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遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
目錄
前言 1
1 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 5
1.1工作機(jī)構(gòu)型式選擇 5
1.2 裝載機(jī)構(gòu)類型選擇 5
1.3 輸送機(jī)構(gòu)形式選擇 6
1.4 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)形式選擇 6
1.5 行走機(jī)構(gòu) 7
1.6 除塵裝置型式選擇 7
1.6.1 除塵方式： 8
1.6.2除塵系統(tǒng) 9
2 總體布置 10
2.1 總體布置的內(nèi)容 10
2.2 總體布置的原則 10
2.3具體要求 10
3傳動(dòng)型式及動(dòng)力元件的選擇 12
3.1 傳動(dòng)形式及元件選擇應(yīng)遵循的原則： 12
3.2 各機(jī)構(gòu)對傳動(dòng)系統(tǒng)的要求及傳動(dòng)形式的選擇 12
4 總體參數(shù)的確定 14
4.1 機(jī)型大小 14
4.2 機(jī)器外形尺寸 14
4.3 機(jī)器可掘斷面 15
4.3.1伸縮量 15
4.3.2 懸臂長度和擺角 15
5 生產(chǎn)率 18
5.1 截割生產(chǎn)率 18
5.2 裝載生產(chǎn)率 20
5.2.1 裝載機(jī)構(gòu)生產(chǎn)能力確定 20
5.2.2 星輪結(jié)構(gòu)尺寸確定 20
5.2.3 中間輸送機(jī)生產(chǎn)率 21
6 掘進(jìn)機(jī)的通過性 22
6.1 離地最小間隙 22
6.2 可通過巷道最小半徑 22
6.3 適應(yīng)巷道坡度 23
7 縱軸式懸臂掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
7.1 鏟板體結(jié)構(gòu) 24
7.2 驅(qū)動(dòng)裝置 25
7.3 裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
7.3.1裝載機(jī)構(gòu)生產(chǎn)能力確定 25
7.3.2星輪結(jié)構(gòu)尺寸確定 26
7.3.3星輪轉(zhuǎn)速確定 27
7.3.4裝載功率確定 29
結(jié) 語 30
致謝 31
參考文獻(xiàn) 32
附錄A 33
附錄B 37
III
前言
縱軸式懸臂掘進(jìn)機(jī)總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是，根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的用途、作業(yè)情況及制造條件，合理選擇機(jī)型，確定性能參數(shù)、整機(jī)尺寸及各部分的結(jié)構(gòu)型式，并進(jìn)行整體布置，以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)一臺(tái)縱軸式掘進(jìn)機(jī)并重點(diǎn)設(shè)計(jì)其裝載機(jī)構(gòu)。
為了采煤，井下需要開鑿各種巷道。巷道的開鑿稱為掘進(jìn)。掘進(jìn)要超前回采，否則會(huì)造成失調(diào)，嚴(yán)重影響原煤的生產(chǎn)。巷道按地質(zhì)構(gòu)成分巖巷、半煤巖巷和煤巷三種。巷道掘進(jìn)的速度和質(zhì)量以及工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，與掘進(jìn)機(jī)械化程度有很大關(guān)系。而掘進(jìn)機(jī)是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)械化的關(guān)鍵。使用掘進(jìn)機(jī)，就可以取消打眼放炮，一次完成破碎裝載的全部工序。因此，國內(nèi)外都非常重視掘進(jìn)機(jī)的研制和應(yīng)用。
懸臂式巷道掘進(jìn)機(jī)具有掘進(jìn)速度快，巷道成形好，便于與其它設(shè)備配套組成綜掘作業(yè)線以及成本較為合理等優(yōu)點(diǎn)，因而應(yīng)用廣泛。近年來掘進(jìn)機(jī)不僅廣泛用于煤及軟巖巷道的掘進(jìn)，在中等硬度的半煤巖巷道掘進(jìn)中也獲得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。國外的某些重型掘進(jìn)機(jī)已能切割抗壓強(qiáng)度達(dá)170MPa的硬巖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國外各主要產(chǎn)煤國采用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的巷道占采準(zhǔn)巷道的40%以上。而我國綜掘比率為8%左右，與國外先進(jìn)水平相比尚存在很大差距，與我國煤炭生產(chǎn)的需要，特別是現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的需要也是極不相適應(yīng)的，因此，我國掘進(jìn)機(jī)的研制開發(fā)以及推廣應(yīng)用，還需作大量工作。
掘進(jìn)機(jī)經(jīng)歷了切割軟煤、硬煤及半煤巖的過程。近期一些重型掘進(jìn)機(jī)已能切割硬巖。據(jù)報(bào)道，日本成功地使用TM60K型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)全巖巷引水隧道，巖石硬度高達(dá)170~200MPa。目前最大的WAV408型掘進(jìn)機(jī)重達(dá)160t，切割功率可達(dá)408kW，定位切割斷面可達(dá)87.5m2。以先進(jìn)的制造技術(shù)為基礎(chǔ)，從原材料質(zhì)量到零部件的加工精度都能嚴(yán)格控制，又有優(yōu)越的國際協(xié)作條件，選購?fù)赓復(fù)鈪f(xié)件的范圍寬廣，有效地保證了主機(jī)的質(zhì)量水平。此外，近年來廣泛地采用了可靠性技術(shù)，其突出表現(xiàn)為簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)、采用降額設(shè)計(jì)。在齒輪傳動(dòng)、機(jī)械聯(lián)接及液壓傳動(dòng)方面盡量減少串聯(lián)系統(tǒng)，有的地方以嵌裝式結(jié)構(gòu)代替螺栓組結(jié)構(gòu)。既簡化了結(jié)構(gòu)，又大大提高了可靠性。
國外新型掘進(jìn)機(jī)均配備有完善的工況監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，從而可早期發(fā)現(xiàn)故障，快速排出故障，大大減少停機(jī)時(shí)間。有些重型掘進(jìn)機(jī)還可配置自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以使機(jī)器的生產(chǎn)率提高30%左右，還可以保證切割機(jī)構(gòu)的負(fù)載平穩(wěn)，避免由于人工操作不當(dāng)引起的尖峰負(fù)荷，從而延長機(jī)器的使用壽命約20%。
我國于1962年開始掘進(jìn)機(jī)的研制工作，最初是仿蘇聯(lián)產(chǎn)品，機(jī)身輕、功率小、性能差，未廣泛應(yīng)用。八十年代與國外公司合作制造了AM-50及S100型掘進(jìn)機(jī)，這兩種機(jī)型現(xiàn)已成為國內(nèi)市場主導(dǎo)產(chǎn)品。同時(shí)，國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)研制步伐也在加快，先后研制出EL-90、ELMB-55、EBJ-6548等機(jī)型。其中ELMB-55得到較大規(guī)模的應(yīng)用。上述產(chǎn)品主要適用于煤巷掘進(jìn)，對于硬煤及半煤巖巷道適應(yīng)性差，機(jī)器振動(dòng)過大，故障率高。進(jìn)入九十年代后，發(fā)展重點(diǎn)轉(zhuǎn)向半煤巖巷道掘進(jìn)機(jī)。先后研制了EBJ-132、EBH-132、EBJ-160等機(jī)型，機(jī)重為36~50t，切割功率達(dá)160kW。同時(shí)，機(jī)重20t的煤巷掘進(jìn)機(jī)也在改進(jìn)提高，由ELM系列發(fā)展創(chuàng)新的ELMB-75B型掘進(jìn)機(jī)在技術(shù)指標(biāo)與經(jīng)濟(jì)合理性方面結(jié)合得較好，近幾年來銷售勢頭看好。
