【正文】 懸臂縱軸式掘進(jìn)機(jī)的總體設(shè)計(jì) 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(duì)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，并繪制傳動(dòng)、液壓、電控系統(tǒng)圖等。 1．選定該機(jī)型和各個(gè)部件及其結(jié)構(gòu)型式、驅(qū)動(dòng)方式、并進(jìn)行總 體的合理布置 該項(xiàng)內(nèi)容在確定前，首先應(yīng)滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的內(nèi)容，特別是用戶提出的主要 要求經(jīng)過調(diào)研，雙方反復(fù)交換意見，達(dá)到既能滿足用戶 (或上級(jí) )條件，又能較好 的符合本企業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的總體規(guī)劃。 1）機(jī)型的選定 根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的用途， 是用于煤礦井下巷道的掘進(jìn)還是用于其他行業(yè)的工程作 業(yè)，掘進(jìn)機(jī)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(qiáng)度(或 普氏系數(shù) f 值 )及巖石的磨蝕系數(shù)。同時(shí)應(yīng)對(duì)照行標(biāo) MT138~1995《懸臂式掘進(jìn)機(jī) 的型式與參數(shù)》 ，按其截割煤巖的最大單向抗壓強(qiáng)度，選定機(jī)型的類別。 2）各部件結(jié)構(gòu)型式、驅(qū)動(dòng)方式的確定 掘進(jìn)機(jī)一般由截割機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及輔助 裝置 (如除塵裝置、安全裝置、遙控 監(jiān)測裝置 )等組成。 a．截割機(jī)構(gòu)。截割機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在傳動(dòng)系統(tǒng)中一般 設(shè)齒形聯(lián)軸節(jié)，不設(shè)機(jī)械式過載保護(hù)裝置，經(jīng)兩級(jí)行星減速器帶動(dòng) 主軸前端的截 割頭。 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等。因懸臂 截割式掘進(jìn)機(jī)機(jī)體靈活、體積較小，可截出各種形狀和斷面的巷道，并能實(shí)現(xiàn)選 擇性截割，而且截割效果好，掘進(jìn)速度較高；所以，現(xiàn)在主要采用懸臂截割式， 并已成為當(dāng)前掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)方便、結(jié)構(gòu)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(nèi)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(jìn)，并使截割表 面較平整，故使用較多。 這種工作機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是：由于縱軸式截割頭在橫向擺動(dòng) 截割時(shí)的反作用力不通過機(jī)器中心，與懸臂形成的力矩使掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生較大的振 動(dòng)， 故穩(wěn)定性較差。 因此， 在煤巷掘進(jìn)時(shí)， 需加大機(jī)身重量或裝設(shè)輔助支撐裝置。 目前，這種掘進(jìn)機(jī)在部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)中使用較多。 b．裝運(yùn)機(jī)構(gòu)。它一般由裝載機(jī)構(gòu)和中間輸送機(jī)組成。它們可采用分別驅(qū)動(dòng) 或集中聯(lián)動(dòng)方式，既可用交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。 耙爪式是利用一對(duì)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（因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)工作時(shí)履帶行走機(jī)構(gòu)一般不調(diào)動(dòng)） 。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。 星輪式機(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。 裝載機(jī)構(gòu)方案是既能裝設(shè)耙爪式也可裝設(shè)星輪式， 兩者可以互換使用。 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)。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)可采用聯(lián)合驅(qū)動(dòng)方式， 即將電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)和減速器布置在刮板輸送機(jī)靠近機(jī)身一側(cè)， 在驅(qū)動(dòng)裝載機(jī) 構(gòu)同時(shí)，間接地以輸送機(jī)構(gòu)機(jī)尾為主動(dòng)軸帶動(dòng)刮板輸送機(jī)構(gòu)工作。這樣傳動(dòng)系統(tǒng) 中元件少、機(jī)構(gòu)比較簡單，但裝載與輸送機(jī)構(gòu)二者運(yùn)動(dòng)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(jī)構(gòu)采用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)方式， 即將電動(dòng)機(jī)或液壓馬達(dá)布置在遠(yuǎn)離機(jī)器的一 端，通過減速裝置驅(qū)動(dòng)輸送機(jī)構(gòu)。這種驅(qū)動(dòng)方式的傳動(dòng)系統(tǒng)布置簡單，和裝載機(jī) 構(gòu)的運(yùn)動(dòng)互不影響。