馬惠寧 黃東梅

（燕京理工學院 機電工程學院，廊坊 065201）

縱軸掘進機截割部設計

馬惠寧 黃東梅

（燕京理工學院 機電工程學院，廊坊 065201）

截割頭是掘進機的核心部件，其設計的好壞直接決定整機的性能。截割頭的設計參數(shù)眾多，工作環(huán)境較惡劣。因此，需對其進行受力分析，以提高它的綜合性能和設計效率。本文進行截割部方案設計，對于截割機構參數(shù)的確定、掘進機的傳動系統(tǒng)及整體布局進行了詳細說明。

掘進機 截割機構 截割頭

前言

懸臂式掘進機是廣泛應用于礦井巷道建設的機械設備。我國對懸臂式掘進機的研究起步于在60年代中期，并通過對國外產(chǎn)品設計和制造上的消化和吸收，逐漸開始自主研制和生產(chǎn)。經(jīng)過幾十年的努力，我國生產(chǎn)的掘進機在性能上得到了很大提高，已開發(fā)出適用于不同礦井、從輕型到重型的一系列產(chǎn)品。然而，隨著我國礦井規(guī)模和工作面單產(chǎn)的不斷提高，大批千萬噸級現(xiàn)代化礦井的建設，特別是新井建設中巖石巷道的開拓，對掘進機的性能提出了更高要求。

截割頭是掘進機上直接作用于礦巖的工作機構，其性能直接影響整機的工作效率、可靠性和使用壽命，是掘進機的關鍵部件。高性能的掘進機首先取決于高性能的截割頭。目前，各大煤礦機械研究單位和公司都在爭先研制高性能的掘進機，如佳木斯煤礦機械有限公司生產(chǎn)的EBZ300掘進機，截割功率達到了300kW，機重達到102噸；三一重型裝備有限公司推出的EBZ318H掘進機，截割功率達到了318kW，整機重量達120噸，經(jīng)濟截割硬度達f10以上。

截割頭的設計非常復雜，需要考慮很多參數(shù)。如何合理確定形狀參數(shù)、截齒排列的方式、截齒的安裝角度、截割頭的運動參數(shù)等，成為截割頭設計中的難點。

1 縱軸掘進機設計要求

掘進機的基本要求：最大截割高度5.2m，最大定位截割寬度6m，最大臥底深度0.24m。

截割部有關技術參數(shù)：截割頭最大擺動角度，上42，下25，左右±33。切割煤巖最大單向抗壓強度可達85MPa，可切割性能指標適用切割煤巖硬度，普氏系數(shù)f≤8。

2 截割機構技術參數(shù)的確定

2.1 機器可掘斷面參數(shù)確定和懸臂長度的確定

機器的規(guī)格主要取決于巷道斷面的大小。懸臂式掘進機掘進斷面的大小，決定于懸臂的長度和回轉角度。

伸縮量要大于或等于截深?？紤]伸縮部的結構和機器工作的穩(wěn)定性，懸臂伸縮量一般為500～600mm，選取550mm。

一般情況下，巷道的形狀和規(guī)格確定后，按照巷道和最大高度、上下寬度以及擺角，結合垂直擺動的中心高度，可以初步確定懸臂的長度：最大掘高5.2m，上擺角α1=42o，下擺角α2=25o，水平擺角為?=33°。

由幾何關系可以得出，在最大掘寬6m下，懸臂長L=4310mm，即懸臂長為4310mm（其中，垂直回轉中心O1至水平回轉中心O2的距離，取650mm）。

2.2 截割頭轉速的初步確定和切屑厚度的計算

截齒需要具備一定的截割力和截割速度，才能對煤巖進行有效的破碎。在一定的功率下，適當降低截割速度，可以使截割力矩和截割力都相應增加，有利于截割較硬的煤巖。同時，還可以降低截割頭上的動載荷，減少截齒的磨損和粉塵。通常，在煤和軟巖中，可取Vj=2.0～3.0m/s，