綜合機(jī)械化采煤比打炮和普采效率大大提高，因而回采速度大大加快。這樣就要求回采準(zhǔn)備巷道的掘進(jìn)速度也必須加快，否則會(huì)影響綜合開采能力的發(fā)揮。煤和半煤巖巷掘進(jìn)機(jī)，正是在綜采普遍推廣，對掘進(jìn)要求越來越高的情況下誕生和發(fā)展起來的。利用煤和半煤巖巷掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，后接皮帶輸送機(jī)或刮板輸送機(jī)運(yùn)輸，稱為綜合掘進(jìn)機(jī)械化，簡稱綜掘。綜掘和綜采配套，可使采煤工藝大大改進(jìn)，使礦井機(jī)械化邁上新臺(tái)階除從國外引進(jìn)一些煤和半煤巖巷道掘進(jìn)機(jī)外，我國70年代已能生產(chǎn)ELMA，EM-30等型號的煤和半煤巖巷掘進(jìn)機(jī)，1986年又研制成功并批量生產(chǎn)ELMB-55型掘進(jìn)機(jī)，性能比ELMA型有很大提高。1988年又在ELMB-55型基礎(chǔ)上又作了部分改進(jìn)，稱為ELMB-75型，1989年初通過鑒定。根據(jù)適用單位反映，ELMB-75型是一種成功的國產(chǎn)煤巷和半煤巖巷掘進(jìn)機(jī)，主要性能指標(biāo)不低于國外同類產(chǎn)品水平。
現(xiàn)在國內(nèi)的掘進(jìn)機(jī)以佳木斯煤機(jī)廠為代表，該廠在EBZ100型掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)上，近幾年連續(xù)開發(fā)出具有國際同類產(chǎn)品先進(jìn)技術(shù)和國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)水平、并具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“大力士”牌多種機(jī)型，其中EBZ55、EBZ100、EBZ135、EBZ150、EBZ200、EBZ230、EBZ300型掘進(jìn)機(jī)已形成了輕、中、重型、硬巖系列化，擁有9種機(jī)型18個(gè)品種。已經(jīng)走入世界先進(jìn)行列。
但是我國的掘進(jìn)機(jī)也存在許多缺點(diǎn)和不足：
1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平偏低
目前國內(nèi)應(yīng)用最多的幾種機(jī)型中AM-50和S100是國外七十年代研制的產(chǎn)品，除切割硬度偏低之外，內(nèi)噴霧系統(tǒng)及防碰撞裝置實(shí)際上不起作用，許多電氣保護(hù)工作不可靠，普遍存在用戶甩保護(hù)現(xiàn)象，電控系統(tǒng)抗振性差。國內(nèi)自行研制的機(jī)型如EL-90、ELM系列等結(jié)構(gòu)比較雜亂，體積龐大，總體設(shè)計(jì)造型很差。新近研制的EBJ-132、EBH-132、EBJ-160等較多地吸收了國外八十年代產(chǎn)品的技術(shù)，總體設(shè)計(jì)水平有很大提高，主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)緊湊、造型簡潔、重心降低，選用外購元件性能及質(zhì)量有較大幅度提高，安全保護(hù)更為完善，代表了我國掘進(jìn)機(jī)最新技術(shù)水平。但與國外新型掘進(jìn)機(jī)相比，仍存在約10年的差距。
2)技術(shù)引進(jìn)缺少創(chuàng)新
我國引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的機(jī)型生產(chǎn)多年改進(jìn)不大，尤其是不能結(jié)合我國制造、使用水平進(jìn)行改進(jìn)，逐漸暴露出許多缺點(diǎn)。
3)制造質(zhì)量較差
國產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)在使用中普遍存在聯(lián)接螺栓易松動(dòng)或斷裂、液壓系統(tǒng)泄漏嚴(yán)重、機(jī)電保護(hù)裝置易失靈以及溜槽、齒座等耐磨性差的現(xiàn)象。特別是引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)，因部分元部件質(zhì)量較差影響整機(jī)性能，有些液壓電氣元件壽命比國外進(jìn)口件差很多，形成強(qiáng)烈對比。
4)配套設(shè)備不足
配套設(shè)備不足主要表現(xiàn)在支護(hù)、轉(zhuǎn)載、輔助材料運(yùn)輸及通風(fēng)除塵等方面。如支護(hù)方面尚無適用的架棚機(jī)，運(yùn)輸方面缺少轉(zhuǎn)載機(jī)，通風(fēng)除塵缺少風(fēng)機(jī)等。
總體設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的重要內(nèi)容和主要環(huán)節(jié)，它是在方案設(shè)計(jì)之后緊接著進(jìn)行的設(shè)計(jì)工作。懸臂縱軸式掘進(jìn)機(jī)（以下簡稱掘進(jìn)機(jī)）的總體設(shè)計(jì)對整機(jī)性能的優(yōu)劣起著決定性的作用，并決定了各總成、系統(tǒng)、各部件之間的協(xié)調(diào)性，統(tǒng)一性和匹配關(guān)系，從而獲得總體的高端性能和較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
掘進(jìn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)，主要包括以下內(nèi)容：
1）據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書選擇機(jī)型及各部件結(jié)構(gòu)型式。
2）定整機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)，包括尺寸參數(shù)、重量參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。
3）按照總體設(shè)計(jì)的性能要求，確定整機(jī)系統(tǒng)的組成及它們之間的匹配性以及各個(gè)部件的主要技術(shù)參數(shù)。
4）進(jìn)行必要的總體計(jì)算，并繪制液壓、電控系統(tǒng)圖等。
掘進(jìn)機(jī)的裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是對掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)的鏟板體、驅(qū)動(dòng)裝置及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的形式及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，通過對星輪裝載機(jī)構(gòu)的力學(xué)分析，介紹了星輪裝載機(jī)構(gòu)的星輪結(jié)構(gòu)、星輪轉(zhuǎn)速及裝載功率的確定方法，為設(shè)計(jì)研究提供理論依據(jù)。
裝載機(jī)構(gòu)是掘進(jìn)機(jī)的主要工作機(jī)構(gòu)之一，其性能直接影響著整機(jī)的生產(chǎn)能力。掘進(jìn)機(jī)裝載部分主要由鏟板體、驅(qū)動(dòng)裝置和升降油缸等組成。裝載機(jī)構(gòu)的作用是將截割機(jī)構(gòu)破落下來的煤巖收集、裝載到中間刮板輸送機(jī)上，然后經(jīng)后部轉(zhuǎn)載設(shè)備卸載。裝載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要與整機(jī)相匹配，設(shè)計(jì)要求為:
①裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率應(yīng)大于截割機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率;
②裝載鏟板的寬度應(yīng)大于行走履帶的寬度，鏟板應(yīng)能升降，且裝載鏟板的前沿應(yīng)呈切刀形狀，以減少鏟板插入阻力;
③執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要做到盡量增大裝載面積，提高載效果，行星式裝載機(jī)構(gòu)，要減少星輪插入阻力，使裝載機(jī)構(gòu)具有最佳的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性。
掘進(jìn)機(jī)是由部件組成的有機(jī)整體其整體性能不僅取決于每個(gè)部件的好壞更主要是取決與各個(gè)部件間的相互協(xié)調(diào)，所以掘進(jìn)機(jī)總體設(shè)計(jì)對整機(jī)的性能起決定作用。
1 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
1.1工作機(jī)構(gòu)型式選擇
部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)有截鏈?zhǔn)?、圓盤銑削式和懸臂截割式。因?yàn)閼冶劢馗钍骄蜻M(jìn)機(jī)具有機(jī)體靈活性，體積較小，可決各種形狀和斷面的巷道，并能實(shí)現(xiàn)煤巖分掘，截割效果較好，掘進(jìn)速度較高的優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前煤和半煤巖巷掘進(jìn)機(jī)的一種基本形式。所以部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)現(xiàn)在主要采用懸臂式。
