前言

纵轴式悬臂掘进机总体设计的任务是，根据掘进机的用途、作业情况及制造条件，合理选择机型，确定性能参数、整机尺寸及各部分的结构型式，并进行整体布置，以实现整机的各项性能指标。设计一台纵轴式掘进机并重点设计其装载机构。

为了采煤，井下需要开凿各种巷道。巷道的开凿称为掘进。掘进要超前回采，否则会造成失调，严重影响原煤的生产。巷道按地质构成分岩巷、半煤岩巷和煤巷三种。巷道掘进的速度和质量以及工人的劳动强度，与掘进机械化程度有很大关系。而掘进机是实现掘进机械化的关键。使用掘进机，就可以取消打眼放炮，一次完成破碎装载的全部工序。因此，国内外都非常重视掘进机的研制和应用。

悬臂式巷道掘进机具有掘进速度快，巷道成形好，便于与其它设备配套组成综掘作业线以及成本较为合理等优点，因而应用广泛。近年来掘进机不仅广泛用于煤及软岩巷道的掘进，在中等硬度的半煤岩巷道掘进中也获得良好的技术经济效果。国外的某些重型掘进机已能切割抗压强度达170MPa的硬岩。据统计，目前国外各主要产煤国采用掘进机掘进的巷道占采准巷道的40%以上。而我国综掘比率为8%左右，与国外先进水平相比尚存在很大差距，与我国煤炭生产的需要，特别是现代化高产高效矿井建设的需要也是极不相适应的，因此，我国掘进机的研制开发以及推广应用，还需作大量工作。

掘进机经历了切割软煤、硬煤及半煤岩的过程。近期一些重型掘进机已能切割硬岩。据报道，日本成功地使用TM60K型掘进机掘进全岩巷引水隧道，岩石硬度高达170~200MPa。目前最大的WAV408型掘进机重达160t，切割功率可达408kW，定位切割断面可达87.5m2。以先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加工精度都能严格控制，又有优越的国际协作条件，选购外购外协件的范围宽广，有效地保证了主机的质量水平。此外，近年来广泛地采用了可靠性技术，其突出表现为简化机械结构、采用降额设计。在齿轮传动、机械联接及液压传动方面尽量减少串联系统，有的地方以嵌装式结构代替螺栓组结构。既简化了结构，又大大提高了可靠性。

国外新型掘进机均配备有完善的工况监测和故障诊断系统，从而可早期发现故障，快速排出故障，大大减少停机时间。有些重型掘进机还可配置自动控制系统，可以使机器的生产率提高30%左右，还可以保证切割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当引起的尖峰负荷，从而延长机器的使用寿命约20%。

我国于1962年开始掘进机的研制工作，最初是仿苏联产品，机身轻、功率小、性能差，未广泛应用。八十年代与国外公司合作制造了AM-50及S100型掘进机，这两种机型现已成为国内市场主导产品。同时，国产掘进机研制步伐也在加快，先后研制出EL-90、ELMB-55、EBJ-6548等机型。其中ELMB-55得到较大规模的应用。上述产品主要适用于煤巷掘进，对于硬煤及半煤岩巷道适应性差，机器振动过大，故障率高。进入九十年代后，发展重点转向半煤岩巷道掘进机。先后研制了EBJ-132、EBH-132、EBJ-160等机型，机重为36~50t，切割功率达160kW。同时，机重20t的煤巷掘进机也在改进提高，由ELM系列发展创新的ELMB-75B型掘进机在技术指标与经济合理性方面结合得较好，近几年来销售势头看好。

综合机械化采煤比打炮和普采效率大大提高，因而回采速度大大加快。这样就要求回采准备巷道的掘进速度也必须加快，否则会影响综合开采能力的发挥。煤和半煤岩巷掘进机，正是在综采普遍推广，对掘进要求越来越高的情况下诞生和发展起来的。利用煤和半煤岩巷掘进机掘进，后接皮带输送机或刮板输送机运输，称为综合掘进机械化，简称综掘。综掘和综采配套，可使采煤工艺大大改进，使矿井机械化迈上新台阶除从国外引进一些煤和半煤岩巷道掘进机外，我国70年代已能生产ELMA，EM-30等型号的煤和半煤岩巷掘进机，1986年又研制成功并批量生产ELMB-55型掘进机，性能比ELMA型有很大提高。1988年又在ELMB-55型基础上又作了部分改进，称为ELMB-75型，19年初通过鉴定。根据适用单位反映，ELMB-75型是一种成功的国产煤巷和半煤岩巷掘进机，主要性能指标不低于国外同类产品水平。

现在国内的掘进机以佳木斯煤机厂为代表，该厂在EBZ100型掘进机的基础上，近几年连续开发出具有国际同类产品先进技术和国内领先技术水平、并具有自主知识产权的“大力士”牌多种机型，其中EBZ55、EBZ100、EBZ135、EBZ150、EBZ200、EBZ230、EBZ300型掘进机已形成了轻、中、重型、硬岩系列化，拥有9种机型18个品种。已经走入世界先进行列。

