿式气动锚杆钻机、非机械传动支腿式电动锚杆钻机、机载式锚杆钻机和双级气腿凿岩机等。从实际情况看，MQT-50C系列支腿式气动锚杆钻机、MZ-型导轨式液压锚杆钻机、ZYX100型（改进成MYT-115型）支

10、腿式液压锚杆钻机以及ZY24M、7665M气动双级气腿凿岩机在国内有一定市场。其中，MQT-50C系列产品近年已能代替同类（气腿齿轮马达式）进口产品。煤矿锚杆钻机多为回转式，为配合推广小直径树脂锚杆，钻头采用2729mm的回转钻头，其结构类型多为两翼对称、两翼不对称和两翼连筋式，可供钻进不同性质岩石时选用。钻杆由B19或B22（少数）六角中空钢加工。经多年联合攻关，锚杆钻头和钻杆已能初步满足一定条件下锚杆支护的需要。但是，由于锚杆孔钻进设备的开发、研究和生产与锚杆支护技术的迅速发展不相适应，煤矿锚杆支护施工中大量使用的还是传统气动凿岩机与煤电钻。专用锚杆孔钻进设备中，使用国外进口设备较多，但因

11、进口设备价格高和备件供应不及时，煤矿用户希望采用国产的锚杆孔钻进设备。近来，石家庄煤矿机械厂生产的MQT-50C系列气动锚杆钻机已能逐步代替国外进口的齿轮马达式锚杆钻机；正定煤矿机械厂的ZYX系列液压锚杆钻机在与S100掘进机配套使用中，取得可喜进展；国产柱塞气动马达式锚杆钻机逐步投入市场；澳大利亚CRAM气动锚杆钻机在中国已建立专业维修公司，并在元件的中国国产化方面取得一些进步。这都有宜于使锚杆钻机进一步满足锚杆支护发展的需要。然而，可靠性高、性能优异的国产化锚杆钻机还为数不多，与锚杆钻机配套的钻具规格不全、质量不稳定和适应岩石条件有限。1.3.3 煤矿锚杆孔钻进设备的前途锚杆孔钻进设备是锚

12、杆支护发展的客观需要，它必然按一定规律向前发展，锚杆钻机及其配套钻具的研究、开发、生产与使用，都必须符合客观规律。分析国内外有关信息，总结经验教训，注意煤矿锚杆孔钻进设备发展的基本趋向，有利于使产品在市场竞争中不断发展。a. 气动、液压单体回转式锚杆钻机是一个时期的主流综观国外锚杆钻机发展历程以及国内多方面实践，针对煤矿经济状况与煤岩、半煤岩巷道的具体特点，单体回转式锚杆钻机是一个时期内产品生产与开发的主流。从目前技术现状看，在具有压缩空气源的条件下，气动回转式锚杆钻机仍为首选产品。但是，如何解决压缩空气工作压力不足的问题会逐渐引起人们的重视。合理选择压缩空气管网系统，正确确定空压机及其动力系

13、统的技术参数，开发新型的提高压缩空气压力的机械设备，将成为进一步发挥气动锚杆钻机作用的关键。气动回转式锚杆钻机中，采用柱塞式马达与齿轮式马达各有优缺点。两种不同类型气动马达锚杆钻机的竞争核心，是如何使钻速高、可靠性好、维修费低。产品进一步研究开发的核心将是采用合理技术参数、高科技、新材料、先进工艺。液压回转式锚杆钻机因其工作压力高、扭矩大、动力系统可不受外界影响，在一些场合下是合理的机型。一个时期内，液压锚杆钻机主要用于与掘进机配套，共用其液压泵站。经过一定时期以后，用户会根据锚杆支护的需要与具体条件，进行综合技术经济分析，在适宜的场所确定采用液压回转式锚杆钻机。由于液压锚杆钻机使用量的增加，