截割頭按布置方式，可以分為縱軸式和橫軸式兩種。
縱軸式的優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)方便，有利于采用內(nèi)伸縮懸臂，結(jié)構(gòu)布置較緊湊，若接割頭和懸臂的集合參數(shù)合理選取，可獲得較平整的巷道斷面，可截割任意形狀的斷面（梯形、拱形、矩形），可挖柱窩或挖水溝。這種工作的機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：橫向截割煤巖反作用力不通過機(jī)器中心，而與懸臂形成較大的力矩，使機(jī)器產(chǎn)生較大的震動(dòng)，穩(wěn)定性較差，特別是機(jī)重較小的掘進(jìn)機(jī)。因此，在抗壓強(qiáng)度較小的煤巖中掘進(jìn)時(shí)，需加大機(jī)身的重量或裝設(shè)輔助支撐裝置。
目前這種截割頭在部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)中使用較多。
1.2 裝載機(jī)構(gòu)類型選擇
裝載機(jī)構(gòu)的有以下4種形式：
雙環(huán)刮板鏈?zhǔn)?、螺旋式裝載機(jī)構(gòu)、蟹爪式裝載機(jī)構(gòu)和星輪式。
1)單雙環(huán)形刮板鏈?zhǔn)健苇h(huán)形是利用一組環(huán)形刮板鏈直接將煤巖裝到機(jī)體后面的轉(zhuǎn)載機(jī)上。雙環(huán)形是由兩排并列、轉(zhuǎn)向相反的刮板鏈組成。若刮板鏈能左右張開或收攏，就能調(diào)節(jié)裝載寬度，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。環(huán)形刮板鏈?zhǔn)窖b載機(jī)構(gòu)制造筒單，但由于單向裝載，在裝載邊易形成煤巖堆積，從而會(huì)造成卡鏈和斷鏈。同時(shí)，由于刮板鏈易磨損，功率消耗大，使用效果較差。
2)螺旋式。是橫軸式掘進(jìn)機(jī)上使用的一種裝載機(jī)構(gòu)，它利用左右兩個(gè)截割頭上旋向相反的螺旋葉片將煤巖向中間推入輸送機(jī)構(gòu)。由于頭體形狀的缺點(diǎn)，這種機(jī)構(gòu)目前使用很少。
3)耙爪式。是利用一對交替動(dòng)作的耙爪來不斷地耙取物料并裝入轉(zhuǎn)載運(yùn)輸機(jī)構(gòu)。這種方式結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、外形尺寸小、裝載效果好，目前應(yīng)用很普遍。但這種裝載機(jī)構(gòu)寬度受限制，為擴(kuò)大裝載寬度，可使鏟板連同整個(gè)耙爪機(jī)構(gòu)一起水平擺動(dòng)，或設(shè)計(jì)成雙耙爪機(jī)構(gòu)，以擴(kuò)大裝載范圍。
4)星輪式。該種機(jī)構(gòu)比耙爪式簡單、強(qiáng)度高、工作可靠，但裝大塊物料的能力較差。通常，應(yīng)選擇耙爪式裝載機(jī)構(gòu)，但考慮裝載寬度問題，可選擇雙耙爪機(jī)構(gòu)，也可設(shè)計(jì)成耙爪與星輪可互換的裝載機(jī)構(gòu)。
裝載機(jī)構(gòu)可以采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。但考慮工作環(huán)境潮濕、有泥水，選用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)為好。裝載部是由鏟板本體、側(cè)鏟板、鏟板驅(qū)動(dòng)裝置、從動(dòng)輪裝置等組成。通過兩個(gè)液壓馬達(dá)帶動(dòng)星輪，把截割下來的物料裝到刮板運(yùn)輸機(jī)內(nèi)的裝置。
本掘進(jìn)機(jī)采用弧形三齒星輪式裝載，裝載部是用兩個(gè)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)星輪實(shí)現(xiàn)耙裝運(yùn)動(dòng)，通過多路手動(dòng)換向閥分別向兩個(gè)排量為400ml/r的液壓馬達(dá)供油，確保星輪工作基本上平穩(wěn)一致。
1.3 輸送機(jī)構(gòu)形式選擇
部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)多采用刮板鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)構(gòu)。輸送機(jī)構(gòu)一般是由機(jī)尾向機(jī)頭方向傾斜向上布置的。
輸送機(jī)構(gòu)有以機(jī)頭軸為主動(dòng)軸的，由設(shè)置在機(jī)頭的電動(dòng)機(jī)或油馬達(dá)，通過減速裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)頭軸運(yùn)轉(zhuǎn)，有的機(jī)型海同時(shí)以機(jī)尾從動(dòng)軸間接地帶動(dòng)裝載機(jī)構(gòu)工作。有的掘進(jìn)機(jī)以機(jī)尾軸為主動(dòng)軸，設(shè)置在機(jī)尾的電動(dòng)機(jī)，通過減速裝置驅(qū)動(dòng)裝載機(jī)構(gòu)工作，間接地從輸送機(jī)構(gòu)的機(jī)尾為主動(dòng)軸，帶動(dòng)刮板輸送式輸送機(jī)工作，輸送機(jī)構(gòu)則不單獨(dú)設(shè)置減速裝置。
所以本機(jī)采用刮板輸送機(jī)位于機(jī)器中部，前端鉸接于鏟板上，后部托在機(jī)架上，刮板輸送機(jī)為雙邊鏈刮板式。由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，主要由機(jī)前部、機(jī)后部、驅(qū)動(dòng)裝置、脫鏈器等組成。鏈條張緊裝置采用油缸張緊方式。
1.4 轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)形式選擇
縱軸式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)工作面的作業(yè)線配套方式有很多種，目前的掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)大多采用膠帶式輸送機(jī)。
膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式，通常有三種形式，第一種是由油馬達(dá)直接或通過減速器驅(qū)動(dòng)機(jī)尾卷筒。
第二種形式，是由電動(dòng)卷筒驅(qū)動(dòng)主卷筒旋轉(zhuǎn)。
第三種方式是：由電動(dòng)機(jī)通過減速器驅(qū)動(dòng)住卷筒旋轉(zhuǎn)
為了實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)機(jī)膠帶轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)卸載端作上下調(diào)高和左右擺動(dòng)，以使轉(zhuǎn)運(yùn)的煤巖能夠準(zhǔn)確地卸入礦車或轉(zhuǎn)載機(jī)中，一般將轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)的機(jī)尾安裝在掘進(jìn)機(jī)尾部的回轉(zhuǎn)臺(tái)托架上，可通過人力或回轉(zhuǎn)油缸，使整個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)繞回轉(zhuǎn)臺(tái)中心擺動(dòng)一定角度，并使雞頭卸載端達(dá)到卸載的擺角要求。同時(shí)，通過升降油缸使卸載端繞尾鉸接中心做升降運(yùn)動(dòng)。使卸載端達(dá)到卸載的告訴范圍。
1.5 行走機(jī)構(gòu)
形式選擇該種掘進(jìn)機(jī)的行走機(jī)構(gòu)有邁步式、導(dǎo)軌式和履帶式等幾種。
1)邁步式。該種行走機(jī)構(gòu)是利用液壓邁步裝置來工作的。采用框架結(jié)構(gòu)，使人員能自由進(jìn)出工作面，并可越過裝載機(jī)構(gòu)到達(dá)機(jī)器的后面。使用支撐裝置可起到掩護(hù)頂板、臨時(shí)支護(hù)的作用。但由于向前推進(jìn)時(shí)，支架反復(fù)交替地作用于頂板，掘進(jìn)機(jī)對頂板的穩(wěn)定性要求較高，局限性較大，所以這種行走機(jī)構(gòu)主要用于巖巷掘進(jìn)機(jī)，在煤巷、半煤巖巷中也有應(yīng)用。
2)導(dǎo)軌式。將掘進(jìn)機(jī)用導(dǎo)軌吊在巷道頂板上，躲開底板，達(dá)到?jīng)_擊破碎巖石的目的。這就要求導(dǎo)軌具有較高的強(qiáng)度。這種行走機(jī)構(gòu)主要用于沖擊式掘進(jìn)機(jī)。
3)履帶式。適用于底板不平或松軟的條件，不需修路鋪軌。具有牽引能力大，機(jī)動(dòng)性能好、工作可靠、調(diào)動(dòng)靈活和對底板適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件磨損較嚴(yán)重。
