掘进机截割头设计

掘进机截割头设计煤矿掘进是煤炭生产和建设的基础工程。近年来，我国煤矿掘进机械化得到了迅速的发展，装备水平也有很大的提高，在自主创新能力上也有长足的进步。煤炭工业是我国国民经济的主要支柱产业。在未来50年内，煤炭仍是主要的能源和战略物质，具有不可替代性，是国民经济和社会发展的保证。随着国民经济的快速发展，以及国加入WTO后，煤炭工业现代化的步伐也在加快。目前，国内掘进机发展水平相对落后，巷道掘进成为煤矿发展的一个瓶颈，制约着煤炭工业的发展。各国早期研制的悬臂式掘进机都是以煤炭为作业对象，机重在13-17吨之间、切割功率在30KW左右的轻型机，代表机型是前苏联的刀K3型掘进机。中期产品主要是用于切割煤系地层中的各种煤岩的中型掘进机，机重在25吨左右、切割功率50-100KW,可切岩石硬度系数f6,如英国的MKA-2400型、奥地利的AM-50型、日本的S10理等。近期产品主要是以煤系地层中的中硬度岩石为作业对象的重型机，一般机重40-80吨、切割功率150-200KW、可切岩石硬度系数f8,如英国的LH-1300型、奥地禾I的AM-75型、日本的S200M型掘进机等。我国的掘进机技术开发工作始于1965年，最初是仿前苏联的JIK-3型掘进机，1979年后，先后从日本、奥地利、英国、美国、西德、原苏联、匈牙利引进了多种型号的掘进机，通过引进日本MRH-5100-41型、奥地利AM-50等型掘进机的制造技术和先进加工设备，并进行技术转化，到1989年底，我国已自行研制成功了AM50、ELM-55、EMIA-30、EL-90、5100等6种8个型号的掘进机，使我国中小型掘进机不再依赖进口。此后，我国又开始了重型掘进机技术开发和研制工作。1999年，煤科总院太原分院开发出了EBJ-160型掘进机，2001年，佳木斯煤机厂又完成了从日本引进S200M型掘进机的消化吸收、国产化任务。经过几代人的不懈努力，截止到目前为止，我国掘进机的开发研究在轻型及中重型上己其本达到国际先进水平，但在重型掘进机的研究上，与一些发达国家的产品还存在着一定的差距。1设计要求及目的设计用途：设计符合要求的纵轴式悬臂掘进机与截割部设计。基本要求：1）最大掘高4.5m;2）最大掘宽5.6m;3）巷道坡度16;4）机高M小于2M,机重大于45;5）能够在煤层、半煤层下施工，切割煤岩最大单向抗压强度可达100Mpa,可切割性能指标适用切割煤岩硬度，普氏系数f小于等于8,岩石的研磨系数小于等于Mg15。2总体方案设计悬臂式掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三大系统组成，并通过主体部将各执行机构有机的组合于一体。总体方案设计主要是进行掘进机的选型和总体参数的确定。2.1 机型的选定及主要部件的结构形式的确定2.1.1 机型的选定掘进机的发展方向是定型化、系列化、并向“大断面”、“高硬度”发展，掘进机的性能、外形、结构和重量应能很好地适应煤岩的性质和巷道的尺寸。根据任务书的要求，按行业标准MT1381995悬臂式掘进机的型式与参数，MT238.3-2006悬臂式掘进机|第3部分|通用技术条件选定机型类别。要考虑的掘进机用途有：煤矿井下巷道的掘进、其他行业的工程作业，要考虑掘进机的工作条件：切割煤层巷、半煤层巷，煤岩的单向抗压强度（或普氏系数f值）及岩石的腐蚀系数。特轻、轻型掘进机以掘进煤巷为主，它的特点应突出经济、灵活、方便，在截割巷道断面尺寸方面有较大的适应性。