1、0 前言隨著我國煤炭事業的發展，因采煤機械和綜合機械化水平的速度提高，要求有于之相適應巷道掘進速度?；夭晒ぷ髅娴幕夭删C合機械化的迅速發展，使回采速度大大加快，要求巷道掘進速度相應的提高，就必須提高掘進機械化程度。因此打眼放炮、機器裝載的辦法已達不到要求。采用掘進機直接從工作面把煤或巖石采落并裝入礦車或運輸設備，能提高巷道掘進速度，而且減輕了工人的勞動強度；用掘進機比用爆破方式掘出的表面平整，圍巖也不受爆破震動破壞，巖壁完整，穩固光滑，還可減少通風阻力。通常鉆爆法超挖量不下于20%，掘進機掘出的超挖量可以小到5%，支護的材料用量可以減少，從而節省了支護費用，又因為周圍巖層不受破壞，減少了對地面建

2、筑物及其設備的影響。.全套圖紙，加153893706巷道掘進機是一種能夠實現截割、裝載運轉、轉載煤巖,并可調動行走噴霧、除塵的聯合機組。它具有掘進速度快，快速掘進有利于及時查明采區地質條件，以便正確部署采煤工作面的準備和接替。減少巖石的毛頂及瓦斯突出事故，有利于安全生產和減少巷道超挖,減少不必要的工作量，減輕掘工的體力勞動全力研制和使用巷道掘進機具有重大的技術經濟意義。本文先敘述了掘進機的相關知識，如掘進機的組成、分類及使用要求等，然后進行了工作機構的設計，為后面展開的總體設計做了準備工作，在總體設計的時候涉及到掘進機型號的確定、各個組成部分型式的選擇、總體參數的確定等，最后進入了專題設計部分

3、（掘進機液壓系統設計），確定了各個執行器的型號并完成了液壓系統圖的設計等。本論文在李貴軒老師的悉心教導之下，通過研讀各種著作和期刊，并經過了反復修改，由于作者知識經驗不足，論文中難免出現錯誤，懇請讀者指正。1 概述目前，國內外研制和使用巷道掘進機種類繁多，主要分為兩大類：全斷面巷道掘進機和部分斷面掘進機。全斷面巷道掘進機主要用于掘進巖石巷道，這類掘進機功率大，結構復雜，巷道斷面形狀單一。在煤炭工業中沒有得到廣泛應用。部分斷面掘進機，其工作機構僅能同時截割工作面煤巖斷面的一部分。為截割破落整個工作面的煤巖必須在斷面內多次連續地移動工作機構的截割頭。故此它能實際掘出所需巷道斷面形狀。它主要用于掘進

4、煤或半煤巖巷道。近年研制的掘進機有以下趨勢：廣泛采用懸臂式可伸縮的工作機構，改善起截割性能和使用范圍。采用橫軸式截割頭，以減少機器振動，增加機器穩定性。廣泛采用觸爪式裝載機構和履帶式行走機構。加大掘進機的總功率和提高液壓系統的工作壓力。改進噴霧除主裝置，支護設備和配套轉載設備。1.1 使用掘進機采掘的優點掘進機能夠同時完成破落煤巖、裝煤運輸、噴霧滅塵和調動行走等工作，它具有許多優點：1） 巷道掘進速度平均可提高11.5倍，工效平均提高12倍，進尺成本降低3050%；2）快速掘進有利于及時查明采區的地質條件，正確部署回采工作面的準備和接替；3）由于不需要爆破，巷道圍巖不易破壞，既有利于巷道支護、

5、又可減少冒頂和瓦斯突出的危險，大大提高了生產的安全性；4）減少了煤或巖石的超挖量和支護作業的充填量，減少不必要的工程量；5）改善了勞動條件，減少笨重的體力勞動。1.2 掘進機的結構組成巷道掘進機總體結構均由下述八部分組成（圖1-1）：其中1-切割機構；2-裝運機構；3-液壓機構；4-行走機構；5-電氣機構。1）工作機構：破碎煤巖；2）裝載機構：把碎落的 煤巖集中并裝載到輸送機構中；3）輸送機構：把裝載機構運來的煤、巖輸送轉載到機后的運輸設備上；4）行走機構：驅動巷道掘進機前進、后退和轉彎，并能使巷道掘進機得到很大的截入煤巖的推力；5）液壓系統：驅動、控制巷道掘進機的各個油缸和油馬達；6）電氣系

6、統：驅動、控制巷道所有電動機，并可控制跟機遙控電磁閥動作；7）除塵系統：利用抽出式通風和利用壓力水進行內、外噴霧，清除瓦斯、煤塵，使工作環境衛生及安全；8）機架：安裝、支撐和連接上述各機構、系統部件。圖1-1掘進機的組成Figure 1-1 the composition of roadheader1.3 掘進機的分類目前，國內外研制和生產的掘進機類型很多，主要按使用范圍和結構特征分類：根據巷道掘進機所能截割煤巖的堅硬性系數f值，可分為三類：1）適用于f 4的煤巷，稱為煤巷掘進機；2）適用于f 6的煤或軟巖巷道，稱為半煤巖掘進機；3）適用于f 6或研磨性較高的巖石巷道，稱為巖巷掘進機。 根據巷

