【正文】 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前言 掘進(jìn)機(jī)是具有截割、裝載、轉(zhuǎn)載煤巖，并能自行，具有噴霧除塵等功能，以機(jī)械方式破落煤巖的掘金設(shè)備，有的還具有支護(hù)功能。根據(jù)所掘斷面的形狀分為全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。前者適用于直徑一般為 ~10m的全巖巷道，巖石單軸抗壓強(qiáng)度 50~350MPa的硬巖巷道。可一次截割出所需斷面，且斷面形狀多為圓形，主要用于工程涵洞及隧道的巖石掘進(jìn)；后者一般適用于單軸抗壓強(qiáng)度小于 60MPa 的煤、半煤巖、軟巖水平巷道。但大功率機(jī)器也可用于單軸抗壓強(qiáng)度達(dá) 200MPa 的硬巖巷道。一次僅能截割斷面一部分，需要工作機(jī)構(gòu)多次擺動(dòng) ，逐次截割才能掘出所需斷面，斷面形狀可以是矩形、梯形、拱形等多種形狀，其中懸臂式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)在煤礦使用普遍。 全套圖紙，加 153893706 懸臂式掘進(jìn)機(jī)按截割頭布置方式可分縱軸式和橫軸 式兩種。按掘進(jìn)對(duì)象分為煤巷、半煤巖巷和全巖巷懸臂式掘進(jìn)機(jī) 3 種。按機(jī)器的驅(qū)動(dòng)方式分為電力驅(qū)動(dòng)（各機(jī)構(gòu)均為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)）和電 液驅(qū)動(dòng)兩種。 裝載機(jī)構(gòu)位于機(jī)器前端的下方，其主要作用是將被截割機(jī)構(gòu)分離和破碎的物料集中裝載到運(yùn)輸機(jī)構(gòu)上去。根據(jù)收集裝置機(jī)構(gòu)的不同，裝載機(jī)構(gòu)可分為刮板式裝載機(jī)構(gòu)、蟹爪式裝載機(jī)構(gòu)和星輪裝載機(jī)構(gòu)。 （ 1）刮板式裝載機(jī)構(gòu)。形成封閉運(yùn)動(dòng)鏈，裝載面寬度大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低且裝載效果差，已基本不再采用。 劉曉輝：掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)及裝載減速器 設(shè)計(jì) 2 （ 2）蟹爪式裝載機(jī)構(gòu)。蟹爪式裝載機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)或電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)減速器驅(qū)動(dòng)左右蟹爪收集物料。通過(guò) 準(zhǔn)確設(shè)計(jì)的蟹爪運(yùn)動(dòng)軌跡，可將物料收集搬運(yùn)至運(yùn)輸機(jī)構(gòu)中，它生產(chǎn)效率較高，但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，動(dòng)載荷大，故障率高，使用正逐漸減少。 （ 3）星輪裝載機(jī)構(gòu)。一般通過(guò)低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)多爪星輪，達(dá)到收集物料的目的。由于它具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、故障率低等優(yōu)點(diǎn)，雖過(guò)載能力較低，但還是在掘進(jìn)機(jī)上得到了快速的推廣使用，目前使用最多。 1 緒論 國(guó)外掘進(jìn)機(jī)發(fā)展概況 ： 早在上世紀(jì) 30 年代，德國(guó)、前蘇聯(lián)、英國(guó)、美國(guó)等就開(kāi)始了煤礦巷道掘進(jìn)機(jī)的研制，但巷道掘進(jìn)進(jìn)得到較廣泛工業(yè)性應(yīng)用還是在第二次世界大戰(zhàn)之后。 1948 年，匈牙利開(kāi)始研制 F 系列煤巷掘進(jìn)機(jī)。當(dāng)時(shí)是為了適應(yīng) “房柱式 ”開(kāi)采的需要。 1949 年生產(chǎn)的 F2 型掘進(jìn)機(jī)，是世界上的第一臺(tái)懸臂式掘進(jìn)進(jìn)，不過(guò)當(dāng)時(shí)還未能實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的全部主要功能。1951 年匈牙利研制了采用履帶行走機(jī)構(gòu)的 F4 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)，這種機(jī)型除采用橫軸截割方式和調(diào)動(dòng)靈活的履帶行走機(jī)構(gòu)外，還采用了鏟板和星輪裝載機(jī)構(gòu)，并采用了刮板運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)物料。