刨煤机传动系统及缓冲装置的设计

摘要目前,我国开采薄煤层的机械设备机较少,而刨煤机是一种价格低、结构简单、维修方便、操作容易的采煤设备。因此有必要对刨煤机进行研究设计。本文对刨煤机目前国内、国外的发展情况进行了阐述，主要对刨煤机刨头的传动系统和急停缓冲装置进行了设计研究。本文选用由由电动机、耦合器、减速器组成的机械驱动装置，由该装置向刨头提供动力；通过对刨头的受力分析，结合刨头实际采煤过程，利用气压传动的原理，对现有的气缸稍微改造来设计一个急停缓冲装置。刨头传动系统带动刨头完成切削煤壁的运动，急停缓冲装置，保证刨头运行到工作端面时候紧急、可靠、安全地停车。关键词：刨煤机；传动系统；急停缓冲装置AbstractAt present, in our country mines,the mechanical device machine to the thin coal bed is few, but the coal plow is one kind of low price,simple structure, easy operation mining coal equipment.Therefore it is necessary to carry on the research to design the coal plow.This article to the coal plow the home, the overseas development situation has carried on the elaboration at present, mainly and stopped the buffer mechanism to the coal plow discount transmission system to conduct the design research anxiously.This article selects by the machinery drive which by the electric motor, the coupler, the reduction gear is composed, provides the power by this equipment to the discount; Through to the discount stress analysis, the union discount actual mining coal process, the use pneumatic actuator principle, designs one to theexisting air cylinder slightly transformation to stop the buffer mechanism anxiously.The discount transmission system impetus discount completes the cutting coal wall the movement, stops the buffer mechanism anxiously, guaranteed the discount moves to work end surface time urgent, reliable, stops safely.Key word: Coal plow; Transmission system; Stops the buffer mechanism anxiously前言 51 绪论 61.1 课题来源 61.2 课题的设计目的及意义 61.3 刨煤机在国内外的发展情况 61.4 制约我国刨煤机发展的主要因素有 81.5 对刨煤机行业在国内发展的建议 81.6 设计内容和预期结果 92 刨煤机的传动系统设计 112.1 机头机尾传动系统的布置 122.2 链论的选择设计 132.3 传动链保护装置设计 142.4 电动机的选型 152.5 联轴器的选型计算 162.6 减速器的选型 172.6.1 减速器的选型计算 172.6.2 减速器低速轴外伸段直径的计算及校核 183 刨头缓冲装置的设计 203 . 1缓冲装置的方案 203 .2刨头刨削阻力的计算 213.2.1 刨刀间距t 的确定 223.2.2 平均刨削阻力Z3i 243.2.3 单个锐利刨刀所受的煤壁平均挤压力 丫 253.2.4 刨头所受煤壁刨削阻力Pz 263.2.5 计算过程及结果 263.2.6 煤阻力的计算 283.2.7 摩擦力的计算 333.2.8 装置的设计 353.5.1 缓冲装置的工作原理 353.5.2 气缸作用力 363.5.3 气缸内径的计算 373.5.4 活塞杆直径的计算 373.5.5 气缸筒壁厚&的计算 383.5.6 活塞杆导向套及连接密封装置 383.5.7 阀的选择 393.5.8 气缸的校核 394经济性分析 415结论 42致谢 43参考文献 44附录A译文 45附录B外文文献 48刖百刨煤机是一种井下工作面中集采煤、 装煤、运煤为一体，特别适合开采薄煤 层和中厚煤层下限的采煤机械。