7、道掘進機可掘巷道的斷面大小一般可分為兩類：1）可掘巷道斷面小于8m2的，稱為小斷面掘進機；2）可掘巷道斷面大于8m2的，稱為大斷面掘進機。 按工作機構切割工作面的方式可分為兩大類：1）部分斷面巷道掘進機；2）全斷面巷道掘進機；因部分斷面掘進機的工作方式靈活，對采準巷道的規格形狀和煤巖賦存情況的適應性好，外形尺寸和重量小，便于維修和支護，機動性強，能耗小，所以在煤及半煤巖巷道中使用效果好。它主要用于煤及半煤巖巷道。而全斷面掘進機的裝機功率大，破巖硬度高，外形尺寸和機重較大，主要用于開掘巖巷。 按截割頭布置型式可分為兩類：既縱軸式和橫軸式。巷道掘進機的用途和結構，在很大程度上取決于工作機構，掘進機

8、工作機構的型式和結構，必須與掘進工作面煤巖的物理機械性質如堅硬性、研磨性等相適應。1.4 對掘進機的一般要求對掘進機的要求，是根據工作面的工作條件和采煤工藝的需要提出的?，F代掘進機必須：1）采煤工作機構能適應煤層厚度變化進行工作；牽引機構能夠在工作過程中隨時根據工作需要改變牽引速度，最好能無級調速，以適應煤層硬度變化，發揮機器效能；2）機器所占空間宜小，特別是高度和寬度受工作面條件的限制較嚴；3）掘進機可拆成幾個獨立的部件，便于下井和運輸，也便于檢修；4）所有電氣設備應具有防爆性能，能在有煤塵瓦斯爆炸危險的工作面內安全工作；5）電動機及傳動減速裝置具有超負荷安全保護裝置；6）由于工作面有煤塵和

9、水，各減速箱均要封閉嚴密，外殼還要能承受頂板落下的巖塊打擊；7）工作穩定可靠，操作簡單方便，操縱手把應盡量集中，一般日常工作少而容易；8）具有防滑裝置，防止機器沿斜坡自動下滑；9）具有除塵裝置。2 工作機構設計2.1 截割頭結構設計截割頭是由頭體、螺旋葉片焊在截割頭的頭體上。沿螺旋線并按截線間距排列齒座和截齒?？v軸式掘進機截割頭的形狀通常有圓錐形、圓柱形、圓錐圓柱形幾種。圓錐形截割頭有利于鉆進工作面，也能保證截割出來的巷道表面較平整。如果采用圓柱形截割頭，擺動截割時截齒受力較好，截割頭軸向載荷小，但會將頂底板截成鋸齒形。這樣給支護工作帶來困難，巷道坡度也不易保證，掘進機工作后尚需人工輔助鏟平頂

10、、底板，降低了生產率。而圓錐圓柱形截割頭是由兩個不同形狀的部分組成的，這種形狀兼顧了鉆進、擺動截割和巷道平整性，但形狀比較復雜，而且在兩部分銜接處的截齒布置較困難。目前，縱軸式掘進機的截割頭多采用圓錐形和圓錐圓柱形。一般在煤巷掘進機截割頭的前端，按螺旋線安裝中心鉆頭。螺旋葉片有兩種結構型式，一種是采用搭接，即由若干塊金屬板分別焊接在兩相鄰的齒座間，其特點是結構簡單、修配容易，但磨損現象比較明顯。另一種是由一連續的鋼板纏繞在截割頭的頭體上，構成光滑的葉片其特點與前者相反。螺旋葉片的高度應按照截割頭不堵塞的條件計算確定，也可和葉片厚度一樣，參照其他機型由類比法確定。該設計中采用圓錐形截割頭，螺旋葉

11、片采用搭接型式。2.2 參數選擇2.2.1 截割頭長度截割頭長度的大小不僅影響工作循環時間，而且還和煤巖性質有關。因此必須合理地選取。工作面煤壁附近有壓張效應，在壓出帶范圍內，煤巖的抗截深度明顯減弱，截割阻力和單位能耗降低，因此截割頭的長度應設計在壓出帶尺寸范圍內。同時，截割頭長度大小還能影響掘進速度，而截割頭長度太小時，雖然可以充分利用自由面和地壓作用，減小截割阻力，但截割時間加長，會直接影響截割的循環時間?？v軸式掘進機截割頭長度應略大于截深。目前，縱軸式掘進機截割頭長度一般為500700mm。大功率的掘進機達1000mm左右。本設計中截割頭長度設計為600mm。2.2.2 截割頭直徑當截割

12、頭的功率和轉速一定時，截割頭的直徑將決定截割頭的切向截割力度。截割頭直徑過大，將使切向截割力降低，如果截割力小于截割阻力，就不能完成截割任務。相反，若截割頭直徑過小，雖然可以獲得較大的切向截割力，但由于截割的循環時間加長，而影響掘進速度。目前，縱軸式掘進機的截割頭直徑通常為600900mm，有些大型掘進機截割頭的直徑在1000mm以上。本設計中選取截割頭的直徑為800mm。2.2.3 截割頭錐角對于縱軸式掘進機的圓錐形或圓錐圓柱形截割頭，為了獲得較為平整的巷道頂、底板或側壁，還應結合懸臂長度、回轉中心的位置來確定截割頭的錐角。如圖2-1所示，設截割頭的半錐角為，懸臂水平擺角為，上下擺角分別為，

13、。按照幾何關系，要保證巷道的頂、底板、兩側壁的平整，應使= =。顯然對于確定的掘進機，其截割頭的半錐角是一定值。故對于一定形狀的巷道，一般不可能同時滿足上述要求。因此，較難以同時獲得平整的底板和側壁。圖2-1通常在巷道掘進時，為便于機器的行走和支護，要求底板兩側壁平整，這時有= =。 應該指出，水平擺角取決于巷道斷面的寬度回轉半徑的大小。對于不同規格的巷道，掘進機工作的實際水平擺角也不一樣。同時，為了達到較大的掘進寬度，在機構允許的情況下，常采用加大角的辦法（現有掘進機的水平擺角通常為30°53°）。因此，大多按底板平整的要求（=）來確定。通常，錐形截割頭的錐角一般為30&