這種機(jī)型已經(jīng)具備了現(xiàn)代懸臂式掘進(jìn)機(jī)的雛形。 F 系列掘進(jìn)進(jìn)是目前懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)的原始機(jī)型。 1971 年奧地利 ALPINE 公司在匈牙利 F 系列掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)上，研制了 AM50 型掘進(jìn)機(jī)，并在此基礎(chǔ)上 RICKHOFF 公司自行研制出 EVII 型掘進(jìn)機(jī)，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展成為 EVA 系列掘進(jìn)機(jī)。 1973 年 WESTFALIA 公司研制成功了 WAV170 和WAV200 型掘進(jìn)機(jī)。 F 系列、 AM 系列和 WAV 系列掘進(jìn)機(jī)均采用的是橫軸截割機(jī)構(gòu)。 1956 年前蘇聯(lián)生產(chǎn)了首臺(tái) IIK3 型縱軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)，在 8m2 斷面下煤巷中使用。 IIK3型掘進(jìn)機(jī)是目前縱軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)的雛形。 19401964 年，英國(guó)從前蘇聯(lián)引進(jìn)了 IIK3 型掘進(jìn)機(jī)，進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，同時(shí)開(kāi)始了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制。 1963 年 DOSCO 公司在 IIK3型掘進(jìn)進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變截割頭截齒配列和更換電器系統(tǒng)，研制成了 MKII 型和MKIIA 型掘進(jìn)機(jī)，并逐步發(fā)展成為 DOSCO 系列掘進(jìn)機(jī)。 1968 年，德國(guó) EICKHOFF 公司遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 在引進(jìn)的 DOSCO 掘進(jìn)機(jī)基礎(chǔ)上研制開(kāi)發(fā)出了 EV100 型掘進(jìn)機(jī)。后來(lái)德國(guó) PAURAT 公司又研制出了 ET 系列掘進(jìn)機(jī)，使縱軸式掘進(jìn)機(jī)逐步形成系列化。 1966 年，日本三井三池機(jī)械制造公司在前蘇聯(lián) IIK3 型和英國(guó) DOSCO 掘進(jìn)機(jī)的基礎(chǔ)上，研制成功了 S 系列掘進(jìn)機(jī)。到上世紀(jì) 70 年代后期， S 系列掘進(jìn)機(jī)已逐步形成系列化。 經(jīng)過(guò)半個(gè)多 世紀(jì)的發(fā)展，目前，國(guó)外掘進(jìn)機(jī)主要生產(chǎn)國(guó)有：英、德、俄羅斯、奧地利、日本等國(guó)，所生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)已被廣泛用于硬度 f 低于 8 半煤巖的采準(zhǔn)巷道掘進(jìn)，并擴(kuò)大到巖巷。重型機(jī)不移位截割斷面達(dá) 35~42m2，多數(shù)機(jī)型能在縱向 ?16? 、橫向 80 的斜坡上可靠工作，截割功率在 132~300kW，機(jī)重在 20~100t ,切割巖石硬度 f 為 度已降至 1m/s 以下，牽引速度采用負(fù)載反饋調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同巖石硬度；一些機(jī)型除設(shè)有后支撐外，還在履帶前后安裝了卡爪式液壓扎腳機(jī)構(gòu)，以便在切割巖石 時(shí)錨固定位。機(jī)電一體化已成為掘進(jìn)機(jī)發(fā)展趨勢(shì)，新推出的掘進(jìn)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)方向和斷面監(jiān)控、電動(dòng)機(jī)功率自動(dòng)調(diào)節(jié)、離機(jī)遙控操作及工況監(jiān)測(cè)和故障診斷，部分掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn) PLC 控制，實(shí)現(xiàn)回路循環(huán)檢測(cè)。 