目前，部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)通常采用履帶式行走機(jī)構(gòu)。由于其工作環(huán)境差，用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)易受潮燒毀，最好選用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。
1.6 除塵裝置型式選擇
由于掘進(jìn)機(jī)連續(xù)地破落煤巖，使工作面粉塵飛揚(yáng)，這不僅影響工人的身體健康，也關(guān)系到安全生產(chǎn)。單靠通風(fēng)不呢感將空氣含塵量降到標(biāo)準(zhǔn)范圍以下，因此必須采用必要的除塵措施。
1.6.1 除塵方式：
分為噴霧式和抽出式兩種。
噴霧式：
噴霧式除塵是用噴嘴把具有一定壓力的水高度擴(kuò)散，使其霧化，是塵粉附在霧狀水粒表面沉淀下來，以達(dá)到滅塵的效果。這種除塵方式分為外噴霧和內(nèi)噴霧。
外噴霧是在工作機(jī)構(gòu)的懸臂上裝有噴嘴，向截割頭噴射壓力水，噴出的水霧擴(kuò)散后將截割頭包圍。這種噴霧裝置的典型結(jié)構(gòu)，呈馬蹄狀，布置在截割頭后面的工作臂上。
這種噴霧方式結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，使用壽命長，由于噴霧離粉塵源較遠(yuǎn)，粉塵容易擴(kuò)散開，降塵效果較差。
內(nèi)噴霧是在截割頭上裝設(shè)噴嘴，對著截齒噴射。
內(nèi)噴霧的噴嘴按螺旋線布置在截割頭上。截割頭體芯部為一密封腔，壓力水經(jīng)空腔由噴霧嘴射出，為了減少截割頭上零件的數(shù)量和縮短噴射距離以提高滅塵效果，有的掘進(jìn)機(jī)的噴霧水經(jīng)齒座由截齒噴出。
內(nèi)噴霧的特點(diǎn)是：噴霧距離截齒近，滅塵效果好，耗水量小，沖淡瓦斯、冷卻截齒和撲滅火花的效果較好。噴嘴容易堵塞和損壞，供水管路復(fù)雜，活動(dòng)聯(lián)結(jié)處密封困難。
為了提高降塵效果部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)大多采用內(nèi)、外噴霧相結(jié)合的辦法，并且和截割電動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)的冷卻要求結(jié)合起來考慮。將冷卻水由噴嘴噴出降塵。
抽出式。
由于僅采用噴霧裝置不能保證應(yīng)有的空氣凈化程度，一些掘進(jìn)機(jī)上還設(shè)有吸塵裝置，其工作原理是，用吸塵裝置在產(chǎn)生粉塵的地方吸入含塵空氣，然后在特制的機(jī)構(gòu)中分離粉塵，清洗后的空氣在掘進(jìn)機(jī)工作位置的后面放入巷道。
常用的吸塵裝置是集塵器。設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)時(shí)，應(yīng)根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)條件來選集塵器。為提高除塵效果，可采用兩級凈化除塵。由于集塵器跟隨掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)，風(fēng)機(jī)的噪音很大，應(yīng)安裝消音裝置。抽出式除塵裝置滅塵效果好，但因設(shè)備增多，使工作面空間減小。近年來，除塵設(shè)備有向抽出式和噴霧式聯(lián)合并用方向發(fā)展的趨勢。
1.6.2除塵系統(tǒng)
圖1-1 掘進(jìn)機(jī)除塵系統(tǒng)
Fig.1-1 Boring machine Dust Removal System
1-截割頭內(nèi)噴霧；2-壓力調(diào)節(jié)器；3-減壓閥；4、9-油馬達(dá)；5-通往換向閥油路；6-截割頭外噴霧；7-水冷卻；8-水泵；10-油冷卻器；11-減壓閥；12-Y型過濾器；13-供水管；14-截割電動(dòng)機(jī)；15-流量開關(guān)；16-水箱；17-通往外聯(lián)換向閥；18-通往油箱油路；19-噴霧泵
2 總體布置
2.1 總體布置的內(nèi)容
總體布置的內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
1）確定各部件在整機(jī)上的位置，并對外形尺寸提出要求；
2）確定各部件、部件與整機(jī)之間的連接方式；
3）估算整機(jī)的重量及重心位置，并對各部件的重量提出要求；
4）布置個(gè)操縱機(jī)構(gòu)、司機(jī)座位等；
5）審核各運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)空間，排除可能發(fā)生的運(yùn)動(dòng)干涉。
2.2 總體布置的原則
1）保證整機(jī)的穩(wěn)定性
2）結(jié)構(gòu)緊湊并有較高的傳動(dòng)效率
3）便于操作和維修，工作安全可靠；
4）外形平整美觀。
2.3具體要求
在總體布置時(shí)要注意以下問題：
1）工作機(jī)構(gòu)減速器的進(jìn)、出軸盡量同軸線；
2）懸臂和鏟板的尺寸關(guān)系相適應(yīng)，既有利于裝載，又要避免截割頭截割鏟板；
3）懸臂的水平和垂直擺動(dòng)中心的位置可以重合，也可以不重合。從增加機(jī)器的穩(wěn)定性看，擺動(dòng)中心的高度應(yīng)盡量降低。在保證懸臂擺動(dòng)不與其它機(jī)構(gòu)干涉的條件下，擺動(dòng)中心的位置應(yīng)盡量靠后，但必須保證中心在機(jī)器的縱向?qū)ΨQ平面內(nèi)；
4）總體設(shè)計(jì)時(shí)，其重心的位置僅需估算縱向坐標(biāo)x值：
X=ΣGi*Xi/ΣGi (2-1)
Gi=各部件的重心
Xi=各部件重心坐標(biāo)。
當(dāng)各主要部件設(shè)計(jì)出來之后。應(yīng)進(jìn)行校核，不滿足要求時(shí)需進(jìn)行調(diào)整，使中心位于履帶中心稍偏前且小于L/6范圍內(nèi)（L為履帶接地長度）。此外，還要求中心位置在截割機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)臺(tái)中心線之后，而且重心高度越低越好，以提高機(jī)器作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性；
5）總體布置應(yīng)考慮左右兩側(cè)重量對稱并照顧工作習(xí)慣及方便操作。司機(jī)座一般設(shè)在機(jī)身左側(cè)、且位于機(jī)身后部，座椅高度應(yīng)保證司機(jī)的視線，使其能夠很好地操縱機(jī)器，截割出規(guī)則的巷道；
6）操縱臺(tái)的位置要適當(dāng)，應(yīng)保證司機(jī)操縱方便、省力。儀表顯示裝置的位置要便于司機(jī)觀察，又不分散司機(jī)正常操作的注意力。
3傳動(dòng)型式及動(dòng)力元件的選擇
3.1 傳動(dòng)形式及元件選擇應(yīng)遵循的原則：
1）技術(shù)先進(jìn)性：能夠改善機(jī)器性能，提高生產(chǎn)率；
2）經(jīng)濟(jì)合理性：傳動(dòng)系統(tǒng)盡量簡單、元件少，易加工，價(jià)格低，維修容易，使用壽命長。
3）工作可靠性：傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性表現(xiàn)為元件的使用壽命，因此也是對元件質(zhì)量的要求；
4）適應(yīng)性：元件應(yīng)適應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)的載荷、工況及環(huán)境等條件的要求。
3.2 各機(jī)構(gòu)對傳動(dòng)系統(tǒng)的要求及傳動(dòng)形式的選擇
掘進(jìn)機(jī)的截割、裝載、運(yùn)輸、行走等機(jī)構(gòu)一般均為分別傳動(dòng)，各部件受力狀態(tài)及工作條件不同，因而對傳動(dòng)形式有不同的要求。
工作機(jī)構(gòu)要求有較大的短時(shí)過載能力，而油馬達(dá)對沖擊負(fù)荷很敏感，過負(fù)荷能力低，影響截割頭正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。所以，掘進(jìn)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)宜采用電動(dòng)機(jī)的為動(dòng)力的機(jī)械傳動(dòng)形式。應(yīng)利用體積小、功率大、過負(fù)荷能力強(qiáng)的專用電動(dòng)機(jī)，并配備可靠的電器保護(hù)裝置。根據(jù)動(dòng)作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，通常工作機(jī)構(gòu)的減速器設(shè)在懸臂內(nèi)，成為懸臂的組成部分。截割頭調(diào)速方式一般采用配換掛輪的方法，變速機(jī)構(gòu)力求簡單。