14、#176;50°。本設計中截割頭采用40°的錐角。2.2.4 截割頭數和升角裝在截割頭上的螺旋葉片是用來排屑的，把截落的煤巖及時排出，減小切割阻力。因此，螺旋葉片的頭數、升角和高度都影響排屑效果。螺旋頭數越多，要保證截割順序有規律，同時截割齒數不變等要求就越困難，而且使結構復雜、截割頭重量增加。試驗表明，截割頭的螺旋頭數應小于4個。分析認為，單頭螺旋不宜采用，對于單頭螺旋來講，就要取較小的螺距，這樣就使截割的塊度減小，粉塵增多，而且使截割頭的排屑能力降低。因此，螺旋頭數一般選為兩頭或三頭，對于中小型掘進機多采用兩頭螺旋葉片。螺旋升角對排屑過程的影響比較復雜，對最佳升角的取值

15、尚無切實的看法。通常，對于兩、三頭螺旋葉片，在設計時取升角大于12°。本設計中取截割頭數為兩頭，螺旋升角15°。 截割頭的平均直徑截割頭的平均直徑就是截割頭大端直徑和小端直徑的算術平均值，截割頭幾何尺寸如圖2-2。截割頭的平均直徑為D。L為截割頭小直徑。根據圖2-2截割頭的幾何關系，可得：X=600tan20°=218.4mm ； L=800-2X=363.2mm。取L為364mm。則=582mm。 圖2-2截割頭幾何示意圖 Figure 2-2 Cutting geometry schematic drawing2.2.6 截割速度和擺動速度當功率一定時，截割速

16、度（截割頭轉速）決定截割力矩和截割力的大小。 截齒必須具有一定的截割速度和足夠的截割力，才能實現對煤巖的有效破碎。顯然，在一定功率下，適當降低截割速度或轉速，將使截割力矩和截割力相應增加，有利于截割較硬的煤巖。同時，還可降低截割頭上的動載荷，減少截齒的磨損和粉塵。通常，在煤和軟巖中，可取vj=2.03.0m/s，截割頭的轉速為30100r/min。對于中硬巖，可選vj=0.81.6m/s。設計中取vj=1.5m/s,截割頭的轉速為60r/min。當截割速度（或轉速）一定時，擺動影響切屑厚度的大小。隨著擺動速度增加，切屑厚度將加大，截割阻力、牽引阻力和截割功率呈線性增加，而單位能耗按曲線規律下降

17、（見下圖）?？梢?，對于一定的煤巖，存在著一個單位能耗最小的合理切屑厚度。采用該切屑厚度，可在一定功率下獲得最佳的截割效率和截割工況。圖2-3切屑厚度的影響Figure 2-3 Thickness of chip influenceN截割功率；Hw單位能耗；F0截割阻力；Rb牽引阻力；合理的切屑厚度隨煤巖性質的不同而已，各種煤巖切削試驗的統計資料表明，在h=510cm時，截割煤的單位能耗最小。通常，軟煤的板煤巖取hmax=35cm，較硬的半煤巖或中硬巖取hmax=23cm?？紤]到掘進機對煤巖特性具有一定的使用范圍，通常在較軟的半煤巖中，可選合理的工作擺動速度vb=23m/min，在較硬的半煤巖中

18、，可取1.52.0m/min，對于中硬巖石為保證截齒的壽命和牽引力，擺動速度不易太高，可取vb=11.5m/min。同時，為了在不同條件下能盡量按合理的切屑厚度來工作，以獲得較高的截割效率，應按相應的合理截割速度來調節擺動速度。設計采用vb=1.5 m/min。2.2.7 牽引力截割頭在回轉時，必須具有足夠的牽引力，以便截割頭在擺動方向能有效地截入煤巖，保證截割頭工作的正常進行。截割頭平均直徑出的牽引力為P=(11.34)PC。牽引力一般為3060kN，對于半煤巖或中硬巖取大值，在掘進f6以上巖石時，牽引力應該提高到100kN左右，而牽引速度需降低到1.5m/s左右，但牽引力太大時，將影響機器

19、的穩定性，需增設輔助支撐裝置。2.3 截齒的選擇與截齒排列圖設計截齒的選用應根據煤巖的堅硬度、脆性長度、所含夾面層等綜合考慮。一般來說，煤質堅硬、節理層理不明顯、裂隙不發達的煤巖巷道，可采用扁形齒。因其徑向安裝，刀體部分承受較大的彎矩，易斷裂，所以刀體應有較高的強度。對于煤質硬而脆且含有硬夾石的煤層，應采用鎬形齒。其強度大、耐磨，而且截割阻力的作用方向近于沿截齒軸線，將截齒壓緊在齒座上，因而對齒身的彎矩小，齒的固定裝置也較簡單。選用型號為JG25/108的截齒，齒全長為108mm，柄部直徑為25mm的鎬形截齒。2.3.1 截齒的排列原則截齒在截割頭上的排列方式，直接影響破碎效果、受力狀況、功率

20、消耗和截割工況。對截齒布置總的要求如下:單位能耗低、截齒損耗少、塊率高、吸入性粉塵少，沼氣瀉出量和摩擦發光的概率小。擬定截齒排列圖時，考慮的一般原則：1）保證工作機構的負荷均勻、工作平穩、振動小。為此，使每條截線上的齒數相等。2）單位能耗小，截割效率高。應合理確定截線距和切屑厚度。一般，對于裂隙少、崩落角小的中硬煤巖，截線距可取為3050mm；裂隙多、崩落角大的脆性煤或煤巖，可取為5070mm。3）為充分利用地壓和自由面，并考慮在不同鉆進深度內截割阻力不同，截割頭前部的截線距應小小一些，而后部的截線距應適當加大；4）為了減小截割阻力、降低截齒載荷，應采用合理的排列方式；5）為保證功率一定情況下

