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中文題目：縱軸式掘進機總體方案設計及裝載機構的設計
外文題目：GENERALL DESIGN OF LONGITUDINAL
ROADHEADER AND THE DESIGN OF
LOADING MECHANISM
畢業(yè)設計（論文）共 41 頁（其中：外文文獻及譯文9頁） 圖紙共3張
完成日期 2007年6月 答辯日期 2007年6月
遼寧工程技術大學
本科生實習報告書
教學單位 遼寧工程技術大學
專 業(yè) 機械工程及自動化
班 級 機械04-3
學生姓名 才元戎
學 號 0407100302
指導教師 丁飛
時光飛逝，轉眼間大學四年的時光就要過去了，而對我這就要畢業(yè)的大學生來說，對專業(yè)知識的了解還是不充分的，當面對一個未知的領域時依然很迷茫，說來很慚愧雖然我們學校的前身是礦業(yè)學院，可是我卻對我這次的畢業(yè)題目大型掘進機一無所知。不過這次我有一次與掘進機近距離接觸的機會，我的指導老師丁飛將帶領我們一行六人，前往吉林省遼源市我們學校的關系單位遼源煤機廠進行為期一周的畢業(yè)實習。
人都說：看萬卷書，行萬里路。在遼遠煤機廠的所見所聞確實讓我獲益匪淺。
下面就是我在遼源一周以來的總結和心得體會，它使我對礦山機械有了更深一層的了解。
遼源煤機廠坐落在吉林省遼源市，它始建于1969年，是我國專業(yè)生產采煤機、掘進機以及液壓泵、馬達的重點廠家之一，現(xiàn)為遼源礦業(yè)集團公司所屬企業(yè)。該廠技術力量雄厚，檢驗設備齊全，是國家一級計量單位。該廠具有30多年生產采煤機的歷史，曾開發(fā)研制過多種機型的薄煤層采煤機。該廠對掘進機的研制也處與先進水平，她曾經開發(fā)出EBJ-120、EBZ-160機型的掘進機并正自主研制和開發(fā)EBZ-132型掘進機。經過全廠員工近半年的努力，2006年3月樣機研制完成，5月20日結束相關試驗。此次通過專家評議，該設備將在雞西礦業(yè)集團公司進行工業(yè)性試驗。
在工廠的第一天我們基本是在總裝車間度過的，通過技術工人師傅的熱心的講解，我大概了解了掘進機的組成部分，及各部分的分體結構。這對我進一步了解掘進機提供了良好的條件，當我提出要進一步了解我設計的分體部件掘進機的裝載機構時，工人師傅還特意把我?guī)У骄蜻M機裝載部分做細心的講解，并給我解答了許多在設計時沒法解答的諸如掘進機為什么采用星輪式，旋向如何，并巧妙的設下了許多疑問，引發(fā)我們進一步思考更深層的知識。
之后的幾天我們分別去了煤機廠的鑄造，鍛造，機加工等車間，了解了掘進機及采煤機等礦山機械的零件加工方法。看到車間里一臺臺正在運轉的大型機加工的先進設備，工人師傅一個個忙碌的身影，大型掘進機、采煤機就是在這一臺臺忙碌著的機械中，這一個個忙碌的師傅的手中生產出來的。
在我來遼源煤機廠之前，一直以為像這樣一個建國初期建立起來的煤機廠
一定是一個廠房破舊，裝備落后，工人拖拉的舊廠子?？墒钱斘姨と脒|源煤機廠的大門時，我知道我之前的認識是錯誤的，工人師傅積極的精神面貌，廠中正在運轉的先進的機器設備，更不乏先進的數(shù)控加工機床的身影，使我認識到這是個正在發(fā)展中的企業(yè)。這個企業(yè)迸發(fā)出新的生機。
心得體會
通過這次畢業(yè)實習使我進一步了解了掘進機的組成，它的生產方式，運作能力還有工況標準。雖然通過這次實習我了解的依然是掘進機的皮毛，但是遼源煤機人使我了解的更多，他們積極向上的工作精神，對工作一絲不茍的態(tài)度，對新機型、新產品不斷探索創(chuàng)新的品質不斷激勵著我。他們的這種品質更加指導我在即將走入的工作崗位中如何積極的投入生產，如何在市場經濟的大潮中不斷進取。還是那句話讀萬卷書，行萬里路，我想我在以后的工作單位中將會等到更多。
指
導
教
師
意
見
成績評定： 指導教師簽字：
年 月 日
實習單位意見
負責人簽字：
（單位蓋章）
年 月 日
備注
注：實習結束時，由實習學生填寫本表后，交指導教師和實習單位簽署意見，最后交所在教學單位歸檔保管。
遼寧工程技術大學
本科畢業(yè)設計（論文）開題報告
題 目 縱軸式掘進機總體方案設計及裝載機構設計
指 導 教 師 丁飛
院（系、部） 機械工程學院
專 業(yè) 班 級 機械04-3班
學 號 0407100302
姓 名 才元戎
日 期 2008年3月
教務處印制
1. 1選題的目的：
根據(jù)所學的專業(yè)知識，結合生產實踐中的實際問題及對采礦作業(yè)環(huán)境的了解，設計一臺縱軸式掘進機并重點設計其裝載機構。
1. 2選題的意義：
為了采煤，井下需要開鑿各種巷道。巷道的開鑿稱為掘進。掘進要超前回采，否則會造成裁決失調，嚴重影響原煤的生產。巷道按地質構成分巖巷、半煤巖巷和煤巷三種。巷道掘進的速度和質量以及工人的勞動強度，與掘進機械化程度有很大關系。而掘進機是實現(xiàn)是實現(xiàn)掘進機械化的關鍵。使用掘進機，就可以取消打眼放炮，一次完成破碎裝載的全部工序。因此，國內外都非常重視掘進機的研制和應用。
綜合機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。這樣就要求回采準備巷道的掘進速度也必須加快，否則會影響綜合開采能力的發(fā)揮。煤和半煤巖巷掘進機，正是在綜采普遍推廣，對掘進要求越來越高的情況下誕生和發(fā)展起來的。利用煤和半煤巖巷掘進機掘進，后接皮帶輸送機或刮板輸送機運輸，稱為綜合掘進機械化，簡稱綜掘。綜掘和綜采配套，可使采煤工藝大大改進，使礦井機械化邁上新臺階
1. 3研究現(xiàn)狀[2][4][5]：
除從國外引進一些煤和半煤巖巷道掘進機外，我國70年代已能生產ELMA，EM-30等型號的煤和半煤巖巷掘進機，1986年又研制成功并批量生產ELMB-55型掘進機，性能比ELMA型有很大提高。1988年又在ELMB-55型基礎上又作了部分改進，稱為ELMB-75型，1989年初通過鑒定。根據(jù)適用單位反映，ELMB-75型是一種成功的國產煤巷和半煤巖巷掘進機，主要性能指標不低于國外同類產品水平。
現(xiàn)在國內的掘進機以佳木斯煤機廠為代表，該廠在EBZ100型掘進機的基礎上，近幾年連續(xù)開發(fā)出具有國際同類產品先進技術和國內領先技術水平、并具有自主知識產權的“大力士”牌多種機型，其中EBZ55、EBZ100、EBZ135、EBZ150、EBZ200、EBZ230、EBZ300型掘進機已形成了輕、中、重型、硬巖系列化，擁有9種機型18個品種。已經走入世界先進行列。
一、選題的目的、意義和研究現(xiàn)狀
二、研究方案預期結果
2. 1設計方案或論文主要研究內容：
1.根據(jù)設計任務書選擇機型及各部件結構型式
2.定整機的主要性能參數(shù)，包括尺寸參數(shù)、重量參數(shù)、運動參數(shù)和技術經濟指標。
3.按照總體設計的性能要求，確定整機系統(tǒng)的組成及他們之間的匹配性以及各個部件的主要技術參數(shù)。
4.進行必要的總體計算，并繪制傳動、液壓、電控系統(tǒng)圖等。
5.裝載機構的設計。
2. 2主要解決的問題：
1.選定機型和各部件及其結構型式、驅動方式、并進行總體的合理布置。