其工作原理是刨头以紧固在中部槽靠煤壁侧的滑 架作导轨，滑架内有上、下链道，刨头在刨链的牵引下沿滑架滑动。刨头上的刨 刀刨消煤壁，刨下的煤在刨头犁形斜面的作用下装入中部槽， 再有输送机的刮板 链运出工作面。刨煤机的发展至今已有五十多年的历史， 目前国外的刨煤机发展 比较迅速，而我过的刨煤机行业则发展速度较慢，在功率、速度、可靠性、耐久 性、无事故运行时间、整机性能方面与外国先进水平有较大差距。本文研究设计刨煤机的传动系统和缓冲装置，考虑到生产成本和实用价值以 及刨煤机工作环境的要求，我所设计的传动装置，部件基本上都采用现有产品， 便于直接选取成品；我所设计的缓冲装置，利用气压传动使用一个缓冲气压缸， 缓冲时间短，能实现良好的缓冲作用。希望这篇文章能为以后设计刨煤机传动装 置和缓冲装置的朋友提供帮助。1 绪论1.1 课题来源目前我国开采薄煤层的机械设备机较少，大部分薄煤层工作面仍沿用打眼、放炮、人工装煤等原始的开采方法，生产效率低，工人劳动强度大，安全性差。刨煤机是一种价格低、结构简单、维修方便、操作容易的采煤设备，目前正向大功率、快速度、高强度方向发展。因此大力发展以刨煤机为主的薄煤层的机械化设备，可以促进煤矿机械化协调发展，提高矿井投资效益。1.2 课题的设计目的及意义近半个多世纪以来，随着工业的发展和人民生活水平的提高，地球上的煤矿资源被人们大量开采，如今已日见匮乏。世界上资源的储量是有限的，人们必须充分利用现有的资源，实现其最大的价值。为了节约能源和充分利用为数不多的矿产，人们越来越多地将目光转向中、薄煤层的开采。长期以来，煤炭资源的开采都存在着浪费的现象，尤其是在我国，我国的薄煤层资源丰富，可采储量占全部储量的20%，而且分布广、煤质好，但是我国的薄煤层机械化程度仍然很低，一些厚薄煤层并存的矿井，由于薄煤层开采速度缓慢，使下部中厚煤层长期得不到及时开采。影响工作面的正常接替，甚至被迫丢失一些薄煤层资源。迅速提高薄煤层机械化程度，加快薄煤层开采，对发展我国煤炭生产，节约煤炭资源，提高安全性及可持续发展战略都具有十分重要的意义。采用1.3 刨煤机在国内外的发展情况刨煤机采煤技术始于1937 年德国伊本比伦煤矿的煤刨实验,1942 年正式应用，后推广到波兰、苏联、西班牙、法国、奥地利等20多个国家。7080年代，这些国家在刨煤机开发和应用方面取得了突飞猛进的发展。80 年代，欧洲主要产煤国家使用刨煤机开采煤炭已占总产量的的50以上；在联邦德国薄煤层的开采中，使用刨煤机开采的煤炭约占采煤量的90；波兰每年使用刨煤机的工作面个数平均为6 5个；苏联每年使用刨煤机的工作面个数约为150个。刨煤机开采技术已经推广到非金属沉淀矿床的开采。刨煤机的发展至今已有50 多年的历史，根据历史发展和机构形式的不同，可分为脱钩刨、滑行刨、脱钩滑行刨。 到目前为止，世界上使用最多的仍是滑行刨煤机，其产量占总产量的50%以上。目前国外刨煤机的发展趋势是向大功率、快速度、高强度方向发展，功率已从 2M55kw增加到 2M315kw ,最大已达到 2M400kw,速度已由 0.5m/s增大至U 1.52m/s,最高达3m/s,包I链直径从422mm发展到438mm。这方面处于领先 地位的是德国，该国以实现了刨煤机工作面的自动化和无人化。随着科学技术的不断进步，各国都在将高新技术成果、计算机技术、传感技 术、自动监测与在线控制等综合应用到刨煤机产品中来。我国刨煤机采煤技术的研制和应用始于 1965年徐州矿物局韩桥煤矿，经过 了试验、定型和发展三个阶段。80年代，在煤科院上海分院、张家口煤机厂和 淮南煤机厂、徐州煤矿机械制造厂等单位的努力下，制造出各种型号的刨煤机 200多台，全国有20多个矿物局使用国产或进口刨煤机，积累了大量实践经验， 有的矿取得了较好的成果。进入 90年代以后，我国刨煤机采煤技术未能得以更 广泛的应用，原因是多方面的，有设备性能的问题，有薄煤层开采投入多产出少 的的因素，也有对刨煤机采煤技术研究不够的原因。 总的来说，我国刨煤机的研 制工作开始于60年代，到70年代进入一个小高潮。主要机型为 MBJ-1型和 MBJ-2A型脱钩刨，70年代末到80年代刨煤机时常一直处于低谷。80年代末到 90年代中期又陆续研制了 BT 26/2父75型脱钩刨和BH 30/2父90型滑行刨，其最 大功率仅为2 90KW ,速度为0.786m/s,仍然在低水平上徘徊，不能满足煤矿 用户的要求。目前国产刨煤机还只能刨削软煤层及中硬度下煤层，而国外先进国家的刨煤机已能刨削硬煤层，甚至极硬煤层，极大地提高了刨煤机的适用范围。