21、，截割頭具有較大的單齒截割力，截齒總數不易過多，一般為2040個，軟的煤巖取低值，硬的煤巖取高值。截齒排列圖如圖2-4所示：圖2-4截齒排列圖Figure 2-4 cutting picks arrangement Figure本設計中取截線距取為60mm；截齒的總數為20個。2.3.2 截齒的排列方式截齒的排列方式通常有兩種，一種是順序式，另一種是交叉式。順序式布置的截齒是一個挨著一個進行截割的，形成的截槽兩邊不對稱，截齒兩側受力不等。另外，這種布置方式，切屑斷面較小。其條件是：截割頭數與每線齒數之比為1。交叉式排列的條件是：螺旋頭數與每線齒數之比為2。截齒是以一個間隔一個的次序進行截割的，

22、形成兩側接近對稱的截槽，可以保證截齒兩側的受力基本平衡，切屑面積大，截割比能耗低。這種排列方式有利于降低截齒的側向和截割比能耗。因此，截割頭上使用較多。設計中選用交叉式的排列方式。2.4 截割頭載荷計算作用于截齒上的截割阻力計算方法，目前國內外尚無公認的統一方法。在掘進機設計計算中，我國工程技術人員經常采用原蘇聯學者提出的計算方法。1)截煤時作用于銳利截齒上的截割阻力與牽引阻力分別為：=，N （2-1）=,N （2-2）式中 工作面煤層存在礦壓顯現時截割阻抗平均值，；bp截齒工作部分的寬度，mm，鎬齒可取bp=0.5d,d是鎬齒齒柄直徑，d=25mm；考慮煤脆塑性的系數，脆煤取1，粘煤取0.8

23、5；ky考慮截齒截角對單位能耗的影響系數，按下面的對應關系選?。罕?-160° 70° 80° 90°0.6 0.93 1.08 1.24kn在銳齒上牽引阻力與截割阻力之比，在截割脆性煤時，此系數取0.6，粘性煤取0.7；平均切屑厚度，mm，；截割頭擺動速度；截割頭轉速；每條截線上的齒數，m=2；平均截線距；kz外露自由表面影響系數，當截齒工作寬度bp =1015mm，截線距由20mm增加到35mm，kz由0.68減少到0.52；當bp=2030mm, kz由0.74減少到0.58；截齒前刃面形狀影響系數，前刃面為平面，取1，橢圓形前刃面取0.90.95

24、，楔形前刃面取0.850.9；kC考慮截齒切割圖系數，對于順序排列的截齒，kC取1，交叉排列取1.25；k0T礦壓影響系數，取1；截齒相對于牽引方向安裝角度，其中=（如下圖所示），角為截齒軸線對截割頭表面法向的的傾角，為截割頭半錐角。圖2-5截齒安裝角Figure 2-5 pick installation angle取=300N/mm ，bp=12.5mm,f=2,脆性煤，=1，取60°，則ky=0.6，kn=0.6，n=60r/min，hmax =12.5mm,則h=7.96mm，t=35mm，kz=0.52, =0.9, kC =1.25, k0T =1, =20°，

25、則=40°，將取值代入2-7、2-8計算，得：Z0=N, Y0=N2)對已磨鈍的截齒，截割阻力z和牽引阻力y的平均值為：，N （2-3）,N （2-4）式中 截齒截割運動的阻力系數，取0.4；煤的單軸抗壓強度，MPa;sj齒的后刀面磨鈍后在牽引方向投影面積，mm2,徑向齒取3040 mm2，切向齒取1520 mm2；考慮煤體受壓狀態的系數，脆性煤為30，粘性煤為35。取=0.4，=10f=20 Mpa, =16 mm2, =30，代入以上兩式，得：，2.5 截割頭功率確定在經驗設計中，常采用類比法。這種方法是根據所截割煤巖的特性、工作機構的類型，參照類似工作條件、工作范圍的國內外各種

26、掘進機，來選定截割電動機的功率。本設計中截割頭功率采用單位能耗法，按照這種方法，截割頭的功率為： （2-5）式中 N截割頭功率，kw；Hw單位能耗，kwh/m3；L截割頭長度，m；截割頭平均直徑；Vb截割頭橫擺速度，m/min。單位能耗Hw取決于煤巖特性、工作機構的類型和參數。由于懸臂式掘進機截割時，至少存在兩個以上的自由面，因此其單位能耗一般較滾筒式采煤機低。對于f4的煤巖，可取Hw =0.41.5；對于f=48的半煤巖，可取Hw =36。取Hw =1.2，L=600mm, D=582mm, Vb =1.5m/min,代入2-5，得:N=37.7kW設計中選用截割頭的功率為38kW。2.6

27、懸臂設計 伸縮機構類型選擇按長度可變與否分為固定式和伸縮式兩種。固定式懸臂的結構簡單，但由于履帶的動粘著系數小于靜粘著系數，當煤巖堅硬時靠履帶推進不能滿足要求，特別是在巷道底板松軟的情況下，掘進機經?！皰佸^”。伸縮式懸臂工作機構能在履帶靜止時獲得較大的推進力，避免履帶的重復動作，防止機器下沉，并且有利于挖水溝，適應性好。所以，新設計的掘進機應盡量采用伸縮式懸臂。縱軸式掘進機工作機構的伸縮裝置，可分為內伸縮式與外伸縮式兩種。如下圖所示，其中1-懸臂；2-減速器；3-電動機；4-伸縮油缸；5-滑架；6-花鍵主軸；7-內套；8-聯軸器；9-外套。圖2-5懸臂伸縮原理圖:a）內伸縮式；b）外伸縮式；F