截割頭轉速為30～100r/min；對于中硬巖，可選Vj=0.8～1.6m/s；對于砂巖和石灰?guī)r，平均截割速度Vj=0.6～0.8m/s，最高Vj=0.9～1m/s，截割頭轉速為20～40r/min。

本次設計的掘進機截割轉速設定為42r/min。根據(jù)設計要求，選擇切割頭的長度為L0=880mm；選擇切割頭的平均直徑為D=820mm；本掘進機設計結合同類掘進機運用情況，選取45°；取螺旋頭數(shù)為2；升角α=20.258，取α=20；確定擺動速度為1.4m/min。于是，最大切屑厚度可計算為hmax=33.3mm。

2.3 截齒載荷計算

掘進機截割頭在正常截割狀態(tài)下，截齒受到截割阻力、牽引阻力和側向力。而具體某個截割頭的截割受力，與相鄰截線上的截齒排列方式有關系。當相鄰兩條截線上的截齒在同一個葉片上時，這種截割方式為順序式截割；當相鄰兩條截線上的截齒不在同一個葉片上，這種截割方式稱為交叉式截割。順序式截割屬半封閉式截割，有明顯的側向力；交叉式截割屬淺封閉式截割，截齒幾乎不受側向力。

在計算瞬時載荷前，對截齒的平均受力、截割頭對旋轉軸的截割阻力矩、截割電機的功率及其單位能耗等參數(shù)指標進行計算評估，以更好地進行后續(xù)瞬時負載、功率等的計算。

3 截割部減速機構設計

3.1 選擇電動機以及傳動比的分配

性能要求：傳動比大，輸入軸與輸出軸具有同軸性，選用NGW行星齒輪傳動。

根據(jù)性能要求，按照機械設計手冊，確定各零件效率。取初選230kW電動機，即滿足工作需要。根據(jù)行業(yè)標準

MT/T 477—2011YBU系列掘進機用隔爆型三相異步電動機選擇，確定截割功率為230kW，額定電壓AC1140/660V，轉速1500rpm；根據(jù)截割功率，選擇電動機型號為YBU-230隔爆電動機；確定總傳動比，并根據(jù)傳動比分配理論分配各級傳動比，同時選擇齒輪齒數(shù)。

3.2 軸設計及行星齒輪強度計算

輸入軸、中間空心軸和輸出軸只承受轉矩作用而無彎矩作用，所以設計計算時只需按照許用轉應力計算公式計算最小軸徑，然后按照軸上零部件進行設計，不需要再對軸進行校核計算。而行星輪軸不僅承受嚙合作用力對其施加的載荷，而且還要承受行星齒輪的離心力對其施加的載荷。

3.3 軸承的選擇

在結構要求很緊湊時，可選用無內(nèi)圈和外圈的滾針軸承。此時，滾道就是行星輪孔壁和行星軸表面。由于掘進機截割機構行星減速器的外廓尺寸受到極大限制，行星齒輪直徑太小，其軸承的選用便是要解決的難題之一。

根據(jù)上述限制條件，一般要選擇內(nèi)外徑之差比較小的軸承。通常，首先選用滾針軸承或滑動軸承。然而，采用滾針軸承雖能滿足尺寸方面的要求，但在承受強烈沖擊及重負荷的工況下，其使用壽命不能滿足可靠性方面的要求。而滑動軸承因偏載、潤滑等問題，同樣保證不了可靠性要求。為了解決這一難題，在該機設計中采用了另一種形式，即用行星齒輪內(nèi)孔充當軸承滾子的外圈滾道，行星軸圓柱面充當本軸承滾子的內(nèi)圈滾道，在內(nèi)外滾道間充填短圓柱滾子，與行星齒輪、行星軸等共同組成行星齒輪軸承。

