新型電牽引采煤機(jī)截割部的設(shè)計(jì)【說(shuō)明書(shū)+CAD】

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高速金屬切削立銑刀涂層的研究 摘要 一些用在硬質(zhì)合金和金屬陶瓷端銑刀上的新型民用試驗(yàn)PVD (物理氣相沉積)涂層正通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行研究.這些有涂層和無(wú)涂層刀具被用在高速的鋼的干切削和鋁合金的濕切削上.最后使用銑床進(jìn)行精加工.刀具壽命被用來(lái)作為評(píng)價(jià)涂層性能的標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)也以切削力和功率損耗的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)察為基礎(chǔ).最后的結(jié)果按照機(jī)械加工的單位體積損耗來(lái)進(jìn)行討論. # 1999 Elsevier Science S.A. All rights reserved. 關(guān)鍵詞: PVD涂層;端銑刀;高速銑削 1. 論文簡(jiǎn)介 這項(xiàng)研究工作通過(guò)調(diào)查一些用在商用的硬質(zhì)合金和金屬陶瓷端銑刀上的新型涂層進(jìn)行處理[1-3].使用由物理氣相沉積技術(shù)組成并基于陰極電弧的裝置[4].鋼和鋁合金被用作工件材料.一般來(lái)講,大家都知道當(dāng)金屬陶瓷基板的涂層效果沒(méi)有被完全評(píng)估時(shí)硬質(zhì)合金表面的PVD涂層可以提升切削刀具的耐磨性[5-11]. 2. 試驗(yàn) 2.1材料 鋼塊AISI-SAE 1045(HB≈190)和過(guò)共晶鋁合金(包含:硅 17±19%, 鐵 1.20%最大, 鎂 0.4±0.7%)用作被加工材料.商用硬質(zhì)合金端銑刀(ISO等級(jí)K10-20;體積組成:碳化鎢≈90%,Co≈10%;HV30=1600;抗彎強(qiáng)度3700N/mm2),金屬陶瓷(ISO等級(jí)P20;主要由TiCN, TiC, TaC, WC, NbC, Co, Ni組成; HV30=1600; 抗彎強(qiáng)度2300 N/mm2)用作切削刀具. 硬質(zhì)合金(HM)和金屬陶瓷也被用作基板,外表涂上基于陰極電弧系統(tǒng)的PVD涂層[4].一些單層按如下堆放: MoS2和TiN(兩種試驗(yàn)涂層基板) , TiCN, TiAlCN, TiAlNbN(僅HM); TiAlN(僅金屬陶瓷)和如下混合層TiN+TiCN(兩種試驗(yàn)涂層基板) .顯微鏡下的涂層如圖1.這些涂層的特性總結(jié)在下面表1中. 2.2銑削試驗(yàn) 精加工是在CNC銑床上完成,切削速度平均在vc=100±600 m/min;進(jìn)給速率fz=0.04 mm/每齒;軸向切削深度aa=0.5 mm;徑向切削深度ar=10 mm.設(shè)備條件總結(jié)在表2中:干切削以AISI-SAE 1045運(yùn)行,當(dāng)濕操作時(shí)需要5%的乳液配合切削鋁合金以免刀具被焊接到被加工工件上. 該端銑刀刀具的幾何參數(shù)列在表3中. 通過(guò)切削力與功率的實(shí)時(shí)檢測(cè)，刀具側(cè)面磨損極限VBB≤0.20 mm被用作評(píng)價(jià)涂層表現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)（ISO3002\1），VBB是通過(guò)一套離線光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。切削力通過(guò)安裝在機(jī)床上的三相陀螺儀進(jìn)行測(cè)量。主軸電機(jī)消耗的功率通過(guò)切削過(guò)程中的功率監(jiān)控器進(jìn)行測(cè)量。力和功率通過(guò)在線的帶有一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理板的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。 3. 結(jié)果與討論 Fig2.3是用鋁合金作為工件材料的的銑削試驗(yàn)結(jié)果。Fig4-7是用AISI-SAE 1045進(jìn)行試驗(yàn)的銑削結(jié)果。 由銑削試驗(yàn)結(jié)果可知，用鋁合金作為工件材料，通過(guò)在重金屬基板上涂層實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其可獲得一個(gè)有限的提升，根據(jù)耐磨性與效率的觀點(diǎn)，按照金屬移除體積，未涂層刀具與涂層刀具有著相似的表現(xiàn)。如果將未涂層 刀具作為基準(zhǔn)，那么刀具壽命百分比將在87-113%的范圍內(nèi)進(jìn)行變化，涂有TiALNbN的刀具有著最好的表現(xiàn)：這是一種能抵抗高溫的新型涂層。這些涂層不能進(jìn)行干切削，因其不能產(chǎn)生工件材料與刀具的焊接屏障。 至于鋼AISI-SAE 1045的銑削，其切削表現(xiàn)主要依靠底層件板材料。當(dāng)陶瓷材料為底層材料，未涂層刀具獲得最好的表現(xiàn)，所  有涂層材料在測(cè)試中均表現(xiàn)為減少，這種現(xiàn) 象可能是由于刀具材料與工件材料之間的化 學(xué)反應(yīng)。