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中文译文

悬臂纵轴式掘进机的总体设计

总体设计是机械产品设计过程中的重要内容和主要环节，它是在方案设计之后紧接着进行的设计工作。

悬臂纵轴式掘进机（以下简称掘进机）的总体设计对整机性能的优劣起着决定性的作用，并决定了各总成、系统、各部件之间的协调性，统一性和匹配关系，从而获得总体的高端性能和较好的技术经济效益。

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、液压、电控系统图等。

1（选定该机型和各个部件及其结构型式、驱动方式、并进行总体的合理布置

该项内容在确定前，首先应满足设计任务书的内容，特别是用户提出的主要要求经过调研，双方反复交换意见，达到既能满足用户（或上级）条件，又能较好的符合本企业产品发展的总体规划。

1）机型的选定

根据掘进机的用途，是用于煤矿井下巷道的掘进还是用于其他行业的工程作业，掘进机的工作条件是用于截割煤巷还是半煤岩巷，煤岩的单向抗压强度（或普氏系数f值）及岩石的磨蚀系数。

同时应对照行标MT138~1995《悬臂式掘进机的型式与参数》，按其截割煤岩的最大单向抗压强度，选定机型的类别。

2）各部件结构型式、驱动方式的确定

掘进机一般由截割机构、装运机构、行走机构、液压系统、电控系统及辅助装置（如除尘装置、安全装置、遥控监测装置）等组成。

a（截割机构。

截割机构的驱动方式由交流电动机驱动，在传动系统中一般设齿形联轴节，不设机械式过载保护装置，经两级行星减速器带动主轴前端的截割头。

部分断面掘进机的工作机构有截链式、圆盘铣削式和悬臂截割式等。

因悬臂截割式掘进机机体灵活、体积较小，可截出各种形状和断面的巷道，并能实现选择性截割，而且截割效果好，掘进速度较高;所以，现在主要采用悬臂截割式，并已成为当前掘进机工作机构的一种基本型式。

按截割头的布置方式，分为纵轴和横轴式两种。

纵轴式截割头的优点是:

传动方便、结构紧凑，能截出任意形状的断面，易于获得较为平整的断面，有利于采用内伸缩悬臂，可挖柱窝或水沟。

截割头的形状有圆柱形、圆锥形和圆锥加圆柱形，由于后两种截割头利于钻进，并使截割表面较平整，故使用较多。

这种工作机构的缺点是:

由于纵轴式截割头在横向摆动截割时的反作用力不通过机器中心，与悬臂形成的力矩使掘进机产生较大的振动，故稳定性较差。

因此，在煤巷掘进时，需加大机身重量或装设辅助支撑装置。

目前，这种掘进机在部分断面掘进机中使用较多。

b（装运机构。

它一般由装载机构和中间输送机组成。

它们可采用分别驱动或集中联动方式，既可用交流电动机驱动，也可用液压马达驱动。

耙爪式是利用一对交替动作的耙爪来不断地耙取物料并装入转载运输机构。

这种方式结构简单、工作可靠、外形尺寸小、装载效果好，目前应用很普遍。

但这种装载机构宽度受限制（因为掘进机工作时履带行走机构一般不调动）。

为扩大装载宽度，可使铲板连同整个耙爪机构一起水平摆动，或设计成双耙爪机构，以扩大装载范围。

星轮式机构比耙爪式简单、强度高、工作可靠，但装大块物料的能力较差。

装载机构方案是既能装设耙爪式也可装设星轮式，两者可以互换使用。

通常，应选择耙爪式装载机构，但考虑装载宽度问题，可选择双耙爪机构，也可设计成耙爪与星轮可互换的装载机构。

部分断面掘进机多采用刮板链式输送机构。

输送机构一般是由机尾向机头方向倾斜向上布置的。

输送机构可采用联合驱动方式，即将电动机或液压马达和减速器布置在刮板输送机靠近机身一侧，在驱动装载机构同时，间接地以输送机构机尾为主动轴带动刮板输送机构工作。

这样传动系统中元件少、机构比较简单，但装载与输送机构二者运动相牵连，相互影响大。

由于该位置空间较小布置较困难。

输送机构采用独立的驱动方式，即将电动机或液压马达布置在远离机器的一端，通过减速装置驱动输送机构。

这种驱动方式的传动系统布置简单，和装载机构的运动互不影响。

但由于传动装置和动力元件较多，故障点有所增加。

目前，这两种输送机构均有采用，设计时应酌情确定。

一般常采用与装载机构相同的驱动方式。

装载机构可以采用电动机驱动，也可用液压马达驱动。

但考虑工作环境潮湿、有泥水，选用液压马达驱动为好。

c（行走机构。

行走机构一般采用履带型式，履带式行走机构适用于底板不平或松软的条件，不需修路铺轨。

具有牵引能力大，机动性能好、工作可靠、调动灵活和对底板适应性好等优点。

但其结构复杂、零部件磨损较严重。

目前部分断面掘进机通常采用履带式行走机构。

两条履带分别由各自的动力来驱动，可实

现原地转向。

履带的驱动动力有电动机和液压马达两种，电动机驱动一般只设置一种行走速度，液压马达驱动可采用低速大扭矩马达直接带动履带链轮，或采用中速液压马达减速器带动履带链轮的传动方式，它可实现无极调速。

履带结构型式有滑动和滚动两种，当机器调动速度?

10m/min的中、轻型掘进机，宜采用滑动结构型式;当机器的调动速度>10m/min的重型、特重型掘进机，应采用滚动结构型式。

d（液压系统。

液压系统多采用开式系统多路阀集中控制（直接操纵或遥控操纵）方式。

以往国内外多采用齿轮泵，近年来掘进机液压系统采用柱塞泵有增多的趋势。

e（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、检验，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。

3）总体布置

总体布置的内容包括以下几个方面:

（1）确定各部件在整机说的位置，并对外形尺寸提出要求;

（2）确定各部件、部件与整机之间的连接方式;

（3）估算整机重量，并对各部件的重量提出要求;

（4）布置各操纵机构、司机座位等;

（5）审核个运动部件的运动空间，排除可能发生的运动干涉。

4）具体要求

在掘进机总体布置时，需注意以下问题:

（1）工作机构减速器减速器的进、出轴尽量同轴线;

（2）悬臂和铲板的尺寸关系相适应，既有利于装载，又要避免截割头截割铲板;

（3）悬臂的水平和垂直摆动中心的位置可以重合，也可以不重合。

从增加机器的稳定性看，摆动这些都高度应尽量降低。

在保证悬臂不与其他机构干涉的条件下，摆动中心的位置应尽量靠后，但必须保证中心在机器的纵向对称平面内;

（4）当各主要部件设计出来之后。

应进行校核，不满足需求时需仅需调整，使重心位于履带中心稍偏前且小于L/6（L为履带接地长度）。

此外，还需求重心位置在截割机构回转台中心线之后，而且重心高度越低越好，以提高机器作业时的稳定性。

（5）总体布置应考虑左右两侧重量对称并照顾工作习惯及方便操作。

司机

座一般设在机身左侧、且位于机身后部，座椅高度应保证司机的视线，使其哪个很好地操纵机器，截割出规则的巷道;

（6）操纵台位置要适当，应保证司机操纵方便、省力。

仪表显示装置的位置要便于司机观察，又不分散司机正常操作的注意力。

5）传动型式及动力元件的选择

a（传动型式及元件选择应遵循的原则

（1）技术先进性:

能够改善机器性能，提高生产率;

（2）经济合理性:

传动系统尽量简单、元件少，易加工，价格低，维修容易，使用寿命长;

3）工作可靠性:

传动系统的可靠性表现为元件使用寿命，因此也是对元件（

质量的要求;

（4）适应性:

元件应适应传动系统的载荷、工况及环境等条件的要求。

b（各机构对传动系统的要求及传动型式的选择

掘进机的截割、装载、运输、行走等机构一般均为分别传动，各部件受力状态及工作条件不同，因而传动型式有不同的要求。

（1）工作机构要求有较大的短时过载能力，而油马达对冲击负荷很敏感，过载负荷能力低，影响截割头正常连续运转。

所以，掘进机的工作机构宜采用电动机为动力的机械传动型式。

应利用体积小、功率大、过负荷能力强的专用电动机，并配备可靠的电气保护装置。

根据工作机构结构紧凑的特点，通常工作机构的减速器设在悬臂内，成为悬臂的组成部分。

截割头调速方式一般采用配换挂轮的方法，变速机构力求简单。

（2）耙装机构传动装置的特点是:

减速器需装在尺寸有限的铲板下部，因而设计空间较小，工作条件恶劣。

减速器经常浸泡在煤岩泥水中，卡料时易过载。

耙装、输送机构若采用机械传动，用于电动机尺寸较大，不便在输送机尾安装，一般是在铲板上部两侧安装两台电动机，作为耙装、输送机构的共同动力，这样势必使减速箱的尺寸增大，在铲板下布置较紧张。

此外，考虑耙爪及链板卡链过载情况，为保护电动机不至烧毁，一般需要在减速器内设安全摩擦片离合器。

耙装、输送机构若采用齿轮油马达传动，由于尺寸小、重量轻，可使二者分别传动，从而简化传动装置，便于在铲板下布置，便于设计密封效果好的机械密封或将减速器与铲板分离，同时可实现过载自动保护。

（3）履带行走机构的驱动方式有电动机和油马达驱动两种方式。

分别通过机械减速装置或直接由油马达带动履带的主动链轮运转。

机械传动的履带行走机构，一般是将电动机装于两条履带减速器后部，制动方式采用机械液压制动方式。

这种传动方式传动可靠性高，电动机价格低，维修

容易，但不能调速，减速箱体积较大，巷道淋水大时，电动机易受潮而烧毁。

履带行走机构采用液压传动型式，系统简单、性能较好、技术先进。

液压传动的行走机构中，在液压马达型式选择及调速方式设计方面，有不同的方案。

采用低速大扭矩马达驱动，其特点是系统简单，尺寸小、重量轻，能够实现无级调速及过载自动保护。

但液压马达传动复杂、制造费用高，维护较难。

采用齿轮油马达,容积效率高，耐冲击性能好，维修容易，造价较低，一台10KW左右齿轮油马达的价格只有同功率径向柱塞马达的1/10;尺寸小、重量轻。

一台10KW左右齿轮油马达的重量，仅为同功率低速大扭矩马达的1/18，为电动机重量的1/13。

采用齿轮油马达后，减速器尺寸虽然较低速大扭矩马达的大，

-S50-13型机的减速器传动比i=328）。

因此可方便地将马但较电动式的小（MRH

达、减速器、液压制动阀、紧链装置等安装于履带架中间。

这种方式在技术性能上优于机械传动，在经济指标上优于低速大扭矩马达传动。

因此具有独特的优点。

行走机构的调速方式有两种，一种是采用变量泵。

另一种是采用分流或并流的调速方案，如MRH-S50-13型机，即在机器快速调动时，停止向装载马达供油，仅向行走马达供油，使掘进机有两种行走速度。

2（确定整机主要技术参数

掘进机整机主要技术参数包括尺寸参数（长×宽×高）、重量参数、运动参数和动力参数。

1）尺寸参数

整机长度、宽度的大小直接与其转弯半径有关，推荐轻型机长度?

7（5m，中型机长度?

8（5m，重型机?

l0m，对应的宽度分别为?

1.6m，?

2.5m，?

3m。

整机的高度直接关系到它的动、静态稳定性，适应范围和通过性的好坏，因此越低越好。

当今中外机型发展趋势是矮机型，中、重型机高度1.6,2m，特轻型、轻型机的高度1.4,1.6m。

掘进机可掘巷道断面的最大、最小高度和宽度应满足设计任务书的要求。

卧底深度250~400mm,离地间隙C=B/13+84（mm），B为两履带中心距）。

中间输送机龙门口过料高度最好为400mm，履带接地长度L与其中心距B之比应为L/B?

1.6。

2）重量参数

整机自重是掘进机的—个重要参数，机重太轻，工作稳定性下降，摆动截割时会发生摆尾现象、截割效率下降，截齿磨耗率增加;机重太重时，机动性差，转向灵活性下降。

—般它的自重可按w=（t）估算，式中N为截割机构功率，kW;V为截割头平均截割速度，m/s;也可参照现有掘进机用类比法来确定，机重（t）与截割功率（kW）之比为0（25,0（4。

对于一般煤、岩底板，许用值

?

0.14MPa;对于水软化的泥质页岩底板，

?