2.確定整機的尺寸參數(shù)、重量參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)及技術性能指標。
3.截割機構技術參數(shù)的確定機器連接關系，裝運機構參數(shù)確定，行走履帶技術參數(shù)的確定和連接關系，液壓系統(tǒng)技術參數(shù)的確定，電控系統(tǒng)主要技術參數(shù)的確定以及其他輔助系統(tǒng)的確定。
4.掘進機截割機構靜態(tài)穩(wěn)定性的計算，各部件傳動系統(tǒng)和液壓電控系統(tǒng)的功率計算，液壓系統(tǒng)熱平衡計算，繪制傳動、液壓、電控系統(tǒng)圖，繪制截割巷道斷面圖。
2. 3設計理論、方法及技術路線
掘進機的總體設計仍然是一傳統(tǒng)設計為基礎，在動力學、運動學、受力計算等方面應用廣泛，應用現(xiàn)代設計方法，如概念設計、三維設計運動學、動力學仿真技術、有限元分析、優(yōu)化設計等。
根據(jù)工況、設計者的經驗及行業(yè)標準確定機型、各部件結構型式。
根據(jù)工作環(huán)境確定尺寸參數(shù)，根據(jù)理論公式協(xié)調自重于機動性穩(wěn)定性之間的確定重量參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)有的切割技術及動力學運動學來確定切割速度及動力參數(shù)，根據(jù)總體設計的要求，確定各主要參數(shù)及相互之間的連接關系，在掘進機總體設計和總體布置完成之后，整體的各個系統(tǒng)和主要部件的主要結構、技術參數(shù)已基本確定，對整機應進行必要的總體計算及系統(tǒng)圖等。掘進機截割機構靜態(tài)穩(wěn)定性的計算，各部件傳動系統(tǒng)和液壓電控系統(tǒng)的功率計算，液壓系統(tǒng) 熱平衡計算，繪制傳動、液壓、電控系統(tǒng)圖，繪制截割巷道斷面圖。
2. 4設計論文框架
確定選題方向-煤巖截割性能試驗臺——畢業(yè)實習——確定選題并作開題報告。
三、研究進度
第五至六周 確定設計題目，查找相關資料，撰寫開題報告；
第七至八周： 總體方案設計；
第九至十四周： 結構設計，繪圖；
第十五周： 撰寫設計說明書；
第十六周： 整理論文，裝訂提交；
四、主要參考文獻
[1] 趙國棟.懸臂縱軸式掘進機的總體設計.山西煤炭管理干部學報,2006.4
[2] 趙國棟.掘進機裝載機構的設計分析[J].煤炭科學技術,第34卷第10期.
[3] 黃日恒。懸臂式掘進機[M].中國礦業(yè)大學出版社，1996
[4] 王韶蓓.掘進機星輪裝載機構參數(shù)的實驗研究[J]煤炭科學技術，2005（9）
[5]叢培建.用于大型掘進機及連續(xù)采煤機的新型裝載機構[J].煤礦機械，1994（1）
[6] 侯波, 楊奇順. 懸臂式掘進機主要技術參數(shù)的選擇[J]. 煤礦機械 , 2000,(08)
[7]. 李中才,孫玉峰.影響掘進機性能的主要因素分析[J]露天采礦技術, 2006,(03) .
[8] 李曉豁.部分斷面掘進機的總體布置與參數(shù)選擇[J]探礦工程(巖土鉆掘工程), 1998,(02) .
[9]梁小東.掘進機裝載機構的運動學分析及優(yōu)化設計[D].遼寧工程技術大學,2007
[10]李曉豁,王學東,于英華.耙爪機構的優(yōu)化設計[J]遼寧工程技術大學學報,1998,(04)
五、指導教師意見
指導教師簽字：
摘要
本文以懸臂縱軸式掘進機為背景，主要研究在給定的條件下，設計出適合工況條件的掘進機。
首先介紹的是總體方案的設計，其中包括機器各部分機構的選型；然后根據(jù)總體布置的要求對機器進行總體布置；接著對傳動形式及運動元件進行選擇，并進行總體參數(shù)的確定；接著計算確定截割、裝載及中間運輸機的生產率，并檢測掘進機的整體通過性；最后對掘進機的裝載機構進行分體設計。
關鍵詞：掘進機；機構；生產率；
Abstract
Based on longitudinal axis cantilever-boring machine as the background, the main research in the given conditions, the design of suitable working conditions of the boring machine.
First introduced to the design of the overall plan, including machinery parts of the Selection；secend According to the general layout and the requirements of the overall layout of the machinery; Then the transmission of movement and choice of components, and the determination of the overall parameters; Then calculate determine cutting, loading and transport planes between the productivity and the overall detection through the boring machine; Finally, the boring machine loaded bodies of the design.
Key words: boring machine; institutions; productivity;
目錄
前言: 1
1.總體結構方案設計 5
1.1工作機構形式選擇 5
1.2裝載機構類型選擇 5
1.3輸送機構形式選擇 6
1.4轉運機構形式選擇 6
1.5行走機構 7
1.6除塵裝置型式選擇 7
1.6.1除塵方式： 8
1.6.2除塵系統(tǒng) 9
2.總體布置 10
2.1總體布置的內容 10
2.2總體布置的原則 10
2.3具體要求 10
3.傳動型式及動力元件的選擇 12
3.1傳動形式及元件選擇應遵循的原則： 12
3.2各機構對傳動系統(tǒng)的要求及傳動形式的選擇 12
4.總體參數(shù)的確定 14
4.1機型大小 14
4.2機器外形尺寸 14
4.3機器可掘斷面 15
4.3.1伸縮量 15
4.3.2懸臂長度和擺角 15
5、生產率 18
5.1截割生產率 18
5.2裝載生產率 19
5.2.1裝載機構生產能力確定 19
5.2.2星輪結構尺寸確定 19
5.2.3中間輸送機生產率 21
6、掘進機的通過性 22
6.1離地最小間隙 22
6.2可通過巷道最小半徑 22
6.3適應巷道坡度 22
6.4適應底板比壓 22
7縱軸式懸臂掘進機裝載機構設計 22
7.1鏟板體結構 24
7.2驅動裝置 24
7.3裝載機構設計 25
7.3.1裝載機構生產能力確定 25
7.3.2星輪結構尺寸確定 25
7.3.3星輪轉速確定 26
7.3.4裝載功率確定 28
結 語 30
致謝 31
參考文獻 32
附錄A 33
附錄B 37