但是我国的掘进机也存在许多缺点和不足：

1)产品设计水平偏低

目前国内应用最多的几种机型中AM-50和S100是国外七十年代研制的产品，除切割硬度偏低之外，内喷雾系统及防碰撞装置实际上不起作用，许多电气保护工作不可靠，普遍存在用户甩保护现象，电控系统抗振性差。国内自行研制的机型如EL-90、ELM系列等结构比较杂乱，体积庞大，总体设计造型很差。新近研制的EBJ-132、EBH-132、EBJ-160等较多地吸收了国外八十年代产品的技术，总体设计水平有很大提高，主要表现为结构紧凑、造型简洁、重心降低，选用外购元件性能及质量有较大幅度提高，安全保护更为完善，代表了我国掘进机最新技术水平。但与国外新型掘进机相比，仍存在约10年的差距。

2)技术引进缺少创新

我国引进技术生产的机型生产多年改进不大，尤其是不能结合我国制造、使用水平进行改进，逐渐暴露出许多缺点。

3)制造质量较差

国产掘进机在使用中普遍存在联接螺栓易松动或断裂、液压系统泄漏严重、机电保护装置易失灵以及溜槽、齿座等耐磨性差的现象。特别是引进技术生产的掘进机，因部分元部件质量较差影响整机性能，有些液压电气元件寿命比国外进口件差很多，形成强烈对比。

4)配套设备不足

配套设备不足主要表现在支护、转载、辅助材料运输及通风除尘等方面。如支护方面尚无适用的架棚机，运输方面缺少转载机，通风除尘缺少风机等。

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，并绘制液压、电控系统图等。

掘进机的装载机构设计是对掘进机装载机构的铲板体、驱动装置及其执行机构的形式及结构进行了设计研究，通过对星轮装载机构的力学分析，介绍了星轮装载机构的星轮结构、星轮转速及装载功率的确定方法，为设计研究提供理论依据。

装载机构是掘进机的主要工作机构之一，其性能直接影响着整机的生产能力。掘进机装载部分主要由铲板体、驱动装置和升降油缸等组成。装载机构的作用是将截割机构破落下来的煤岩收集、装载到中间刮板输送机上，然后经后部转载设备卸载。装载机构的设计要与整机相匹配，设计要求为:

①装载机构的生产率应大于截割机构的生产率;

②装载铲板的宽度应大于行走履带的宽度，铲板应能升降，且装载铲板的前沿应呈切刀形状，以减少铲板插入阻力;

③执行机构的设计要做到尽量增大装载面积，提高载效果，行星式装载机构，要减少星轮插入阻力，使装载机构具有最佳的运动特性和动力特性。

掘进机是由部件组成的有机整体其整体性能不仅取决于每个部件的好坏更主要是取决与各个部件间的相互协调，所以掘进机总体设计对整机的性能起决定作用。

1 总体结构方案设计

1.1工作机构型式选择

    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。因为悬臂截割式掘进机具有机体灵活性，体积较小，可决各种形状和断面的巷道，并能实现煤岩分掘，截割效果较好，掘进速度较高的优点，是当前煤和半煤岩巷掘进机的一种基本形式。所以部分断面掘进机的工作机构现在主要采用悬臂式。

截割头按布置方式，可以分为纵轴式和横轴式两种。

纵轴式的优点是：传动方便，有利于采用内伸缩悬臂，结构布置较紧凑，若接割头和悬臂的集合参数合理选取，可获得较平整的巷道断面，可截割任意形状的断面（梯形、拱形、矩形），可挖柱窝或挖水沟。这种工作的机构的缺点是：横向截割煤岩反作用力不通过机器中心，而与悬臂形成较大的力矩，使机器产生较大的震动，稳定性较差，特别是机重较小的掘进机。因此，在抗压强度较小的煤岩中掘进时，需加大机身的重量或装设辅助支撑装置。

   目前这种截割头在部分断面掘进机中使用较多。

1.2 装载机构类型选择

装载机构的有以下4种形式：

双环刮板链式、螺旋式装载机构、蟹爪式装载机构和星轮式。

1)单双环形刮板链式。单环形是利用一组环形刮板链直接将煤岩装到机体后面的转载机上。双环形是由两排并列、转向相反的刮板链组成。若刮板链能左右张开或收拢，就能调节装载宽度，但结构复杂。环形刮板链式装载机构制造筒单，但由于单向装载，在装载边易形成煤岩堆积，从而会造成卡链和断链。同时，由于刮板链易磨损，功率消耗大，使用效果较差。

2)螺旋式。是横轴式掘进机上使用的一种装载机构，它利用左右两个截割头上旋向相反的螺旋叶片将煤岩向中间推入输送机构。由于头体形状的缺点，这种机构目前使用很少。

3)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，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。

4)星轮式。该种机构比耙爪式简单、强度高、工作可靠，但装大块物料的能力较差。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。

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。装载部是由铲板本体、侧铲板、铲板驱动装置、从动轮装置等组成。通过两个液压马达带动星轮，把截割下来的物料装到刮板运输机内的装置。

本掘进机采用弧形三齿星轮式装载，装载部是用两个液压马达驱动星轮实现耙装运动，通过多路手动换向阀分别向两个排量为400ml/r的液压马达供油，确保星轮工作基本上平稳一致。  