國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)發(fā)展概況： 我國(guó)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展大體分為 3 個(gè)階段。第一階段上世紀(jì) 60 年代初期到 70 年代末，這一階段主要是以引進(jìn)國(guó)外掘進(jìn)機(jī)為主，在引進(jìn)的同時(shí)，我們的技術(shù)人員開(kāi)始嘗試進(jìn)行消化吸收，但研究水平較低，主要以切割煤的輕機(jī)型為主。主要以當(dāng)時(shí)煤炭科學(xué)研究總院太原分院研制的 I 型、 II 型、 III 型為代表，形成我國(guó)第一代掘進(jìn) 機(jī)。盡管如此，這一時(shí)期的嘗試也為我國(guó)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的第二階段發(fā)展打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。這一時(shí)期產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是重量輕、體積小、截割能力弱、技術(shù)含量偏低，適應(yīng)于煤巷掘進(jìn)。 上世紀(jì) 70 年代末到 90 年代初為消化吸收階段。這一階段分別從英國(guó)、奧地利、日本、前蘇聯(lián)、美國(guó)、德國(guó)、匈牙利等國(guó)家引進(jìn)了 16 種、近 200 臺(tái)掘進(jìn)設(shè)備，對(duì)我國(guó)煤礦使用掘進(jìn)機(jī)起到了推動(dòng)作用。在此期間，我國(guó)與國(guó)外合作生產(chǎn)了幾種懸臂式掘進(jìn)機(jī)并逐步實(shí)現(xiàn)了國(guó)際化。同時(shí)由太原分院研制的 EM130 型、 EL90 型和 EL110 型掘進(jìn)機(jī)分別在佳木斯煤機(jī)廠(chǎng)和淮南煤機(jī) 廠(chǎng)投入小批量生產(chǎn)。在煤礦采掘設(shè)備 “一條龍 ”項(xiàng)目引進(jìn)中，又引進(jìn)了奧地利阿爾卑尼公司的 AM50、日本三井三池公司的 S10041 型掘進(jìn)機(jī)制造技術(shù)和先進(jìn)的加工設(shè)備，使我國(guó)形成了批量生產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)的能力，基本上結(jié)束了中、小型掘進(jìn)機(jī)依賴(lài)進(jìn)口的局面。這一期間我國(guó)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的主要特點(diǎn)是可靠性大幅提高，已能適應(yīng)我國(guó)煤礦的巷道掘進(jìn)，中型掘進(jìn)機(jī)型號(hào)日趨齊全。 劉曉輝：掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)及裝載減速器 設(shè)計(jì) 4 90 年代初至今為自主研發(fā)階段。這一階段中型懸臂式掘進(jìn)機(jī)發(fā)展日趨成熟，重型掘進(jìn)機(jī)大批出現(xiàn)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)與加工制造水平已相當(dāng)先進(jìn)，并且具備了根據(jù)礦井條件實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)計(jì)的能 力。這一時(shí)期形成了多個(gè)系列的產(chǎn)品，主要有煤炭科學(xué)研究總院太原分院研制的 EBJ(Z)系列、佳木斯煤機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的 S 系列、煤炭科學(xué)研究總院上海分院設(shè)計(jì)的EBJ 系列等型掘進(jìn)機(jī)。這一時(shí)期的代表機(jī)型主要有太原分院研制 EBJ160、 EBZ160TY 和EBJ120TP 型掘進(jìn)進(jìn)，其中 EBJ160 和 EBJ120TP 兩種機(jī)型獲得了國(guó)家科學(xué)進(jìn)步二等獎(jiǎng)，另外還有佳木斯煤機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的 S150 型掘進(jìn)機(jī)。這一階段我國(guó)懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)水平大幅提高，各種先進(jìn)的三維設(shè)計(jì)和分析軟件廣泛使用，機(jī)器可靠性大幅提高，功能日趨完善，功率更大，一些先進(jìn) 的故障診斷和顯示技術(shù)、離機(jī)遙控技術(shù)應(yīng)用其中，我國(guó)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)使用技術(shù)跨入了國(guó)際先進(jìn)國(guó)家的行列。