德国在 80年代初，快速刨煤机的比例已占刨煤机总数的50%,发展到现在，快速刨煤机以基本取代了慢速刨煤机。而在我国，刨煤机功率小，速度慢，仍是普遍存在 的问题。我国的刨煤机行业虽然也在发展，但速度较慢，并且在可靠性、耐久性、无 事故运行时间、整机性能方面均与外国先进水平有较大差距， 尤其是在人工监测方面。1.4 制约我国刨煤机发展的主要因素有（ 1）科研滞后造成我国刨煤机产品更新换代周期长，新产品开发时间长，关键元部件的攻关迟迟得不到解决，远远满足不了生产用户的需要，致使一些煤矿用户不得不花巨额外汇去进口国外的刨煤机产品。（ 2）国产刨煤机的功率小、刨速低，对地质条件的适应性差，关键零、部件的可靠性差，处于一个较低的技术水平上，从而造成工作中事故率高，影响正常生产。（ 3） 对煤层的可刨性判断不准确导致使用效果不良。煤层能否使用刨煤机，除了该煤层的顶板条件外，还有一个重要因素就是刨削阻力的大小。对此项目，各国都有自己的判定标准，如德国采用单元刨削力指标，前苏联和波兰采用单位长度刨削力指标等，都是针对本国煤层的特性及其在刨削过程中的获得的大量数据归纳整理而成的。而我国则从未进行这方面的工作，而是将煤层的硬度系数值（即普氏系数发f 值）作为煤层的可刨性指标。由于f 值本身准确度较低，离散度较大，而且f 值与可刨性指标本来就不相等，可刨性的内容比f 值要多的多，它包括煤层层理、节理的影响，发育程度等。（ 4） 工作面上、下顺槽断面的制约。目前国外顺槽断面基本上在15 20m2，且机头、 机尾传动装置大部分放置在顺槽内。而我国的薄煤层工作面为了节约巷道的掘进费用，工作面的上下顺槽断面尺寸一般均较小，其断面仅为6m2。因此刨头的机头、机尾传动部就不能放置在顺槽内，而占据了工作面端头的空间，工作面两端就必须人工开缺口。这不但增加了人工作业的工作量。而且使两端头顶板空顶面积增大，不利于顶板的支护与管理。1.5 对刨煤机行业在国内发展的建议我国的刨煤机要想赶上国外领先水平，必须要考虑解决以下问题。1）迅速制定我国的煤层可刨性指标，开展全国煤层可刨性普查。对煤层的可刨性判别是影响正确选用刨煤机的重要因素。因此必须尽快建立新的可刨性指标来取代现在的以煤层硬度发f 来判别煤层的可刨性，以减少选型上造成的失误。2）改善整机性能，提高刨煤机的适应能力。功率和速度是衡量刨煤机整机性能的重要指标，因此要提高我国刨煤机的整机性能指标，就需要在这两方面下功夫。 同时还必须加快对井下工作面的工矿监测系统的研制。刨煤机的工况监测系统主要包括有运行工况系统、性能监测和延误工况分析等。它利用在刨煤机上有关部位安装的种中不同用途的传感器所发生的不同信号。3)提高元部件的可靠性。(a) 减速器 刨煤机减速器的发展方向是大功率、小尺寸、 重量轻、 寿命长。减速器目前要解决两个问题：一是增加强度、提高使用寿命。为了满足与电动机匹配时承受的刚性连接所带来的冲击负荷和提高无故障运行时间，要求提高其传动件的强度和寿命。二是增加功率、减小体积。(b)刨刀刨刀是刨煤机的关键零、部件之一。必须花大力气从材料、焊接及热处理工艺上进行深入的研究试验，提高其强度和使用寿命。(c)刨链和连接环刨链是拖动刨头往复刨煤的关键元件。其破断强度和疲劳寿命是考核其性能的两大主要指标。造成失效的主要影响因素：选材不合理、材质成分不稳定、几何尺寸误差大、焊接质量差、热处理不当、链轮啮合不良等，为了提高它的可靠性，必须对以上各环节进行逐一攻关。接链环是连接刨链的重要零件，也是刨链中的薄弱环节之一。目前国内生产的接链环强度低，疲劳寿命达不到要求，其强度尚不足圆环链的9o%。而英国帕森斯公司生产的接链环强度已达到与圆环链等强度。(d) 电控装置提高刨速的关键是要解决电控装置的可靠性。国外刨煤机的先进之处也在于其电控装置的先进与可靠。在电子技术、测控技术高速发展的今天，解决这类问题应该是完全可能的。1.6 设计内容和预期结果设计内容为：1)刨煤机刨头传动系统的的总体设计2)刨煤机的缓冲装置的设计实现的预期效果： 根据已知的刨煤机参数，合理选用传动系统的电动机、减速器、 联轴器、 链轮等部件，使其能保证刨煤机能在该传动系统下实现其预期的功能和生产能力。设计一个急停缓冲缓冲装置，使刨头在运行到工作面端头不能正常停车时 候，在缓冲装置的作用下，吸收多余动能，不至刨头猛烈撞击而撞坏，容易发生 事故。2刨煤机的传动系统设计刨煤机的主要技术参数如下：装机功率 2160/100KW适应煤层厚度0.71.5m适应煤层硬度 f 1020 KN刨头外型尺寸(长*宽*刨) 2350*740* (6001500) mm刨煤机由刨煤、运煤、推进和电器控制四部分组成；其辅助装置有缓冲、通 讯、信号、照明、防尘等装置。刨煤部分是刨煤机的主要工作机构，是区别于其它采煤机械的重要技术特 征。