1.3 输送机构形式选择

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。

输送机构有以机头轴为主动轴的，由设置在机头的电动机或油马达，通过减速装置驱动机头轴运转，有的机型海同时以机尾从动轴间接地带动装载机构工作。有的掘进机以机尾轴为主动轴，设置在机尾的电动机，通过减速装置驱动装载机构工作，间接地从输送机构的机尾为主动轴，带动刮板输送式输送机工作，输送机构则不单独设置减速装置。

所以本机采用刮板输送机位于机器中部，前端铰接于铲板上，后部托在机架上，刮板输送机为双边链刮板式。由液压马达驱动，主要由机前部、机后部、驱动装置、脱链器等组成。链条张紧装置采用油缸张紧方式。

1.4 转运机构形式选择

纵轴式掘进机掘进工作面的作业线配套方式有很多种，目前的掘进机的转载机构大多采用胶带式输送机。

胶带转载机构的传动方式，通常有三种形式，第一种是由油马达直接或通过减速器驱动机尾卷筒。

第二种形式，是由电动卷筒驱动主卷筒旋转。

第三种方式是：由电动机通过减速器驱动住卷筒旋转

为了实现巷道掘进机胶带转运机构卸载端作上下调高和左右摆动，以使转运的煤岩能够准确地卸入矿车或转载机中，一般将转运机构的机尾安装在掘进机尾部的回转台托架上，可通过人力或回转油缸，使整个转运机构绕回转台中心摆动一定角度，并使鸡头卸载端达到卸载的摆角要求。同时，通过升降油缸使卸载端绕尾铰接中心做升降运动。使卸载端达到卸载的告诉范围。

1.5 行走机构

形式选择该种掘进机的行走机构有迈步式、导轨式和履带式等几种。

1)迈步式。该种行走机构是利用液压迈步装置来工作的。采用框架结构，使人员能自由进出工作面，并可越过装载机构到达机器的后面。使用支撑装置可起到掩护顶板、临时支护的作用。但由于向前推进时，支架反复交替地作用于顶板，掘进机对顶板的稳定性要求较高，局限性较大，所以这种行走机构主要用于岩巷掘进机，在煤巷、半煤岩巷中也有应用。

2)导轨式。将掘进机用导轨吊在巷道顶板上，躲开底板，达到冲击破碎岩石的目的。这就要求导轨具有较高的强度。这种行走机构主要用于冲击式掘进机。

3)履带式。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。由于其工作环境差，用电动机驱动易受潮烧毁，最好选用液压马达驱动。

1.6 除尘装置型式选择

由于掘进机连续地破落煤岩，使工作面粉尘飞扬，这不仅影响工人的身体健康，也关系到安全生产。单靠通风不呢感将空气含尘量降到标准范围以下，因此必须采用必要的除尘措施。

1.6.1 除尘方式：

分为喷雾式和抽出式两种。

喷雾式：

喷雾式除尘是用喷嘴把具有一定压力的水高度扩散，使其雾化，是尘粉附在雾状水粒表面沉淀下来，以达到灭尘的效果。这种除尘方式分为外喷雾和内喷雾。

外喷雾是在工作机构的悬臂上装有喷嘴，向截割头喷射压力水，喷出的水雾扩散后将截割头包围。这种喷雾装置的典型结构，呈马蹄状，布置在截割头后面的工作臂上。

这种喷雾方式结构简单，工作可靠，使用寿命长，由于喷雾离粉尘源较远，粉尘容易扩散开，降尘效果较差。

内喷雾是在截割头上装设喷嘴，对着截齿喷射。

内喷雾的喷嘴按螺旋线布置在截割头上。截割头体芯部为一密封腔，压力水经空腔由喷雾嘴射出，为了减少截割头上零件的数量和缩短喷射距离以提高灭尘效果，有的掘进机的喷雾水经齿座由截齿喷出。

内喷雾的特点是：喷雾距离截齿近，灭尘效果好，耗水量小，冲淡瓦斯、冷却截齿和扑灭火花的效果较好。喷嘴容易堵塞和损坏，供水管路复杂，活动联结处密封困难。

为了提高降尘效果部分断面掘进机大多采用内、外喷雾相结合的办法，并且和截割电动机、液压系统的冷却要求结合起来考虑。将冷却水由喷嘴喷出降尘。

抽出式。

由于仅采用喷雾装置不能保证应有的空气净化程度，一些掘进机上还设有吸尘装置，其工作原理是，用吸尘装置在产生粉尘的地方吸入含尘空气，然后在特制的机构中分离粉尘，清洗后的空气在掘进机工作位置的后面放入巷道。

常用的吸尘装置是集尘器。设计掘进机时，应根据掘进机的技术条件来选集尘器。为提高除尘效果，可采用两级净化除尘。由于集尘器跟随掘进机移动，风机的噪音很大，应安装置。抽出式除尘装置灭尘效果好，但因设备增多，使工作面空间减小。近年来，除尘设备有向抽出式和喷雾式联合并用方向发展的趋势。