但由于傳動(dòng)裝置和動(dòng)力元件較多，故障點(diǎn)有 所增加。 目前，這兩種輸送機(jī)構(gòu)均有采用，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)酌情確定。一般常采用與裝載機(jī) 構(gòu)相同的驅(qū)動(dòng)方式。 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。 c．行走機(jī)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)一般采用履帶型式，履帶式行走機(jī)構(gòu)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(duì)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 斷面掘進(jìn)機(jī)通常采用履帶式行走機(jī)構(gòu)。兩條履帶分別由各自的動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)，可實(shí) 現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向。履帶 的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力有電動(dòng)機(jī)和液壓馬達(dá)兩種，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)一般只設(shè)置 一種行走速度，液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)可采用低速大扭矩馬達(dá)直接帶動(dòng)履帶鏈輪，或采用 中速液壓馬達(dá)減速器帶動(dòng)履帶鏈輪的傳動(dòng)方式，它可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速。 履帶結(jié)構(gòu)型式有滑動(dòng)和滾動(dòng)兩種，當(dāng)機(jī)器調(diào)動(dòng)速度≤ 10m/min 的中、輕型掘 進(jìn)機(jī)，宜采用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)型式；當(dāng)機(jī)器的調(diào)動(dòng)速度 10m/min 的重型、特重型掘進(jìn) 機(jī)，應(yīng)采用滾動(dòng)結(jié)構(gòu)型式。 d．液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)多采用開式系統(tǒng)多路閥集中控制 (直接操縱或遙控操 縱 )方式。以往國內(nèi)外多采用齒輪泵，近年來掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)采用柱塞泵有增多 的趨勢。 e．電控系統(tǒng)。電控系統(tǒng)包括動(dòng)力部分、控制部分和檢測部分。電控系統(tǒng)必 須按照煤礦井下防爆要求設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)，必須符合 GB38362020 標(biāo)準(zhǔn)中的 有關(guān)規(guī)定和要求。為了提高掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)時(shí)的安全性，操作的靈活性 以及機(jī)械 傳動(dòng)部分的故障診斷及監(jiān)控功能，從實(shí)用角度考慮，裝設(shè)必要的離機(jī)遙控裝置、 測控壓力、溫度、液位及關(guān)鍵部位的故障診斷裝置。 3）總體布置 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)說的位置，并對(duì)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)重量，并對(duì)各部件的重量提出要求； （ 4）布置各操縱機(jī)構(gòu)、司機(jī)座位等； （ 5）審核個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)空間，排除可能發(fā)生的運(yùn)動(dòng)干涉。 4） 具體要求 在掘進(jìn)機(jī)總體布置時(shí)，需注意以下問題： （ 1）工作機(jī)構(gòu)減速器減速器的進(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)這些都高度應(yīng)盡量降低。在保證懸臂不與其他機(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）當(dāng)各主要部件設(shè)計(jì)出來之后。應(yīng)進(jìn)行校核，不滿足需求時(shí)需僅需調(diào)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(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(duì)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，使其哪個(gè) 很好地操縱機(jī)器，截割出規(guī)則的巷道； （ 6）操縱臺(tái)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。 5）傳動(dòng)型式及動(dòng)力元件的選擇 a．傳動(dòng)型式及元件選擇應(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)為元件使用壽命，因此也是對(duì)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。 b．各機(jī)構(gòu)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的要求及傳動(dòng)型式的選擇 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，因而傳動(dòng)型式有不同的要求。 （ 1）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(duì)沖擊負(fù)荷很敏感， 過載負(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)為動(dòng)力的機(jī)械傳動(dòng)型式。