這些涂層并不能有效阻止普遍性磨 損，這是一種最重要的磨損理論，由此可以 將金屬干切削提高到更高的切削速度。（Vc =600/min） 如果將未涂層刀具作為基準(zhǔn)，那么刀具壽命將減少63%（TiN+TiCN）-91%（TiAlN）你會(huì)發(fā)現(xiàn)TiN+TiCN是最低的氧化阻力而TiN+TiCN最高。 另一方面，如果底層材料為重金屬，那么未涂層材料表現(xiàn)最差。事實(shí)上使用Vc=200m/min的切削速度，未涂層材料太低而不能與涂層材料相比。另外，即使未涂層材料使用Vc=100m/min的切削速度，其與在Vc=200m/min的涂層材料相比也有著很大差距。（fig6） 如果將未涂層刀具作為基準(zhǔn)，下面重要的刀具壽命將會(huì)增長(zhǎng)：27%（TiALNbN）297%（TiN+TiCN）385%（TiCN）455%（TiAlN）和473%（TiN），從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，涂層與未涂層刀具有以下計(jì)算公式： ,(1) 其中，Cw是機(jī)械加工花費(fèi)（￡it/cm3）;Cm=1170, 機(jī)械刀具的使用花費(fèi)（￡it/min）；Ct刀具花費(fèi)（￡it）；Tw刀具壽命（以VBb=0.2mm）；Tt=3,磨損的刀具的變化時(shí)間（min），V是金屬的去除體積。 與Eq（1）有關(guān)的數(shù)據(jù)總結(jié)在表4中以，當(dāng)?shù)毒咭越?jīng)濟(jì)方式涂層，刀具耗費(fèi)意大利市場(chǎng)價(jià)格為準(zhǔn)，當(dāng)?shù)毒咛貏e的以實(shí)驗(yàn)為用途進(jìn)行涂層，花費(fèi)以每種底層材料的涂層的相似類(lèi)型的經(jīng)濟(jì)花費(fèi)為基礎(chǔ)，下面的柱形表對(duì)機(jī)械花費(fèi)進(jìn)行了對(duì)比，并用Eq（1）進(jìn)行計(jì)算。 Fig8表明從經(jīng)濟(jì)角度看，未涂層重金屬是最合適的即使其銑削鋁合金時(shí)以刀具壽命（fig2）和金屬移除體積（fig3）來(lái)看并不是表現(xiàn)最好的.涂層和未涂層刀具在價(jià)格方面的重要差異的影響因素（table4）。Fig9表明從經(jīng)濟(jì)和切削效率來(lái)看用陶瓷作為刀具基層材料的未涂層刀具來(lái)銑削AISI-SAE 1045是最合適的。 另一方面，fig10與 6,7表明考慮機(jī)械花費(fèi)，以TiN為涂層的重金屬刀具是最合適的，同樣其在刀具壽命與金屬移除體積方面 表現(xiàn)最好。 至于切削力功率與切削力，F(xiàn)x與Fy在表11-13中表明吸收的plots，通過(guò)考慮在監(jiān)控時(shí)上下銑削的價(jià)值，一般來(lái)講，這些量隨著時(shí)間增長(zhǎng)與刀具磨損有關(guān)。Fig11表明機(jī)械加工鋁合金時(shí)，最好的涂層材料TiALNbN（table4）同樣允許切削力的降低，這意味著更好的機(jī)械加工性。 4. 結(jié)論 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論與以上討論，可以得出以下結(jié)論： 1. 重要刀具壽命的提升與機(jī)械加工花費(fèi)的減少可以使用涂層重金屬來(lái)銑削AISI-SAE 1045 2. 通過(guò)應(yīng)用于AISI-SAE 1045，當(dāng)用PVD涂層時(shí)陶瓷端銑削的磨損極限增加。 3. 涂有重金屬的刀具不能加工鋁合金，并且不會(huì)減少機(jī)械加工花費(fèi)。 4. 在一些情況下，以重金屬為基礎(chǔ)的PVD涂層刀具可以在濕切削鋁合金時(shí)提高磨損極限 5. 這些涂層通過(guò)減少磨損和切削力可以提升AISI-SAE 1045的干機(jī)械加工性和鋁合金的濕機(jī)械加工性 References [1] K.N. Strafford, C. Subramanian, J. Mater. Process. Tech. 53 (1995)393. [2] C. Subramanian, K.N. Strafford, Wear 165 (1993) 85. [3] F.H. Loè ffler, Surface and Coatings Tech. 68-69 (1994) 729. [4] H. Curtins, W. Bloèsch, Proceedings of the International Conferenceon Metallurgical Coatings and Thin Films, ICMCTF'95, San Diego,USA, 24-28 April, 1995, Elsevier, Amsterdam, p. 632. [5] R.F. Bunshah et al., Deposition Technologies for Films and Coatings,Noyes Publications, 1982. [6] G.E. D'Errico, E. Guglielmi, in: E. Kuljanic (Ed.), Advanced Manufacturing Systems and Technology, CISM Courses and Lectures No. 372, Springer, Wien, New York, 1996, p. 