1.6.2除尘系统

图1-1 掘进机除尘系统

Fig.1-1 Boring machine Dust Removal System

1-截割头内喷雾；2-压力调节器；3-减压阀；4、9-油马达；5-通往换向阀油路；6-截割头外喷雾；7-水冷却；8-水泵；10-油冷却器；11-减压阀；12-Y型过滤器；13-供水管；14-截割电动机；15-流量开关；16-水箱；17-通往外联换向阀；18-通往油箱油路；19-喷雾泵

2 总体布置

2.1 总体布置的内容

总体布置的内容包括以下几个方面： 

1）确定各部件在整机上的位置，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）估算整机的重量及重心位置，并对各部件的重量提出要求；

4）布置个操纵机构、司机座位等；

5）审核各运动件的运动空间，排除可能发生的运动干涉。

2.2 总体布置的原则

1）保证整机的稳定性

2）结构紧凑并有较高的传动效率

3）便于操作和维修，工作安全可靠；

4）外形平整美观。

2.3具体要求

在总体布置时要注意以下问题：

1）工作机构减速器的进、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，摆动中心的高度应尽量降低。在保证悬臂摆动不与其它机构干涉的条件下，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）总体设计时，其重心的位置仅需估算纵向坐标x值：

                X=ΣGi*Xi/ΣGi                (2-1)

Gi=各部件的重心

Xi=各部件重心坐标。

当各主要部件设计出来之后。应进行校核，不满足要求时需进行调整，使中心位于履带中心稍偏前且小于L/6范围内（L为履带接地长度）。此外，还要求中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，使其能够很好地操纵机器，截割出规则的巷道；

6）操纵台的位置要适当，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。

3传动型式及动力元件的选择

3.1 传动形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的使用寿命，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。

3.2 各机构对传动系统的要求及传动形式的选择

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，因而对传动形式有不同的要求。

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的为动力的机械传动形式。应利用体积小、功率大、过负荷能力强的专用电动机，并配备可靠的电器保护装置。根据动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。

装载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，减速器经常泡在煤岩泥中，卡料时易过载。

装载、运输机构若采用机械传动，由于电动机尺寸较大，不便在运输机尾安装，一般是在铲板上部安装两台电动机作为装载、输送机构的共同动力，这样势必使减速箱尺寸增大，在铲板下布置较紧张。此外，考虑星轮及链板卡链过载工况，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。

装载、运输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。

履带式行走机构的驱动方式有电动机驱动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。

机械传动的履带式行走机构，一般是将电动机装于两条履带减速器后部，制动装置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，电动机容易受潮而烧毁。

履带式行走机构采用液压传动形式，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的形式选择及调速方式设计方面，有不同的方案。

低速大扭矩马达驱动特点是：传动系统简单，尺寸小，重量轻，能够实现无级调速及过载保护。但液压马达传动复杂、制造费用高，维护较难。

齿轮油马达容积效率高，耐冲击性能好，维修容易，造价低，尺寸小、重量轻。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油压马达的大，但较电动式的小。因此可方便地将马达、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油马达传动。

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，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，使掘进机具有两种行走速度。

4 总体参数的确定

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指标。掘进机的总体参数有：体重、外形尺寸、可掘断面、生产率、截深、摆动速度、截割力等。

4.1 机型大小

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、外型、结构和重量应能很好的适应煤岩的巷道尺寸。我国有三种机型第一型以掘进煤巷为主，突出经济性、灵活性、方便性，在截割巷道断面尺寸方面有较大适应性。第二型以掘进半煤岩巷为主，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。第三型是具有高切割能力的掘进机，应用更加广泛。

所以在设计掘进机时应根据给定原始条件合理确定机型大小。

4.2 机器外形尺寸

表4-1 基本机型与主要参数

Tab.4-1 The basic model and the main parameters

基本机型

机器的高度越高越好，但由于离地最小间隙和龙门高度要求，机器不可能太低，一般小断面掘进机应在1.7m以下，是断面掘进机应低于2m.

考虑掘进机有的 通过弯道的能力，所以机器的固定部分的长度应控制在7m左右。

机器的宽度要与巷道宽度相适应，机器两侧距巷道两壁应保持适宜的距离，以便于人员的通过和材料的搬运。

目前掘进机的外形尺寸（长×宽×高），一般为6×1.6×1.6～8×2.2×2m（不包含转载机长度）。

4.3 机器可掘断面

机器的规格和重量主要取决于巷道断面的大小。设计掘进机时，应把满足巷道断面的要求作为一个主要依据，要满足下列关系：

   Smin SSmax                      (4-1)

式中Smin~机器可掘最小断面

    Smax～机器可掘最大断面

    S～巷道断面

机器可掘最小断面是指掘进机可进行正常作业的最小巷道断面。

机器可掘最大断面为掘进机定点截割时，能够截割出的最大巷道断面。

悬臂式掘进机掘进断面的大小，决定于悬臂的长度和回转角度，其截割头顶端的运动轨迹为一球面，由于水平回转半径在各个高度位置是变化的，故掘进断面的实际极限形状为弧线等腰梯形。