遼寧工程技術大學畢業(yè)設計
目錄
前言 1
1 總體結構方案設計 5
1.1工作機構型式選擇 5
1.2 裝載機構類型選擇 5
1.3 輸送機構形式選擇 6
1.4 轉運機構形式選擇 6
1.5 行走機構 7
1.6 除塵裝置型式選擇 7
1.6.1 除塵方式： 8
1.6.2除塵系統(tǒng) 9
2 總體布置 10
2.1 總體布置的內容 10
2.2 總體布置的原則 10
2.3具體要求 10
3傳動型式及動力元件的選擇 12
3.1 傳動形式及元件選擇應遵循的原則： 12
3.2 各機構對傳動系統(tǒng)的要求及傳動形式的選擇 12
4 總體參數(shù)的確定 14
4.1 機型大小 14
4.2 機器外形尺寸 14
4.3 機器可掘斷面 15
4.3.1伸縮量 15
4.3.2 懸臂長度和擺角 15
5 生產率 18
5.1 截割生產率 18
5.2 裝載生產率 20
5.2.1 裝載機構生產能力確定 20
5.2.2 星輪結構尺寸確定 20
5.2.3 中間輸送機生產率 21
6 掘進機的通過性 22
6.1 離地最小間隙 22
6.2 可通過巷道最小半徑 22
6.3 適應巷道坡度 23
7 縱軸式懸臂掘進機裝載機構設計 24
7.1 鏟板體結構 24
7.2 驅動裝置 25
7.3 裝載機構設計 25
7.3.1裝載機構生產能力確定 25
7.3.2星輪結構尺寸確定 26
7.3.3星輪轉速確定 27
7.3.4裝載功率確定 29
結 語 30
致謝 31
參考文獻 32
附錄A 33
附錄B 37
III
前言
縱軸式懸臂掘進機總體設計的任務是，根據(jù)掘進機的用途、作業(yè)情況及制造條件，合理選擇機型，確定性能參數(shù)、整機尺寸及各部分的結構型式，并進行整體布置，以實現(xiàn)整機的各項性能指標。設計一臺縱軸式掘進機并重點設計其裝載機構。
為了采煤，井下需要開鑿各種巷道。巷道的開鑿稱為掘進。掘進要超前回采，否則會造成失調，嚴重影響原煤的生產。巷道按地質構成分巖巷、半煤巖巷和煤巷三種。巷道掘進的速度和質量以及工人的勞動強度，與掘進機械化程度有很大關系。而掘進機是實現(xiàn)掘進機械化的關鍵。使用掘進機，就可以取消打眼放炮，一次完成破碎裝載的全部工序。因此，國內外都非常重視掘進機的研制和應用。
懸臂式巷道掘進機具有掘進速度快，巷道成形好，便于與其它設備配套組成綜掘作業(yè)線以及成本較為合理等優(yōu)點，因而應用廣泛。近年來掘進機不僅廣泛用于煤及軟巖巷道的掘進，在中等硬度的半煤巖巷道掘進中也獲得良好的技術經濟效果。國外的某些重型掘進機已能切割抗壓強度達170MPa的硬巖。據(jù)統(tǒng)計，目前國外各主要產煤國采用掘進機掘進的巷道占采準巷道的40%以上。而我國綜掘比率為8%左右，與國外先進水平相比尚存在很大差距，與我國煤炭生產的需要，特別是現(xiàn)代化高產高效礦井建設的需要也是極不相適應的，因此，我國掘進機的研制開發(fā)以及推廣應用，還需作大量工作。
掘進機經歷了切割軟煤、硬煤及半煤巖的過程。近期一些重型掘進機已能切割硬巖。據(jù)報道，日本成功地使用TM60K型掘進機掘進全巖巷引水隧道，巖石硬度高達170~200MPa。目前最大的WAV408型掘進機重達160t，切割功率可達408kW，定位切割斷面可達87.5m2。以先進的制造技術為基礎，從原材料質量到零部件的加工精度都能嚴格控制，又有優(yōu)越的國際協(xié)作條件，選購外購外協(xié)件的范圍寬廣，有效地保證了主機的質量水平。此外，近年來廣泛地采用了可靠性技術，其突出表現(xiàn)為簡化機械結構、采用降額設計。在齒輪傳動、機械聯(lián)接及液壓傳動方面盡量減少串聯(lián)系統(tǒng)，有的地方以嵌裝式結構代替螺栓組結構。既簡化了結構，又大大提高了可靠性。
國外新型掘進機均配備有完善的工況監(jiān)測和故障診斷系統(tǒng)，從而可早期發(fā)現(xiàn)故障，快速排出故障，大大減少停機時間。有些重型掘進機還可配置自動控制系統(tǒng)，可以使機器的生產率提高30%左右，還可以保證切割機構的負載平穩(wěn)，避免由于人工操作不當引起的尖峰負荷，從而延長機器的使用壽命約20%。
我國于1962年開始掘進機的研制工作，最初是仿蘇聯(lián)產品，機身輕、功率小、性能差，未廣泛應用。八十年代與國外公司合作制造了AM-50及S100型掘進機，這兩種機型現(xiàn)已成為國內市場主導產品。同時，國產掘進機研制步伐也在加快，先后研制出EL-90、ELMB-55、EBJ-6548等機型。其中ELMB-55得到較大規(guī)模的應用。上述產品主要適用于煤巷掘進，對于硬煤及半煤巖巷道適應性差，機器振動過大，故障率高。進入九十年代后，發(fā)展重點轉向半煤巖巷道掘進機。先后研制了EBJ-132、EBH-132、EBJ-160等機型，機重為36~50t，切割功率達160kW。同時，機重20t的煤巷掘進機也在改進提高，由ELM系列發(fā)展創(chuàng)新的ELMB-75B型掘進機在技術指標與經濟合理性方面結合得較好，近幾年來銷售勢頭看好。
綜合機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。這樣就要求回采準備巷道的掘進速度也必須加快，否則會影響綜合開采能力的發(fā)揮。煤和半煤巖巷掘進機，正是在綜采普遍推廣，對掘進要求越來越高的情況下誕生和發(fā)展起來的。利用煤和半煤巖巷掘進機掘進，后接皮帶輸送機或刮板輸送機運輸，稱為綜合掘進機械化，簡稱綜掘。綜掘和綜采配套，可使采煤工藝大大改進，使礦井機械化邁上新臺階除從國外引進一些煤和半煤巖巷道掘進機外，我國70年代已能生產ELMA，EM-30等型號的煤和半煤巖巷掘進機，1986年又研制成功并批量生產ELMB-55型掘進機，性能比ELMA型有很大提高。1988年又在ELMB-55型基礎上又作了部分改進，稱為ELMB-75型，1989年初通過鑒定。根據(jù)適用單位反映，ELMB-75型是一種成功的國產煤巷和半煤巖巷掘進機，主要性能指標不低于國外同類產品水平。
現(xiàn)在國內的掘進機以佳木斯煤機廠為代表，該廠在EBZ100型掘進機的基礎上，近幾年連續(xù)開發(fā)出具有國際同類產品先進技術和國內領先技術水平、并具有自主知識產權的“大力士”牌多種機型，其中EBZ55、EBZ100、EBZ135、EBZ150、EBZ200、EBZ230、EBZ300型掘進機已形成了輕、中、重型、硬巖系列化，擁有9種機型18個品種。已經走入世界先進行列。
但是我國的掘進機也存在許多缺點和不足：
1)產品設計水平偏低
目前國內應用最多的幾種機型中AM-50和S100是國外七十年代研制的產品，除切割硬度偏低之外，內噴霧系統(tǒng)及防碰撞裝置實際上不起作用，許多電氣保護工作不可靠，普遍存在用戶甩保護現(xiàn)象，電控系統(tǒng)抗振性差。國內自行研制的機型如EL-90、ELM系列等結構比較雜亂，體積龐大，總體設計造型很差。新近研制的EBJ-132、EBH-132、EBJ-160等較多地吸收了國外八十年代產品的技術，總體設計水平有很大提高，主要表現(xiàn)為結構緊湊、造型簡潔、重心降低，選用外購元件性能及質量有較大幅度提高，安全保護更為完善，代表了我國掘進機最新技術水平。但與國外新型掘進機相比，仍存在約10年的差距。