中型掘进机以掘进半煤岩巷道为主，在截割岩石硬度方面适应性较强，但机器设计不宜过于笨重和庞大，在使用时有较大的覆盖面。重型掘进机是具有更高切割能力的掘进机，应用范围更加广泛。根据设计的要求和目的，机型选择重型。基本参数应当符合表格的规定。表2-1掘进机型式的基本参数6Tab.2-1Tableofthebasicparametersofroadheadermodels技术参数单位特轻轻中重超重切割煤岩最大单向抗拉强度MPa40506080100煤，m3/min0.60.8一一一生产能力煤夹研，3/m/min0.350.40.50.60.6切割机构功率kW557590200150200适应工作最大坡度（绝对值）不小于()1616161616可掘巷道m251261672082810断面32机重(不包 括转载机)20255080802.1.2 各部件的结构型式的确定2.1.2.1 切割机构切割机构主要由切割头，水冷电动机，减速器，伸缩机构和回转台等组成，具有破碎煤岩功能的机构。(1)切割头的选择切割头装有截齿，用语破碎煤岩的部件。切割头主要由截割头体、齿座、螺旋叶片、截齿、喷嘴及筋板等构成；螺旋叶片焊在切割头体上，沿螺旋线并按截线间距排列齿座和截齿。纵轴式掘进机切割头的形状通常有圆柱形、圆锥形、圆锥圆柱形几种。圆锥形切割头有利于钻进工作面，也能保证切割出来的巷道表面较平整，保证巷道坡度，也不会给支护工作带来麻烦选择圆锥形切割头。(2)切割电动机切割电机为外水冷式，且机体为焊接结构，前端与行星减速器相联，后端联接回转台。电机输出力矩，通过花键套传递给减速器，再由花键套传到主轴，主轴通过内花套键与截割头相联，把力(矩)传递到割头上，截割头以此方式进行工作。切割电机的选择在根据工作条件选取，而且应当符合行业标准MT477-1996YBU系列掘进机用隔爆型三相异步电动机。(3)行星减速器主要由箱体、减速齿轮、二级行星轮架、输入、输出轴构成。太阳轮与行星轮相啮合，此行星轮通过两个轴承装在星轮轴上，两端装有孔用弹性挡圈，星轮装在第一级行星架相应的轴孔内，内轮与箱体组成一体并与行星轮啮合带动第一级行星架，实现第一级减速7第二级的太阳轮与第一级行星架为渐开县花键联结，太阳轮与第二行星轮啮合，此行星轮装在第二级的轮轴，此轮轴装在第二级行星架相应轴孔内,这里内轮与减速器壳体组成一体与行星轮啮合，此星轮不仅自转还绕太阳轮公转，从而实现第二级减速器。图2-1EBZ200E掘进机的截割部行星减速器结构Fig.2-1EBZ200EroadheaderinJiamusiCoalMineMachineryCo.Ltd.(4)伸缩机构伸缩机构有内伸缩式和外伸缩式。内伸缩式结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活方便，因此采用内伸缩式。伸缩机构由保护筒，伸缩内、外筒，花键套，密封座，主轴，轴承，隔套，旋转密封、油封等构成。位于截割头和二级行星减速器之间，通过花键联接使主轴旋转运动，带动截割头旋转，通过油缸伸缩带动伸缩部实现伸缩。图2-2悬臂伸缩原理图Fig.2-2Thefigofthecantileverflex(a)外伸缩式(b)内伸缩式1悬臂；2减速器；3电动机；4伸缩油缸；5滑架；6花键主轴；7内套;8联轴器；9外套(5)回转台的设计要求51)回转装置反映在切割头上的回转力和回转速度要满足切割工作要求;2)回转台要能够承受机器工作时的各种载荷反力的作用，要有足够的刚3)与悬臂配合，所具有的回转角度要满足掘进端面的要求;4)结构紧凑、运转平稳，工作可靠。