纵轴式掘进机总体方案设计与液压系统设计

，丁飞2，蒲天一31南京航空航天大学机电学院，南京(210000)2辽宁工程技术大学机械学院，阜新(123000)3太原煤炭科学研究院，太原（030000）E-mail:[e-mail]摘要：掘进机是煤炭生产和建设的基础工程，在煤炭工业中具有基础性的关键地位。本设计力图结合行业标准和设计规范，根据工作要求和设计目的进行掘进机总体方案设计与液压系统设计，确定符合要求的掘进机的总体参数。在液压系统设计部分，基本上确定各零部件的液压使用原理及参数计算。这里分析计算了截割部、行走机构、装运机构、中间运输机等载荷分析。马达部分的确定：装载部的星轮机构马达、行走机构的驱动马达、中间运输机的驱动马达等。油缸部分的确定：升降油缸、回转油缸、伸缩油缸、履带行走机构的张紧油缸、铲板部的升举油缸的计算设计。液压缸的结构设计部分，进行了伸缩油缸的机构设计计算，并绘制零件图。也进行了泵站的参数计算确定和液压系统的计算，评估液压系统性能。最后进行掘进机的通过性分析与稳定性分析。关键词：纵轴式掘进机；总体方案设计；液压系统设计中图分类号：TH1引言1.1当前国内外掘进机研究水平的状况近年来，随着我国煤炭行业的快速发展，与之唇齿相依的煤机行业也日益受到重视。在煤炭行业纲领性文件《关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》中，在全国煤炭工业科学技术大会上以及国家发改委出台的煤炭行业结构调整政策中，都涉及到发展大型煤炭井下综合采煤设备等内容。掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节，国家的方针是：采掘并重，掘进先行。煤矿巷道的快速掘进是煤矿保证矿井高产稳产的关键技术措施。采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。随着综采技术的发展，国内已出现了年产几百万吨级、甚至千万吨级超级工作面，使年消耗回采巷道数量大幅度增加，从而使巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性及关键性技术。我国煤巷高效掘进方式中昀主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘进机。我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于20世纪60年代，以30～50kW的小功率掘进机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。80年代初期，我国淮南煤机厂（现重组为凯盛重工）引进了奥地利奥钢联公司AM50型掘进机、佳木斯煤机厂（现隶属于国际煤机）引进了日本三井三池制作所S-100型掘进机，通过对国外先进技术的引进、消化、吸收，推动了我国综掘机械化的发展。但当时引进的掘进机技术属于70年代的水平，设备功率小、机重轻、破岩能力低及可靠性差，仅适合在条件较好的煤巷中使用，加之国产机制造缺陷，在使用中暴露了很多问题。国内进一步加强对引进机型的消化吸收工作，积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。经过近30年的消化吸收和自主研发，目前，我国已形成年产1000余台的掘进机加工制造能力，研制生产了20多种型号的掘进机，其截割功率从30kW到200kW，初步形成系列化产品，尤其是近年来，我国相继开发了以EBJ-120TP型掘进机为代表的替代机型，在整体技术性能方面达到了国际先进水平。基本能够满足国内半煤岩掘进机市场的需求，半煤岩掘进机以中型和重型机为主，能截割岩石硬度为f＝6～8，截割功率在120kW以上，机重在35t以上。煤矿现用主流半煤岩巷悬臂式掘进机以煤科总院太原研究院院生产的EBJ-120TP型、EBZ160TY型及佳木斯煤机厂生产的S150J型三种机型为主，占半煤岩掘进机使用量的80％以上。然而，国内目前岩巷施工仍以钻爆法为主，重型悬臂式掘进机用于大断面岩巷的掘进在我国处于试验阶段，但国内煤炭生产逐步朝向高产、高效、安全方向发展，煤矿技术设备正在向重型化、大型化、强力化、大功率和机电一体化发展，新集能源股份公司、新汶矿业集团、淮南矿业集团及平顶山煤业集团公司等企业先后引进了德国WAV300、奥地利AHM105、英国MK3型重型悬臂式掘进机。全岩巷重型悬臂式掘进机代表了岩巷掘进技术今后的发展方向。虽然三一重装去年推出了国内第一台EBZ200H型硬岩掘进机，但国产重型掘进机与国外先进设备的差距除总体性能参数偏低外，在基础研究方面也比较薄弱，适合我国煤矿地质条件的截割、装运及行走部载荷谱没有建立，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等方面还处于空白；在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统等核心技术方面有较大差距。1.2本设计的主要研究内容本论文的研究内容有：根据给定的设计要求和目的，按照中国煤炭行业标准和行业设计规范，进行纵轴式掘进机的总体方案设计与液压系统设计。主要有以下几个方面：a.按行业标准MT138—1995《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》，结合工作要求和设计目的，确定掘进机的总体型式和总体参数；b.分析整个工作部件的工作原理，给出机械传动系统图和绘制整体配置图；c.为实现工作要求，进行了整体液压系统原理设计，形成本掘进机的液压系统原理图；d.对截割部、行走机构、装载机构、中间运输机构进行载荷分析，确定各部分的载荷，为进行液压系统各执行元件的设计提供依据。