它由装有各种刀具刨削煤壁的刨头，牵引刨头的刨链，导护链装置和带动刨链的动力传动装置电机、减速器、偶合器等组成。刨煤机的传动装置通过电动机、减速器驱动刨链链轮带动刨头，所有型号的 刨煤机驱动装置结构大致相同，只是在减速箱形式、传动比和刨链链轮的保护机 构等方面有所不同。本设计选用目前最常用的滚刀一一机械驱动方式，它有电动机、联轴器和 齿轮减速器组成。这种驱动装置结构简单、过载能力大，对电器控制无特殊要求， 但是这中驱动装置体积较大，不易变速。另外，由于频繁正反向启动，电动机容 易发热。设计时候必须得考虑到这些问题。在传动系统设计中，电动机、联轴器和减速器以及链轮都是标准件，可直接 选取使用，因此只对其进行选型设计即可。2.1 机头机尾传动系统的布置本设计中刨煤机为前滑行刨，滑行刨的优点有：（1） 摩擦阻力小，刨煤机的消耗多用于刨煤、装煤。（2） 刨头在滑行架导轨中移动，较稳定。（3） 适用于各种底版。（4） 宜高速运行，适用刨硬煤，也容易控制截深但从发展来看，前牵引滑行刨煤机可以高速运行，有利于刨硬煤，并能有效地利用功率，因此前牵引刨煤机的发展前景很广阔。刨煤机工作面上、下切口的尺寸和开掘是影响刨煤机工作效率的一个重要问题。 为了提高刨煤机的工作效率必须减少开掘切口的工作量，因此要合理布置刨煤机的机头、机尾的传动部。机头、机尾传动部的布置有四种方案。（ 1） 机头、机尾传动部分平行与输送机布置。其优点是结构简单，工作面上下平巷断面可小些，可减少巷道掘进工作量。其缺点是：工作面上、下切口开掘工作量大，劳动强度大，效率低， 很多情况因切口进度跟不上而影响了刨煤机的推进；同时工作面出口处控顶面积大，不利于控制顶板。（ 2） 机头、机尾传动部分垂直于输送机布置。其优点是：可减少开掘切口的工作量，有利于提高效率。缺点是：传动部分放在工作面上、下平巷，控制顶板困难，上、下平巷采空区侧不易通风，在高瓦斯工作面，易造成瓦斯积累，不利于安全。（ 3） 机头、机尾传动部分混合布置。这种布置方式是在工作面前进方向将机头、 机尾的传动部分放在工作面的上、下平巷内垂直于输送机布置，在采空区内将机头、机尾传动部分置于工作面控顶区内平行与输送机布置。其优点是：在工作面前进方向侧的传动部分放在上、下平巷中，减少了开切口的工作量，而采空区侧的传动部分平行于输送机，则减少了采空区的控顶面积，有利于顶板控制和行人安全。（ 4） 机头、机尾传动部分一侧布置。这中布置方式是将刨煤机的传动部分均布置在采空侧。前牵引滑行刨煤机刨头牵引传动部分需跨过输送机的机头部，结构较复杂，要求强度高；但是这重布置方式可以极大地减少切口面积，有利于刨煤机的推进，但增加采空区侧顶板控制和两个传动部分之间的管理难度。从现场的是使用角度看，混合布置方式较好，既能减少切口的面积，又易管理。因此本设计中采用传动部分混合布置。2.2 链论的选择设计刨头是刨煤机工作的执行机构，动力传动装置电机、减速器、偶合器带动刨 链牵动刨头完成刨煤过程。牵引链链轮与减速器的输出轴相连， 链轮工作时，圆 环链饶上链轮后，平环和立环一一相间，平环位于链轮的窝槽内，立环位于链轮 的环槽中，但其下面不接触立环槽底，窝槽圆弧推平环的一端而实现传动。本设计中链轮处置布置，链轮垂直布置，吐链方便，链子垂直也也可以帮助 吐链，为了改善链的受力状态，也装有紧链装置。链轮的几何形状比较复杂，其形状和制造质量对于链环和链轮的啮合影响很 大。链轮形状设计的不好，就会啃伤链环，加剧链轮与链环的磨损或者链环不能 与链正确啮合而掉链。因为链轮是标准件具与链环相互配合，所以可直接根据链环的尺寸从表中直 接选择使用链轮本设计中已知刨链规格：,30mm 108mm直接查取链轮的基本尺寸如下：表2-1链轮基本尺寸圆划、尺寸d勺Mb链 轮 齿 数D。DeHAR1xyR2R3D1ll30 M108M997418.13508182.51145.5176.4950.25302307155230230740115D0节圆直径De顶圆直径H平环底至链轮中心距离Ri齿圆弧半径R2x, y齿形圆弧中心坐标齿根圆弧半径R3平环窝槽圆弧半径Di立环槽根圆半径l立环槽宽度W齿肩宽度链轮宽度应比链环外宽宽些，以保证链轮窝槽与平环相配合，并且链轮齿 受到很的的弯曲载荷，保证链轮轮齿有足够的强度。已知链外宽为99mm,取链轮宽度为：B链=193.5mm链轮为锻造加工，链轮表面应淬火，齿形部分进行电解加工或模锻，这样 可以大大提高链轮的使用寿命。2.3 传动链保护装置设计该设计中刨煤机驱动装置采用电动机、联轴器和减速器组成的机械传动装置。对于这种驱动方式，电动机通过联轴器传递给牵引链的最大牵引力大于牵引 链的疲劳强度极限，因此在驱动装置和牵引链之间应设有保护装置，以保护牵引图2-1剪切销过载保护装置链不被拉断。如图所示，在牵引链的链轮1和减速器2之间装有剪切销3,当作用于牵引 链上的负荷大于牵引链的疲劳强度极限时，剪切削被剪断。