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ЛК-3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S100型等。

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、奥地利的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ЛК-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。

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[6]Tab.2-1 Table of the basic parameters of roadheader models技术参数单位机型特轻轻中重超重切割煤岩最大单向抗拉强度MPa生产能力煤，3/minm0.6 0.8 ———煤夹矸，3/minm0.35 0.4 0.5 0.6 0.6切割机构功率kW 90～200 适应工作最大坡度(绝对值)(°)40≤50≤60≤80≤100≤55≤75≤150>200>16±16±16±16±16±不小于可掘巷道断面㎡ 5～12 6～16 7～20 8～28 10～32 机重(不包括转载机) t2.1.2 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[5]。

所以选择圆锥形切割头。

(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MT477-1996《YBU 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20≤25≤50≤80≤80>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2-1 EBZ200E掘进机的截割部行星减速器结构Fig.2-1 EBZ200E roadheader in Jiamusi Coal Mine Machinery Co. 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[5]。

图2-2 悬臂伸缩原理图Fig.2-2 The fig of the cantilever flex(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[5]1)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，要有足够的刚度；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，提高溜槽及刮板使用寿命。

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。