1、縱軸式掘進機總體方案設計與液壓系統設計林紫雄1,丁飛2,蒲天一31南京航空航天大學機電學院,南京 (2100002遼寧工程技術大學機械學院,阜新 (1230003太原煤炭科學研究院,太原(030000E-mail: purple_paradise摘要:掘進機是煤炭生產和建設的基礎工程,在煤炭工業中具有基礎性的關鍵地位。本設計力圖結合行業標準和設計規范,根據工作要求和設計目的進行掘進機總體方案設計與液壓系統設計,確定符合要求的掘進機的總體參數。在液壓系統設計部分,基本上確定各零部件的液壓使用原理及參數計算。這里分析計算了截割部、行走機構、裝運機構、中間運輸機等載荷分析。馬達部分的確定:裝載部的星

2、輪機構馬達、行走機構的驅動馬達、中間運輸機的驅動馬達等。油缸部分的確定:升降油缸、回轉油缸、伸縮油缸、履帶行走機構的張緊油缸、鏟板部的升舉油缸的計算設計。液壓缸的結構設計部分,進行了伸縮油缸的機構設計計算,并繪制零件圖。也進行了泵站的參數計算確定和液壓系統的計算,評估液壓系統性能。最后進行掘進機的通過性分析與穩定性分析。關鍵詞:縱軸式掘進機;總體方案設計;液壓系統設計中圖分類號:TH1引言1.1當前國內外掘進機研究水平的狀況近年來,隨著我國煤炭行業的快速發展,與之唇齒相依的煤機行業也日益受到重視。在煤炭行業綱領性文件關于促進煤炭工業健康發展的若干意見中,在全國煤炭工業科學技術大會上以及國家發改

3、委出臺的煤炭行業結構調整政策中,都涉及到發展大型煤炭井下綜合采煤設備等內容。掘進和回采是煤礦生產的重要生產環節,國家的方針是:采掘并重,掘進先行。煤礦巷道的快速掘進是煤礦保證礦井高產穩產的關鍵技術措施。采掘技術及其裝備水平直接關系到煤礦生產的能力和安全。高效機械化掘進與支護技術是保證礦井實現高產高效的必要條件,也是巷道掘進技術的發展方向。隨著綜采技術的發展,國內已出現了年產幾百萬噸級、甚至千萬噸級超級工作面,使年消耗回采巷道數量大幅度增加,從而使巷道掘進成為了煤礦高效集約化生產的共性及關鍵性技術。我國煤巷高效掘進方式中最主要的方式是懸臂式掘進機與單體錨桿鉆機配套作業線,也稱為煤巷綜合機械化掘進

4、,在我國國有重點煤礦得到了廣泛應用,主要掘進機械為懸臂式掘進機。我國煤巷懸臂式掘進機的研制和應用始于20世紀60年代,以3050kW的小功率掘進機為主,研究開發和生產使用都處于試驗階段。80年代初期,我國淮南煤機廠(現重組為凱盛重工引進了奧地利奧鋼聯公司AM50型掘進機、佳木斯煤機廠(現隸屬于國際煤機引進了日本三井三池制作所S-100型掘進機,通過對國外先進技術的引進、消化、吸收,推動了我國綜掘機械化的發展。但當時引進的掘進機技術屬于70年代的水平,設備功率小、機重輕、破巖能力低及可靠性差,僅適合在條件較好的煤巷中使用,加之國產機制造缺陷,在使用中暴露了很多問題。國內進一步加強對引進機型的消化

5、吸收工作,積極研制開發了適合我國地質條件和生產工藝的綜合機械化掘進裝備。經過近30年的消化吸收和自主研發,目前,我國已形成年產1000余臺的掘進機加工制造能力,研制生產了20多種型號的掘進機,其截割功率從30kW到200kW ,初步形成系列化產品,尤其是近年來,我國相繼開發了以EBJ-120TP型掘進機為代表的替代機型,在整體技術性能方面達到了國際先進水平。基本能夠滿足國內半煤巖掘進機市場的需求,半煤巖掘進機以中型和重型機為主,能截割巖石硬度為f=68,截割功率在120kW以上,機重在35t以上。煤礦現用主流半煤巖巷懸臂式掘進機以煤科總院太原研究院院生產的EBJ-120TP 型、EBZ160T

