纵轴式掘进机总体方案设计及其液压系统设计.doc

1、目录前言11 总体结构方案设计31.1 各部结构方案设计31.1.1 悬臂工作机构方案设计31.1.2 装载机构方案设计71.1.3 转运机构方案设计91.1.4 回转机构和机架方案设计121.1.5 行走机构方案设计141.1.6 除尘冷却系统方案设计151.1.7 液压油箱的方案设计161.2 传动系统的确定171.2.1 悬臂工作机构传动系统181.2.2 装载、转运机构传动系统181.2.3 履带行走机构传动系统181.2.4 整体传动系统191.3 掘进机总体参数确定201.3.1 悬臂工作机构技术参数201.3.2 装载机构技术参数211.3.3 转运机构技术参数211.3.4 行

2、走机构技术参数211.3.5 喷雾系统的参数221.3.6 整机技术性能参数221.4 总体布置221.5 总体参数验算231.5.1 机器可掘进断面241.5.2 掘进机的通过性261.5.3 掘进机稳定性分析与计算271.5.4 生产率312 液压系统设计362.1 掘进机液压系统的设计依据362.2 工况分析和载荷计算公式362.3 工况分析、工作负载计算372.4 拟定液压系统382.4.1 系统压力选择382.4.2 拟定主回路382.4.3 各机构液压回路设计412.4.4 液压系统辅助元件422.5 液压系统图432.6 各液压系统回路执行元件设计452.6.1 悬臂回转液压油缸

3、的设计计算452.6.2 升降液压油缸的设计计算502.6.3 伸缩液压油缸的设计计算522.7 伸缩液压油缸的结构设计552.7.1 液压油缸壁厚和外径的计算552.7.2 液压油缸进出油口尺寸的确定562.7.3 液压油缸工作行程的确定572.7.4 缸盖厚度的确定572.7.5 最小导向长度的确定572.7.6 缸体长度的确定582.7.7 液压油缸强度计算592.8 液压系统参数计算622.8.1 各回路液压泵的设计计算622.8.2 泵站电动机的确定672.8.3 油箱容积确定682.8.4 液压系统性能验算682.8.5 液压油缸工作速度核算692.9 液压系统各元件汇总693 结

4、语71致谢72参考文献73附录A译文74附录B外文文献78前言掘进机械是矿山建设和生产中主要的机械设备之一，有着至关重要的地位。在蒸汽机出现后，1849年生产出世界上第一台以蒸汽为动力的凿岩机，其工作粗笨，效率低。随后把压缩空气引入了凿岩机，设计了配气系统。从上世纪三十年代苏联在煤巷掘进中使用尚不完善的掘进机，几十年以来，许多新技术被应用到掘进机上，完善了掘进机的诸多功能，例如激光导向、自动确定切割路径等。根据断面形状，可分为全断面掘进机和部分断面掘进机两大类。全断面掘进机可将所需断面一次性截割出来，并且大部分的断面为圆形断面。而后者一次性不能不能截割出整个断面，需要多次来回摆动。本设计通过给

5、定的工况参数以及工作条件，参照行业标准等规范，确定掘进机总体方案型式及液压系统参数。通过分别比较各工作机构结构形式、优缺点、适应工作条件，确定各机构的结构方案。确定整体及各部分的驱动和传动形式。通过工况分析和载荷计算，确定掘进机的液压系统。掘进机由悬臂工作机构、装载机构、转运机构、行走机构、喷雾冷却系统等部分组成。 纵轴式掘进机在工作时是电动机经减速器带动截割头旋转切入煤岩壁下角，达到截深后，再按一定方式沿底板摆动截割头，开出一个自由面后将悬臂向上上升一定高度，横向截割，这样来回往复，直至掘出所要求直至掘出所要求的巷道断面。被截割头切落下来的煤岩由装运机构收集、转运至后面的配套运输设备。在切割

6、作业的同时，开动喷雾除尘系统，以消除截割煤岩时所产生的粉尘。电气系统中的电动机为机器的动力源，与液压系统中的执行元件配合，使机器实现预定功能。电气与液压控制和保护装置用来控制机器的各个动作，自动调整机器的动作状态，并起过载保护等作用。设计要求如下：81可截割硬度：80 MPa; 适用巷道断面：23 m2，高2.44.5 m， 宽3.05.5 m；截割头伸缩量：500 mm；接地比压：250 mm；卧底深度：250 mm；龙门高度：400 mm；爬坡能力： 16；最小转弯半径：7 m；离地最小间隙：150 mm；行走速度：05 m/min 可调；理论截割生产率：80 m3/h； 理论装载能力：2

7、00 m3/h。；理论转运能力：250 m3/h；降尘形式：内、外喷雾。1 总体结构方案设计1.1 各部结构方案设计1.1.1 悬臂工作机构方案设计悬臂工作机构为掘进机的工作部分，有电动机、减速器、伸缩机构、截割头等结构。 （1）悬臂工作机构形式按照截割头工作时破碎煤岩的方式不同，悬臂工作机构有横、纵轴式两种。纵轴式掘进机截割头轴线与悬臂轴线重合，而横轴式掘进机截割头的轴线则与悬臂垂直。纵轴式的掘进机工作时截割头截齿齿尖按照摆线的轨迹运动，推进一次可达截深，效率高，但在截割振动大，稳定性差，在煤巷中使用较为经济，能切割出平整的巷道。而横轴式掘进机工作时切割头截齿按空间螺旋线式运动，一次进尺截割