由煤炭科學(xué)研究總院太原分院設(shè)計(jì)的EBZ160TY 型掘進(jìn)機(jī)首次采用了恒功率雙速截割電動(dòng)機(jī)、恒功率變量泵和比例多路換向閥的液壓系統(tǒng)，首次將國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)的工作壓力由 16MPa 提高到 23MPa，并能可靠運(yùn)行，這一機(jī)型的研制成功，標(biāo)志著我國(guó)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的研制水平又邁上了一個(gè)新臺(tái)階。 掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)： 掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了由小到大、由單一到多樣化的過(guò)程，現(xiàn)在已形成輕型、中型、重型 3 個(gè)系列。掘進(jìn)機(jī)正向以下幾 個(gè)方面發(fā)展。 (1)增強(qiáng)截割能力。為了實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的截割能力，現(xiàn)在掘進(jìn)機(jī)截割功率不斷增大，截割速度逐漸減低?，F(xiàn)在中重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割功率 120~300kW，個(gè)別機(jī)型達(dá)到 400kW。截割頭轉(zhuǎn)速一般為 20~50r/min，截割速度 1~2m/s，部分機(jī)型降低到 1m/s 以下。經(jīng)濟(jì)截割硬度100~120MPa，最大可達(dá) 140MPa。 (2)提高工作可靠性。由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，使掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)承受交變的沖擊載荷，且磨損和腐蝕嚴(yán)重。而井下的環(huán)境惡劣，空間狹小，檢修不便，因此要求通過(guò)完善的設(shè)計(jì)、高質(zhì)量的制造及合理的使用和良 好的保護(hù)來(lái)提高其可靠性。 （ 3）采用緊湊化設(shè)計(jì)，降低重心，提高工作穩(wěn)定性。由于掘進(jìn)機(jī)懸臂過(guò)長(zhǎng)，使得截割反力較大，不利于機(jī)器穩(wěn)定工作。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，應(yīng)采用緊湊化設(shè)計(jì)，努力降低機(jī)器重心，并在機(jī)器的后部或兩側(cè)增設(shè)油缸穩(wěn)定裝置，以提高機(jī)器的工作穩(wěn)定性。 （ 4）增強(qiáng)對(duì)各種復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性。懸臂式掘進(jìn)機(jī)普遍采用履帶行走裝置，以減小接地比壓；通過(guò)增大驅(qū)動(dòng)功率，以增強(qiáng)牽引力和爬坡能力，從而提高對(duì)各種底板、工況的適應(yīng)性。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 （ 5）研究新型刀具和新型截割技術(shù)。為增強(qiáng)截割能力、提高刀具的使用壽命，應(yīng)努力改進(jìn)刀具的結(jié)構(gòu)，采用新材 料，研究新的破巖方法。 （ 6）發(fā)展自動(dòng)控制技術(shù)。截割斷面監(jiān)視和控制技術(shù)和控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。采用該技術(shù)將實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面切割切割情況較直觀、全面的觀察和了解，并能對(duì)斷面切割精度和巷道質(zhì)量進(jìn)行控制?；窘鉀Q了掘進(jìn)機(jī)械操作人員在截割過(guò)程中離開(kāi)迎頭，安全、準(zhǔn)確操縱的問(wèn)題和提高巷道質(zhì)量、生產(chǎn)效率的問(wèn)題。該技術(shù)包括隨設(shè)備水平姿態(tài)識(shí)別、調(diào)整；切割軌跡記錄和顯示；斷面邊界設(shè)定；斷面成形控制；前進(jìn)方向指示和引導(dǎo)；偏離方向和切割超限報(bào)警等幾個(gè)方面的內(nèi)容。該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展將實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)掘進(jìn)。 （ 7）發(fā)展掘錨機(jī)組，實(shí)現(xiàn)快速 掘進(jìn)。目前，影響懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度的主要因素就是支護(hù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。掘進(jìn)、支護(hù)不能同步作業(yè)，制約了巷道掘進(jìn)速度，降低了掘進(jìn)效率。掘錨機(jī)組是一種新型、高效、快速的掘進(jìn)設(shè)備，是一種理想的作業(yè)方式，具有良好的發(fā)展前景。 懸臂式掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展除取決于實(shí)際生產(chǎn)需要外，還受基礎(chǔ)工業(yè)水平及技術(shù)可行性的影響。隨著工業(yè)技術(shù)水平的提高和懸臂式掘進(jìn)機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)方面的經(jīng)驗(yàn)的積累，各種新技術(shù)和新成果也在逐步應(yīng)用于懸臂式掘進(jìn)機(jī)上。 劉曉輝：掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)及裝載減速器 設(shè)計(jì) 6 2 掘進(jìn)機(jī) 裝載機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)： 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(lái)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） 為保證懸臂掘進(jìn)機(jī)最大生產(chǎn)率，裝載機(jī)構(gòu)的生產(chǎn)率應(yīng)大于切割機(jī)的生產(chǎn)率。這是確定裝載機(jī)構(gòu)參數(shù)的先決條件。 2） 為便于整機(jī)行走移動(dòng)，裝載鏟板寬度大于行走履帶寬度，鏟板能升降，有的鏟板還可以水平回轉(zhuǎn)擺動(dòng)一個(gè)角度?，F(xiàn)代懸臂式掘進(jìn)機(jī)裝載鏟板的前沿呈切刀形狀，目的是減少鏟板插入阻力。 3） 裝載機(jī)構(gòu)一般采用 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，是為了減少空回行程時(shí)間。各桿件尺寸的確定，要做到盡量增大裝載面積，提高裝載效果，減少蟹爪插入阻力，使四桿機(jī)構(gòu)具有最佳的運(yùn)動(dòng)特性和動(dòng)力特性。 耙爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 耙爪是工作機(jī)構(gòu)的主要零件。機(jī)器作業(yè)時(shí)，耙爪直接與物料接觸，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，將直接影響到耙爪能否順利耙取物料和所受阻力的大小，關(guān)系到機(jī)器的生產(chǎn)率、傳動(dòng)零件的強(qiáng)度和剛度、原動(dòng)機(jī)的功率以及工作的可靠性等等。因此，必須正確地設(shè)計(jì)耙爪的結(jié)構(gòu)和形狀。 （ 1） 耙爪頭的結(jié)構(gòu) 耙爪頭的結(jié)構(gòu)有很多類(lèi)型，無(wú)論哪種類(lèi)型，首先要確定耙爪的尖角 1? ， 1? 的合理值，遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，用下列公式確定： 111Ktg f? ? (21) 式中 1k 耙爪上部物料的壓力系數(shù)， 1k =； 1f 物料對(duì)鋼的摩擦系數(shù)， 1f =； 1? 耙爪的爪尖角，通常去 1? =56o~60o 1? 角不宜過(guò)小，否則將影響耙爪頭的工作高度，取 1? =58o。 耙爪尖的水平棱邊設(shè)計(jì)成尖形，其水平角 2? 應(yīng)保證爪的剛度，同時(shí)應(yīng) 消除耙爪在耙集貨料時(shí)，料塊在耙爪尖和受料前緣被卡住的可能性。因此，必須使水平尖角 2? 滿(mǎn)足下式： 21/2tg f? ? （ 22） 式中 2? 爪尖水平棱邊的前部邊緣與鏟板邊緣之間的夾角，取 2? =25o。 （ 2） 耙爪體的結(jié)構(gòu) 為了使物料能在耙集段沿鏟板和耙 爪表面順利向上移動(dòng)，應(yīng)使耙爪上部和鏟板前緣平行線(xiàn)之間的夾角 3?? 80o。在實(shí)際工作中，當(dāng)耙爪的內(nèi)表面形狀設(shè)計(jì)不合理時(shí)，將會(huì)發(fā)生大塊物料被卡死在兩個(gè)耙爪之間的 “卡塊 ”現(xiàn)象，以致造成耙爪及其傳動(dòng)裝置的損壞。取3? =75