2)技術引進缺少創(chuàng)新
我國引進技術生產的機型生產多年改進不大，尤其是不能結合我國制造、使用水平進行改進，逐漸暴露出許多缺點。
3)制造質量較差
國產掘進機在使用中普遍存在聯(lián)接螺栓易松動或斷裂、液壓系統(tǒng)泄漏嚴重、機電保護裝置易失靈以及溜槽、齒座等耐磨性差的現(xiàn)象。特別是引進技術生產的掘進機，因部分元部件質量較差影響整機性能，有些液壓電氣元件壽命比國外進口件差很多，形成強烈對比。
4)配套設備不足
配套設備不足主要表現(xiàn)在支護、轉載、輔助材料運輸及通風除塵等方面。如支護方面尚無適用的架棚機，運輸方面缺少轉載機，通風除塵缺少風機等。
總體設計是機械產品設計過程中的重要內容和主要環(huán)節(jié)，它是在方案設計之后緊接著進行的設計工作。懸臂縱軸式掘進機（以下簡稱掘進機）的總體設計對整機性能的優(yōu)劣起著決定性的作用，并決定了各總成、系統(tǒng)、各部件之間的協(xié)調性，統(tǒng)一性和匹配關系，從而獲得總體的高端性能和較好的技術經濟效益。
掘進機的總體設計，主要包括以下內容：
1）據(jù)設計任務書選擇機型及各部件結構型式。
2）定整機的主要技術性能參數(shù)，包括尺寸參數(shù)、重量參數(shù)、運動參數(shù)和技術經濟指標。
3）按照總體設計的性能要求，確定整機系統(tǒng)的組成及它們之間的匹配性以及各個部件的主要技術參數(shù)。
4）進行必要的總體計算，并繪制液壓、電控系統(tǒng)圖等。
掘進機的裝載機構設計是對掘進機裝載機構的鏟板體、驅動裝置及其執(zhí)行機構的形式及結構進行了設計研究，通過對星輪裝載機構的力學分析，介紹了星輪裝載機構的星輪結構、星輪轉速及裝載功率的確定方法，為設計研究提供理論依據(jù)。
裝載機構是掘進機的主要工作機構之一，其性能直接影響著整機的生產能力。掘進機裝載部分主要由鏟板體、驅動裝置和升降油缸等組成。裝載機構的作用是將截割機構破落下來的煤巖收集、裝載到中間刮板輸送機上，然后經后部轉載設備卸載。裝載機構的設計要與整機相匹配，設計要求為:
①裝載機構的生產率應大于截割機構的生產率;
②裝載鏟板的寬度應大于行走履帶的寬度，鏟板應能升降，且裝載鏟板的前沿應呈切刀形狀，以減少鏟板插入阻力;
③執(zhí)行機構的設計要做到盡量增大裝載面積，提高載效果，行星式裝載機構，要減少星輪插入阻力，使裝載機構具有最佳的運動特性和動力特性。
掘進機是由部件組成的有機整體其整體性能不僅取決于每個部件的好壞更主要是取決與各個部件間的相互協(xié)調，所以掘進機總體設計對整機的性能起決定作用。
1 總體結構方案設計
1.1工作機構型式選擇
部分斷面掘進機的工作機構有截鏈式、圓盤銑削式和懸臂截割式。因為懸臂截割式掘進機具有機體靈活性，體積較小，可決各種形狀和斷面的巷道，并能實現(xiàn)煤巖分掘，截割效果較好，掘進速度較高的優(yōu)點，是當前煤和半煤巖巷掘進機的一種基本形式。所以部分斷面掘進機的工作機構現(xiàn)在主要采用懸臂式。
截割頭按布置方式，可以分為縱軸式和橫軸式兩種。
縱軸式的優(yōu)點是：傳動方便，有利于采用內伸縮懸臂，結構布置較緊湊，若接割頭和懸臂的集合參數(shù)合理選取，可獲得較平整的巷道斷面，可截割任意形狀的斷面（梯形、拱形、矩形），可挖柱窩或挖水溝。這種工作的機構的缺點是：橫向截割煤巖反作用力不通過機器中心，而與懸臂形成較大的力矩，使機器產生較大的震動，穩(wěn)定性較差，特別是機重較小的掘進機。因此，在抗壓強度較小的煤巖中掘進時，需加大機身的重量或裝設輔助支撐裝置。
目前這種截割頭在部分斷面掘進機中使用較多。
1.2 裝載機構類型選擇
裝載機構的有以下4種形式：
雙環(huán)刮板鏈式、螺旋式裝載機構、蟹爪式裝載機構和星輪式。
1)單雙環(huán)形刮板鏈式。單環(huán)形是利用一組環(huán)形刮板鏈直接將煤巖裝到機體后面的轉載機上。雙環(huán)形是由兩排并列、轉向相反的刮板鏈組成。若刮板鏈能左右張開或收攏，就能調節(jié)裝載寬度，但結構復雜。環(huán)形刮板鏈式裝載機構制造筒單，但由于單向裝載，在裝載邊易形成煤巖堆積，從而會造成卡鏈和斷鏈。同時，由于刮板鏈易磨損，功率消耗大，使用效果較差。
2)螺旋式。是橫軸式掘進機上使用的一種裝載機構，它利用左右兩個截割頭上旋向相反的螺旋葉片將煤巖向中間推入輸送機構。由于頭體形狀的缺點，這種機構目前使用很少。
3)耙爪式。是利用一對交替動作的耙爪來不斷地耙取物料并裝入轉載運輸機構。這種方式結構簡單、工作可靠、外形尺寸小、裝載效果好，目前應用很普遍。但這種裝載機構寬度受限制，為擴大裝載寬度，可使鏟板連同整個耙爪機構一起水平擺動，或設計成雙耙爪機構，以擴大裝載范圍。
4)星輪式。該種機構比耙爪式簡單、強度高、工作可靠，但裝大塊物料的能力較差。通常，應選擇耙爪式裝載機構，但考慮裝載寬度問題，可選擇雙耙爪機構，也可設計成耙爪與星輪可互換的裝載機構。
裝載機構可以采用電動機驅動，也可用液壓馬達驅動。但考慮工作環(huán)境潮濕、有泥水，選用液壓馬達驅動為好。裝載部是由鏟板本體、側鏟板、鏟板驅動裝置、從動輪裝置等組成。通過兩個液壓馬達帶動星輪，把截割下來的物料裝到刮板運輸機內的裝置。
本掘進機采用弧形三齒星輪式裝載，裝載部是用兩個液壓馬達驅動星輪實現(xiàn)耙裝運動，通過多路手動換向閥分別向兩個排量為400ml/r的液壓馬達供油，確保星輪工作基本上平穩(wěn)一致。
1.3 輸送機構形式選擇
部分斷面掘進機多采用刮板鏈式輸送機構。輸送機構一般是由機尾向機頭方向傾斜向上布置的。
輸送機構有以機頭軸為主動軸的，由設置在機頭的電動機或油馬達，通過減速裝置驅動機頭軸運轉，有的機型海同時以機尾從動軸間接地帶動裝載機構工作。有的掘進機以機尾軸為主動軸，設置在機尾的電動機，通過減速裝置驅動裝載機構工作，間接地從輸送機構的機尾為主動軸，帶動刮板輸送式輸送機工作，輸送機構則不單獨設置減速裝置。
所以本機采用刮板輸送機位于機器中部，前端鉸接于鏟板上，后部托在機架上，刮板輸送機為雙邊鏈刮板式。由液壓馬達驅動，主要由機前部、機后部、驅動裝置、脫鏈器等組成。鏈條張緊裝置采用油缸張緊方式。
1.4 轉運機構形式選擇
縱軸式掘進機掘進工作面的作業(yè)線配套方式有很多種，目前的掘進機的轉載機構大多采用膠帶式輸送機。
膠帶轉載機構的傳動方式，通常有三種形式，第一種是由油馬達直接或通過減速器驅動機尾卷筒。
第二種形式，是由電動卷筒驅動主卷筒旋轉。
第三種方式是：由電動機通過減速器驅動住卷筒旋轉
為了實現(xiàn)巷道掘進機膠帶轉運機構卸載端作上下調高和左右擺動，以使轉運的煤巖能夠準確地卸入礦車或轉載機中，一般將轉運機構的機尾安裝在掘進機尾部的回轉臺托架上，可通過人力或回轉油缸，使整個轉運機構繞回轉臺中心擺動一定角度，并使雞頭卸載端達到卸載的擺角要求。同時，通過升降油缸使卸載端繞尾鉸接中心做升降運動。使卸載端達到卸載的告訴范圍。
1.5 行走機構
形式選擇該種掘進機的行走機構有邁步式、導軌式和履帶式等幾種。