裝載機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝置的特點(diǎn)是：減速器需裝在尺寸有限的鏟板下部，因而設(shè)計(jì)空間較小，工作條件惡劣，減速器經(jīng)常泡在煤巖泥中，卡料時(shí)易過載。
裝載、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)若采用機(jī)械傳動(dòng)，由于電動(dòng)機(jī)尺寸較大，不便在運(yùn)輸機(jī)尾安裝，一般是在鏟板上部安裝兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)作為裝載、輸送機(jī)構(gòu)的共同動(dòng)力，這樣勢必使減速箱尺寸增大，在鏟板下布置較緊張。此外，考慮星輪及鏈板卡鏈過載工況，為保護(hù)電動(dòng)機(jī)不至燒毀，一般需要在減速器內(nèi)設(shè)安全摩擦片離合器。
裝載、運(yùn)輸機(jī)構(gòu)若采用齒輪油馬達(dá)傳動(dòng)，由于尺寸小，重量輕，可使二者分別傳動(dòng)，從而簡化傳動(dòng)裝置，便于在鏟板下布置，便于設(shè)計(jì)密封效果好的機(jī)械密封或?qū)p速器與鏟板分離，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)過載自動(dòng)保護(hù)。
履帶式行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)兩種方式。分別通過機(jī)械減速裝置或直接由油馬達(dá)帶動(dòng)履帶的主動(dòng)鏈輪運(yùn)轉(zhuǎn)。
機(jī)械傳動(dòng)的履帶式行走機(jī)構(gòu)，一般是將電動(dòng)機(jī)裝于兩條履帶減速器后部，制動(dòng)裝置采用機(jī)械液壓制動(dòng)方式。這種傳動(dòng)方式傳動(dòng)可靠性高，電動(dòng)機(jī)價(jià)格低，維修容易，但不能調(diào)速，減速箱體積較大；巷道淋水大時(shí)，電動(dòng)機(jī)容易受潮而燒毀。
履帶式行走機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)形式，系統(tǒng)簡單性能較好、技術(shù)先進(jìn)。液壓傳動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)中在液壓馬達(dá)的形式選擇及調(diào)速方式設(shè)計(jì)方面，有不同的方案。
低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)特點(diǎn)是：傳動(dòng)系統(tǒng)簡單，尺寸小，重量輕，能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)速及過載保護(hù)。但液壓馬達(dá)傳動(dòng)復(fù)雜、制造費(fèi)用高，維護(hù)較難。
齒輪油馬達(dá)容積效率高，耐沖擊性能好，維修容易，造價(jià)低，尺寸小、重量輕。一臺(tái)10KW左右齒輪油馬達(dá)的價(jià)格只有同功率徑向柱塞馬達(dá)的1/10；尺寸小，重量輕。一臺(tái)10KW左右齒輪油馬達(dá)的重量僅為同功率低速大扭矩油壓馬達(dá)的大，但較電動(dòng)式的小。因此可方便地將馬達(dá)、減速器、液壓制動(dòng)閥、緊鏈裝置等安裝于履帶架中間。這種方式在技術(shù)性能上優(yōu)于機(jī)械傳動(dòng)，在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上優(yōu)于低速大扭矩油馬達(dá)傳動(dòng)。
行走機(jī)構(gòu)的調(diào)速方式有兩種，一種是采用變量泵。另一種是采用分流或并流的調(diào)速方案，即在機(jī)器快速調(diào)動(dòng)時(shí)，停止向裝載馬達(dá)供油，僅向行走馬達(dá)供油，使掘進(jìn)機(jī)具有兩種行走速度。
4 總體參數(shù)的確定
掘進(jìn)機(jī)的總體參數(shù)，是指主要性能參數(shù)。它表示了掘進(jìn)機(jī)特性指標(biāo)。掘進(jìn)機(jī)的總體參數(shù)有：體重、外形尺寸、可掘斷面、生產(chǎn)率、截深、擺動(dòng)速度、截割力等。
4.1 機(jī)型大小
掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展方向是定型化、系列化、并向“大斷面”、“高硬度”發(fā)展。掘進(jìn)機(jī)的性能、外型、結(jié)構(gòu)和重量應(yīng)能很好的適應(yīng)煤巖的巷道尺寸。我國有三種機(jī)型第一型以掘進(jìn)煤巷為主，突出經(jīng)濟(jì)性、靈活性、方便性，在截割巷道斷面尺寸方面有較大適應(yīng)性。第二型以掘進(jìn)半煤巖巷為主，在截割巖石硬度方面適應(yīng)性較強(qiáng)，但機(jī)器設(shè)計(jì)不宜過于笨重和龐大，在使用時(shí)有較大的覆蓋面。第三型是具有高切割能力的掘進(jìn)機(jī)，應(yīng)用更加廣泛。
所以在設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)時(shí)應(yīng)根據(jù)給定原始條件合理確定機(jī)型大小。
4.2 機(jī)器外形尺寸
表4-1 基本機(jī)型與主要參數(shù)
Tab.4-1 The basic model and the main parameters
基本機(jī)型
主要參數(shù)參數(shù)
第一型
第二型
第三型
掘進(jìn)斷面
6~14
8~20
10~24
截割巖石硬度
4~6
6~8
截割功率
55~75
75~110
110~160
機(jī)器重量
16~25
25~40
40~75
由于掘進(jìn)機(jī)在井下工作，受巷道斷面和空間的約束，其大小對機(jī)器的適應(yīng)范圍有直接的影響，因此，掘進(jìn)機(jī)的外形尺寸有嚴(yán)格的限制。
機(jī)器的高度越高越好，但由于離地最小間隙和龍門高度要求，機(jī)器不可能太低，一般小斷面掘進(jìn)機(jī)應(yīng)在1.7m以下，是斷面掘進(jìn)機(jī)應(yīng)低于2m.
考慮掘進(jìn)機(jī)有的 通過彎道的能力，所以機(jī)器的固定部分的長度應(yīng)控制在7m左右。
機(jī)器的寬度要與巷道寬度相適應(yīng)，機(jī)器兩側(cè)距巷道兩壁應(yīng)保持適宜的距離，以便于人員的通過和材料的搬運(yùn)。
目前掘進(jìn)機(jī)的外形尺寸（長×寬×高），一般為6×1.6×1.6～8×2.2×2m（不包含轉(zhuǎn)載機(jī)長度）。
4.3 機(jī)器可掘斷面
機(jī)器的規(guī)格和重量主要取決于巷道斷面的大小。設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)時(shí)，應(yīng)把滿足巷道斷面的要求作為一個(gè)主要依據(jù)，要滿足下列關(guān)系：
Smin SSmax (4-1)
式中Smin~機(jī)器可掘最小斷面
Smax～機(jī)器可掘最大斷面
S～巷道斷面
機(jī)器可掘最小斷面是指掘進(jìn)機(jī)可進(jìn)行正常作業(yè)的最小巷道斷面。
機(jī)器可掘最大斷面為掘進(jìn)機(jī)定點(diǎn)截割時(shí)，能夠截割出的最大巷道斷面。
懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)斷面的大小，決定于懸臂的長度和回轉(zhuǎn)角度，其截割頭頂端的運(yùn)動(dòng)軌跡為一球面，由于水平回轉(zhuǎn)半徑在各個(gè)高度位置是變化的，故掘進(jìn)斷面的實(shí)際極限形狀為弧線等腰梯形。
4.3.1伸縮量
伸縮量要大于或等于截深，考慮伸縮部的結(jié)構(gòu)和機(jī)器工作的穩(wěn)定性，懸臂伸縮量一般為500~600mm，選取500mm。
4.3.2 懸臂長度和擺角
一般情況下，巷道的形狀和規(guī)格確定后，按照巷道和最大高度和上下寬度，結(jié)合垂直擺動(dòng)的中心高度，可以初步確定懸臂的長度和擺角。
最大掘高4.5m，上擺角<，下擺角<，取水平擺角=，
由幾何關(guān)系可以得出，在最大掘?qū)?.6m下，懸臂長為：
L= -a-550=3943㎜ (4-2)
即懸臂長為3943㎜（a為垂直回轉(zhuǎn)中心至水平回轉(zhuǎn)中心的距離，取603㎜）。
回轉(zhuǎn)中心高：
(4-3)
(4-4)
即mm盡量降低重心，取H=1600mm。
根據(jù)幾何關(guān)系確定上擺角和下擺角。既上擺角，下擺角
設(shè)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)處于巷道的中央位置，若不考慮截割頭的具體結(jié)構(gòu)尺寸，則掘進(jìn)斷面可近似計(jì)算如下：
最大寬度（當(dāng)懸臂在水平位置擺動(dòng)時(shí)）：
B=2(L+a)sinφ =2（3.943+0.603）sin330=4.6m (4-5)