0（05MPa。

3）运动参数

截割机构的运动参数:

截割头的平均截割速度V:

对煤岩的单向抗压强度,,,,,ccc40MPa，V=3~3.5m/s;60MPa，V=2~2（5m/s，>60MPa（V=l~2m/s。

但最终切割速度由切割技术来确定。

4）动力参数

掘进机驱动的动力源都采用交流电动机。

截割机构功率大小。

实际上一般采用类比法，再结合掘进机一些个性因素及经验来确定。

掘进机在作业过程中，纵轴式和横轴式部需要足够的掏槽推进力和摆动（水平方向和垂直方向）力。

根据俄罗斯（原苏联）在实验室的试验结果得知，截割煤岩的普氏硬度f=4~6（相当于0C=40~60MPa），研磨系数F=5~7mg,mm2。

截割时的摆动力（牵引力）Pv=（1,1（34）P，P=M,Rcp，式中P为截割头上的平均截割力;Rcp为截割头平均半径;M为截割头上的额定扭矩。

掏槽时的进给力（轴向推力）R;（1.8,2.5）Pv，此力不得大于履带对底板打滑时的极限牵引力。

5）技术经济指标

Q=（m3/min），式中sx为截割头的纵向横截面积，m2:

Vn为截割头的截割摆动速度，m/min。

掘进机的设计寿命，在国际上先进的产品可达3,5年，在此期间它无需升井大修，国内产品一般为1,2年。

3.按照总体设计的要求。

确定各主要部件参数及其相互之间的连接关系

1）截割机构技术参数的确定及其连接关系

（1）截割机构技术参数的确定截割头上的截齿排列一般为双头或三头螺旋线布置方式。

截割头转速n=20~65r,min，截齿尖的平均截割速度V=1（5,2（5m,s，截割摆动速度Vn=0.8,l0m,s。

截线距离t=20~50mm，（切煤时取大值，切岩时取小值）。

平均单刀力应达到:

f4级煤岩F?

2500N，f6级煤岩F?

5000N，f8级煤岩F?

12000N，截齿安装角最佳为45?

48?

。

（2）截割机构的连接

截割机构悬臂安装在叉形架前端，叉形架固定在回转台上，回转台固定在机架上。

根据截割机构在作业过程中的作用力和力矩，应用MT475-1996《悬臂式掘进机回转支承型式、基本参数和技术要求》选定回转支承的结构型式，通过计算确定回转支承规格尺寸。

如用户对悬臂不要求有伸缩结构，一般不推荐采用。

2）装运机构参数的确定

（1）装载机构

装载机构与中间输送机采用联动方式或单动方式，装载机构耙爪的转速一般为25~48r,min。

星轮的转速可略高一些。

采用液压马达直接驱动时，最大输出扭矩应为计算额定扭矩值的1（5倍。

铲煤板的倾斜角一般为21?

25?

，它的宽度应比履带外宽大0.6,1.2m，下降最低位置不应小于卧底深度上升最大高度应达到350~400mm。

（2）中间输送机

中间输送机的链条可采用单链或双链结构形式的圆环链，链速不应超过0.92m/s，链条采用美国万向套筒滚子链单链时，链速不应超过2.5m/s，一般取1.6,2m为了满足卸载高度的变化要求，机尾应设多级升降液压缸实现升降，升起时的最小高度应为受料斗高度加300mm左右。

如机尾需要左右摆动时，必须采用一条美国万向套筒滚子链，在转向位置的一侧设置单作用液压缸实现机尾左右摆动45?

，以扩大卸载的宽度。

3）行走履带技术参数的确定和连接关系

a.行走履带的驱动型式和传动方式有两种，总体设计和总体布置时确定其中一种。

（1）电动机驱动一大传动比减速器（i?

250）?