6、Y 型及佳木斯煤機廠生產的S150J型三種機型為主,占半煤巖掘進機使用量的80%以上。然而,國內目前巖巷施工仍以鉆爆法為主,重型懸臂式掘進機用于大斷面巖巷的掘進在我國處于試驗階段,但國內煤炭生產逐步朝向高產、高效、安全方向發展,煤礦技術設備正在向重型化、大型化、強力化、大功率和機電一體化發展,新集能源股份公司、新汶礦業集團、淮南礦業集團及平頂山煤業集團公司等企業先后引進了德國WAV300、奧地利AHM105、英國MK3型重型懸臂式掘進機。全巖巷重型懸臂式掘進機代表了巖巷掘進技術今后的發展方向。雖然三一重裝去年推出了國內第一臺EBZ200H型硬巖掘進機,但國產重型掘進機與國外先進設備的差距除總體

7、性能參數偏低外,在基礎研究方面也比較薄弱,適合我國煤礦地質條件的截割、裝運及行走部載荷譜沒有建立,沒有完整的設計理論依據,計算機動態仿真等方面還處于空白;在元部件可靠性、控制技術、在截割方式、除塵系統等核心技術方面有較大差距。1.2本設計的主要研究內容本論文的研究內容有:根據給定的設計要求和目的,按照中國煤炭行業標準和行業設計規范,進行縱軸式掘進機的總體方案設計與液壓系統設計。主要有以下幾個方面:a. 按行業標準MT1381995懸臂式掘進機的型式與參數,MT238.32006懸臂式掘進機|第3部分|通用技術條件,結合工作要求和設計目的,確定掘進機的總體型式和總體參數;b. 分析整個工作部件的

8、工作原理,給出機械傳動系統圖和繪制整體配置圖;c. 為實現工作要求,進行了整體液壓系統原理設計,形成本掘進機的液壓系統原理圖;d. 對截割部、行走機構、裝載機構、中間運輸機構進行載荷分析,確定各部分的載荷,為進行液壓系統各執行元件的設計提供依據。這里通過計算確定了8個馬達和11個油缸的主要參數;e. 重點選取伸縮油缸進行詳細的結構設計,確定缸筒壁厚度,缸體外徑,進出口布置,工作行程,平底缸蓋厚度,活塞寬度,最小導向長度,缸體長度等,并進行了強度,剛度和穩定性校核;f. 進行液壓系統參數計算,由各回路的流量、工作壓力,完成液壓系統參數計算,確定泵站的主要技術參數,確定6個小系統所需要的6個泵及其

9、各自的功率,并綜合確定泵站電機的功率參數。同時,由6個小系統的總體最大流量,確定油箱容積。進行液壓系統的性能驗算,確定整個系統的效率、產生的熱量和溫升,以評估系統的優越。并做了液壓缸的工作速度驗算,保證系統工作的順利進行。g. 按照規范進行了掘進機的通過性與穩定性分析。2 掘進機總體設計與液壓系統設計的理論基礎與設計規范2.1 掘進機型式的基本參數要求根據MT238.32006懸臂式掘進機|第3部分|通用技術條件,確定掘進機型式的基本參數。表2-1 掘進機型式的基本參數1Tab.2-1 Table of the basic parameters of roadheader models機型技術

10、參數 單位特輕輕中重超重切割煤巖最大單向抗拉強度MPa40 50 60 80 100煤,min /3m0.6 0.8 生產能力煤夾矸,min /3m0.35 0.4 0.5 0.6 0.6切割機構功率 kW55 7590132適應工作最大坡度(絕對值不小于 (· 16± 16± 16± 16± 16±可掘巷道斷面 512 616 720 828 1032機重(不包括轉載機T20 25 50 80 80>2.2 掘進機的截割頭載荷計算公式截齒截割巖石的阻力產生了截割力, 其值與被切削的巖石有關, 也與截齒的形狀和切深有關。這些參數

11、大多通過假巖壁截割試驗取得, 所需截割力的近似計算按式(2-1求得Kh P c zc c 2/(cos 016.022=2(2-1式中: c P 平均截割力, kN;c h 切屑厚度(截齒截割煤巖體的深度 , mm;z 巖石的抗拉強度, MPa;c 截齒的刀具角, °K 巖石的脆性系數,z D K /= , 其中D 為巖石的抗壓強度。在K 取值為10左右時,本公式準確性比較高。2.3 縱軸式掘進機的截割頭每個截齒的最大切割厚度計算公式對于縱軸式掘進機截割頭,每個截齒的最大切削厚度可由式(2-2計算求得:m n V h b c 0/=2 (2-2式中: b V 截割頭牽引速度(或擺動速