上部寬度（當(dāng)懸臂在上極限位置左右擺動(dòng)時(shí)）：
B1=2(Lcos?1+a)sinφ=4.299m (4-6)
下部寬度（當(dāng)懸臂在下部位置左右擺動(dòng)時(shí)）：
B2=2（Lcos?2+a）sinφ=4.483 (4-7)
上擺高度：
H1=Lsin?1=3.943*sin320=2089.5mm (4-8)
下擺高度：
H2=Lsin?2=3.943*sin27o=1790.0mm (4-9)
臥底深度：
h=L(sin?3-sin?2)=0.25m (4-10)
巷道高度：
H=H1+H2=3.89m (4-11)
可掘最大斷面：
S=[(B1+B)H1+(B2+B)H2]=17.43m2 (4-12)
因?yàn)橹鬏S有500mm的伸縮量所以最大可掘斷面為
解：
式中L～截割頭前端至懸臂垂直回轉(zhuǎn)中心O1的距離
a~垂直回轉(zhuǎn)中心O1至水平回轉(zhuǎn)中心O2的距離
φ～水平回轉(zhuǎn)時(shí)懸臂的擺角
?1～垂直回轉(zhuǎn)的上擺角
?2～截割到巷道底平面時(shí)，垂直回轉(zhuǎn)的下擺角
?3～臥底時(shí)，懸臂垂直回轉(zhuǎn)的最大下擺角，可根據(jù)臥底深度來定，一般可取h=100～300mm.這里取250mm
實(shí)際上，由于掘進(jìn)斷面多為梯形或拱形，所以實(shí)際得到的有效斷面積較上述計(jì)算值小。此時(shí)，也應(yīng)按上述關(guān)系和實(shí)際要求的斷面形狀計(jì)算來決定B1 B2和H。
5 生產(chǎn)率
掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)率包括截割生產(chǎn)率、裝載生產(chǎn)率和運(yùn)輸生產(chǎn)率，它們之間存在一定的關(guān)系。掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力源都采用交流電動(dòng)機(jī)。截割機(jī)構(gòu)功率大小，在實(shí)際設(shè)計(jì)中一般采用類比法，再結(jié)合掘進(jìn)機(jī)的一些個(gè)性因素及經(jīng)驗(yàn)來確定。結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)隔爆型三相電動(dòng)機(jī)：YBUD2-160/80-4/8 隔爆，確定截割功率為160kw。
5.1 截割生產(chǎn)率
截割生產(chǎn)率即機(jī)器的生產(chǎn)率，它又分為有理論生產(chǎn)率、技術(shù)生產(chǎn)率和實(shí)際生產(chǎn)率。
考慮到掘進(jìn)機(jī)對煤巖特性具有一定的適應(yīng)范圍，通常在較軟的半煤巖中，可選合理的工作擺動(dòng)速度，在較硬的半煤巖中，可取1.5~2.0m/min
對于中硬巖層為保證截齒的壽命和牽引力，擺動(dòng)速度不宜太高，可?。?。同時(shí)為了在不同條件下盡量按合理的切削厚度來工作，以獲得較高的截割效率，應(yīng)按相應(yīng)的合理截割速度來調(diào)節(jié)擺動(dòng)速度。
本掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)中硬煤巖所以擺動(dòng)速度=1.5m/min
截割頭長度按照煤巖硬度為80Mpa選擇為820mm。
切割頭直徑影響切割力和工作循環(huán)時(shí)間。當(dāng)切割頭的功率和轉(zhuǎn)速一定時(shí)，切割頭的直徑將決定切割頭的切向切割力。切割頭直徑過大，將使切向切割力降低，如果切割力小于切割阻力，就不能完成切割任務(wù)。目前，縱軸式掘進(jìn)機(jī)切割頭的直徑一般為600~900mm。大功率的掘進(jìn)機(jī)可以在1000mm以上。按照設(shè)計(jì)要求本掘進(jìn)機(jī)最大截割頭直徑為1120mm
理論生產(chǎn)率為：
QT=60λAVb=60*1.5*0.985*1.5=132.975 （5-1）
或QT=rQT
式中QT～掘進(jìn)機(jī)理論生產(chǎn)率，
QT /～掘進(jìn)機(jī)理論生產(chǎn)率，t/h
λ～煤巖松散系數(shù)，一般為λ=1.5
A～截割頭的橫截面積
Vb～截割頭橫向擺動(dòng)速度，m/min
r~煤巖的容重，
技術(shù)生產(chǎn)率：是指掘進(jìn)機(jī)在給定條件下連續(xù)工作一小時(shí)獲得的最大生產(chǎn)率，可按下列式子計(jì)算：
Q=60a*e**= （5-2）
或Q/=rQ若用進(jìn)尺速度表示，則為：QL==60 （5-3）
式中Q~ 技術(shù)生產(chǎn)率，/h
Q~技術(shù)生產(chǎn)率， /h
QL~進(jìn)尺速度，m/h
a~截割頭沿工作面移動(dòng)所破碎煤巖的厚度，近似為截割頭截割頭直徑1120m
e~截割頭截入工作面的深度，近似為截割頭長度820m
S~巷道的毛斷面積，
~掘進(jìn)機(jī)工作不連續(xù)系數(shù)，即掘進(jìn)機(jī)純截割時(shí)間與總循環(huán)時(shí)間的比值。=0.8
實(shí)際生產(chǎn)率是指掘進(jìn)機(jī)在一般工作時(shí)間內(nèi)的實(shí)際平均生產(chǎn)率。要考慮司機(jī)操作機(jī)器和工作面實(shí)際情況造成的一些不可避免的時(shí)間損失。
5.2 裝載生產(chǎn)率
5.2.1 裝載機(jī)構(gòu)生產(chǎn)能力確定
裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)能力應(yīng)大于截割機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)能力，這是確定裝載機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)的先決條件。設(shè)計(jì)時(shí)裝載機(jī)構(gòu)生產(chǎn)能力按截割機(jī)構(gòu)生產(chǎn)能力的1.0~1.1倍考慮為宜。
5.2.2 星輪結(jié)構(gòu)尺寸確定
星輪結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，有關(guān)尺寸確定如下:
圖4.1 星輪結(jié)構(gòu)
Fig.4-1 Star Ferry structure
1)星輪大徑D:星輪大徑的確定與鏟板和驅(qū)動(dòng)裝置外形尺寸及星輪回轉(zhuǎn)中心有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合鏟板設(shè)計(jì)綜合考慮確定。按照設(shè)計(jì)要求取1328mm
2)星輪小徑d:星輪小徑的確定主要與驅(qū)動(dòng)裝置外形尺寸有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足強(qiáng)度要求的條件下，應(yīng)盡量減小星輪小徑的尺寸。按照設(shè)計(jì)要求取568mm
3)星輪小徑高度H:星輪小徑高度的確定要結(jié)合鏟板和驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)尺寸及機(jī)器總體布置要求確定，并使之盡量小。按照設(shè)計(jì)要求取195mm
4)星輪爪子的數(shù)量及寬度L:星輪爪子的數(shù)量目前以三爪、四爪及六爪居多。爪子數(shù)量多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝載效率低，建議設(shè)計(jì)時(shí)采用三爪星輪。星輪爪子的設(shè)計(jì)寬度，應(yīng)在滿足強(qiáng)度的條件下盡量減小。按照設(shè)計(jì)要求取130mm
5)星輪爪子高度h:爪子高度由星輪大小徑、星輪爪子的數(shù)量、星輪轉(zhuǎn)速及裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率確定。裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率由下式計(jì)算得出(不計(jì)鏟板角度)。
（5-4）
式中—裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率，
D—星輪大徑， mm
d—星輪小徑， mm
M—星輪爪子數(shù)量，個(gè)
S—星輪爪子面積， ：
S=L*(D/2-d/2)=130*(1328/2-568/2)=49400 mm2 （5-5）
n—星輪工作轉(zhuǎn)速， r/min按照設(shè)計(jì)要求取32 r/min
Kz—裝載系數(shù)，取1.5~2.0 這里取2.0
用上式計(jì)算出裝載爪子高度，要結(jié)合星輪轉(zhuǎn)速確定，星輪爪子的數(shù)量和尺寸，綜合考慮確定。一般星輪爪子高度h推薦設(shè)計(jì)為60~100 mm。這里根據(jù)實(shí)際情況選取h=67mm
5.2.3 中間輸送機(jī)生產(chǎn)率
中間輸送機(jī)的最大生產(chǎn)能力為：
Qs=60ΨVtF=60*0.9*57.6*0.2997=932.2 （5-6）