8、受限制，耐冲击，适合截割半煤岩巷和岩巷，工作振动较小，比纵轴式稳定，但工作循环时间长，巷道不平整。考虑设计要求，选用纵轴式掘进机，其悬臂工作机构结构如图1-1所示。 图1-1 悬臂机构Fig.1-1 The cantilever mechanism1截割头；2托梁机构；3伸缩机构；4截割减速器；5伸缩油缸；6销控；7截割电动机；8盖板 （2）伸缩机构伸缩机构有内伸缩式和外伸缩式两种形式。内伸缩结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活方便，因此设计采用内伸缩式。伸缩机构位于截割头和截割减速箱中间，通过伸缩油缸使截割头具有一定的伸缩行程。伸缩机构如图1-2所示。图1-2伸缩机构Fig.1-2 Telescopi

9、c institutions1截割头主轴；2伸缩保护筒；3伸缩外筒；4伸缩内筒；5花键套伸缩机构的内筒和伸缩保护筒与截割头连在一起，但不转动。伸缩内筒和伸缩保护筒之间有伸缩外筒，与减速器紧固联接在一起。伸缩保护筒通过销轴、油缸与截割电动机相联。当伸缩液压油缸的活塞杆伸出时，推动截割头伸出，从而使截割头钻入工作面内。 （3）截割头截割头的功能是将煤岩进行破碎和分离，以获得所需矿物材料。总结截割过程的研究实验，影响截割头设计的主要因素有如下几点： a）煤岩特性参数，包括硬度、抗拉和抗压强度、磨蚀性等。 b）截割头结构参数，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。c）工

10、艺特性参数，主要指切削深度、切削厚度、摆动速度、截割头角速度。 以上诸多因素相互制约、关联和影响，在设计中要相互匹配、综合考虑和统一。 1）头体结构纵轴式掘进机的截割头头体的形状较多，有圆柱、圆锥和圆锥加圆柱等几种形式，形式见下图1-3所示。 a b c 图1-3截割头形状Fig1-3 Cutting head shape柱形截割头（如图1-3a）摆动截割时，截齿的轴线与煤壁平行，截齿受力平均，截割头轴向所受载荷比较小，缺点是会截出锯齿形的不平整巷道顶板和底板，如图1-4 a，这样，增加了工作面巷道支护工作的难度，也不易实现巷道的平整度，掘进机截割后还需要人工进行辅助将顶板和底板修整，不但增加

11、了辅助工序的时间，还增加了工人的劳动强度。 图1-4 截割头形状与顶板形状关系Fig.1-4 The relationship between cutting head shape and roof shape对于锥形加柱形的截割头（如图1-3 b），截齿的轴线垂直于头体的母线，锥端上的截齿是向工作面煤壁方向倾斜的，这样有利于截割头钻进工作面。而柱段上截齿的垂线垂直于钻进方向，横向摆动截割时受力较好，但容易造成断齿、齿座脱落等现象1。这种截割头的形状复杂并且制造难度高，截齿的排列也比较困难。对于锥形截割头（如图1-3 c），它能很好地适应钻孔轮廓的要求，使钻进工作相对容易进行，还能够保证截割出

12、来的巷道表面的平整（如图1-4 b）。可以通过合理地安排截齿排列方式，改善受力。且锥形截割头结构简单、生产制造相对容易，优先选用锥形的截割头。 2）截齿形状截齿类型的选择，除要考虑到煤岩的坚固性、截割阻抗、脆性程度等因素外，还要综合考虑含夹矸的软硬程度及其他多种因素的影响。煤质相对较坚硬、裂隙不发达的煤巷来说，优先选用刀型齿。但由于径向安装，承受的弯矩也较大，容易造成截齿断裂。煤质比较坚硬且脆、夹矸较硬的煤层来说，应选用镐形截齿。这种镐形截齿的强度大且耐磨性高，截割阻力的方向几乎与截齿的轴线方向重合，弯矩也比较小；固定方法比较简单。改善截齿设计可延长寿命，降低了更换维修成本。因此，镐形截齿在掘

13、进机截割头上使用的较多。 3）截齿的数量和排列方式确定了截割头的结构形状、截齿形状之后，要考虑截齿的数量和排列。截割头上截齿的布置方式影响到破碎效果、单个截齿的受力状况以及整体的功率消耗情况和稳定性。布置截齿的总体要求是：单位能耗低、截齿损耗小、块率高、可吸入性粉尘小、瓦斯泄出量和摩擦发火的概率小。排列截齿的方式一般有顺序式和交叉式（又叫棋盘式）两种，排列形式如图1-5所示。 a b图1-5 截齿排列形式Fig.1-5 Arrangement of the cutting teeth顺序式排列（图1-5 a）的截齿是一个接着一个的挨着进行排列的，切削断面形状不对称，受力不均匀，存在侧向载荷 2

14、。交叉排列(图1-5 b)截齿是按照间隔的顺序截割煤壁的，截割槽几乎对称，可保证截齿受力平衡；有效降低截割比能耗，多使用这种排列方式。截齿数量的多少与截割能力和平稳运转都有很大的关系。在截割头功率不变的条件下，截齿数量越多，每个截齿平均的截割能力就越小3，造成截割粉尘的增加。因此，截齿数量不宜过多。但是如果截齿的数量过少，会增大截割阻力和载荷的波动，影响悬臂工作机构的稳定性与安全性。综合考虑以上因素的影响，一般纵轴式掘进机的截割头上截齿数量应在2050内选取，本设计取36把。1.1.2 装载机构方案设计装载机构是将破落下来的煤岩进行收集、耙装至中间转运机构上。有链轮链条式、蟹爪式、星轮式等多种形式，安装于机器的前段。单链轮链条式装载机构是利用一套环形的刮板链将岩石装到转载机上，双环形链轮链条是两排并列反向的刮板链。链轮链条机构简单，但易形成岩石堆积，造成卡、断链等事故。由于易磨损，功率大，效果较差。蟹爪式装载机构为四连杆机构，如下图1-6所示，