14、矿物油介质的安全性问题会日益突出，开发难燃液锚杆钻机的问题将适时提到日程上来。电动锚杆钻机的动力单一，是人们理想的首选机型。但因目前技术水平所限，其支腿配套方式、扭矩-转速硬特性和电机防水耐潮性能差等，都不利于其更快地向前发展。在一定时期内，电动锚杆钻机产品仍会以“技术攻关”为基本特征。今后回转式锚杆钻机的发展前途，将是如何扩大钻进岩石的范围、提高产品可靠性与减轻机重。b. 研究锚杆钻机扭矩与改革钻头是发展回转式锚杆孔钻进设备的关键回转式锚杆孔钻进方式有其一定的优越性，但若更加广泛地应用，必须首先从提高扭矩入手，配以适合的钻头，适应钻进具有较高磨蚀性的岩石。提高钻头的水平，离不开高新技术，尽量

15、采用新材料和新工艺，特别是经济有效的表面强化技术。国外曾试验研究高压水细射流技术和小孔径金刚石钻进技术，目前尚未正式用于锚杆孔钻进。硬质合金仍是锚杆孔钻进的主要钻具材料。采用高新技术，改进硬质合金片的性能，同时，研究合理的钻头结构参数，仍是小直径回转式岩石钻头的主攻方向。c. 高新技术的发展，有宜于锚杆孔钻进技术的变革几十年来，锚杆孔钻进设备已有了一定的提高，随着知识经济的发展，锚杆钻机及其配套钻具会逐渐有所变革，预计在以下方面会引起产品的重大变化： 1） 结构参数的优化以及高科技新材料的应用，使单体锚杆钻机性能提高、重量减轻。 采用了高新技术的岩石钻头将使回转式钻进方式扩大应用范围。 2）

16、高科技微电子技术在不同动力、不同类型锚杆钻机上的应用，可能会使锚杆钻机发生某 些根本性的变革，例如改变钻机特性、改善操作性能、提高可靠性等。国外已探讨计算机控制的锚杆孔钻进与锚杆安装的综合性自动化设备。凿岩机器人的成功应用必将有力地促进锚杆孔钻进设备的进步。 3） 锚杆孔钻进设备的发展，以锚杆支护技术与凿岩技术的发展为基础，锚杆支护新类型 、新材料的出现会对锚杆钻机的结构参数、技术性能与功能提出新的要求。锚杆孔钻机的开发必须紧随锚杆支护的技术发展。同时，凿岩技术的发展会促进锚杆孔钻进设备的提高。不同凿岩方式的研究以及通用凿岩机具的研究成果，都将会及时地移植到锚杆孔钻进设备的开发上来。 4） 锚

17、杆孔钻进设备是锚杆支护的关键设备，它影响着锚杆支护的质量-锚杆孔的方位、 深度、孔径的准确性以及锚杆安装质量，又涉及操作者的人身安全、劳动强度与作业条件。 锚杆孔钻进设备的核心是高效与安全。发展煤矿锚杆孔钻进设备以高效、安全为核心，就会有强劲的竞争力，这是产品具有发展前途的根本。2 掘进机分析与选择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。2.1 机械传动系统如图2-1，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

18、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。图2-1 掘进机机械传动系统2.2 截割机构 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。2.2.1 截割头掘进机直接用来破碎煤岩的部件，其形状，尺

19、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2-2截割头的形状轮廓放置方式对截齿，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23条。截距对截割效果有较大影响。较大的截

20、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

21、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

22、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）：970600700mm扭矩： 4748.9Nm 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。2.2.2 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

23、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2-3所示。图2-3 二级行星轮传动原理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。2.2.3 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，

24、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DEB30S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： 2.5Nm电 压： 380/660V 最大转矩/额定转矩：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： 147

25、0r/min 冷 却 水 压： 1.5Mpa效 率： 0.9 定子绕组允许温升： 85功率因数： 0.862.2.4 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

26、加工容易，精度要求较低。内伸缩悬臂的结构如图2-4。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

27、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 2-4内伸缩悬臂的结构2.2.5 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

28、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=810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2.3 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