式中Qs～生產(chǎn)率
Ψ～裝滿系數(shù)一般取Ψ=0.95～0.9這里取0.9
Vt～鏈速，按照生產(chǎn)要求?。?.96 m/s=57.6m/min
F～輸送機(jī)斷面
（5-7）
B~輸送機(jī)槽寬這里取溜槽寬度：540 mm
h~輸送機(jī)有效高度：420 mm
ρ～貨載堆積角，即高于槽幫煤巖的安息角，由于掘進(jìn)機(jī)在截割運(yùn)動(dòng)是都要進(jìn)行噴霧降塵處理所以貨載堆積角一般取大值應(yīng)為40~45之間，這里我們選擇45°
掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)以截割生產(chǎn)率為主要依據(jù)，而裝載、輸送、轉(zhuǎn)載的生產(chǎn)能力應(yīng)稍高于截割生產(chǎn)率，要滿足以下關(guān)系：
QT< Qz< Qs
過高或過低都會(huì)影響設(shè)備的協(xié)調(diào)工作。
6 掘進(jìn)機(jī)的通過性
掘進(jìn)機(jī)的通過性是指機(jī)器通過彎道、各種底板和障礙物的能力，是掘進(jìn)機(jī)重要的使用性能之一
6.1 離地最小間隙
掘進(jìn)機(jī)在井下行走，應(yīng)具有通過枕木、軌道等障礙物的能力。離地最小間隙可由下式確定：
y=B/13+8.4=140mm （6-1）
式中 y~離地最小間隙
B～兩條履帶中心距離1700mm
一般，掘進(jìn)機(jī)的離地最小間隙y=150~300mm，這里取y=150mm
6.2 可通過巷道最小半徑
可通過巷道最小半徑是掘進(jìn)機(jī)可以轉(zhuǎn)彎的最小彎道半徑，它表示掘進(jìn)機(jī)通過彎曲巷道的能力。設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)時(shí)，控制固定部分長度的目的就是為了保證機(jī)器對彎道的通過性能。
通?？赏ㄟ^巷道最小半徑為6～10m
6.3 適應(yīng)巷道坡度
縱軸式懸臂掘進(jìn)機(jī)工作的巷道一般有坡度。適應(yīng)巷道坡度是指掘進(jìn)機(jī)在上山（或下山）能正常工作的巷道最大坡度。它反映了掘進(jìn)機(jī)爬坡的能力是掘進(jìn)機(jī)的重要使用性能。
設(shè)計(jì)時(shí)，適應(yīng)巷道坡度一般不小于o，通常為12o～16o。這里根據(jù)實(shí)際工作要求選擇
6.4適應(yīng)底板比壓
巷道底板的性質(zhì)決定著掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行工況，是設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)履帶行走機(jī)構(gòu)的一個(gè)依據(jù)。為保證能夠正常運(yùn)行和工作，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)適應(yīng)底板的比壓。對于遇水軟化的底板，履帶的接地比壓p應(yīng)不大于49Kpa，即p49 Kpa；對于不太軟的底板，p137 Kpa；而對于煤巖底板
p167～189 Kpa （6-2）
通常，縱軸式懸臂掘進(jìn)機(jī)的接地比壓p=100～130 Kpa，有些重型掘進(jìn)機(jī)的接地比壓偏大些。因?yàn)楸揪蜻M(jìn)機(jī)是重型掘進(jìn)機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求結(jié)合機(jī)器的實(shí)際情況選取接地比壓： P=0.14 MPa。
7 縱軸式懸臂掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
7.1 鏟板體結(jié)構(gòu)
鏟板體結(jié)構(gòu)有分體和整體2種形式。分體鏟板由鏟板本體和左右副鏟板組成，如EBZ160型掘進(jìn)機(jī)鏟板，就是典型的分體鏟板設(shè)計(jì)，鏟板本體采用鑄焊結(jié)合方式，鏟板頭部為一箱形結(jié)構(gòu)的鑄件。整體鏟板是將整個(gè)鏟板設(shè)計(jì)為一個(gè)箱形體，可采用鑄焊結(jié)合或全部采用板焊形式，如EBJ-120TP型掘進(jìn)機(jī)鏟板，就是典型的整體
鏟板設(shè)計(jì)。分體鏟板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可以減小大件尺寸，便于井下運(yùn)輸，且可減少焊接變形;整體鏟板結(jié)構(gòu)簡單，外形尺寸較大，若井筒和巷道斷面小，下井運(yùn)輸較困難。再一個(gè)就是對于大型焊接件，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和焊接工藝不合理，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的焊接變形。至于鏟板體設(shè)計(jì)采用何種形式，要結(jié)合整個(gè)裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮后確定。本掘進(jìn)機(jī)選擇分體形式
圖7.1鏟板體
Fig.7-1 Shovel board
7.2 驅(qū)動(dòng)裝置
驅(qū)動(dòng)裝置是裝載機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式為:電機(jī)(或馬達(dá))—錐齒輪減速箱—執(zhí)行機(jī)構(gòu)(蟹爪式或星輪式)。以前掘進(jìn)機(jī)多采用蟹爪式裝載機(jī)構(gòu)，采用試驗(yàn)法或圖解法進(jìn)行初步再現(xiàn)，然后用解析法進(jìn)行精確計(jì)算。而現(xiàn)在掘進(jìn)機(jī)基本上是采用星輪裝載機(jī)構(gòu)，且多采用低速大扭矩馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)星輪的方式。S100掘進(jìn)機(jī)的裝載機(jī)構(gòu)由原來的蟹爪式改為現(xiàn)在的星輪式，這主要是蟹爪式裝載機(jī)構(gòu)存在左右蟹爪工作須保證嚴(yán)格同步，而左右裝載減速器在第一級錐齒輪處，由一個(gè)中間過軸聯(lián)接起來，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。而星輪裝載機(jī)構(gòu)較蟹爪式裝載機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、裝載能力高、故障率低、易維護(hù)的特點(diǎn)。本掘進(jìn)機(jī)結(jié)合整機(jī)性能考慮采用由兩個(gè)液壓馬達(dá)帶動(dòng)星輪，把截割下來的物料裝到刮板運(yùn)輸機(jī)內(nèi)的裝置。
7.3 裝載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
7.3.1裝載機(jī)構(gòu)生產(chǎn)能力確定
裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)能力應(yīng)大于截割機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)能力，這是確定裝載機(jī)構(gòu)技術(shù)參數(shù)的先決條件。設(shè)計(jì)時(shí)裝載機(jī)構(gòu)生產(chǎn)能力按截割機(jī)構(gòu)生產(chǎn)能力的1.0~1.1倍考慮為宜。
7.3.2星輪結(jié)構(gòu)尺寸確定
星輪結(jié)構(gòu)如圖7.2所示，有關(guān)尺寸確定如下:
圖7.2星輪結(jié)構(gòu)圖
Fig.7-2 Star Ferry structure
1)星輪大徑D:星輪大徑的確定與鏟板和驅(qū)動(dòng)裝置外形尺寸及星輪回轉(zhuǎn)中心有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合鏟板設(shè)計(jì)綜合考慮確定。按照設(shè)計(jì)要求取1328mm
2)星輪小徑d:星輪小徑的確定主要與驅(qū)動(dòng)裝置外形尺寸有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)在滿足強(qiáng)度要求的條件下，應(yīng)盡量減小星輪小徑的尺寸。按照設(shè)計(jì)要求取568mm
3)星輪小徑高度H:星輪小徑高度的確定要結(jié)合鏟板和驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)尺寸及機(jī)器總體布置要求確定，并使之盡量小。按照設(shè)計(jì)要求取195mm
4)星輪爪子的數(shù)量及寬度L:星輪爪子的數(shù)量目前以三爪、四爪及六爪居多。爪子數(shù)量多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝載效率低，建議設(shè)計(jì)時(shí)采用三爪星輪。星輪爪子的設(shè)計(jì)寬度，應(yīng)在滿足強(qiáng)度的條件下盡量減小。按照設(shè)計(jì)要求取130mm