带动主动链轮。

一般只能确定一种行走速度5,7.5m,min。

（2）速大扭矩液压马达一直接驱动主动链轮或中高速马达一减速箱一带动主动链轮能实现快速调动和慢速作业的需要，行走速度为0,10m/min的无级调速。

b.履带传动的连接关系

结构型式有滑动和滚动两种，滑动式结构简单，内阻较大，对特轻型、轻型、中型掘进机推荐采用滑动结构式。

滚动式运行阻力较小，履带架底部与履带链相接触磨损小。

重型和特重型掘进机推荐采用这种结构型式。

履带架底部装设的支重轮，每个承载力应不小于机重50,，间距一般为履带板节距的1.5倍。

4）液压系统技术参数的确定

液压系统的技术参数的确定应在液压设计计算后定。

系统的额定工作压力不宜高于20~25MPa。

在系统有液压马达传动动力时应设置冷却器，系统中选用串联轮泵时，额定压力宣在20MPa以下。

选用泵和马达的安裕度应为1.5左右。

系统中每个回路的溢流阀调定压力为其额定压力的1.8,2.2倍为宜。

5）电控系统主要技术参数的确定

电控系统的供电电压应按掘进机机型大小来确定压等级，特轻型、轻型机应选660V，中、重型机型应选660V/1140V。

动力部分回路中的电器元件应满足供电电的波动范围70,,115,的要求。

6）其他辅助系统

1）外喷雾系统，喷嘴设置在截割机构悬臂的前端水压为1.5MPa。

内喷雾系统的喷嘴装置设在截割头截齿座的后面内喷雾系统的压力不低于4MPa。

对截割岩石的情况下应适当提高水压和水量。

2）内外喷雾系统总水量不得超过掘进机实际生能力的6,8,，否则造成工作面煤泥积水现象。

4（进行必要的总体计算及系统图等

在掘进机总体设计和总体布置完成之后，整机的各个系统和主要部件的主要结构、技术参数己基本确定，对整机应进行必要的总体计算及系统图等。

1）掘进机截割机构动静态稳定性的计算。

2）各部件传动系统和液压电控系统的功率计算。

3）液压系统热平衡的计算。

4）绘制传动、液压、电控系统图。

5）绘制截割巷道断面图。

5.结语

掘进机的总体设计是掘进机设计工程中技术设计的个组成部分。

它的设计关键是总体性能参数的合理选择，各个系统和总成的优化设计水平，特别是截割机构的切割技术显得尤为重要。

本文所述掘进机的总体设计仍然是以传统设计为基础，在动力学、运动学、受力计算等方面应广泛应用现代设计方法，如概念设计、三维设计运动学、动力学仿真技术、有限元设计、优化设计等。

同时，应广泛学习国际上这方面的新设计方法为我所用，提高我们的设计水平，积累我们的设计经验，搞出安全、可靠、性能优良的高端产品。

英文翻译

TheverticalBoom-typeRoadheaderdesign

1Introduction

Mechanicaldesignisintheprocessofproductdesignandanimportantpartofthemainlinks,itisfollowedinprogrammedesignafterthedesignwork.TheverticalBoom-typeroadheader（theroadheader）totheoveralldesignofthemeritsofcompletemachineplayadecisiverole,andthedecisionoftheassembly,thesystem,coordinationbetweenthevariouscomponentsoftheunityandmatch,toobtainthehigh-endperformanceandoverallbettereconomicefficiencytechnology.

Roadheaderdesign,includingthefollowing:

1）Accordingtodesignprojectdescriptionchoicetypeandvariouscellularconstructionpattern

2）Decidesthecompletemachinethemaintechnicalperformanceparameter,Includingsizeparameter,heavyparameter,theparameterofmovementandthetechnicaleconomyreferparameter,

3）Accordingtosystemdesignperformancerequirement,definitecompletemachinesystemcompositionandbetweenthemmatchaswellaseachpartmaintechnicalsenateparameter,

4）Thenecessarywhole,andthemappingoftransmission,hydraulic,electroniccontrolsystems,andotherplans.

2theselectedmodelsandvariouscomponentsandstructuraltype,drive,andtheoveralllayoutofthereasonable

Indeterminingthecontent,firsttaskshouldbedesignedtomeetthecontents,especiallytheusersofthemaindemandsoftheinvestigation,thetwosidesexchangedviewsrepeatedly,tosatisfybothusers（orsuperior）conditions,canbettermeettheproductdevelopmentoftheoverallplan.

2.1theselectedmodels

Accordingtoroadheaderuse,forthecoalminetunnelboringorusedforothersectorsoftheworks,roadheaderworkingconditionsforcuttingcoalroadwayorsemi-CoalLane,thecompressivestrengthofcoalandrockone-way（orthevalueofplattscoefficientf）andtherockabrasionfactor.AtthesametimethecontrollineshouldbesuperscriptMT138~1995"cantileveredRoadheadertypesandparameters",

accordingtocuttingcoalandrockthebiggestone-waycompressivestrength,thetypeofselectedmodels.

2.2thestructureofthevariouscomponents,thewaythedriveridentified

Roadheaderbycuttinggeneralagencies,shippingagencies,walking,hydraulicsystem,electroniccont