28、igure 2-5 cantilever expansion principle Figure1)內伸縮式。內伸縮式（也稱套筒式）伸縮裝置，由伸縮部分和固定部分組成。電動機、聯軸器和減速器相對于懸臂本身在軸向是固定的。花鍵主軸、截割頭、內套筒和保護套筒是可伸縮部分，在伸縮油缸的作用下，通過花鍵連接和導向，相對于固定部分完成伸縮動作。2)外伸縮式。外伸縮式（又稱滑架式）裝置是將電動機、聯軸器和減速器等連成一個剛性整體，構成懸臂的可伸縮部分，而固定部分為一與回轉臺鉸接的滑架?？缮炜s部分裝在滑架內，利用伸縮油缸使其來回整體移動，實現伸縮。外伸縮式結構簡單、制造方便，主軸與減速器在軸向固定連接，密封性

29、能好，但伸縮時移動部分質量較大，不利于機器的穩定性。懸臂的伸縮機構選擇外伸縮式。2.7 懸臂有關參數的確定2.7.1 伸縮量懸臂伸縮裝置的伸縮量要與掘進機的截深相適應。應等于或大于截深，但考慮伸縮部分的結構和機器工作的穩定性，懸臂伸縮量一般為500600mm。本設計中懸臂的伸縮量設計為500mm。2.7.2 懸臂長度和擺角懸臂長度是從擺動中心到截割頭頂部的距離。擺角指懸臂從擺動中心的水平位置想上、下、左、右擺動的角度。這兩個參數的大小決定了機器可掘斷面的大小。當掘進巷道的形狀和規格確定后，可按照巷道的最大高度和上、下寬度，結合垂直擺動中心的高度，可初步定出懸臂的長度和擺角。3 掘進機總體設計3

30、.1 選定該機型和各個部件及其結構型式、驅動方式、并進行總體的合理布置該項內容在確定前，首先應滿足設計任務書的內容，特別是用戶提出的主要要求，結果調研，雙方反復交換意見，達到既能滿足用戶（或上級）條件，又能較好的符合本企業產品發展的總體規劃。 機型的選定根據掘進機的用途，是用于煤礦井下巷道的掘進還是用于其他行業的工程作業，掘進機的工作條件是用于截割煤巷還是半煤巖巷，煤巖的單向抗壓強度（或普氏系數f值）及巖石的腐蝕系數。同時同時應對照行標MT1381995懸臂式掘進機的型式與參數，按其截割煤巖的最大單向抗壓強度，選定機型的類別。機型類別為EM1A型。3.2 工作機構的型式選擇部分斷面掘進機的工作

31、機構有截鏈式、圓盤銑削式和懸臂截割式等。因懸臂截割式掘進機機體靈活、體積較小，可截出各種形狀和斷面的巷道，并能實現選擇性截割，而且截割效果好，掘進速度較高；所以，現在主要采用懸臂截割式，并已成為當前掘進機工作機構的一種基本型式。按截割頭的布置方式，分為縱軸和橫軸式兩種。縱軸式截割頭的優點是：傳動方便、結構緊湊，能截出任意形狀的斷面，易于獲得較為平整的斷面，有利于采用內伸縮懸臂，可挖柱窩或水溝。截割頭的形狀有圓柱形、圓錐形和圓錐加圓柱形，由于后兩種截割頭利于鉆進，并使截割表面較平整，故使用較多。這種工作機構的缺點是：由于縱軸式截割頭在橫向擺動截割時的反作用力不通過機器中心，與懸臂形成的力矩使掘進

32、機產生較大的振動，故穩定性較差。因此，在煤巷掘進時，需加大機身重量或裝設輔助支撐裝置。目前，這種掘進機在部分斷面掘進機中使用較多。橫軸式截割頭分滾筒形、圓盤形、拋物線形和半球形幾種。這種掘進機截齒的截割方向比較合理，破落煤巖較省力，排屑較方便，但在切入工作面時需左右擺動，不如縱軸式工作機構使用方便。而且滾筒較長，對掘進巷道的斷面形狀有所限制。這種截割頭的優點是由于截深較小，截割與裝載情況較好。截割阻力據可為機器的自重所平衡，穩定性較好。其缺點是傳動裝置較復雜；當切入工作面時需要左右移動，而且在垂直平面內移動是受限制約的，難以獲得較平整的側壁。這種掘進機多使用拋物線或半球形截割頭。由于工作機構的

33、載荷變化范圍大、驅動功率大、過堅硬巖石時短期過載運轉、有沖擊載荷、振動較大，要求其傳動裝置體積小，最好能調速?？紤]掘進機工作時，截割頭不僅要具有一定的轉矩和轉速以截割煤巖，而且要能上下左右擺動，以掘出整個斷面，掘進機工作機構一般都采用單機驅動。雖然液壓傳動具有體積小、調速方便等優點，但由于對沖擊載荷很敏感，元件不能承受較大的短時過載，一般選擇過載能力較大的電動機驅動。工作機構設計為懸臂縱軸式。3.3 裝載機構的型式選擇部分斷面掘進機的裝載機構有4種：1)單雙環形刮板鏈式。單環形是利用一組環形刮板鏈直接將煤巖裝到機體后面的轉載機上。雙環形刮板鏈式又叫小環形刮板式，是由兩排并列、轉向相反的刮板鏈組