1)邁步式。該種行走機構是利用液壓邁步裝置來工作的。采用框架結構，使人員能自由進出工作面，并可越過裝載機構到達機器的后面。使用支撐裝置可起到掩護頂板、臨時支護的作用。但由于向前推進時，支架反復交替地作用于頂板，掘進機對頂板的穩(wěn)定性要求較高，局限性較大，所以這種行走機構主要用于巖巷掘進機，在煤巷、半煤巖巷中也有應用。
2)導軌式。將掘進機用導軌吊在巷道頂板上，躲開底板，達到沖擊破碎巖石的目的。這就要求導軌具有較高的強度。這種行走機構主要用于沖擊式掘進機。
3)履帶式。適用于底板不平或松軟的條件，不需修路鋪軌。具有牽引能力大，機動性能好、工作可靠、調動靈活和對底板適應性好等優(yōu)點。但其結構復雜、零部件磨損較嚴重。
目前，部分斷面掘進機通常采用履帶式行走機構。由于其工作環(huán)境差，用電動機驅動易受潮燒毀，最好選用液壓馬達驅動。
1.6 除塵裝置型式選擇
由于掘進機連續(xù)地破落煤巖，使工作面粉塵飛揚，這不僅影響工人的身體健康，也關系到安全生產。單靠通風不呢感將空氣含塵量降到標準范圍以下，因此必須采用必要的除塵措施。
1.6.1 除塵方式：
分為噴霧式和抽出式兩種。
噴霧式：
噴霧式除塵是用噴嘴把具有一定壓力的水高度擴散，使其霧化，是塵粉附在霧狀水粒表面沉淀下來，以達到滅塵的效果。這種除塵方式分為外噴霧和內噴霧。
外噴霧是在工作機構的懸臂上裝有噴嘴，向截割頭噴射壓力水，噴出的水霧擴散后將截割頭包圍。這種噴霧裝置的典型結構，呈馬蹄狀，布置在截割頭后面的工作臂上。
這種噴霧方式結構簡單，工作可靠，使用壽命長，由于噴霧離粉塵源較遠，粉塵容易擴散開，降塵效果較差。
內噴霧是在截割頭上裝設噴嘴，對著截齒噴射。
內噴霧的噴嘴按螺旋線布置在截割頭上。截割頭體芯部為一密封腔，壓力水經空腔由噴霧嘴射出，為了減少截割頭上零件的數(shù)量和縮短噴射距離以提高滅塵效果，有的掘進機的噴霧水經齒座由截齒噴出。
內噴霧的特點是：噴霧距離截齒近，滅塵效果好，耗水量小，沖淡瓦斯、冷卻截齒和撲滅火花的效果較好。噴嘴容易堵塞和損壞，供水管路復雜，活動聯(lián)結處密封困難。
為了提高降塵效果部分斷面掘進機大多采用內、外噴霧相結合的辦法，并且和截割電動機、液壓系統(tǒng)的冷卻要求結合起來考慮。將冷卻水由噴嘴噴出降塵。
抽出式。
由于僅采用噴霧裝置不能保證應有的空氣凈化程度，一些掘進機上還設有吸塵裝置，其工作原理是，用吸塵裝置在產生粉塵的地方吸入含塵空氣，然后在特制的機構中分離粉塵，清洗后的空氣在掘進機工作位置的后面放入巷道。
常用的吸塵裝置是集塵器。設計掘進機時，應根據(jù)掘進機的技術條件來選集塵器。為提高除塵效果，可采用兩級凈化除塵。由于集塵器跟隨掘進機移動，風機的噪音很大，應安裝消音裝置。抽出式除塵裝置滅塵效果好，但因設備增多，使工作面空間減小。近年來，除塵設備有向抽出式和噴霧式聯(lián)合并用方向發(fā)展的趨勢。
1.6.2除塵系統(tǒng)
圖1-1 掘進機除塵系統(tǒng)
Fig.1-1 Boring machine Dust Removal System
1-截割頭內噴霧；2-壓力調節(jié)器；3-減壓閥；4、9-油馬達；5-通往換向閥油路；6-截割頭外噴霧；7-水冷卻；8-水泵；10-油冷卻器；11-減壓閥；12-Y型過濾器；13-供水管；14-截割電動機；15-流量開關；16-水箱；17-通往外聯(lián)換向閥；18-通往油箱油路；19-噴霧泵
2 總體布置
2.1 總體布置的內容
總體布置的內容包括以下幾個方面：
1）確定各部件在整機上的位置，并對外形尺寸提出要求；
2）確定各部件、部件與整機之間的連接方式；
3）估算整機的重量及重心位置，并對各部件的重量提出要求；
4）布置個操縱機構、司機座位等；
5）審核各運動件的運動空間，排除可能發(fā)生的運動干涉。
2.2 總體布置的原則
1）保證整機的穩(wěn)定性
2）結構緊湊并有較高的傳動效率
3）便于操作和維修，工作安全可靠；
4）外形平整美觀。
2.3具體要求
在總體布置時要注意以下問題：
1）工作機構減速器的進、出軸盡量同軸線；
2）懸臂和鏟板的尺寸關系相適應，既有利于裝載，又要避免截割頭截割鏟板；
3）懸臂的水平和垂直擺動中心的位置可以重合，也可以不重合。從增加機器的穩(wěn)定性看，擺動中心的高度應盡量降低。在保證懸臂擺動不與其它機構干涉的條件下，擺動中心的位置應盡量靠后，但必須保證中心在機器的縱向對稱平面內；
4）總體設計時，其重心的位置僅需估算縱向坐標x值：
X=ΣGi*Xi/ΣGi (2-1)
Gi=各部件的重心
Xi=各部件重心坐標。
當各主要部件設計出來之后。應進行校核，不滿足要求時需進行調整，使中心位于履帶中心稍偏前且小于L/6范圍內（L為履帶接地長度）。此外，還要求中心位置在截割機構回轉臺中心線之后，而且重心高度越低越好，以提高機器作業(yè)時的穩(wěn)定性；
5）總體布置應考慮左右兩側重量對稱并照顧工作習慣及方便操作。司機座一般設在機身左側、且位于機身后部，座椅高度應保證司機的視線，使其能夠很好地操縱機器，截割出規(guī)則的巷道；
6）操縱臺的位置要適當，應保證司機操縱方便、省力。儀表顯示裝置的位置要便于司機觀察，又不分散司機正常操作的注意力。
3傳動型式及動力元件的選擇
3.1 傳動形式及元件選擇應遵循的原則：
1）技術先進性：能夠改善機器性能，提高生產率；
2）經濟合理性：傳動系統(tǒng)盡量簡單、元件少，易加工，價格低，維修容易，使用壽命長。
3）工作可靠性：傳動系統(tǒng)的可靠性表現(xiàn)為元件的使用壽命，因此也是對元件質量的要求；
4）適應性：元件應適應傳動系統(tǒng)的載荷、工況及環(huán)境等條件的要求。
3.2 各機構對傳動系統(tǒng)的要求及傳動形式的選擇
掘進機的截割、裝載、運輸、行走等機構一般均為分別傳動，各部件受力狀態(tài)及工作條件不同，因而對傳動形式有不同的要求。
工作機構要求有較大的短時過載能力，而油馬達對沖擊負荷很敏感，過負荷能力低，影響截割頭正常連續(xù)運轉。所以，掘進機的工作機構宜采用電動機的為動力的機械傳動形式。應利用體積小、功率大、過負荷能力強的專用電動機，并配備可靠的電器保護裝置。根據(jù)動作機構結構緊湊的特點，通常工作機構的減速器設在懸臂內，成為懸臂的組成部分。截割頭調速方式一般采用配換掛輪的方法，變速機構力求簡單。
裝載機構傳動裝置的特點是：減速器需裝在尺寸有限的鏟板下部，因而設計空間較小，工作條件惡劣，減速器經常泡在煤巖泥中，卡料時易過載。
裝載、運輸機構若采用機械傳動，由于電動機尺寸較大，不便在運輸機尾安裝，一般是在鏟板上部安裝兩臺電動機作為裝載、輸送機構的共同動力，這樣勢必使減速箱尺寸增大，在鏟板下布置較緊張。此外，考慮星輪及鏈板卡鏈過載工況，為保護電動機不至燒毀，一般需要在減速器內設安全摩擦片離合器。
裝載、運輸機構若采用齒輪油馬達傳動，由于尺寸小，重量輕，可使二者分別傳動，從而簡化傳動裝置，便于在鏟板下布置，便于設計密封效果好的機械密封或將減速器與鏟板分離，同時可實現(xiàn)過載自動保護。
履帶式行走機構的驅動方式有電動機驅動和油馬達驅動兩種方式。分別通過機械減速裝置或直接由油馬達帶動履帶的主動鏈輪運轉。
機械傳動的履帶式行走機構，一般是將電動機裝于兩條履帶減速器后部，制動裝置采用機械液壓制動方式。這種傳動方式傳動可靠性高，電動機價格低，維修容易，但不能調速，減速箱體積較大；巷道淋水大時，電動機容易受潮而燒毀。