本設計根據(jù)軸頸尺寸等相關參數(shù)，并根據(jù)《全國滾動軸承樣品樣本》，選取型號為22344和24044 CC/W33。

3.4 花鍵設計及校核

花鍵聯(lián)結為多齒工作，承載能力高，對中性好，導向性好，齒根較淺，應力集中小，對軸榖的削弱小。按齒數(shù)和齒高不同規(guī)定有輕、中兩個系列，應用廣泛，且一般用于輕載和中載。漸開線花鍵受載時，齒上有徑向分力，能起自動定心的作用，使各齒載荷作用均勻，強度高，壽命長。它的加工工藝與齒輪加工相同，易獲得較高的精度和互換性。齒根有平齒根和圓齒根，漸開線有標準壓力角30°、37.5°和45°。其中，30°壓力角花鍵應用廣泛，既適用于傳遞運動，又適用于傳遞動力，不僅適用于固定聯(lián)結，而且適用于滑動和浮動聯(lián)結；45°花鍵適用于固定聯(lián)結，通常用于傳動精度要求不太高的結構；37.5°花鍵介于上述兩者之間，常用于聯(lián)軸器。

聯(lián)軸器花鍵：壓力角αD=30o，Z=66，m=3mm。

強度校核：一般的花鍵聯(lián)結只進行擠壓強度和耐磨性計算。對于靜聯(lián)結，主要失效形式是齒面壓潰，偶爾也會發(fā)生齒根被折斷；對于動聯(lián)結，主要的失效形式是工作面的過度磨損。本次設計的花鍵為動聯(lián)結。

3.5 聯(lián)軸器的選擇

3.5.1 輸入端聯(lián)軸器的選擇

根據(jù)工作情況要求，決定高速軸I與電動機軸之間選用彈性柱銷聯(lián)軸器。按表1-92查聯(lián)軸器型號為HL11聯(lián)軸器，且Tn=4000N· m＞TC=2708N· m，滿足要求。

3.5.2 輸出端聯(lián)軸器的選擇

根據(jù)工作情況要求，決定減速器和輸出軸Ⅲ之間選用彈性柱銷聯(lián)軸器。按表1-102查聯(lián)軸器型號為ZL11聯(lián)軸器，且Tn=40000N· m＞TC=32423.8N· m，滿足要求。

4 技術經(jīng)濟分析

本設計的縱軸掘進機截割部具有結構簡單、性能可靠、成本低廉等特點。

生產(chǎn)方面，由于截割機構的工藝并不是很復雜，所以一般的工廠都能夠生產(chǎn)。隨著科技的發(fā)展，工廠也可以對其進行改造，提高自動化技術在掘進機中的應用。

經(jīng)濟上面，本設計中掘進機截割機構所使用的材料是市場中常見的材料，易買到。有些專用設備也可以通過外購得到，從而大大降低了產(chǎn)品成本。

5 結論

本文基于傳統(tǒng)的機械設計，根據(jù)相關公式計算截割頭的功率，得出了截割電機的功率，從而計算出減速機構各部分的尺寸，最終確定整個截割機構的尺寸。整個過程非常詳細，有理有據(jù)，條理清晰。

通過本次設計得到以下結論：

（1）本設計中減速器要用兩排或者三排齒輪傳動，否則減速器的直徑會過大。

（2）本設計中所設計的軸只受扭矩的作用，所以只要計算出最小軸徑，其他的軸段直徑合理增大即可，不需要對軸徑進行校核。

[1]李貴軒.掘進機械設計[M].阜新：阜新礦業(yè)學院，1992.

[2]王運敏.中國采礦設備手冊（下）[M].北京：科學出版社，2007.

[3]黃日恒.懸臂式掘進機[M].北京：中國礦業(yè)出版社，1996.

[4]李貴軒.設計方法學[M].北京：世界圖書出版公司，1989.

The Design of Vertical Axis Roadheader Cutting Unit

MA Huining,HUANG Dongmei
(Yanjing Institute of mechanical and electrical engineering college, Langfang 065201)

Cutting head is the core component of the boring machine, the design of the machine directly determines the performance of the whole machine. The design parameters of cutting head are numerous, and the working environment is bad. Therefore, it is necessary to carry on the stress analysis to improve its comprehensive performance and design efficiency. In this paper, cutting part of the program design, the cutting mechanism parameters of the determination, the drive system and the overall layout of the boring machine are described in detail.

boring machine, cutting mechanism, cutting head