34、成。若刮板鏈能左右張開或收攏，就能調節裝載寬度，但結構復雜。環形刮板鏈式裝載機構制造筒單，但由于單向裝載，在裝載邊易形成煤巖堆積，從而會造成卡鏈和斷鏈。同時，由于刮板鏈易磨損，功率消耗大，使用效果較差。2)螺旋式。是橫軸式掘進機上使用的一種裝載機構，它利用左右兩個截割頭上旋向相反的螺旋葉片將煤巖向中間推入輸送機構。由于頭體形狀的缺點，這種機構目前使用很少。3)耙爪式。是利用一對交替動作的耙爪來不斷地耙取物料并裝入轉載運輸機構。這種方式結構簡單、工作可靠、外形尺寸小、裝載效果好，目前應用很普遍。但這種裝載機構寬度受限制（因為掘進機工作時履帶行走機構一般不調動）。為擴大裝載寬度，可使鏟板連同整個耙

35、爪機構一起水平擺動，或設計成雙耙爪機構，以擴大裝載范圍。4)星輪式。該種機構比耙爪式簡單、強度高、工作可靠，但裝大塊物料的能力較差。通常，應選擇耙爪式裝載機構，但考慮裝載寬度問題，可選擇雙耙爪機構，也可設計成耙爪與星輪可互換的裝載機構。裝載機構可以采用電動機驅動，也可用液壓馬達驅動。但考慮工作環境潮濕、有泥水，選用液壓馬達驅動為好。裝載機構型式選為耙爪式。常見的裝載機構的型式如下圖所示，其中a)雙環形刮板鏈式；b)單環形刮板鏈式；c)螺旋式；d)、e)蟹爪式；f)耙爪式。圖3-1 裝載機構的型式Figure 3-1 loading mechanism pattern3.4 輸送機構的型式選擇部

36、分斷面掘進機多采用刮板鏈式輸送機構。輸送機構一般是由機尾向機頭方向傾斜向上布置的。輸送機構可采用聯合驅動方式，即將電動機或液壓馬達和減速器布置在刮板輸送機靠近機身一側，在驅動裝載機構同時，間接地以輸送機構機尾為主動軸帶動刮板輸送機構工作。這樣傳動系統中元件少、機構比較簡單，但裝載與輸送機構二者運動相牽連，相互影響大。由于該位置空間較小布置較困難。輸送機構采用獨立的驅動方式，即將電動機或液壓馬達布置在遠離機器的一端，通過減速裝置驅動輸送機構。這種驅動方式的傳動系統布置簡單，和裝載機構的運動互不影響。但由于傳動裝置和動力元件較多，故障點有所增加。目前，這兩種輸送機構均有采用，設計時應酌情確定。一般

37、常采用與裝載機構相同的驅動方式。輸送機構型式選為刮板鏈式輸送機構。3.5 轉載機構的型式選擇該掘進機的轉載機構有兩種布置方式：1)作為機器的一部分；2)為機器的配套設備。目前，多采用膠帶輸送機。膠帶轉載機構傳動方式有3種：1)用液壓馬達直接或通過減速器驅動機尾主動卷筒；2)由電動卷筒驅動主動卷筒；3)利用電動機通過減速器驅動主動卷筒。為使卸載端作上下、左右擺動，以使轉運的煤巖能夠正確地卸入礦車或轉載機中，一般將轉載機構機尾安裝在掘進機尾部的回轉臺托架上，可用人力或液壓缸使其繞回轉臺中心擺動，達到擺角要求。同時，通過升降液壓缸使其繞機尾鉸接中心作升降動作，以達到卸載的調高范圍。轉載機構應采用單機

38、驅動，可選用電動機或液壓馬達。轉載機構為機器的配套設備，膠帶裝載機構由電動卷筒驅動主動卷筒。3.6 行走機構的型式選擇掘進機的行走機構有邁步式、導軌式和履帶式幾種。目前，部分斷面掘進機通常采用履帶式行走機構。由于其工作環境差，用電動機驅動易受潮燒毀，最好選用液壓馬達驅動。履帶式行走機構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，機動性能好、工作可靠、調動靈活和對底板適應性好等優點。但其結構復雜、零部件磨損較嚴重。目前部分斷面掘進機通常采用履帶式行走機構。行走機構選為液壓馬達驅動的履帶式行走機構。3.7 除塵裝置的型式選擇掘進機的除塵方式有噴霧式和抽出式兩種。1)噴霧式。用噴嘴把具

39、有一定壓力的水高度擴散、霧化，使粉塵附在霧狀水珠表面沉降下來，達到滅塵效果。為了提高降塵效果，部分斷面掘進機大多采用內、外噴霧相結合的辦法，并且和截割電動機、液壓系統的冷卻要求結合起來考慮。將冷卻水由噴嘴噴出降塵。掘進機噴霧系統由內噴霧、外噴霧和引射器三部分組成。壓力水是經過液壓系統冷卻器、水冷電機后進入引射噴霧器的。引射噴霧器由噴嘴、引射風筒、底板等組成的。壓力水從裝由螺旋芯的噴嘴中射出時在風筒后形成一個負壓區，帶有煤塵的空氣被吸入并隨水霧一起射向前方。引射噴霧器如圖3-2所示： 掘進機上使用的噴嘴由平射形噴嘴，旋渦形噴嘴，內沖擊形噴嘴和引射形噴嘴。選擇噴嘴的原則是：霧化質量好，噴霧范圍大，