4.3.1伸缩量

伸缩量要大于或等于截深，考虑伸缩部的结构和机器工作的稳定性，悬臂伸缩量一般为500~600mm，选取500mm。

4.3.2 悬臂长度和摆角

一般情况下，巷道的形状和规格确定后，按照巷道和最大高度和上下宽度，结合垂直摆动的中心高度，可以初步确定悬臂的长度和摆角。

最大掘高4.5m，上摆角<，下摆角<，取水平摆角=，

由几何关系可以得出，在最大掘宽5.6m下，悬臂长为：

        L= -a-550=3943㎜                       (4-2)

即悬臂长为3943㎜（a为垂直回转中心至水平回转中心的距离，取603㎜）。

回转中心高：

                           (4-3)

                              (4-4)

即mm尽量降低重心，取H=1600mm。

根据几何关系确定上摆角和下摆角。既上摆角，下摆角

设掘进机工作时处于巷道的位置，若不考虑截割头的具体结构尺寸，则掘进断面可近似计算如下：

最大宽度（当悬臂在水平位置摆动时）：    

B=2(L+a)sinφ =2（3.943+0.603）sin330=4.6m            (4-5)

上部宽度（当悬臂在上极限位置左右摆动时）：

B1=2(Lcosœ1+a)sinφ=4.299m                     (4-6)

下部宽度（当悬臂在下部位置左右摆动时）：

B2=2（Lcosœ2+a）sinφ=4.483                   (4-7)

上摆高度：

H1=Lsinœ1=3.943*sin320=20.5mm               (4-8)

下摆高度：

H2=Lsinœ2=3.943*sin27o=1790.0mm               (4-9)

卧底深度：

h=L(sinœ3-sinœ2)=0.25m                      (4-10)

巷道高度：

H=H1+H2=3.m                        (4-11)

可掘最大断面：

S= [(B1+B)H1+(B2+B)H2]=17.43m2                         (4-12)

因为主轴有500mm的伸缩量所以最大可掘断面为

解：                 

式中L～截割头前端至悬臂垂直回转中心O1的距离

    a~垂直回转中心O1至水平回转中心O2的距离

φ～水平回转时悬臂的摆角

œ1～垂直回转的上摆角

œ2～截割到巷道底平面时，垂直回转的下摆角

œ3～卧底时，悬臂垂直回转的最大下摆角，可根据卧底深度来定，一般可取h=100～300mm.这里取250mm

实际上，由于掘进断面多为梯形或拱形，所以实际得到的有效断面积较上述计算值小。此时，也应按上述关系和实际要求的断面形状计算来决定B1 B2和H。

5 生产率

掘进机的生产率包括截割生产率、装载生产率和运输生产率，它们之间存在一定的关系。掘进机的动力源都采用交流电动机。截割机构功率大小，在实际设计中一般采用类比法，再结合掘进机的一些个性因素及经验来确定。结合行业标准隔爆型三相电动机：YBUD-160/80-4/8 隔爆，确定截割功率为160kw。

5.1 截割生产率

截割生产率即机器的生产率，它又分为有理论生产率、技术生产率和实际生产率。

考虑到掘进机对煤岩特性具有一定的适应范围，通常在较软的半煤岩中，可选合理的工作摆动速度，在较硬的半煤岩中，可取1.5~2.0m/min

对于中硬岩层为保证截齿的寿命和牵引力，摆动速度不宜太高，可取：。同时为了在不同条件下尽量按合理的切削厚度来工作，以获得较高的截割效率，应按相应的合理截割速度来调节摆动速度。

本掘进机适应中硬煤岩所以摆动速度=1.5m/min

截割头长度按照煤岩硬度为80Mpa选择为820mm。

切割头直径影响切割力和工作循环时间。当切割头的功率和转速一定时，切割头的直径将决定切割头的切向切割力。切割头直径过大，将使切向切割力降低，如果切割力小于切割阻力，就不能完成切割任务。目前，纵轴式掘进机切割头的直径一般为600~900mm。大功率的掘进机可以在1000mm以上。按照设计要求本掘进机最大截割头直径为1120mm

理论生产率为：

QT=60λAVb=60*1.5*0.985*1.5=132.975          （5-1）

或QT=rQT

式中QT～掘进机理论生产率， 

    QT /～掘进机理论生产率，t/h

    λ～煤岩松散系数，一般为λ=1.5

A～截割头的横截面积

     Vb～截割头横向摆动速度，m/min

     r~煤岩的容重， 

技术生产率：是指掘进机在给定条件下连续工作一小时获得的最大生产率，可按下列式子计算：

      Q=60a*e**=          （5-2）

或Q/=rQ若用进尺速度表示，则为：QL==60         （5-3）

式中Q~ 技术生产率， /h

Q~技术生产率， /h

QL~进尺速度，m/h

a~截割头沿工作面移动所破碎煤岩的厚度，近似为截割头截割头直径1120m 

e~截割头截入工作面的深度，近似为截割头长度820m

S~巷道的毛断面积， 

~掘进机工作不连续系数，即掘进机纯截割时间与总循环时间的比值。=0.8

实际生产率是指掘进机在一般工作时间内的实际平均生产率。要考虑司机操作机器和工作面实际情况造成的一些不可避免的时间损失。

5.2 装载生产率

5.2.1 装载机构生产能力确定

　　装载机构的生产能力应大于截割机构的生产能力，这是确定装载机构技术参数的先决条件。设计时装载机构生产能力按截割机构生产能力的1.0~1.1倍考虑为宜。

5.2.2 星轮结构尺寸确定

星轮结构如图4.1所示，有关尺寸确定如下:

图4.1 星轮结构

Fig.4-1 Star Ferry structure

1)星径D:星径的确定与铲板和驱动装置外形尺寸及星轮回转中心有关，设计时结合铲板设计综合考虑确定。按照设计要求取1328mm

2)星轮小径d:星轮小径的确定主要与驱动装置外形尺寸有关，设计时在满足强度要求的条件下，应尽量减小星轮小径的尺寸。按照设计要求取568mm

3)星轮小径高度H:星轮小径高度的确定要结合铲板和驱动装置结构尺寸及机器总体布置要求确定，并使之尽量小。按照设计要求取195mm

4)星轮爪子的数量及宽度L:星轮爪子的数量目前以三爪、四爪及六爪居多。爪子数量多，结构较复杂，装载效率低，建议设计时采用三爪星轮。星轮爪子的设计宽度，应在满足强度的条件下尽量减小。按照设计要求取130mm

5)星轮爪子高度h:爪子高度由星小径、星轮爪子的数量、星轮转速及装载机构的生产率确定。装载机构的生产率由下式计算得出(不计铲板角度)。

               （5-4）

式中—装载机构的生产率， 

     D—星径， mm

     d—星轮小径， mm

     M—星轮爪子数量，个

S—星轮爪子面积，：

           S=L*(D/2-d/2)=130*(1328/2-568/2)=49400 mm2              （5-5）

n—星轮工作转速， r/min按照设计要求取32 r/min

Kz—装载系数，取1.5~2.0    这里取2.0

用上式计算出装载爪子高度，要结合星轮转速确定，星轮爪子的数量和尺寸，综合考虑确定。一般星轮爪子高度h推荐设计为60~100 mm。这里根据实际情况选取h=67mm

5.2.3 中间输送机生产率

中间输送机的最大生产能力为：

       Qs=60ΨVtF=60*0.9*57.6*0.2997=932.2            （5-6） 

式中Qs～生产率 

          Ψ～装满系数一般取Ψ=0.95～0.9这里取0.9

    Vt～链速，按照生产要求取：0.96 m/s=57.6m/min

    F～输送机断面

              （5-7）

      B~输送机槽宽这里取溜槽宽度：540 mm

   h~输送机有效高度：420 mm

  ρ～货载堆积角，即高于槽帮煤岩的安息角，由于掘进机在截割运动是都要进行喷雾降尘处理所以货载堆积角一般取大值应为40~45之间，这里我们选择45°

掘进机的设计以截割生产率为主要依据，而装载、输送、转载的生产能力应稍高于截割生产率，要满足以下关系：

QT< Qz< Qs

过高或过低都会影响设备的协调工作。

6 掘进机的通过性

   掘进机的通过性是指机器通过弯道、各种底板和障碍物的能力，是掘进机重要的使用性能之一

6.1 离地最小间隙

掘进机在井下行走，应具有通过枕木、轨道等障碍物的能力。离地最小间隙可由下式确定：

     y=B/13+8.4=140mm                 （6-1）

式中  y~离地最小间隙

    B～两条履带中心距离1700mm

一般，掘进机的离地最小间隙y=150~300mm，这里取y=150mm

6.2 可通过巷道最小半径

可通过巷道最小半径是掘进机可以转弯的最小弯道半径，它表示掘进机通过弯曲巷道的能力。设计掘进机时，控制固定部分长度的目的就是为了保证机器对弯道的通过性能。

通常可通过巷道最小半径为6～10m

6.3 适应巷道坡度

纵轴式悬臂掘进机工作的巷道一般有坡度。适应巷道坡度是指掘进机在上山（或下山）能正常工作的巷道最大坡度。它反映了掘进机爬坡的能力是掘进机的重要使用性能。

设计时，适应巷道坡度一般不小于º，通常为12º～16º。这里根据实际工作要求选择

6.4适应底板比压

巷道底板的性质决定着掘进机的运行工况，是设计掘进机履带行走机构的一个依据。为保证能够正常运行和工作，掘进机应适应底板的比压。对于遇水软化的底板，履带的接地比压p应不大于49Kpa，即p49 Kpa；对于不太软的底板，p137 Kpa；而对于煤岩底板

p167～1 Kpa                            （6-2）

通常，纵轴式悬臂掘进机的接地比压p=100～130 Kpa，有些重型掘进机的接地比压偏大些。因为本掘进机是重型掘进机，根据设计要求结合机器的实际情况选取接地比压： P=0.14 MPa。

7 纵轴式悬臂掘进机装载机构设计

7.1 铲板体结构

铲板体结构有分体和整体2种形式。分体铲板由铲板本体和左右副铲板组成，如EBZ160型掘进机铲板，就是典型的分体铲板设计，铲板本体采用铸焊结合方式，铲板头部为一箱形结构的铸件。整体铲板是将整个铲板设计为一个箱形体，可采用铸焊结合或全部采用板焊形式，如EBJ-120TP型掘进机铲板，就是典型的整体