12、度,min /mm ;0n 截割頭的轉速, min /r ;m 在一條截線上的截齒數。2.4 工況分析及載荷計算公式對于液壓缸,外負載為:i f c F F F F +=3 (2-3式中: F 工作負載;f F 摩擦負載; i F 慣性負載。對于液壓馬達,外負載為:i f n M M M M +=3(2-4式中: M 工作負載扭矩;f M 摩擦阻力矩; i M 慣性力矩。3 縱軸式掘進機總體設計懸臂式掘進機主要由截割、行走、裝運、裝載四大機構和液壓、水路、電氣三大系統組成,并通過主體部將各執行機構有機的組合于一體。總體方案設計主要是進行掘進機的選型和總體參數的確定。根據任務書的要求,按行業標準

13、MT1381995懸臂式掘進機的型式與參數,MT238.32006懸臂式掘進機|第3部分|通用技術條件選定機型類別為重型掘進機。按照行業的設計規范和使用的情況,確定各部件的驅動方式和連接結構。這里除了截割頭使用電機驅動外,其余的都采用液壓驅動。本掘進機的總體設計,主要包括以下內容: 1、據設計任務書選擇機型及各部件結構型式。2、定整機的主要技術性能參數,包括尺寸參數、重量參數、運動參數和技術經濟指標。3、按照總體設計的性能要求,確定整機系統的組成及它們之間的匹配性以及各個部件的主要技術參數。4、進行必要的總體計算,并繪制傳動系統圖和總體配置圖。切割頭采用圓錐形式,按行業標準MT477-1996

14、YBU 系列掘進機用隔爆型三相異步電動機選取截割電機,減速機采用二級行星減速器。內伸縮式結構緊湊、尺寸小、伸縮靈活方便,因此采用內伸縮式截割頭。耙裝部機構采用弧形三齒星輪式,有左右兩個,對稱布置。輸送機構,采用刮板鏈式輸送機,由機尾向機頭方向傾斜向上布置。轉載機采用膠帶輸送機的形式。行走機構采用履帶式,驅動方式由液壓馬達驅動,可在底板不平或者松軟的條件下工作。采用噴霧式除塵,綜合使用內噴霧形式和外噴霧形式。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、切割力等。確定的主要參數如表3-1:表3-1 主要技術參數

15、Tab.3-1 main technical parameters總體參數總體長度總體寬度總體高度總重臥底深度8.7 m 2.8 m 1.8 m 45 t 200 mm 爬坡能力截割硬度±16° 60 Mpa截割范圍高度寬度面積4.5 m5.6 m 22.6截割部截割頭形狀截割頭轉速截割頭伸縮量隔爆型三相電動機噴霧圓錐臺形46 r/min 550 mmYBUD2-132-4 隔爆,水冷方式,1 臺內、外噴霧方式水平回轉角上擺角下擺角33° 32° 28°鏟板部裝載形式裝載寬度星輪轉速裝載能力鏟板臥底三齒星輪式 2.8 m 28 r/min 23

16、0m3 /h 300 mm鏟板抬起340 mm刮板輸送機運輸形式溜槽寬度鏈速龍門高度張緊形式雙邊鏈刮板式540 mm 0.90 m/s 360 mm 油缸張緊行走部形式履帶寬度制動方式接地比壓行走速度履帶式 450mm摩擦離合器制動 0.14MPa 0-5/10m/min 接地長度張緊形式3.3 m 油缸張緊 在本總體方案設計的最后，給出了本掘進機的傳動系統圖和總體配置圖。 確定的掘進機的傳動系統圖如圖 3-1： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 19 圖 3-1 掘進機的傳動系統 Fig.3-1 The drive system of roadhe