这里通过计算确定了8个马达和11个油缸的主要参数；e.重点选取伸缩油缸进行详细的结构设计，确定缸筒壁厚度，缸体外径，进出口布置，工作行程，平底缸盖厚度，活塞宽度，昀小导向长度，缸体长度等，并进行了强度，刚度和稳定性校核；f.进行液压系统参数计算，由各回路的流量、工作压力，完成液压系统参数计算，确定泵站的主要技术参数，确定6个小系统所需要的6个泵及其各自的功率，并综合确定泵站电机的功率参数。同时，由6个小系统的总体昀大流量，确定油箱容积。进行液压系统的性能验算，确定整个系统的效率、产生的热量和温升，以评估系统的优越。并做了液压缸的工作速度验算，保证系统工作的顺利进行。g.按照规范进行了掘进机的通过性与稳定性分析。—2006《悬臂式掘进机|第3部分|通用技术条件》，确定掘进机型式的基本参数。表2-1掘进机型式的基本参数[1]Tab.2-1Tableofthebasicparametersofroadheadermodels机型技术参数单位特轻轻中重超重切割煤岩昀大单向抗拉强度MPa40≤50≤60≤80≤100≤煤,min/3m0.60.8———生产能力煤夹矸,min/3m0.350.40.50.60.6切割机构功率kW55≤75≤90～132150200适应工作昀大坡度(绝对值)不小于(·)16±16±16±16±16±可掘巷道断面㎡5～126～167～208～2810～32机重(不包括转载机)T20≤25≤50≤80≤802.2掘进机的截割头载荷计算公式截齿截割岩石的阻力产生了截割力,其值与被切削的岩石有关,也与截齿的形状和切深有关。这些参数大多通过假岩壁截割试验取得,所需截割力的近似计算按式(2-1)求得KhPczcc)2/(cos016.022βσπ=[2](2-1)式中：cP—平均截割力,kN;ch—切屑厚度(截齿截割煤岩体的深度),mm;zσ—岩石的抗拉强度,MPa;cβ—截齿的刀具角,°;K—岩石的脆性系数,zDKσσ/=,其中Dσ为岩石的抗压强度。在K取值为10左右时，本公式准确性比较高。2.3纵轴式掘进机的截割头每个截齿的昀大切割厚度计算公式对于纵轴式掘进机截割头,每个截齿的昀大切削厚度可由式(2-2)计算求得:mnVhbc0/=[2](2-2)式中：bV—截割头牵引速度(或摆动速度),min/mm；0n—截割头的转速,min/r；m—在一条截线上的截齿数。工况分析及载荷计算公式对于液压缸，外负载为：ifcFFFF++=[3](2-3)式中：F—工作负载；fF—摩擦负载；iF—惯性负载。对于液压马达，外负载为：ifnMMMM++=[3](2-4)式中：M—工作负载扭矩；fM—摩擦阻力矩；iM—惯性力矩。3纵轴式掘进机总体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。根据任务书的要求，按行业标准MT138—1995《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》选定机型类别为重型掘进机。按照行业的设计规范和使用的情况，确定各部件的驱动方式和连接结构。这里除了截割头使用电机驱动外，其余的都采用液压驱动。本掘进机的总体设计，主要包括以下内容：1、据设计任务书选择机型及各部件结构型式。2、定整机的主要技术性能参数，包括尺寸参数、重量参数、运动参数和技术经济指标。3、按照总体设计的性能要求，确定整机系统的组成及它们之间的匹配性以及各个部件的主要技术参数。4、进行必要的总体计算，并绘制传动系统图和总体配置图。切割头采用圆锥形式，按行业标准MT477-1996《YBU系列掘进机用隔爆型三相异步电动机》选取截割电机，减速机采用二级行星减速器。内伸缩式结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活方便，因此采用内伸缩式截割头。耙装部机构采用弧形三齿星轮式，有左右两个，对称布置。输送机构，采用刮板链式输送机，由机尾向机头方向倾斜向上布置。转载机采用胶带输送机的形式。行走机构采用履带式，驱动方式由液压马达驱动，可在底板不平或者松软的条件下工作。采用喷雾式除尘，综合使用内喷雾形式和外喷雾形式。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。确定的主要参数如表3-1：爬坡能力截割硬度±16°≤60Mpa截割范围高度宽度面积4.5m5.6m22.6㎡截割部截割头形状截割头转速截割头伸缩量隔爆型三相电动机喷雾圆锥台形46r/min550mmYBUD2-132-4隔爆，水冷方式，1台内、外喷雾方式水平回转角上摆角下摆角33°32°28°铲板部装载形式装载宽度星轮转速装载能力铲板卧底三齿星轮式2.8m28r/min230m3/h300mm铲板抬起340mm刮板输送机运输形式溜槽宽度链速龙门高度张紧形式双边链刮板式540mm0.90m/s360mm油缸张紧行走部形式履带宽度制动方式接地比压行走速度履带式450mm摩擦离合器制动0.14MPa0-5/10m/min接地长度张紧形式3.3m油缸张紧在本总体方案设计的昀后，给出了本掘进机的传动系统图和总体配置图。确定的掘进机的传动系统图如图3-1：78910111217181912345613161415图3-1掘进机的传动系统Fig.3-1Thedrivesystemofroadheader1—内齿轮2—中心轮3—二级中心轮4—行星轮5—电动机6、7—圆锥齿轮8—链轮9—链轮轴10—内齿轮11—二级行星减速机12—齿轮13—油马达14—齿轮15—齿圈16—油马达17、18—涡轮蜗杆19—星轮4掘进机液压系统设计液压系统设计在明确基本要求的基础上，进行工况分析，工作负载计算，拟订液压系统图。在进行各回路的设计之后，确定总体工作原理图，再进行各回路的执行元件的设计计算。这里进行了截割