此后虽然驱动装置仍 在工作，但链轮却停止转动，实现了保护牵引链的目的。已知刨链破断负荷为1130 KN ; 30*108梯齿接链环破断负荷为1020KN。销 材料选用45钢，许用切应力为剪切强度极限为 七=360MP,为了使链轮传动平稳， 使用两个剪切销并且剪切销对称布置在链轮的链轮的直径上。按剪断条件，切应力应超过剪切强度极限。F2A31020 10. 360 106ji2 d4(21)d 94铁ML83550290050, 65, 651421071422001206.52.6 减速器的选型2.6.1 减速器的选型计算根据已选电动机可知，电动机额定转速1480r/min。可知减速器输入轴即高 速轴转速为民n为1480r/min,有前面链轮的选择计算可知链轮的参数。减速箱速比的计算：n d nv = 2x：tx：zx：之(25)60i60 i,d万霆a n传动比 i=dn (26)60 vt节矩， m链轮齿数，z =6电动机转速 n=1480r/min ,dt链轮节圆直径 dt =0.418m ,v刨煤机刨速 v=1.5m/s0.418 二 148060 1.5= 21.6取速器的公称传动比为22.4 根据减速器输入转速为1480r/min ,输出转速为68.5r/min ,取公称输入转速为n入=1500r/min ,公称输出转速为n出=67r/min ,由电动机输出功率为110KW,取减速器名义中心距。查表选用DCY型减速器，其外型尺寸如下表：表2-4 DCY型减速器型尺寸a1d11id2l 2DLABCEFGSHh200501105511012021090597032540034010055702315Mn -dgNPRKTt1b2t2bat 32306-27452003558801453.51659321272.6.2减速器低速轴外伸段直径的计算及校核取联轴器的效率为联=0.99，齿轮啮合效率为。齿=0.97（齿轮精度为8级）.0轴:0轴即电动机轴p0 = pr =110KW n0 = 1480r/minI轴：I轴既减速器高速轴(圆锥齿轮所在的轴)Pi = Po 小01 = Po X”联=110M0.99 = 108.9KW (27)口轴：口轴即减速器与圆锥齿轮啮合的齿轮所在的轴P2Vpi12V 108.9 0.97-105.6KW (28)III轴：III轴即减速器中间齿轮所在的轴p3 = p2 23 =105.6 0.97 = 102.4KW (29)IV轴:IV轴:即减速器的低速轴P4 = P3”34 = 102.4m 0.97 = 99.3KW (210)计算链轮所在的轴即减速器低速轴的直径.d 之 4JP (211), nA与轴的材料有关白许用扭剪应力系数，此取 A =110P轴传递的功率,P=99.3KWn轴的转速， n=68.5r/minP993d A0J- =110x=132mm (212) n . 68.5取 d =135mm ,又减速器输出轴直径为120 mm,因此取剪切削套厚度为15mm。有以上可知，所选减诉器的输出轴直径120mm,与实际按链轮计算的轴的直径135mm,再考虑剪切套的厚度，能满足要求。链轮与减速器输出轴为键连接。根据轴的直径直接选取键。选用键型号为 B28M16 ,、=6.4mm , t2 = 10.0mm03刨头缓冲装置的设计刨煤机是一种靠带有刀齿的刨头沿工作面作横向运动切割煤炭并把煤炭装入工 作面输送机的采煤机械。为使刨刀安全有效地运行，当刨头行至工作端面时，应 及时、准确、平稳、可靠地使刨头停住。虽然目前在电磁感应方面做了很多工作， 就位置准确性而言，采用缓冲装置并使之完善仍是一项很有价值的工作。因为刨 头沿着滑架做往返运动，因此在工作面的两头各有一个缓冲装置。 两个缓冲装置 的设计是一样的。刨煤机传动部简图见图3-1, 1为电动机，2为联轴器，3为减速器，4为链 轮，5为刨头，6为急停缓冲装置。当刨头沿着滑架运行到工作端面时，电动机 电源首先被切断，当若出现故障时，电动机不能立即断电，则必须作出反应，强 制断电，使刨头与缓冲装置碰撞，缓冲装置吸收刨头剩余的动能。3.1缓冲装置的方案方案：气动缓冲装置气动缓冲装置结构简图32o图32起动缓冲装置气动缓冲装置实际上是对一个单作用气压缸的改进。具所起到的缓冲作用主要是利用了空气具有可收缩性来实现的。如图所示，活塞腔内预先充入具有一定压强P的空气，活塞杆端头为碰撞头， 刨头碰撞时与碰撞头接触撞击。在初始状态，即刨刀没有和缓冲装置碰撞头发生碰撞时，活塞位于缸体左端。当刨头与碰撞头发生碰撞时，刨头首先离开缸体左端面并压缩气体， 气体产生一 个阻止活塞运动的力，力传递给刨头并阻碍刨头运动，在合力作用下，最终刨头 停止运动，从而起到了缓冲作用。本文利用气压传动的原理设计一个缓冲装置。气动技术有以下优点：(1)安装维护简单。