17、ader 1內齒輪 9鏈輪軸 2中心輪 3二級中心輪 油馬達 4行星輪 12齒輪 5電動機 13油馬達 19星輪 6、7圓錐齒輪 14齒輪 15齒圈 8鏈輪 16 10內齒輪 11二級行星減速機 17 18 17、18渦輪蝸桿 4 掘進機液壓系統設計 液壓系統設計在明確基本要求的基礎上，進行工況分析，工作負載計算，擬訂液壓系統 圖。 在進行各回路的設計之后， 確定總體工作原理圖， 再進行各回路的執行元件的設計計算。 這里進行了截割部、行走機構、裝載部、中間運輸機構的載荷分析，詳細確定了各部分的工 作情況， 載荷大小， 公式和分析方法來源于中國煤炭行業標準和中國煤炭科學研究院的研究 成果。由此確

18、定了各部件的驅動方式和驅動元件的參數，包括 8 個馬達的技術參數和 11 個 油缸的主要尺寸確定。 重點選取伸縮油缸進行詳細的結構設計，確定缸筒壁厚度，缸體外徑，進出口布置，工 作行程，平底缸蓋厚度，活塞寬度，最小導向長度，缸體長度等，并進行了強度，剛度和穩 定性校核。 完成液壓系統參數計算，確定泵站的主要技術參數，通過計算確定 6 個小系統所需要的 6 個泵及其各自的功率，并綜合確定泵站電機的功率參數。同時，由 6 個小系統的總體最大 流量，確定油箱容積。 進行液壓系統的性能驗算，確定整個系統的效率、產生的熱量和溫升，以評估系統的優 越。并做了液壓缸的工作速度驗算，保證系統工作的順利進行。

19、本設計確定的主要液壓系統參數如表 4-1。 -6- 表 4-1 主要液壓系統參數 Tab.4-1 main hydraulic system parameters 泵站 三聯泵 1 CBZ2063/63/32 電機額定電壓 AC1140V 裝載回路 馬達型號 2 個 NHM1200 泵型號 CBZ2063 系統工作壓力 16 MPa 中間運輸回路 馬達型號 NHM400 泵型號 CBZ2063 系統工作壓力 16 MPa 行走回路（左、右） 馬達型號 NHM175A 泵型號 CBZ2032 系統工作壓力 16 MPa 轉載機與水泵回路 裝載機馬達 BM-E630 泵型號 CBZ2050 水泵

20、CBZ2050 系統工作壓力 16 MPa 系統工作壓力 16 MPa 泵缸回路 泵提供流量 61.63 L/min 泵工作功率 19.3 kW 串聯回路流量 77.64 L/min 泵工作功率 24.4 kW 馬達額定工 作轉速 87.2 r/min 泵提供流量 45.5 L/min 泵工作功率 17.8 kW 馬達額定工 作轉速 280 r/min 泵提供流量 77.6 L/min 泵工作功率 24.4 kW 馬達額定工 作轉速 87.2 r/min 泵提供流量 77.6 L/min 泵工作功率 24.4 kW 馬達額定工 作轉速 28 r/min 三聯泵 2 CBZ2063/50/32

21、系統額定壓力 16 MPa 油箱容量 640 L 電機額定功 率 110 kW 電機工作轉 速 1450 r/min 本設計確定的油缸的參數如表 4-2。 表 4-2 油缸的主要參數 Tab.4-2 油缸驅動力 29.7 kN 油缸驅動力 410.4 kN 油缸驅動力 440.9 kN 油缸驅動力 106.7 kN 油缸驅動力 89 kN 桿徑 80 mm 桿徑 110 mm 桿徑 110 mm 桿徑 63 mm 桿徑 63 mm 內徑 125 mm 內徑 180 mm 內徑 180 mm 內徑 100 mm 內徑 100 mm main parameters of fuel tank 伸縮油

22、缸 1 個 無桿腔有效面積 123 cm 2 有桿腔有效面積 72.5 cm 2 工作最大流量 25.3 L/min 工作最大流量 13.3 L/min 工作最大流量 8.3 L/min 升降油缸 2 個 無桿腔有效面積 254 cm 2 有桿腔有效面積 159 cm 2 回轉油缸 2 個 無桿腔有效面積 254 cm 2 有桿腔有效面積 159 cm 2 履帶行走機構張緊油缸 2 個 無桿腔有效面積 78.5 cm 2 有桿腔有效面積 47.4 cm2 有桿腔有效面積 47.4 cm2 工作最大流量 15.5 L/min 鏟板油缸 2 個 無桿腔有效面積 78.5 cm2 -7- 伸縮油缸結