铲板设计。分体铲板结构复杂，可以减小大件尺寸，便于井下运输，且可减少焊接变形;整体铲板结构简单，外形尺寸较大，若井筒和巷道断面小，下井运输较困难。再一个就是对于大型焊接件，若结构设计和焊接工艺不合理，会产生严重的焊接变形。至于铲板体设计采用何种形式，要结合整个装载机构设计综合考虑后确定。本掘进机选择分体形式

图7.1铲板体

Fig.7-1 Shovel board

7.2 驱动装置

驱动装置是装载机构的动力源。传统的驱动方式为:电机(或马达)—锥齿轮减速箱—执行机构(蟹爪式或星轮式)。以前掘进机多采用蟹爪式装载机构，采用试验法或图解法进行初步再现，然后用解析法进行精确计算。而现在掘进机基本上是采用星轮装载机构，且多采用低速大扭矩马达直接驱动星轮的方式。S100掘进机的装载机构由原来的蟹爪式改为现在的星轮式，这主要是蟹爪式装载机构存在左右蟹爪工作须保证严格同步，而左右装载减速器在第一级锥齿轮处，由一个中间过轴联接起来，结构较复杂。而星轮装载机构较蟹爪式装载机构具有结构简单、运转平稳、装载能力高、故障率低、易维护的特点。本掘进机结合整机性能考虑采用由两个液压马达带动星轮，把截割下来的物料装到刮板运输机内的装置。

7.3 装载机构设计

7.3.1装载机构生产能力确定

　　装载机构的生产能力应大于截割机构的生产能力，这是确定装载机构技术参数的先决条件。设计时装载机构生产能力按截割机构生产能力的1.0~1.1倍考虑为宜。

7.3.2星轮结构尺寸确定

星轮结构如图7.2所示，有关尺寸确定如下:

图7.2星轮结构图

Fig.7-2 Star Ferry structure

1)星径D:星径的确定与铲板和驱动装置外形尺寸及星轮回转中心有关，设计时结合铲板设计综合考虑确定。按照设计要求取1328mm

2)星轮小径d:星轮小径的确定主要与驱动装置外形尺寸有关，设计时在满足强度要求的条件下，应尽量减小星轮小径的尺寸。按照设计要求取568mm

3)星轮小径高度H:星轮小径高度的确定要结合铲板和驱动装置结构尺寸及机器总体布置要求确定，并使之尽量小。按照设计要求取195mm

4)星轮爪子的数量及宽度L:星轮爪子的数量目前以三爪、四爪及六爪居多。爪子数量多，结构较复杂，装载效率低，建议设计时采用三爪星轮。星轮爪子的设计宽度，应在满足强度的条件下尽量减小。按照设计要求取130mm

5)星轮爪子高度h:爪子高度由星小径、星轮爪子的数量、星轮转速及装载机构的生产率确定。装载机构的生产率由下式计算得出(不计铲板角度)。

                      （7-1）

装载爪子高度为：

=67mm                       （7-2）

式中—装载机构的生产率， 

     D—星径， mm

     d—星轮小径， mm

     M—星轮爪子数量，3个

S—星轮爪子面积，;S=L*(D/2-d/2)=130*(1328/2-568/2)=49400mm2

n—星轮工作转速， r/min，按照设计要求取32 r/min

Kz—装载系数，取1.5~2.0

用上式计算出装载爪子高度，要结合星轮转速确定，星轮爪子的数量和尺寸，综合考虑确定。一般星轮爪子高度h推荐设计为60~100 mm。这里根据实际情况选取h=67mm。

7.3.3星轮转速确定

星轮转速的确定计算要对星轮工作状态进行动力学分析后得出。装载星轮运动示意如图7.3所示。设星轮所拨物料质量为m，物料m所处星轮位置的半径为r，铲板倾角忽略不计，星轮转速n的临界值分析如下。

1)物料m所受离心力: 

                               （7-3）

2)离心力沿爪面的分力F1: 

                            （7-4）

7.3图 装载星轮运动示意图

Fig.7-3 Loading mechanism Sketch of movement

式中，α为物料m所处星轮位置的离心力与爪面切线的夹角。

3)离心力垂直于爪面的分力:

                              （7-5）

4)物料运动时与铲板之间的摩擦力:

                               （7-6）

式中，g为重力加速度; f为物料与铲板之间的摩擦因数。

5)物料运动时所受的垂直于爪面的力：

                          （7-7）

6)物料运动时与爪面之间的摩擦力:

星轮所装物料，一是将物料推移到中间输送机上，二是将物料沿爪面离心力方向甩到中间输送机上，因此物料所受离心力必须克服其所受的摩擦力，物料对钢的摩擦系数一般为f=0.4即，由此得出星轮转速n的临界值为：

     （7-8）

上式只是计算出了星轮转速n的临界值，星轮转速的确定还要结合现有机型的实际情况综合考虑确定。一般星轮转速推荐采用30~50 r/min。根据实际情况这里选取n=32r/min，并选择弧形面。