(2)工作介质是空气，排气处理简单，不污染环境，成本低，使用安全。(3)动作速度快。(4)可靠性高，使用寿命长。(5)全气动控制具有防火、防爆、耐潮的能力。3 .2刨头刨削阻力的计算在切断电源后，刨头由于惯性作用继续沿滑架移动， 此时刨头受到的总阻力为刨头阻力。刨头阻力的计算公式 Sh为：Sh = Ps + Pl+Sr(3-1)式中：Ps 刨头刨削阻力Pl 刨头装煤阻力Sj刨头摩擦阻力刨头的外型尺寸(长*宽*高)2350*740* (6001500),刨头重量按2 t计算，最大刨深为0.06 m。3.2.1 刨刀间距t 的确定两刨刀间的距离（即截距也叫刨刀排距），应保证两刨刀间不留下煤脊（煤槽） ，即必须把煤刨落下来。对于各种不同的刨深hi ，刨刀间距取各种刨深下间距 ti 的平均值。刨刀的排列方式不同，其间距也不同。下面分别介绍两种不同排列方式和其所对应的刨刀间距。a. 刨刀的排列方式刨刀的排列方式见图3 3。b. 刨刀的排列方式对刨刀、刨头受力有很大影响。此外， 刨刀的排列方式决定着刨头的装煤效果。,直线式直线式排列是指所有刨刀的轴线相互平行，都平行于底板。刨刀之间距离相等，相邻刨刀都在同一直线上。这种布置方式刨刀受力均匀，能耗比较低。阶梯式阶梯式排列是指相邻刨刀轴线相互平行，在同一斜面上呈阶梯状，下排刨刀比上排刨刀超前，每把刨刀都受煤壁向下的侧向力。这种排列方式使刨头不易飘刀，刨头的重心较低，稳定性较好。比直线式排列的能耗高约17%。混合式混合式排列是指刨头上的刨刀一部分按直线排列，一部分按阶梯式排列。刨刀阶梯排列的角度建议取5565。图3-3刨刀的排列方式C.线性排列刨刀的间距tzi：线性排列刨刀的间距 乙按下式计算。tzi =75匚+0.3八 十bp-2、kx= 9.04cm(3-2)hi +0.65ti m b 2hi tan(-)hi一刨深，cm；bp 一刨刀刨削部分的计算宽度，cm；Kx一刨槽的宽度系数，Kx对于韧Tt煤取0.85,脆性煤取1.0,特别脆的煤取1.15。直线排列刨刀的刀间距一般不该超过11 cm,而顶部和底部刨刀刀问距应取最小值，但不应小于 5 cm。d .刨头最大高度的截线数：Hnmax =-bm+1 =17.59(3-3)tzpnmax 一刨头的最大截线数。由于刨刀的个数与刨刀的截线数相等， 因此计算得到最大截线数后，就可以确定刨头在最小和最大高度时所对应的某一侧的刨刀数量。 把计算得到的最大截 线数数值圆整，用圆整的截线数，按下式计算中部刨刀的间距b maxnmax-115017 -1=9.4cm(3-4)在设计刨刀间距的时候，考虑到煤层性质有所变化，应该取稍微较小一点的 刀间距。另外，刀间距对刨头的稳定性有影响，因此，刀间距的取信要考虑如何 使刨头的高度较合理。本设计中选用17把刨刀。三把顶刀，三把底刀，八把直线排列刀，三把梯 形排列刀。3.2.2平均刨削阻力Z/刨削阻力是刨刀在刨削煤壁过程中所受的主要阻力，它对刨刀和刨头受力影响很大，是刨煤机设计过程中必须考虑的一个非常重要的因素。 平均刨削阻力Z3i按式（35）计算：Z3i = Zoi f ,看(3-5)式中：Zoi 一单个锐利刨刀所受的刨削阻力，N;一刨削阻抗系数，通常情况下，f, =0.380.44 ,抗截强度较大时取较小值丫一单个锐利刨刀所受的煤壁挤压力，N其中：线形和阶梯形排列的刨刀和顶部、底部刨刀所受的刨削阻力Zoi按式（3 6）计算：0.35bp 0.31oi(3-6)= 1.1Aphkk2 k3 k4k5-,N/cmbphitg i k6 i 1 2 3 4 5 cos：式中：A一煤层非地压影响区的截割阻抗（即煤层抗截强度）bp一刨刀刨削部分的计算宽度，cmtpi一刨槽宽度，cm；k1一外露自由表面系数k2一截角6的影响系数k3 一刨刀前刃面形状系数k4 一刨刀排列方式系数k5 一地压系数k6一考虑煤的脆塑性的系数山一截槽侧面崩落角，( )P一刨刀相对刨头牵引方向的安装角度，( )对于直线排列刨刀，外露自由表面系数ki按式(37)计算。一心吊k1 =0.38* 1+21=0.357(3- 7)1Vzi上a)刨刀前刃面形状系数k4,对于线性排列,k4=1;对于阶梯排列，k4=1.17。(b)地压系数k5 ,韧性煤的k5 =0.67,脆性煤为0.5 ,特别脆的煤为0.38。(c)系数k6,对于韧性煤为0.85,对于脆性煤1.0,而对于特别脆的煤为1.15。3.2.3 单个锐利刨刀所受的煤壁平均挤压力丫/Y3i =Ki(1+1.8Sz )(38)式中:Yoi =knZoi(3 9)Yoi 一单个锐利刨刀所受的挤压力，N;kn一锐利刨刀上挤压力 匕与刨削力Zoi的比值，对于韧性煤取 0.45,脆性煤取为0.4 ,特别脆的煤取0.35 ;当 A250kN/mW为 0.75。3.2.4 刨头所受煤壁刨削阻力Pz刨头的刨削阻力应是刨头中心线一侧所有刨刀刨削阻力的合力。