23、構設計得出的主要參數如表 4-3。 表 4-3 伸縮油缸的重要參數 Tab.4-3 main parameters of extendable fuel tank 缸筒壁厚度 13.5 mm 缸體外徑 152 進出口布置 螺紋連接 M33×2 行程 550 mm 平底缸蓋厚度 12 最小導向長度 230 mm 缸體長度 720 液壓系統的性能參數如表 4-4。 表 4-4 液壓系統的主要性能參數 Tab.4-4 the main performance parameters of hydraulic system 系統效率 0.218 系統熱量 68.3×103 W 系統溫

24、升 14.15 o C 5 本掘進機液通過性與穩定性分析 穩定性是指掘進機在規定方向行走和工作時不發生翻倒或側滑的能力。 它不僅關系到行 走和工作的安全、機器的生產率，而且還直接影響截齒、機械聯接與傳動元件、以及電氣元 件和液壓元件的壽命， 是評價懸臂式掘進機使用性能的一項重要指標， 只有具有良好的穩定 性，才能保證機器性能的充分發揮。本設計按照規范進行了掘進機的通過性與穩定性分析。 這是評估掘進機的綜合性能的重要指標，是最終確定本掘進機的是否可以出產的重要依據。 通過性參數如表 5-1。 表 5-1 通過性參數 Tab.5-1 the parameters of through perfor

25、mance 離地最小間隙 253 mm 接地比壓 0.14Mpa 適應巷道坡度 ±16° 穩定性參數有： （一） 靜態穩定性計算結果如表 5-2。 表 5-2 靜態穩定性參數 Tab.5-2 static stability parameters 極限傾翻角 上山（坡）極限傾翻角 40° 下山（坡）極限傾翻角 31° 橫向極限傾翻角 36° 表 5-3 動態穩定性參數 Tab.5-3 dynamic stability parameters 不同截割情況的穩定比 縱向截割（上下截割） 當截割頭向上截割時 當截割頭向下截割時 橫向截割（左右截割）

26、 軸向鉆進 下滑臨界坡度角 45° （二） 動態穩定性計算結果如表 5-3。 K = 3 .8 K = 1 .8 K = 2 .3 K = 3.4 -8- 6 結語 本設計主要是根據掘進機的設計要求和用途， 進行本掘進機總體方案設計和液壓系統設 計，確定掘進機型號為 EBZ132，能夠滿足中低硬巖、煤層的經濟截割，切割能力較強，應 用范圍也很廣泛，不只在井下采掘作業，也可以在工程建筑里面的航道掘進。EBZ132 整機 結構緊湊，布局合理，機重與截割功率匹配，接地比壓小，地隙大，適應性強。 本設計過程的思路和技術路線， 主要是根據中國煤炭行業標準， 各煤炭科學研究院的科 研成果。在本設

27、計過程中，收集了大量的參考資料，近百篇的相關論文，同時大量的現場圖 紙資料，包括佳木斯煤礦機械有限公司的各型號掘進機的宣傳手冊、圖冊，三一重裝、朝陽 重工、 遼源煤機廠等產品的介紹和說明資料， 保證本設計中各參數的確定更具有科學依據和 實用的可行性。 同時，在進行本設計的前期工作中，在指導老師丁飛老師的帶領下，去了遼源煤機廠熟 悉現場的掘進機工作流程和設計工藝流程。 參考文獻 1 MT238.3-2006懸臂式掘進機|第 3 部分|通用技術條件. 2 郝建生.掘進機縱軸式截割頭截割效率的優化設計J.煤炭科學技術,2007,2(2. 3 李貴軒等.掘進機械設計M.阜新:阜新礦業學院,1992 年

28、. GENERALL DESIGN OF LONGITUDINAL ROADHEADER AND THE DESIGN OF HYDRAULIC SYSTEM LIN Zixiong1, DING Fei2, PU Tianyi3 1 Mechanical Engineering College,Nanjing University of Aeronautics And Astronuutics,Nanjing,Jiangsu(210000 2 Mechanical Engineering College, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaon

29、ing (123000 3 Taiyuan Coal Institute of Science and Technology, Taiyuan, Shanxi(030000 Abstract Roadheader is the foundation of the Coal Industry. In the coal industry, Roadheader is in the key foundation status. This paper attempts to combine industry standards and design specifications, in accordance with the requirements and design of general purpose, make general design of longitudinal roadheader and design of hydraulic system, determined to meet the requirements of the overall tunneling machine parameters. In the design of the hydraulic system, this