履帶式行走機構采用液壓傳動形式，系統(tǒng)簡單性能較好、技術先進。液壓傳動的行走機構中在液壓馬達的形式選擇及調速方式設計方面，有不同的方案。
低速大扭矩馬達驅動特點是：傳動系統(tǒng)簡單，尺寸小，重量輕，能夠實現(xiàn)無級調速及過載保護。但液壓馬達傳動復雜、制造費用高，維護較難。
齒輪油馬達容積效率高，耐沖擊性能好，維修容易，造價低，尺寸小、重量輕。一臺10KW左右齒輪油馬達的價格只有同功率徑向柱塞馬達的1/10；尺寸小，重量輕。一臺10KW左右齒輪油馬達的重量僅為同功率低速大扭矩油壓馬達的大，但較電動式的小。因此可方便地將馬達、減速器、液壓制動閥、緊鏈裝置等安裝于履帶架中間。這種方式在技術性能上優(yōu)于機械傳動，在經濟指標上優(yōu)于低速大扭矩油馬達傳動。
行走機構的調速方式有兩種，一種是采用變量泵。另一種是采用分流或并流的調速方案，即在機器快速調動時，停止向裝載馬達供油，僅向行走馬達供油，使掘進機具有兩種行走速度。
4 總體參數(shù)的確定
掘進機的總體參數(shù)，是指主要性能參數(shù)。它表示了掘進機特性指標。掘進機的總體參數(shù)有：體重、外形尺寸、可掘斷面、生產率、截深、擺動速度、截割力等。
4.1 機型大小
掘進機的發(fā)展方向是定型化、系列化、并向“大斷面”、“高硬度”發(fā)展。掘進機的性能、外型、結構和重量應能很好的適應煤巖的巷道尺寸。我國有三種機型第一型以掘進煤巷為主，突出經濟性、靈活性、方便性，在截割巷道斷面尺寸方面有較大適應性。第二型以掘進半煤巖巷為主，在截割巖石硬度方面適應性較強，但機器設計不宜過于笨重和龐大，在使用時有較大的覆蓋面。第三型是具有高切割能力的掘進機，應用更加廣泛。
所以在設計掘進機時應根據(jù)給定原始條件合理確定機型大小。
4.2 機器外形尺寸
表4-1 基本機型與主要參數(shù)
Tab.4-1 The basic model and the main parameters
基本機型
主要參數(shù)參數(shù)
第一型
第二型
第三型
掘進斷面
6~14
8~20
10~24
截割巖石硬度
4~6
6~8
截割功率
55~75
75~110
110~160
機器重量
16~25
25~40
40~75
由于掘進機在井下工作，受巷道斷面和空間的約束，其大小對機器的適應范圍有直接的影響，因此，掘進機的外形尺寸有嚴格的限制。
機器的高度越高越好，但由于離地最小間隙和龍門高度要求，機器不可能太低，一般小斷面掘進機應在1.7m以下，是斷面掘進機應低于2m.
考慮掘進機有的 通過彎道的能力，所以機器的固定部分的長度應控制在7m左右。
機器的寬度要與巷道寬度相適應，機器兩側距巷道兩壁應保持適宜的距離，以便于人員的通過和材料的搬運。
目前掘進機的外形尺寸（長×寬×高），一般為6×1.6×1.6～8×2.2×2m（不包含轉載機長度）。
4.3 機器可掘斷面
機器的規(guī)格和重量主要取決于巷道斷面的大小。設計掘進機時，應把滿足巷道斷面的要求作為一個主要依據(jù)，要滿足下列關系：
Smin SSmax (4-1)
式中Smin~機器可掘最小斷面
Smax～機器可掘最大斷面
S～巷道斷面
機器可掘最小斷面是指掘進機可進行正常作業(yè)的最小巷道斷面。
機器可掘最大斷面為掘進機定點截割時，能夠截割出的最大巷道斷面。
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，其截割頭頂端的運動軌跡為一球面，由于水平回轉半徑在各個高度位置是變化的，故掘進斷面的實際極限形狀為弧線等腰梯形。
4.3.1伸縮量
伸縮量要大于或等于截深，考慮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500mm。
4.3.2 懸臂長度和擺角
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和上下寬度，結合垂直擺動的中心高度，可以初步確定懸臂的長度和擺角。
最大掘高4.5m，上擺角<，下擺角<，取水平擺角=，
由幾何關系可以得出，在最大掘寬5.6m下，懸臂長為：
L= -a-550=3943㎜ (4-2)
即懸臂長為3943㎜（a為垂直回轉中心至水平回轉中心的距離，取603㎜）。
回轉中心高：
(4-3)
(4-4)
即mm盡量降低重心，取H=1600mm。
根據(jù)幾何關系確定上擺角和下擺角。既上擺角，下擺角
設掘進機工作時處于巷道的中央位置，若不考慮截割頭的具體結構尺寸，則掘進斷面可近似計算如下：
最大寬度（當懸臂在水平位置擺動時）：
B=2(L+a)sinφ =2（3.943+0.603）sin330=4.6m (4-5)
上部寬度（當懸臂在上極限位置左右擺動時）：
B1=2(Lcos?1+a)sinφ=4.299m (4-6)
下部寬度（當懸臂在下部位置左右擺動時）：
B2=2（Lcos?2+a）sinφ=4.483 (4-7)
上擺高度：
H1=Lsin?1=3.943*sin320=2089.5mm (4-8)
下擺高度：
H2=Lsin?2=3.943*sin27o=1790.0mm (4-9)
臥底深度：
h=L(sin?3-sin?2)=0.25m (4-10)
巷道高度：
H=H1+H2=3.89m (4-11)
可掘最大斷面：
S=[(B1+B)H1+(B2+B)H2]=17.43m2 (4-12)
因為主軸有500mm的伸縮量所以最大可掘斷面為
解：
式中L～截割頭前端至懸臂垂直回轉中心O1的距離
a~垂直回轉中心O1至水平回轉中心O2的距離
φ～水平回轉時懸臂的擺角
?1～垂直回轉的上擺角
?2～截割到巷道底平面時，垂直回轉的下擺角
?3～臥底時，懸臂垂直回轉的最大下擺角，可根據(jù)臥底深度來定，一般可取h=100～300mm.這里取250mm
實際上，由于掘進斷面多為梯形或拱形，所以實際得到的有效斷面積較上述計算值小。此時，也應按上述關系和實際要求的斷面形狀計算來決定B1 B2和H。
5 生產率
掘進機的生產率包括截割生產率、裝載生產率和運輸生產率，它們之間存在一定的關系。掘進機的動力源都采用交流電動機。截割機構功率大小，在實際設計中一般采用類比法，再結合掘進機的一些個性因素及經驗來確定。結合行業(yè)標準隔爆型三相電動機：YBUD2-160/80-4/8 隔爆，確定截割功率為160kw。
5.1 截割生產率
截割生產率即機器的生產率，它又分為有理論生產率、技術生產率和實際生產率。
考慮到掘進機對煤巖特性具有一定的適應范圍，通常在較軟的半煤巖中，可選合理的工作擺動速度，在較硬的半煤巖中，可取1.5~2.0m/min
對于中硬巖層為保證截齒的壽命和牽引力，擺動速度不宜太高，可?。?。同時為了在不同條件下盡量按合理的切削厚度來工作，以獲得較高的截割效率，應按相應的合理截割速度來調節(jié)擺動速度。
本掘進機適應中硬煤巖所以擺動速度=1.5m/min
截割頭長度按照煤巖硬度為80Mpa選擇為820mm。
切割頭直徑影響切割力和工作循環(huán)時間。當切割頭的功率和轉速一定時，切割頭的直徑將決定切割頭的切向切割力。切割頭直徑過大，將使切向切割力降低，如果切割力小于切割阻力，就不能完成切割任務。目前，縱軸式掘進機切割頭的直徑一般為600~900mm。大功率的掘進機可以在1000mm以上。按照設計要求本掘進機最大截割頭直徑為1120mm