同时回转台的设计要符合中国煤炭行业标MT475-1996悬臂式掘进机回转支承型式基本参数和技术要求。2.1.2.2 装运机构装载机构机构由铲板部分与中间刮板输送机等组成。由2台液压马达,直接驱动链轮，带动刮板链组实现物料运输5。(1)铲板部铲板部分由耙装部、减速器、耙爪等组成。装载部实现采掘下煤矿等接受采集，经过中间输送机，把煤矿输送到后续的输送带上。铲板部有双环形刮板链式，螺旋式装载式，蟹爪式装载式，星轮式等。由于星轮式装载式结构简单，工作可靠，外尺寸小，因此选星轮式装载方式8耙装部机构采用弧形三齿星轮式，有左右两个，对称布置。(2)中间刮板运输机输送机构，采用刮板链式输送机，一般由机尾向机头方向倾斜向上布置。输送机构由以机头轴为主动轴时，由设置在机头的液压马达或电机，通过减速器装置驱动机头轴运转。这样机构复杂。可以设置机尾为主动轴，由设置在机尾的驱动装置，带动刮板链式输送机工作，简化结构。采用双边链运输型式，底板呈直线形，保证运输顺畅，提高溜梢及刮板使用寿命。采用两个液压马达直接驱动链轮，带动刮板链组实现物料运输。可以适当提高龙门，减少一运运输过程中大块物料卡阻9。2.1.2.3 转载机转载机大多采用胶带输送机的形式。胶带转载机构的传动方式有三种5,1、由油马达直接或通过减速器驱动机尾主动卷筒；2、有电动卷筒驱动主动卷筒旋转。3、有电动机通过减速器驱动主动卷筒旋转。为了实现巷道掘进机胶带转运机构卸载端上下调高和左右摆动，以使运转的煤岩能够准确地卸如矿车或转载机中，可以在转运机构的机尾安装在掘进机尾部的回转台托架上，通过人力或者回转油缸，使整个转运机构的机尾绕回转台中心摆动一定的角度。这样输送机转座与掘进机体主机架相连接，转座可以围绕立轴左右、上下摆动20左右。设置由一台水平油缸推动。装载机后架的下部装1个升降油缸，起支撑转载机的作用，也用来调节转载机的卸载高度。2.1.2.4 行走机构实现形式及驱动方式行走机构有迈步式、导轨式和履带式等几种。履带式行走机构可在底板不平或者松软的条件下工作，不需要修路等，牵引力大，机动性能好，工作可靠，调动灵活和对底板适应性好等特点10。采用履带式行走机构。履带式行走机构的驱动方式有两种：电动机和液压马达。由于液压回路的种种优点，选取液压马达驱动。2.1.2.5 冷却喷雾系统通常掘进机的除尘方式分为喷雾式和抽出式两种。采用喷雾式除尘，用喷嘴把具有一定压力的水高度扩散，使其雾化，使粉尘附在雾状水粒表面沉淀下来，以达到灭尘效果。采用内喷雾形式，在切割头上装设喷嘴，对着截齿喷射9。2.1.2.6 电控系统电控系统包括动力部分、控制部分和检测部分，电控系统必须按照煤矿井下防爆要求设计、制造、检测，必须符合GB3836-2000标准中的有关规定和要求。为了提高掘进机在作业时的安全性，操作的灵活性以及机械传动部分的故障诊断及监控功能，从实用角度考虑，装设必要的离机遥控装置、测控压力、温度、液位及关键部位的故障诊断装置11。2.2 总体参数确定根据以上设计思想及设计结果进行掘进机的总体参数确定。掘进机的总体参数，是指主要性能参数。它表示了掘进机特性的指标。掘进机的总体参数有：机重、外形尺寸、可掘断面、生产率、截深、摆动速度、切割力等,2.2.1 机器外形尺寸根据掘进机工作环境和要求，考虑到巷道的断面和空间约束，机器高度越低越好，同时要满足行业标准，一般小断面掘进高度在1.7m以下，大断面掘进机应低于2m。中、重型机高度1.62m,特轻型、轻型机高度1.41.6m。机器固定部分的长度控制在7m左右。