5)星輪爪子高度h:爪子高度由星輪大小徑、星輪爪子的數(shù)量、星輪轉(zhuǎn)速及裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率確定。裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率由下式計(jì)算得出(不計(jì)鏟板角度)。
（7-1）
裝載爪子高度為：
=67mm （7-2）
式中—裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率，
D—星輪大徑， mm
d—星輪小徑， mm
M—星輪爪子數(shù)量，3個(gè)
S—星輪爪子面積， ;S=L*(D/2-d/2)=130*(1328/2-568/2)=49400mm2
n—星輪工作轉(zhuǎn)速， r/min，按照設(shè)計(jì)要求取32 r/min
Kz—裝載系數(shù)，取1.5~2.0
用上式計(jì)算出裝載爪子高度，要結(jié)合星輪轉(zhuǎn)速確定，星輪爪子的數(shù)量和尺寸，綜合考慮確定。一般星輪爪子高度h推薦設(shè)計(jì)為60~100 mm。這里根據(jù)實(shí)際情況選取h=67mm。
7.3.3星輪轉(zhuǎn)速確定
星輪轉(zhuǎn)速的確定計(jì)算要對星輪工作狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析后得出。裝載星輪運(yùn)動(dòng)示意如圖7.3所示。設(shè)星輪所撥物料質(zhì)量為m，物料m所處星輪位置的半徑為r，鏟板傾角忽略不計(jì)，星輪轉(zhuǎn)速n的臨界值分析如下。
1) 物料m所受離心力:
（7-3）
2)離心力沿爪面的分力F1:
（7-4）
7.3圖 裝載星輪運(yùn)動(dòng)示意圖
Fig.7-3 Loading mechanism Sketch of movement
式中，α為物料m所處星輪位置的離心力與爪面切線的夾角。
3)離心力垂直于爪面的分力:
（7-5）
4)物料運(yùn)動(dòng)時(shí)與鏟板之間的摩擦力:
（7-6）
式中，g為重力加速度; f為物料與鏟板之間的摩擦因數(shù)。
5)物料運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的垂直于爪面的力：
（7-7）
6)物料運(yùn)動(dòng)時(shí)與爪面之間的摩擦力:
星輪所裝物料，一是將物料推移到中間輸送機(jī)上，二是將物料沿爪面離心力方向甩到中間輸送機(jī)上，因此物料所受離心力必須克服其所受的摩擦力，物料對鋼的摩擦系數(shù)一般為f=0.4即，由此得出星輪轉(zhuǎn)速n的臨界值為：
（7-8）
上式只是計(jì)算出了星輪轉(zhuǎn)速n的臨界值，星輪轉(zhuǎn)速的確定還要結(jié)合現(xiàn)有機(jī)型的實(shí)際情況綜合考慮確定。一般星輪轉(zhuǎn)速推薦采用30~50 r/min。根據(jù)實(shí)際情況這里選取n=32r/min，并選擇弧形面。
從上式可以看出:①要使物料順利裝入中間輸送機(jī)上，物料m所處星輪位置的半徑r越小，所需的轉(zhuǎn)速越高。但是，如果轉(zhuǎn)速過高，又會(huì)造成嚴(yán)重的甩物料現(xiàn)象，從而影響裝載效果。②物料m沿爪面的分力與物料m所處星輪位置的離心力與爪面切線的夾角α有關(guān)，建議星輪工作轉(zhuǎn)速大于40 r/min時(shí)，星輪爪面宜采用弧形面。
7.3.4裝載功率確定
目前，對于星輪式裝載機(jī)構(gòu)的功率確定，大都采用類比法，下面根據(jù)星輪式裝載機(jī)構(gòu)的工作原理，得出一個(gè)近似計(jì)算方法，來初步確定星輪裝載機(jī)構(gòu)的功率。裝載功率主要由2部分組成，一是克服物料與鏟板間的摩擦力所消耗的功率;二是以一定速度推動(dòng)物料所消耗的功率。其他不確定因素需要的功率由計(jì)算時(shí)給出安全系數(shù)Sa(1.3~1.6)保證。這里取1.5
1)星輪每轉(zhuǎn)裝載物料的重力Wz由生產(chǎn)能力確定。
物料的容重*星輪有效工作體積=5.6 （7-9）
2)物料在鏟板表面滑動(dòng)需克服的摩擦力:
（7-10）
3)星輪工作靜摩擦需消耗的功率:
（7-11）
式中，T為工作扭矩。
4)動(dòng)能需消耗的功率:
（7-12）
式中， 為星輪自重。
5)裝載星輪工作需輸出功率:
=5.13 （7-13）
6)裝載馬達(dá)所需輸出功率:
=16.8 （7-14）
式中， 為系統(tǒng)總效率。
通過計(jì)算，結(jié)合類比，掘進(jìn)機(jī)在滿足總體要求的前題下，選定裝載功率=27kW為合理的。EBZ-160型掘進(jìn)機(jī)星輪裝載機(jī)構(gòu)，通過使用證明，選定的裝載功率是合理的。
結(jié)語
掘進(jìn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)是掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)工程中技術(shù)設(shè)計(jì)的一個(gè)組成部分。它的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是總體性能參數(shù)的合理選擇，各個(gè)系統(tǒng)和總成的優(yōu)化設(shè)計(jì)水平，特別是截割機(jī)構(gòu)的切割技術(shù)顯得尤為重要。
星輪式裝載機(jī)構(gòu)是一種新型的裝載機(jī)構(gòu)，由于采用液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)星輪的方式，傳動(dòng)簡單，受力均勻，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，比蟹爪式(錐齒輪減速器機(jī)構(gòu))可靠性大大提高，因而近幾年國內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)均廣泛采用星輪式裝載機(jī)構(gòu)。
本文所述掘進(jìn)機(jī)的總體設(shè)計(jì)星輪結(jié)構(gòu)尺寸確定、星輪轉(zhuǎn)速確定及安裝方法，仍然是以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，在動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、受力計(jì)算等方面應(yīng)廣泛應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，如概念設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)、有限元設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)等。同時(shí)，應(yīng)廣泛學(xué)習(xí)國際上這方面的新設(shè)計(jì)方法為我所用，提高我們的設(shè)計(jì)水平，積累我們的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，搞出安全、可靠、性能優(yōu)良的高端產(chǎn)品，為祖國的現(xiàn)代化事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
致謝
時(shí)光茬蔣，光陰似箭。轉(zhuǎn)眼間，大學(xué)四年的時(shí)光即將結(jié)束。在導(dǎo)師丁飛老師的精心指導(dǎo)、嚴(yán)格要求和諄諄教導(dǎo)下，我才得以順利的完成大學(xué)階段的論文工作。學(xué)術(shù)上，導(dǎo)師淵博的學(xué)識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、勇于開拓的創(chuàng)新精神以及忘我的工作熱情、務(wù)實(shí)的工作作風(fēng)使我終生受益；人格上，導(dǎo)師積極向上、樂觀進(jìn)取的人生態(tài)度和高尚的品德與責(zé)任感使我終生難忘；
生活上，導(dǎo)師對我無微不至的關(guān)懷和幫助使我受益匪淺。在此，我謹(jǐn)向尊敬的導(dǎo)師表示最崇高的敬意和最衷心的謝意。
我還要對當(dāng)我對掘進(jìn)機(jī)這類機(jī)械認(rèn)識不夠時(shí)，向我們提供認(rèn)知實(shí)習(xí)并給與親切指導(dǎo)的的遼源煤機(jī)廠的各位領(lǐng)導(dǎo)表示感謝和深深的敬意。
感謝我的家人，他們?yōu)榱宋业膶W(xué)業(yè)，做出了許多的犧牲，如果沒有他們在物質(zhì)上和精神上的支持，我不可能完成我的學(xué)業(yè)。
感謝所有曾給予過我?guī)椭完P(guān)心的親人、老師、朋友和同學(xué)！
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附錄A
普通全鋼沖模的沖壓精度分析
板料沖壓件的精度準(zhǔn)確顯示出其沖模的沖壓精度。而任何沖件的線性尺寸精度與形位精度主要取決于沖模沖裁和立體成形沖壓件展開平毛坯的落料精度。因此，多工步復(fù)合沖壓的單工位復(fù)合