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)，并配備可靠的電氣保護(hù)裝置。根據(jù)工作機(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。 （ 2）耙裝機(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)常浸泡在煤巖泥水中， 卡料時(shí)易過載。 耙裝、輸送機(jī)構(gòu)若采用機(jī)械傳動(dòng)，用于電動(dòng)機(jī)尺寸較大，不便在輸送機(jī)尾安 裝，一般是在鏟板上部兩側(cè)安裝兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，作為耙裝、輸送機(jī)構(gòu)的共同動(dòng)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(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。 耙裝、輸送機(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)。 （ 3）履帶行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式有電動(dòng)機(jī)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) 方式采用機(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)易受潮而燒毀。 履帶行走機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)型式，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)型式選擇及調(diào)速方式設(shè)計(jì)方面，有不同的方案。 采用低速大扭矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其特點(diǎn)是系統(tǒng)簡單，尺寸小、重量輕，能夠?qū)崿F(xiàn) 無級(jí)調(diào)速及過載自動(dòng)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。 采用齒輪油馬達(dá) ,容積效率高，耐沖擊性能好，維修容易，造價(jià)較低，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馬達(dá)的 1/18，為電動(dòng) 機(jī)重量的 1/13。采用齒輪油馬達(dá)后，減速器尺寸雖然較低速大扭矩馬達(dá)的大， 但較電動(dòng)式的?。?MRHS5013 型機(jī)的減速器傳動(dòng)比 i=328） 。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)于低速大扭矩馬達(dá)傳動(dòng)。 因此具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 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，如 MRHS5013 型機(jī)，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)有兩種行走速度。 2．確定整機(jī)主要技術(shù)參數(shù) 掘進(jìn)機(jī)整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)包括尺寸參數(shù) (長寬高 )、重量參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參 數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。 1）尺寸參數(shù) 整機(jī)長度、寬度的大小直接與其轉(zhuǎn)彎半徑有關(guān)，推薦輕型機(jī)長度≤ 7． 5m， 中型機(jī)長度≤ 8． 5m，重型機(jī)≤ l0m，對(duì)應(yīng)的寬度分別為≤ ，≤ ，≤ 3m。 整機(jī)的高度直接關(guān)系到它的動(dòng)、靜態(tài)穩(wěn)定性，適應(yīng)范圍和通過性的好壞，因 此越低越好。當(dāng)今中外機(jī)型發(fā)展趨勢是矮機(jī)型，中、重型機(jī)高度 ～ 2m，特輕 型、輕型機(jī)的高度 ～ 。掘進(jìn)機(jī)可掘巷道斷面的最大、最小高度和寬度應(yīng) 滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。臥底深度 250~400mm,離地間隙 C=B/13+84(mm)， B 為兩 履帶中心距 )。中間輸送機(jī)龍門口過料高度最好為 400mm，履帶接地長度 L 與其 中心距 B 之比應(yīng)為 L/B≤ 。 2）重量參數(shù) 整機(jī)自重是掘進(jìn)機(jī)的 — 個(gè)重要參數(shù)，機(jī)重太輕，工作穩(wěn)定性下降，擺動(dòng)截割 時(shí)會(huì)發(fā)生擺尾現(xiàn)象、截割效率下降，截齒磨耗率增加；機(jī)重太重時(shí)，機(jī)動(dòng)性差， 轉(zhuǎn)向靈活性下降。 — 般它的自重可按 w=(t)估算，式中 N 為截割機(jī)構(gòu)功率， kW； V 為截割頭平均截割速度， m/s；也可參照現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)用類比法來確定，機(jī)重 (t) 與截割功率 （ kW） 之比為 0． 25～ 0． 對(duì)于一般煤、 4。 巖底板， 許用值 ≤ ； 對(duì)于水軟化的泥質(zhì)頁巖底板， ≤ 0． 05MPa。 3）運(yùn)動(dòng)參數(shù) 截割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：截割頭的平均截割速度 V：對(duì)煤巖的單向抗壓強(qiáng)度 σ c ≤ 40MPa， V=3~； σ c ≤ 60MPa， V=2~2． 5m/s， σ c 60MPa． V=l~2m/s。 但最終切割速度由切割技術(shù)來確定。 4）動(dòng)力參數(shù) 掘進(jìn)機(jī)驅(qū)動(dòng)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。實(shí)際