机长的推荐值为：轻型机长7.5m,中型机长8.5m,重型机长10m,对应的宽度分别为1.6m,2.5m,3m12。结合设计要求和工作情况掘进机的外形尺寸（长X宽8060-8030-6030牵引速度/(m/s)0.2-0.40.3-0.40.35-0.60.65截线距/mm40-5050-6060-10070-120相邻镐齿间的最佳间距由网式4-13知：s/d=tgs为两相邻截齿的中心距；d为直径；为断面倾斜着经过一时的计算值。时镐形截齿的圆锥角的一半。?3.3.2截齿的排列(1)截齿排列方式顺序式。截齿是一个挨一个进行截割的，形成的截梢两边不对称，截齿两侧受力不等。另外，这种布置方式，切削断面较小。其条件是：螺旋头数与每线齿数之比为1.形成两侧接交叉式。截齿以一个间隔一个的次序进行截割的，近对称的截梢，可以保证截齿两侧受力基本平衡，切屑面积大，截割比能耗低。这种排列方式有利于降低截齿的侧向和截割比能耗。其条件是：螺旋头数与每线齿数之比为2.图3-3截齿排列方式Figure3-3pickarrangementway(2)截齿排列图Figure3-4pickarrangement左截割头的排列为右旋，右截割头的排列为左旋。这样，在工作时割落的煤岩抛向两个截割头的中间，改善了截割时的受力情况和装载效果。(3)截齿的安装截割角口(又叫切削角)。截割角是截齿轴线与齿尖运动轨迹的切线之间的夹角。实验表明截割角在45-55之间时截割阻力最小。此范围内，截齿以较好的位置锲入岩石，它对切割头很重要。大的角虽然提高切削效率，但磨损比较严重，容易使齿尖变钝，以致无法切入矿物。当角很小时，所需进给力增大，容易使截齿超载，此时，截齿不仅轴线方向承受负荷，而且齿顶方向负荷较大，使进给力和切削力达到十分有效的使用效果，经德国矿冶技术有限公司试验分析，推荐最佳的截割角为46.图3-5镐形齿的安装角度Figure3-5pickaxeshapecuttingpickinstallmentangle倾斜角B。截齿按倾斜角安装，保证截齿在横向摆动截割时，沿合速度方向截入岩体。由于截割头横摆速度远远低于截割速度，因此，(3角很小。(arctgVb/Vj)。为了使刀齿能磨损均匀，保持锐利的工作状态，以便降低截割阻力，根据实践和实验表明，截齿应向截割头横摆方向偏转8这样，截齿的运动方向与进入岩体方向一致，也有助于截齿的自转。3.3.3 掘进机截割头载荷计算当截割头的结构、几何尺寸以及截齿排列方式等都已确定，就应当进行截割头载荷计算，这是截割头设计的重要一步。截割头的载荷大小与煤岩性质、截齿结构尺寸、截齿布置参数等因素有关，而且随位置不同而变化。这是由于截割头工作时，煤岩的破碎是不连续的，每个截齿的截割阻力成周期性变化，因此截割头上的载荷是随时间变化的。通过截割头载荷计算可以求得截割头的各载荷曲线，由此得出载荷的最大值、最小值、平均值和摆动值以及载荷的合力作用点。这种确定截割头的载荷的方法比较科学、准确，便于对截割头的载荷和截割特性的研究。(1)切屑厚度的计算当截割头横向摆动截割时，在圆周范围内，每个截齿最大工作角度为180o如果顺着截割头旋转轴朝工作面方向看，截齿工作半周的切屑断面成月牙形。当每条截线上有两齿时，最大切屑厚度是在同一条截线相邻二齿相继截割而形成的。当每条截线上有一齿时，这个齿的切割深度即最大切屑厚度。确切的说，最大切屑厚度是指在横向在与巷道中线垂直方向的切屑断面厚度。