理論生產率為：
QT=60λAVb=60*1.5*0.985*1.5=132.975 （5-1）
或QT=rQT
式中QT～掘進機理論生產率，
QT /～掘進機理論生產率，t/h
λ～煤巖松散系數(shù)，一般為λ=1.5
A～截割頭的橫截面積
Vb～截割頭橫向擺動速度，m/min
r~煤巖的容重，
技術生產率：是指掘進機在給定條件下連續(xù)工作一小時獲得的最大生產率，可按下列式子計算：
Q=60a*e**= （5-2）
或Q/=rQ若用進尺速度表示，則為：QL==60 （5-3）
式中Q~ 技術生產率，/h
Q~技術生產率， /h
QL~進尺速度，m/h
a~截割頭沿工作面移動所破碎煤巖的厚度，近似為截割頭截割頭直徑1120m
e~截割頭截入工作面的深度，近似為截割頭長度820m
S~巷道的毛斷面積，
~掘進機工作不連續(xù)系數(shù)，即掘進機純截割時間與總循環(huán)時間的比值。=0.8
實際生產率是指掘進機在一般工作時間內的實際平均生產率。要考慮司機操作機器和工作面實際情況造成的一些不可避免的時間損失。
5.2 裝載生產率
5.2.1 裝載機構生產能力確定
裝載機構的生產能力應大于截割機構的生產能力，這是確定裝載機構技術參數(shù)的先決條件。設計時裝載機構生產能力按截割機構生產能力的1.0~1.1倍考慮為宜。
5.2.2 星輪結構尺寸確定
星輪結構如圖4.1所示，有關尺寸確定如下:
圖4.1 星輪結構
Fig.4-1 Star Ferry structure
1)星輪大徑D:星輪大徑的確定與鏟板和驅動裝置外形尺寸及星輪回轉中心有關，設計時結合鏟板設計綜合考慮確定。按照設計要求取1328mm
2)星輪小徑d:星輪小徑的確定主要與驅動裝置外形尺寸有關，設計時在滿足強度要求的條件下，應盡量減小星輪小徑的尺寸。按照設計要求取568mm
3)星輪小徑高度H:星輪小徑高度的確定要結合鏟板和驅動裝置結構尺寸及機器總體布置要求確定，并使之盡量小。按照設計要求取195mm
4)星輪爪子的數(shù)量及寬度L:星輪爪子的數(shù)量目前以三爪、四爪及六爪居多。爪子數(shù)量多，結構較復雜，裝載效率低，建議設計時采用三爪星輪。星輪爪子的設計寬度，應在滿足強度的條件下盡量減小。按照設計要求取130mm
5)星輪爪子高度h:爪子高度由星輪大小徑、星輪爪子的數(shù)量、星輪轉速及裝載機構的生產率確定。裝載機構的生產率由下式計算得出(不計鏟板角度)。
（5-4）
式中—裝載機構的生產率，
D—星輪大徑， mm
d—星輪小徑， mm
M—星輪爪子數(shù)量，個
S—星輪爪子面積， ：
S=L*(D/2-d/2)=130*(1328/2-568/2)=49400 mm2 （5-5）
n—星輪工作轉速， r/min按照設計要求取32 r/min
Kz—裝載系數(shù)，取1.5~2.0 這里取2.0
用上式計算出裝載爪子高度，要結合星輪轉速確定，星輪爪子的數(shù)量和尺寸，綜合考慮確定。一般星輪爪子高度h推薦設計為60~100 mm。這里根據(jù)實際情況選取h=67mm
5.2.3 中間輸送機生產率
中間輸送機的最大生產能力為：
Qs=60ΨVtF=60*0.9*57.6*0.2997=932.2 （5-6）
式中Qs～生產率
Ψ～裝滿系數(shù)一般取Ψ=0.95～0.9這里取0.9
Vt～鏈速，按照生產要求?。?.96 m/s=57.6m/min
F～輸送機斷面
（5-7）
B~輸送機槽寬這里取溜槽寬度：540 mm
h~輸送機有效高度：420 mm
ρ～貨載堆積角，即高于槽幫煤巖的安息角，由于掘進機在截割運動是都要進行噴霧降塵處理所以貨載堆積角一般取大值應為40~45之間，這里我們選擇45°
掘進機的設計以截割生產率為主要依據(jù)，而裝載、輸送、轉載的生產能力應稍高于截割生產率，要滿足以下關系：
QT< Qz< Qs
過高或過低都會影響設備的協(xié)調工作。
6 掘進機的通過性
掘進機的通過性是指機器通過彎道、各種底板和障礙物的能力，是掘進機重要的使用性能之一
6.1 離地最小間隙
掘進機在井下行走，應具有通過枕木、軌道等障礙物的能力。離地最小間隙可由下式確定：
y=B/13+8.4=140mm （6-1）
式中 y~離地最小間隙
B～兩條履帶中心距離1700mm
一般，掘進機的離地最小間隙y=150~300mm，這里取y=150mm
6.2 可通過巷道最小半徑
可通過巷道最小半徑是掘進機可以轉彎的最小彎道半徑，它表示掘進機通過彎曲巷道的能力。設計掘進機時，控制固定部分長度的目的就是為了保證機器對彎道的通過性能。
通?？赏ㄟ^巷道最小半徑為6～10m
6.3 適應巷道坡度
縱軸式懸臂掘進機工作的巷道一般有坡度。適應巷道坡度是指掘進機在上山（或下山）能正常工作的巷道最大坡度。它反映了掘進機爬坡的能力是掘進機的重要使用性能。
設計時，適應巷道坡度一般不小于o，通常為12o～16o。這里根據(jù)實際工作要求選擇
6.4適應底板比壓
巷道底板的性質決定著掘進機的運行工況，是設計掘進機履帶行走機構的一個依據(jù)。為保證能夠正常運行和工作，掘進機應適應底板的比壓。對于遇水軟化的底板，履帶的接地比壓p應不大于49Kpa，即p49 Kpa；對于不太軟的底板，p137 Kpa；而對于煤巖底板
p167～189 Kpa （6-2）
通常，縱軸式懸臂掘進機的接地比壓p=100～130 Kpa，有些重型掘進機的接地比壓偏大些。因為本掘進機是重型掘進機，根據(jù)設計要求結合機器的實際情況選取接地比壓： P=0.14 MPa。
7 縱軸式懸臂掘進機裝載機構設計
7.1 鏟板體結構
鏟板體結構有分體和整體2種形式。分體鏟板由鏟板本體和左右副鏟板組成，如EBZ160型掘進機鏟板，就是典型的分體鏟板設計，鏟板本體采用鑄焊結合方式，鏟板頭部為一箱形結構的鑄件。整體鏟板是將整個鏟板設計為一個箱形體，可采用鑄焊結合或全部采用板焊形式，如EBJ-120TP型掘進機鏟板，就是典型的整體
鏟板設計。分體鏟板結構復雜，可以減小大件尺寸，便于井下運輸，且可減少焊接變形;整體鏟板結構簡單，外形尺寸較大，若井筒和巷道斷面小，下井運輸較困難。再一個就是對于大型焊接件，若結構設計和焊接工藝不合理，會產生嚴重的焊接變形。至于鏟板體設計采用何種形式，要結合整個裝載機構設計綜合考慮后確定。本掘進機選擇分體形式
圖7.1鏟板體
Fig.7-1 Shovel board
7.2 驅動裝置
驅動裝置是裝載機構的動力源。傳統(tǒng)的驅動方式為:電機(或馬達)—錐齒輪減速箱—執(zhí)行機構(蟹爪式或星輪式)。以前掘進機多采用蟹爪式裝載機構，采用試驗法或圖解法進行初步再現(xiàn)，然后用解析法進行精確計算。而現(xiàn)在掘進機基本上是采用星輪裝載機構，且多采用低速大扭矩馬達直接驅動星輪的方式。S100掘進機的裝載機構由原來的蟹爪式改為現(xiàn)在的星輪式，這主要是蟹爪式裝載機構存在左右蟹爪工作須保證嚴格同步，而左右裝載減速器在第一級錐齒輪處，由一個中間過軸聯(lián)接起來，結構較復雜。而星輪裝載機構較蟹爪式裝載機構具有結構簡單、運轉平穩(wěn)、裝載能力高、故障率低、易維護的特點。本掘進機結合整機性能考慮采用由兩個液壓馬達帶動星輪，把截割下來的物料裝到刮板運輸機內的裝置。