刨头刨削阻力Pz按下式计算。 mmmmmPz =Z3Hi +Z3oi +Z3ni + Z3P+降 Z3 找(3 10)i 1i 4i 4i 4i 4式中：Z3Hi 一刨头底部刨刀所受的平均刨削阻力，NZ3oi 一超前刨刀所受的平均刨削阻力，NZ3ni 一掏槽刨刀所受的平均刨削阻力，N nZ3H 一刨头顶部刨刀所受的平均刨削阻力，NZ31一工作在直线式和阶梯式刨刀所受的平均刨削阻力，N3m 各种刨刀所对应的数量Ki一刨刀同时工作系数3.2.5计算过程及结果单个锐利刨刀所受的刨削阻力Zoi :0.35bp 0.31Zoi =1.1A, p 小、hik1k2k3k4k5. (3-11)bp hitg i k6cos：对于顶刀：0.35 3.5 0.31Z01=1.1M1500。 父6父1.1父1.26父1父父138父 。(3 12)(3.5 6tg69 )1.15cos42=457.5NZO2 -392.8N = ZO3对于底刀:0.35 2.475 0.31Zo1 =1.1 1500 6 1.2 0.92 1 0.38 1.17(2.475 6tg69 )1.15cos20=330.7N(313)Z02 -345.4NZ03 -357.4N对于直线排列的刀：0.35 2.475 0.31Zo1 -1.1 1500 6 0.357 0.92 1 1 0.38(2.475 6tg69 )1.15cos20= 84.3N(314)梯形排列的刀：0.35 2.475 0.31Zo1 =1.1 1500 - 6 0.357 0.92 1 0.38 (2.475 6tg69 )1.15cos20= 99.0N (315)一 % )1 0 k1 =0.38* 1+21=0.357(3 16)-3 人单个锐利刨刀所受的煤壁平均挤压力 Y3i及刨刀受到的刨削阻力Y3i =Yoi(1+1.8Sz)(3 17)顶刀：Y =457.5-(1+1.81.2)x0.35(3 18)=505.9NZ31 =301.4 + 0.4 父 505.9 = 503.8N (3 19)同理 Z32 = 566.6N = Z33底刀：Z31 = 448.4NZ32 =498.2NZ33 =515.5N直线排列刀：Z3i =121.6N阶梯排列刀：Z3i -142.8N所以本设计中刨头总刨削阻力为：Pz = 503,8 566.6 566.6 448.8 498.2 515.5 121.6 8 142.8 3= 4500.7N （320）3.3.装煤阻力的计算刨头沿工作面移动的初期，在刨头前面形成一个移动的煤堆（拉延体），这个由刨头装煤斜面沿刨头工作面聚集起来的煤堆是一个不断膨大的物体。煤堆在刨头前面一直移动，直到输送机装煤斜面、刨头装煤斜面、煤壁和底板把煤堆抬 高到装载高度，并装入工作面输送机为止。在稳态工况下，煤堆不发生移动，而是不断地由新破落的煤和处在煤堆移动 路程上的煤生成。拉延体的形成是刨头装载的必要条件，而拉延体的形成、大小 和其移动所消耗的力，取决于刨头装载斜面的相关参数、煤的粒度、成分和湿度 等因素。设力F是作用于煤体使其沿装载表面移动的力，该力是拉延体的移动力，并与装载表面法线方向成B角。tgP fo =tg中。（3-21）或 0次（3 22）或 %（3 23）2式中：a 一刨头装煤斜面与煤层底板之间的夹角Q -摩擦角fo 一煤堆沿刨头装载斜面的滑动摩擦系数煤堆可能开始沿装载表面移动的角，称为临界角 外。其值按下式计% 1-0(3 24)若刨头装载表面的倾斜角大于临界角 ak ,则在刨头装载斜面前形成密实的煤堆，它沿自身的装载表面，按照煤与煤的摩擦系数 fi移动。这时，因为煤与煤 的摩擦系数比煤与钢的摩擦系数大，是其的 fi/fo倍，所以，移动煤堆所需的力 将增加。止匕外，由于刨头装载表面向前移动时，停滞区滑移使装载力增加。当刨头装载斜面装煤时，在1区域中煤从底板上升到装载高度 Hn,而在2 区域中，煤将由工作面向输送机移动。刨头装煤表面需要克服煤堆的阻力，取决于作用在刨头装载斜面的各分力之 和。如图34所小。图34刨头装载分力示意图1 .刨头装载表面插入煤堆中所需要的力 FiFi按下式计算。F1 = 5400P C = 2700N(3 25)或 F = kPc(3 26)N/cm；式中：久一刨头装载表面的宽度，在此取0.4m；k一刨头装载斜面单位宽度上的插入力,对于煤堆，k= 20003000N/mF1 = 2000 0.4 = 800N2 .