从上式可以看出:①要使物料顺利装入中间输送机上，物料m所处星轮位置的半径r越小，所需的转速越高。但是，如果转速过高，又会造成严重的甩物料现象，从而影响装载效果。②物料m沿爪面的分力与物料m所处星轮位置的离心力与爪面切线的夹角α有关，建议星轮工作转速大于40 r/min时，星轮爪面宜采用弧形面。

7.3.4装载功率确定

目前，对于星轮式装载机构的功率确定，大都采用类比法，下面根据星轮式装载机构的工作原理，得出一个近似计算方法，来初步确定星轮装载机构的功率。装载功率主要由2部分组成，一是克服物料与铲板间的摩擦力所消耗的功率;二是以一定速度推动物料所消耗的功率。其他不确定因素需要的功率由计算时给出安全系数Sa(1.3~1.6)保证。这里取1.5

1)星轮每转装载物料的重力Wz由生产能力确定。

             物料的容重*星轮有效工作体积=5.6                   （7-9）

2)物料在铲板表面滑动需克服的摩擦力:

                                            （7-10）

3)星轮工作静摩擦需消耗的功率:

                  （7-11）

式中，T为工作扭矩。

4)动能需消耗的功率:

        （7-12）

式中，为星轮自重。

5)装载星轮工作需输出功率:

           =5.13             （7-13）

6)装载马达所需输出功率:

            =16.8         （7-14）

式中，为系统总效率。

通过计算，结合类比，掘进机在满足总体要求的前题下，选定装载功率=27kW为合理的。EBZ-160型掘进机星轮装载机构，通过使用证明，选定的装载功率是合理的。

结语

掘进机的总体设计是掘进机设计工程中技术设计的一个组成部分。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。

星轮式装载机构是一种新型的装载机构，由于采用液压马达直接驱动星轮的方式，传动简单，受力均匀，运转平稳，比蟹爪式(锥齿轮减速器机构)可靠性大大提高，因而近几年国内外掘进机和连续采煤机均广泛采用星轮式装载机构。

本文所述掘进机的总体设计星轮结构尺寸确定、星轮转速确定及安装方法，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，为祖国的现代化事业做出应有的贡献。

致谢

时光茬蒋，光阴似箭。转眼间，大学四年的时光即将结束。在导师丁飞老师的精心指导、严格要求和谆谆教导下，我才得以顺利的完成大学阶段的论文工作。学术上，导师渊博的学识、严谨的治学态度、勇于开拓的创新精神以及忘我的工作热情、务实的工作作风使我终生受益；人格上，导师积极向上、乐观进取的人生态度和高尚的品德与责任感使我终生难忘；

生活上，导师对我无微不至的关怀和帮助使我受益匪浅。在此，我谨向尊敬的导师表示最崇高的敬意和最衷心的谢意。

我还要对当我对掘进机这类机械认识不够时，向我们提供认知实习并给与亲切指导的的辽源煤机厂的各位领导表示感谢和深深的敬意。

感谢我的家人，他们为了我的学业，做出了许多的牺牲，如果没有他们在物质上和精神上的支持，我不可能完成我的学业。

感谢所有曾给予过我帮助和关心的亲人、老师、朋友和同学！

参考文献

[1]李贵轩.掘进机械设计[M].阜新：阜新矿业学院，1992.

[2]煤炭工业部生产司开拓处组织编写.掘进机选型手册[M].北京：煤炭工业出版社，19.

[3]李贵轩.掘进机选型手册[M]. 北京：煤炭工业出版社，19.6

[4]掘进机械化成套设备选型手册，北京：煤炭工业出版社，1990.9

[5]西安矿业学院主编.采掘机械[M].北京：煤炭工业出版社，1981.1

[6]李贵轩.西德对部分断面掘进机的研究和应用[D]煤矿机械,1988.1  

[7]李晓豁等.掘进机截割工况参数的研究[M]煤矿机械，1991.2

[8]方慎权.采掘机械与液压传动[M]徐州,中国矿业学院出版社,1987.2

[9]西德部分断面掘进机及其自动化的研制[J]煤矿机械参考资料，第785期，1991.2

[10]陶驰东主编.采掘机械[M]北京：煤炭工业出版社，1985.10

[11] 黄日恒.悬臂式掘进机[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996.

[12] 王韶蓓.掘进机星轮装载机构参数的试验研究[J].煤炭科学技术,2005(9).

[13] 丛培建.用于大型掘进机及连续采煤机的新型装载机构[J].煤矿机械,1994(1)

[14] 李晓豁.部分断面掘进机的总体布置与参数选择[J]探矿工程(岩土钻掘工程), 1998,(02) .

[15]梁小东.掘进机装载机构的运动学分析及优化设计[D].辽宁工程技术大学,2007 

[16]李晓豁,王学东,于英华.耙爪机构的优化设计[J]辽宁工程技术大学学报,1998,(04).

[17]Evans.I. Basic  Mechanics of the point Atrack pilk Colliery Guardian 1984.5

[18]K.G.Hurt Rock Cutting Experiment with Point Attack Tools Colliery Guardian Coal International，1880

附录A下载本文