7.3 裝載機構設計
7.3.1裝載機構生產能力確定
裝載機構的生產能力應大于截割機構的生產能力，這是確定裝載機構技術參數(shù)的先決條件。設計時裝載機構生產能力按截割機構生產能力的1.0~1.1倍考慮為宜。
7.3.2星輪結構尺寸確定
星輪結構如圖7.2所示，有關尺寸確定如下:
圖7.2星輪結構圖
Fig.7-2 Star Ferry structure
1)星輪大徑D:星輪大徑的確定與鏟板和驅動裝置外形尺寸及星輪回轉中心有關，設計時結合鏟板設計綜合考慮確定。按照設計要求取1328mm
2)星輪小徑d:星輪小徑的確定主要與驅動裝置外形尺寸有關，設計時在滿足強度要求的條件下，應盡量減小星輪小徑的尺寸。按照設計要求取568mm
3)星輪小徑高度H:星輪小徑高度的確定要結合鏟板和驅動裝置結構尺寸及機器總體布置要求確定，并使之盡量小。按照設計要求取195mm
4)星輪爪子的數(shù)量及寬度L:星輪爪子的數(shù)量目前以三爪、四爪及六爪居多。爪子數(shù)量多，結構較復雜，裝載效率低，建議設計時采用三爪星輪。星輪爪子的設計寬度，應在滿足強度的條件下盡量減小。按照設計要求取130mm
5)星輪爪子高度h:爪子高度由星輪大小徑、星輪爪子的數(shù)量、星輪轉速及裝載機構的生產率確定。裝載機構的生產率由下式計算得出(不計鏟板角度)。
（7-1）
裝載爪子高度為：
=67mm （7-2）
式中—裝載機構的生產率，
D—星輪大徑， mm
d—星輪小徑， mm
M—星輪爪子數(shù)量，3個
S—星輪爪子面積， ;S=L*(D/2-d/2)=130*(1328/2-568/2)=49400mm2
n—星輪工作轉速， r/min，按照設計要求取32 r/min
Kz—裝載系數(shù)，取1.5~2.0
用上式計算出裝載爪子高度，要結合星輪轉速確定，星輪爪子的數(shù)量和尺寸，綜合考慮確定。一般星輪爪子高度h推薦設計為60~100 mm。這里根據(jù)實際情況選取h=67mm。
7.3.3星輪轉速確定
星輪轉速的確定計算要對星輪工作狀態(tài)進行動力學分析后得出。裝載星輪運動示意如圖7.3所示。設星輪所撥物料質量為m，物料m所處星輪位置的半徑為r，鏟板傾角忽略不計，星輪轉速n的臨界值分析如下。
1) 物料m所受離心力:
（7-3）
2)離心力沿爪面的分力F1:
（7-4）
7.3圖 裝載星輪運動示意圖
Fig.7-3 Loading mechanism Sketch of movement
式中，α為物料m所處星輪位置的離心力與爪面切線的夾角。
3)離心力垂直于爪面的分力:
（7-5）
4)物料運動時與鏟板之間的摩擦力:
（7-6）
式中，g為重力加速度; f為物料與鏟板之間的摩擦因數(shù)。
5)物料運動時所受的垂直于爪面的力：
（7-7）
6)物料運動時與爪面之間的摩擦力:
星輪所裝物料，一是將物料推移到中間輸送機上，二是將物料沿爪面離心力方向甩到中間輸送機上，因此物料所受離心力必須克服其所受的摩擦力，物料對鋼的摩擦系數(shù)一般為f=0.4即，由此得出星輪轉速n的臨界值為：
（7-8）
上式只是計算出了星輪轉速n的臨界值，星輪轉速的確定還要結合現(xiàn)有機型的實際情況綜合考慮確定。一般星輪轉速推薦采用30~50 r/min。根據(jù)實際情況這里選取n=32r/min，并選擇弧形面。
從上式可以看出:①要使物料順利裝入中間輸送機上，物料m所處星輪位置的半徑r越小，所需的轉速越高。但是，如果轉速過高，又會造成嚴重的甩物料現(xiàn)象，從而影響裝載效果。②物料m沿爪面的分力與物料m所處星輪位置的離心力與爪面切線的夾角α有關，建議星輪工作轉速大于40 r/min時，星輪爪面宜采用弧形面。
7.3.4裝載功率確定
目前，對于星輪式裝載機構的功率確定，大都采用類比法，下面根據(jù)星輪式裝載機構的工作原理，得出一個近似計算方法，來初步確定星輪裝載機構的功率。裝載功率主要由2部分組成，一是克服物料與鏟板間的摩擦力所消耗的功率;二是以一定速度推動物料所消耗的功率。其他不確定因素需要的功率由計算時給出安全系數(shù)Sa(1.3~1.6)保證。這里取1.5
1)星輪每轉裝載物料的重力Wz由生產能力確定。
物料的容重*星輪有效工作體積=5.6 （7-9）
2)物料在鏟板表面滑動需克服的摩擦力:
（7-10）
3)星輪工作靜摩擦需消耗的功率:
（7-11）
式中，T為工作扭矩。
4)動能需消耗的功率:
（7-12）
式中， 為星輪自重。
5)裝載星輪工作需輸出功率:
=5.13 （7-13）
6)裝載馬達所需輸出功率:
=16.8 （7-14）
式中， 為系統(tǒng)總效率。
通過計算，結合類比，掘進機在滿足總體要求的前題下，選定裝載功率=27kW為合理的。EBZ-160型掘進機星輪裝載機構，通過使用證明，選定的裝載功率是合理的。
結語
掘進機的總體設計是掘進機設計工程中技術設計的一個組成部分。它的設計關鍵是總體性能參數(shù)的合理選擇，各個系統(tǒng)和總成的優(yōu)化設計水平，特別是截割機構的切割技術顯得尤為重要。
星輪式裝載機構是一種新型的裝載機構，由于采用液壓馬達直接驅動星輪的方式，傳動簡單，受力均勻，運轉平穩(wěn)，比蟹爪式(錐齒輪減速器機構)可靠性大大提高，因而近幾年國內外掘進機和連續(xù)采煤機均廣泛采用星輪式裝載機構。
本文所述掘進機的總體設計星輪結構尺寸確定、星輪轉速確定及安裝方法，仍然是以傳統(tǒng)設計為基礎，在動力學、運動學、受力計算等方面應廣泛應用現(xiàn)代設計方法，如概念設計、三維設計運動學、動力學仿真技術、有限元設計、優(yōu)化設計等。同時，應廣泛學習國際上這方面的新設計方法為我所用，提高我們的設計水平，積累我們的設計經驗，搞出安全、可靠、性能優(yōu)良的高端產品，為祖國的現(xiàn)代化事業(yè)做出應有的貢獻。
致謝
時光茬蔣，光陰似箭。轉眼間，大學四年的時光即將結束。在導師丁飛老師的精心指導、嚴格要求和諄諄教導下，我才得以順利的完成大學階段的論文工作。學術上，導師淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、勇于開拓的創(chuàng)新精神以及忘我的工作熱情、務實的工作作風使我終生受益；人格上，導師積極向上、樂觀進取的人生態(tài)度和高尚的品德與責任感使我終生難忘；
生活上，導師對我無微不至的關懷和幫助使我受益匪淺。在此，我謹向尊敬的導師表示最崇高的敬意和最衷心的謝意。
我還要對當我對掘進機這類機械認識不夠時，向我們提供認知實習并給與親切指導的的遼源煤機廠的各位領導表示感謝和深深的敬意。
感謝我的家人，他們?yōu)榱宋业膶W業(yè)，做出了許多的犧牲，如果沒有他們在物質上和精神上的支持，我不可能完成我的學業(yè)。
感謝所有曾給予過我?guī)椭完P心的親人、老師、朋友和同學！
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附錄A
普通全鋼沖模的沖壓精度分析
板料沖壓件的精度準確顯示出其沖模的沖壓精度。而任何沖件的線性尺寸精度與形位精度主要取決于沖模沖裁和立體成形沖壓件展開平毛坯的落料精度。因此，多工步復合沖壓的單工位復合