截割头上第i个齿的最大切屑厚度himax应按下式计算：himaxvbicosi/nm式中Vbi：第i个截齿横向摆动速度；日:第i个截齿截割头中心线的角度；n：截割转速；m：同一条截线上截齿数。在截割头工作过程中，n和m是不变化的，Bi的变化范围也不大，只有出有较明显的变化。在截割同一种煤岩时，靠近截割头小端处的截齿有较大的切屑厚度。3.3.4 截齿受力计算掘进机截割头在正常截割状态下，截齿受到截割阻力、牵引阻力和侧向力。而具体的某个截割头的截割受力与相邻截线上的截齿排列方式有关系。当相邻两条截线上的截齿在同一个叶片上，这种截割方式为顺序式截割；当相邻两条截线上的截齿不在同一个叶片上，这种截割方式称为交叉式截割。顺序式截割，属半封闭式截割，有明显的侧向力；交叉式截割，属浅封闭式截割，截齿几乎不受侧向力。在计算瞬时载荷之前，对截齿的平均受力、截割头对旋转轴的截割阻力矩、截割电机的功率及其单位能耗等参数指标进行计算评估，与瞬时负载情况对比分析，对以后瞬时负载、功率等计算有指导意义。1.单个截齿平均截割阻力z载荷公式zPkKtKgKy0.250.018th0.1Sj(3-1)镐形齿牵引阻力y公式yKn1zN(3-2)镐齿承受侧向力x计算公式xKn2z,N式中Pk岩石接触强度，单位Mpa;Pk截齿类型系数，镐形齿1.5,径向齿为1;Kz截齿几何形状影响系数，镐形齿KgKKKd径向齿KgKbkdK硬质合金刀头形状系数;K刀杆头部形状系数;Kd硬质合金刀头直径系数;Kb截齿刀部宽度影响系数,Kb0.920.01b,b是刀齿刃布宽度，单位mm;Kg-一截齿前刃面形状影响系数，前刃面是平面，取1,椭圆形或头形前刃面取0.95;Ky截齿截角影响系数;t平均截线距，mm;h平均切屑厚度，mm;Sj 齿的后刃面磨钝后在牵引方向投影面积,mm2,径向齿取30-40mm2,切向齿取15-20mm2;2 .对截割头旋转轴的截割阻力矩计算一_Dcp.MzmP。k2(3-4)式中z作用在一个截齿上的截割阻力，N;每条截线上的齿数;DcpDcpp截割头上的总截线条数;一截割头平均直径，m;13截割头长度，m;Sk过截割头转轴的截割头纵断面面积，m2;kTp考虑同时截割煤的截齿个数的系数，最大取0.5;k 0c煤岩体松裂系数，最大取1。3 .截割电动机功率计算KwMn0160(3-5)式中 n0截割头每秒转数;工作机构传动效率,可取为 0.84 .单位能耗计算w _60 L D VbKw h/(3-6)式中z截齿截割阻力;t平均截线距，mm;h平均切屑厚度，mm。负载和功率的初定为以后设计摆动速度和钻进速度、计算载荷提供参考依据。3.3.5瞬时载荷、力矩及功率计算1 .单个截齿瞬时载荷计算截割阻力公式ZpkkTkak,(0.250.01仇hi)0.1SjDJ(3-7)镐形齿牵引阻力yi公式VKn1 Zi n(3-8)镐齿承受侧向力Xi计算公式XiK(3-9)式中i为第i个截齿;hihi max sin i iti为截齿齿尖与截割头径向截面中心连线和X轴的夹角。Vbi cos ih r i maxn m , mmti 截齿的切削宽度,mm;由于截线距不等，所以，在计算1,、tti-(ti1ti1)时取截齿所在截线上下各一半，即2。2 .某一瞬时截割头受到的合力及合力矩计算合力及其合力矩计算方法(以横摆为例图文说明)：首先计算各个截齿的截割阻力z和牵引阻力y,如图4-2所示。然后将z和y转化到相应截齿所在截线的平面与截割头轴线的交点处,力平移过去同时截割阻力产生了一个力矩，如图4-3所示。