40、耗水量小，外形尺寸小，不易堵塞、磨損和損壞，拆裝方便。2)抽出式。由于僅采用噴霧裝置不能保證應有的空氣凈化程度，一些掘進機上還設有吸塵裝置，其作用原理是，用吸塵裝置在產生粉塵的地方吸入含塵空氣，然后在特別的機構中分離粉塵，清洗后的空 圖3-2 引射噴霧器氣在掘進機工作位置的后面放入巷道。 Figure 3-2 ejector sprayer常用的吸塵裝置是集塵器，它是利用風機使集塵器內產生負壓，將工作面含塵空氣由吸風口吸入后，采用濕式或干式除塵。設計掘進機時，應根據掘進機的技術條件來選集塵器。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機移動，風機的噪音很大，應安裝消音裝置。抽出式除

41、塵裝置滅塵效果好，但因設備增多，使工作面空間減小。近年來，除塵設備有向抽出式和噴霧式聯合并用方向發展的趨勢。3.8 總體布置 總體布置的內容總體布置的內容包括以下幾個方面：1）確定各部件在整機說的位置，并對外形尺寸提出要求；2）確定各部件、部件與整機之間的連接方式；3）估算整機重量，并對各部件的重量提出要求；4）布置各操縱機構、司機座位等；5）審核個運動部件的運動空間，排除可能發生的運動干涉。 具體要求在掘進機總體布置時，需注意以下問題：1）工作機構減速器減速器的進、出軸盡量同軸線；2）懸臂和鏟板的尺寸關系相適應，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中心的位置可以重合

42、，也可以不重合。從增加機器的穩定性看，擺動這些都高度應盡量降低。在保證懸臂不與其他機構干涉的條件下，擺動中心的位置應盡量靠后，但必須保證中心在機器的縱向對稱平面內；4）當各主要部件設計出來之后。應進行校核，不滿足需求時需僅需調整，使重心位于履帶中心稍偏前且小于L/6（L為履帶接地長度）。此外，還需求重心位置在截割機構回轉臺中心線之后，而且重心高度越低越好，以提高機器作業時的穩定性。5）總體布置應考慮左右兩側重量對稱并照顧工作習慣及方便操作。司機座一般設在機身左側、且位于機身后部，座椅高度應保證司機的視線，使其哪個很好地操縱機器，截割出規則的巷道；6）操縱臺位置要適當，應保證司機操縱方便、省力。

43、儀表顯示裝置的位置要便于司機觀察，又不分散司機正常操作的注意力。3.9 傳動型式及動力元件的選擇3.9.1 傳動型式及元件選擇應遵循的原則1）技術先進性：能夠改善機器性能，提高生產率；2）經濟合理性：傳動系統盡量簡單、元件少，易加工，價格低，維修容易，使用壽命長；3）工作可靠性:傳動系統的可靠性表現為元件使用壽命，因此也是對元件質量的要求；4）適應性：元件應適應傳動系統的載荷、工況及環境等條件的要求。3.9.2 各機構對傳動系統的要求及傳動型式的選擇掘進機的截割、裝載、運輸、行走等機構一般均為分別傳動，各部件受力狀態及工作條件不同，因而傳動型式有不同的要求。1）工作機構要求有較大的短時過載能力

44、，而油馬達對沖擊負荷很敏感，過載負荷能力低，影響截割頭正常連續運轉。所以，掘進機的工作機構宜采用電動機為動力的機械傳動型式。應利用體積小、功率大、過負荷能力強的專用電動機，并配備可靠的電氣保護裝置。根據工作機構結構緊湊的特點，通常工作機構的減速器設在懸臂內，成為懸臂的組成部分。截割頭調速方式一般采用配換掛輪的方法，變速機構力求簡單。2）耙裝機構傳動裝置的特點是：減速器需裝在尺寸有限的鏟板下部，因而設計空間較小，工作條件惡劣。減速器經常浸泡在煤巖泥水中，卡料時易過載。耙裝、輸送機構若采用機械傳動，用于電動機尺寸較大，不便在輸送機尾安裝，一般是在鏟板上部兩側安裝兩臺電動機，作為耙裝、輸送機構的共同

45、動力，這樣勢必使減速箱的尺寸增大，在鏟板下布置較緊張。此外，考慮耙爪及鏈板卡鏈過載情況，為保護電動機不至燒毀，一般需要在減速器內設安全摩擦片離合器。耙裝、輸送機構若采用齒輪油馬達傳動，由于尺寸小、重量輕，可使二者分別傳動，從而簡化傳動裝置，便于在鏟板下布置，便于設計密封效果好的機械密封或將減速器與鏟板分離，同時可實現過載自動保護。3）履帶行走機構的驅動方式有電動機和油馬達驅動兩種方式。分別通過機械減速裝置或直接由油馬達帶動履帶的主動鏈輪運轉。機械傳動的履帶行走機構，一般是將電動機裝于兩條履帶減速器后部，制動方式采用機械液壓制動方式。這種傳動方式傳動可靠性高，電動機價格低，維修容易，但不能調速，

46、減速箱體積較大，巷道淋水大時，電動機易受潮而燒毀。履帶行走機構采用液壓傳動型式，系統簡單、性能較好、技術先進。液壓傳動的行走機構中，在液壓馬達型式選擇及調速方式設計方面，有不同的方案。采用低速大扭矩馬達驅動，其特點是系統簡單，尺寸小、重量輕，能夠實現無級調速及過載自動保護。但液壓馬達傳動復雜、制造費用高，維護較難。采用齒輪油馬達,容積效率高，耐沖擊性能好，維修容易，造價較低，一臺10KW左右齒輪油馬達的價格只有同功率徑向柱塞馬達的1/10；尺寸小、重量輕。一臺10KW左右齒輪油馬達的重量，僅為同功率低速大扭矩馬達的1/18，為電動機重量的1/13。采用齒輪油馬達后，減速器尺寸雖然較低速大扭矩馬