煤堆从刨头装载斜面移动到装载高度所需的力F20F2 cos ：- 1 - Ftp - G1 sin ; 1 二 0式中：口1刨头装载斜面的倾斜角度；实践证明，a1 W60比较合理，此处取60二G1 一位于刨头装载斜面上且低于装载高度煤堆的重力，NoFtp1 = %(F2 sin - 1 G1 cos： 1)式中：f0 煤与刨头装载斜面的摩擦系数；由上述两式可以得出F2：匚 C f0 tg 1 1F2 = G11 - ftg= 1G1 二ghmax Hmin H n - H cmin式中：丫 一煤层的密度，kg/m3g一重力加速度，m/s2hmax一最大刨深，mHmin 一煤层的最低高度，mH n一刨头装载表面的高度，m(3 27)(3 28)(3 22)(3 23)本设计中：G1 =1375 10 0.06(0.7 0.34-0.6) 0.34 cot60、=71.2F2 =71.21.73 0.31 -1.73 0.3-30.1NHbm iHn 4.8Hm , a xd(324)(3- 25)(3- 26)H cmin 一刨头的最低高度(刨头基体的高度),m(3- 27)Hn -0.6 -4.8 0.7 0.06-0.06 = 0.34m3.提升煤堆的力F3F3是用于克服2区域中煤堆阻力和1区域中煤堆沿装载表面提升的力,F3按下由以上两式可得:F3 cos： 1 cosi2 - - 1 - G2 sin ：- 2 - Ftp = 0Ftp2 = f0F3cos： 1 sini-2 -M )-G2 cos： 2F3 42sin 一(2 f0 cos： 2Cos： 2-1 - f0 sini2 - - 1cos： 1式中：G2 一位于装载表面且超过装载高度部分煤堆的重力，N;口2 一刨头装载斜面高位处的倾角。实践证明：750时比较合适。G2 = ghmax c H cmin -HnctgCOS式中：山一煤的自然安息角；对于湿煤巾=35 ,干煤山=50P 一输送机装煤斜面与煤层底板形成的角度。注意：计算煤向输送机移动的力时，要考虑煤与刨头装载斜面的摩擦力与煤间的摩擦力72。G2 =1375 10 0.06 0.4(0.6-0.34 0.4* tan35 )cos58 =101.4F3 =101.4sin75 0.3*cos75Cos(75 - 60 ) - 0.3* sin(75 -60 Cos60二 237N(3 28)(3 29)(3 30)(3 31)Ftpi和煤(3 32)(3 33)(3 34)4 .煤堆被移动到输送机上所需的力F4F4=cos式中：G3一向输送机移动煤堆的重力，N;K p一工作方式影响系数；对低速刨煤 K p取1.0,高速刨煤K p取1.1 ;1一煤与煤之间的摩擦系数G3 =：ghmaxP2ctg中 cosP(3-35)刨头推动煤堆时，一方面对煤堆进行提升，另一方面煤堆内部沿平面I-I还发生滑动，形成了 “挤出楔”，增大了刨头的阻力。本设计中：G3 =1375 x10x0.06x 0.42 xtg35 cos58 0= 49.9N(3 36)F4 =1.1 0.4 49.9cos58 - 0.3sin 58- =79.8N(337)5 .克服煤堆中的内摩擦力F5g%sgsin 29 12sina1(3 38)式中：%一煤堆的抗截强度，Mpa9 平面I-I与煤层之间的夹角，9与小的关系见表4-1 ;对于湿煤% = 0.0245 ,干煤% = 0.0274。以一煤堆的内摩擦系数；对于湿煤仙=0.5 ,干煤叱=0.85Hw一刨头前面的煤堆高度，mHw =Hn十日回中(3 39)表3.1 8与a的关系表3-1。与a的关系304560759。)6653485152本设计中：Hw = H nctg=0.34 0.4 tg58 = 0.62m2 0.34 0.4Ssin960.0245 0.5 1375 100.62sin(60 = + 48=)l2sin60 = 430.8N(3 40)由以上五式可得，刨头装载表面总的装载力FF =FiF2 F3F4F5301.1 800 237 79.8 430.8= 1848.7N3.4刨头摩擦力的计算刨头摩擦力T按式（3 41）计算。T = S， Sf S.s式中：S一煤壁侧向力Px产生的摩擦力，KN;Sf一刨头重量Gh产生的摩擦力，KN;S体一刨链拉力Ft产生的摩擦力,KN0Sk - Px JK式中：Px一刨头所受煤壁的总挤压力，KN黑一刨头与底板间的摩擦系数。先计算Px。刨头所受煤壁侧向力Px刨头所受煤壁侧向力Px,实际是煤壁沿顶底板对刨头的作用力 计算。mmmmmB 八 X3Hi 八 X3oi 八 X3ni 八 *3： K4X3J =6264Ni 1iz!i 1i 1i=1式中：X3Hi 一刨头底部刨刀所受的侧向力，NX3a一刨头顶部刨刀所受的平均侧向力，NX3A一工作在阶梯式刨刀所受的平均侧向力，NX3oi 一超前刨刀所受的平均刨削阻力，N oX3ni 一掏槽刨刀所受的平均刨削阻力，N nm 各种刨刀所对应的数量Ki一刨刀同时工作系数(.3 41)(342)Px按下式(343)单个刨刀所受煤壁的平均侧向力力 XrGh -刨头质量kg(