在各个交点处建立局部坐标系，具三个方向和质心处的坐标系方向一致，即一个轴沿截割头轴线，一个轴位于过截割头轴线并垂直于水平地面的面上，另一个轴方向便确定，这样将转化到各个交点处的力投影到局部坐标系中，在将所有的局部坐标系的力和力矩转化到质心处的坐标系并合成为三向力和三向力矩（包含有侧向力，如果没有侧向力则只有两个方向的力和三向力矩）。栽齿璘时负荷图图3-6截齿瞬时负荷图Figure3-6thepictureofthechargesentence图3-7截齿力矩转化图Figure3-6momentalofthegare(1)单齿上的载荷，如图3-7Zi、Yi。(2)局部坐标系上的力和力矩RxiZisin(ti)Yicos(ti).(3-10)Ryi乙cos(ti)Yisin(ti)(3-11)1Mzi-ZiDi2(3-12)式中一一截割头转动的角速度，rad/s;i一一在t时刻，第i个截线上的工作截齿在截割头圆周方向的角度，rad;Di第i个齿的径向距离的二倍(即直径)；(3)截割头质心上的三向力和三向力矩计算在t时刻，截割头受到的瞬时三向力为：RxRxiN.(3-13)RyRyin.(3-14)在t时刻，截割头受到的瞬时三向力矩为:Mx(3-15)My(3-16)Mz(3-17)RyiLi N mm .,)R LiN mm.MziZi Di i i N mm,)注意：Li有正负之分，靠近截割头头部的为正值，靠近端面的为负值。3 .求功率、均值、方差和波动系数功率：N以0,Kw1601n(3-18)均值：ErRni1(3-19)均方差：R1-(REr)ni1(3-20)R波动系数：RE波动系数是用来衡量载荷波动平稳情况，R波动系数越小说明载荷越平稳，掘进机受力情况越好；反之掘进机受力情况相对恶劣。当载荷波动系数很大时说明截割头设计不合理，需重新设计。3.4 截割速度方案设计在掘进机工作过程中，岩石硬度不是恒定的，各种硬度的岩石对应的经济截割速度不同，所以截割速度最好是随时变化着的，掘进机在掘进巷道工程中，其工作状态与工况参数有密切关系。如：截齿的磨损与其线速度有直接关系；所以传动零件以及紧固件的疲劳破坏都与载荷的性质与载荷的稳定程度有关，而载荷的稳定程度有是截割头转速、悬臂摆动速度、切屑厚度以及截割阻力等参数的函数。对于不同的截割对象，为了保证掘进机有高的掘进效率和可靠的工作状态，从理论方面分析，截割头转速、截齿线速度、悬臂摆动等运动学参数以及截齿上承受的截割阻力、截割电机功率等动力学参数都应该是不同的。但是，现在正实用的掘进机不能实现这个要求。因为尚未研制出截割头拖动装置的无级调速系统，本次设计掘进机有两种截割速度，高速级用于截割硬度较小的岩石，低速级用于截割硬度较大的岩石，工作时可以根据岩石变化而随时改变截割速度。如果在传动系统中设计变速器将使传动系统大大复杂化，这与掘进机工作部传动系统的的设计原则相矛盾，所以变速直接采用电机变速，通过改变电机极数改变速度和功率。3.5 传动方案设计悬臂式掘进机的传动方式为电机输出轴通过联轴器将转矩传递给减速器的输入轴，减速器输出轴通过联轴器将转矩传递给主轴，主轴带动截割头转动。3.5.1 工况特点及要求(1)低速重载小体积由于国内外掘进机均向着重型化方向发展，其截割机构传递的功率相应地也越来越大，但是截割结构外形尺寸缺没有随功率的增加而成比例地增加。特别是一般掘进机因为其工作特点所致，截割臂的外形多设计成宝塔状，即越靠近截割头(动力输出端)，其外形尺寸越小。因此，处于截割臂前端的传动，在设计上因尺寸问题受到极大的限制。(2)冲击负荷大掘进机是通过截割头完成截割煤岩的，因破碎机