47、達的大，但較電動式的?。∕RH-S50-13型機的減速器傳動比i=328）。因此可方便地將馬達、減速器、液壓制動閥、緊鏈裝置等安裝于履帶架中間。這種方式在技術性能上優于機械傳動，在經濟指標上優于低速大扭矩馬達傳動。因此具有獨特的優點。行走機構的調速方式有兩種，一種是采用變量泵。另一種是采用分流或并流的調速方案，如MRH-S50-13型機，即在機器快速調動時，停止向裝載馬達供油，僅向行走馬達供油，使掘進機有兩種行走速度。3.10 總體參數的確定掘進機的總體參數，是指主要性能參數。它表示了掘進機特性的指標。掘進機的總體參數有：機重、外形尺寸、可掘斷面、生產率、截深、擺動速度、截割力等。 機型大小掘

48、進機的發展方向是定型化、系列化、并向“大斷面”、“高硬度”發展。掘進機的性能、外形、結構和重量應很好地適應煤巖的性質和巷道的尺寸。定型化就是根據煤礦地質條件和礦井掘進工藝確定基本機型。如表3-1：表3-1基本機型與主要參數Table 3-1 basic type and main parameter基本機型主要參數第一型第二型第三型掘進斷面（m2）截割巖石硬度（f）截割功率（KW）機器重量（t）6144557501625820467511025401024681101604075表中第一項以掘進煤巷為主，它的特點突出經濟、靈活、方便，在截割巷道截面尺寸方面有較大的適應性。第二型以掘進半煤巖巷為

49、主，在截割巖石硬度方面適應性較強，但機器設計不易過于笨重和龐大，在使用時有較大的覆蓋面。第三型是具有更高切割能力的掘進機，應用范圍更加廣泛。3.10.2 機器外形尺寸由于掘進機在井下作業，受巷道斷面和空間的約束，其大小對機器的適用范圍有直接的影響，因此，掘進機的外形尺寸有嚴格的限制。機器的高度越低越好，但由于離地最小間隙和龍門高度的要求，機器不可能太低，一般小斷面掘進機應在1.7m以下，大斷面掘進機應低于2m?？紤]掘進機應有通過彎道的能力，所以機器固定部分的長度應控制在7m左右。機器的寬度要與巷道寬度相適應，機器兩側距巷道兩側壁應保持適應的距離，以便于人員的通過和材料的搬運。目前掘進機的外形尺

50、寸（長×寬×高），一般為6×1.6×1.68×2.2×2m(不含轉載機長度)。掘進機外形尺寸設計為7×2×1.9m(長×寬×高)。 機器可掘斷面機器的規格和重量主要取決于巷道斷面的大小。設計掘進機時，應把滿足巷道斷面的要求作為一個主要依據，要滿足下列關系： （3-2）式中 Smin機器可掘最小斷面； Smax機器可掘最大斷面； S巷道斷面。機器可掘最小斷面是指掘進機可進行正常作業的最小巷道斷面。機器可掘最大斷面為掘進機定點截割（機器在巷道中間不移動）時，能夠截割出的最大巷道斷面。懸臂式掘進機掘進

51、斷面的大小，決定于懸臂的長度和回轉角度，其截割頭頂端的運動軌跡為一球面，由于水平回轉半徑在各個高度位置是變化的，故掘進斷面的實際極限形狀為弧線等腰梯形，如下圖所示：圖3-3掘進斷面尺寸計算Figure 3-3 excavated artificial harbor dimension calculation掘進機工作時處于巷道的中央位置，若不考慮截割頭的具體結構尺寸，則掘進斷面可近似計算如下：最大寬度（當懸臂在水平位置擺動時）： （3-3）上部寬度（當懸臂在上極限位置左右擺動時）： （3-4）下部寬度（當懸臂在下極限位置左右擺動時）： （3-5）上擺高度： （3-6）下擺高度： （3-7）臥底

52、深度： （3-8）巷道高度： （3-9）可掘最大斷面： （3-10）式中 L截割頭前端至懸臂回轉中心O1的距離； a垂直回轉中心O1至水平回轉中心O2的距離； 水平回轉時，懸臂的擺角； 垂直回轉的上擺角； 截割到巷道底平面時，垂直回轉的下擺角； 臥底時，懸臂垂直回轉的最大下擺角，可根據臥底的深度來定，一般可取h=100300mm。實際上，由于掘進斷面多為梯形或拱形，所以實際得到的有效斷面較上述計算值小。此時，也應按上述關系和實際要求的斷面形狀與大小來確定B1、B2和H。設計題目中給定要求巷道的頂板、底板、側壁光滑，這就使得，其中，=40°，是截割頭的半錐角；、分別為懸臂的上下擺角；為

53、懸臂的水平擺角。為懸臂的長度，設計為3200mm，a取為1000mm，h取為150mm。將這些數據分別代入（3-3）（3-10）各式，得：B=2873mm；B1=B2=2741mm；H1=1094mm；H2=2057mm，H= H1+H2=3151mm。計算得Smax=6.1m2，題目中給定的可掘斷面為5.5m2，Smax=6.1m25.5m2，滿足要求。3.10.4 生產率掘進機的生產率包括掘進生產率、裝載生產率和運輸生產率。它們之間有一定的關系。1）截割生產率。截割生產率即機器的生產率，它又分為理論生產率、技術生產率和實際生產率。掘進機的理論生產率為： （3-11）式中 QT掘進機理論生產率； 煤巖松散系數，一般取=1.5； A截割頭橫截面積，m2； Vb截割頭橫向擺動速度，m/min。技術生產率是掘進機在給定條件下連續工作一