169. [7] S. Bugliosi, R. Chiara, R. Calzavarini, G.E. D'Errico, E. Guglielmi, in: L.A. Dobrzanski (Ed.), Proceedings of the International Conference of AMT'95, Zakopane, Poland, 17-21 May 1995, p. 67. [8] G.E. D'Errico, S. Bugliosi, E. Guglielmi, in: M.S.J. Hashmi (Ed.), Proceedings of the International Conference of AMPT'95, Dublin,Ireland, vol. III, 8-12 August 1995, p. 1278. [9] G.E. D'Errico, E. Guglielmi, in: P.K. Datta, J.S. Burnell-Gray (Eds.),Advances in Surface Engineering, vol. III, The Royal Society of Chemistry, Cambridge, UK, 1997, p. 179. [10] G.E. D'Errico, R. Chiara, E. Guglielmi, Surf. Coatings Technol.86-87 (1996) 735. [11] W. Koènig, R. Fritsch, Surf. Coatings Technol. 68-69 (1994) 747. 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 題目 新型電牽引采煤機(jī)截割部的設(shè)計(jì) 院（系部） 機(jī)械與動(dòng)力工程系 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年級(jí)班級(jí) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 年 月 日 XX大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 一、題目 二、主要任務(wù)與要求 三、起止日期 年 月 日至 年 月 日 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章） 系 主 任 簽字（蓋章） 年 月 日 XX 大 學(xué) 萬(wàn) 方 科 技 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱人評(píng)語(yǔ) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 題目 評(píng)閱人 簽字（蓋章） 職 　 稱(chēng) 工作單位 年 月 日 XX大 學(xué) 萬(wàn) 方 科 技 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)定書(shū) 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué)生姓名 題目 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章）　　職稱(chēng) 年 月 日 XX 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯許可證 經(jīng)審查， 專(zhuān)業(yè) 班 同學(xué)所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），符合學(xué)校本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的相關(guān)規(guī)定，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)的要求，根據(jù)學(xué)校教學(xué)管理的有關(guān)規(guī)定，同意參加畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯。 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章） 年 月 日 根據(jù)審查，準(zhǔn)予參加答辯。 答辯委員會(huì)主席（組長(zhǎng)） 簽字（蓋章） 年 月 日 XX大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)（小組）決議 院（系） 專(zhuān)業(yè) 班 同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）于 年 月 日進(jìn)行了答辯。 題目 答辯委員會(huì)成員 主 席（組長(zhǎng)） 委 員（成員） 委 員（成員） 委 員（成員） 委 員（成員） 委 員（成員） 委 員（成員） 答辯前向畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯委員會(huì)（小組）提交了如下資料： １、設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明 共 頁(yè) ２、圖紙 共 張 ３、評(píng)閱人意見(jiàn) 共 頁(yè) ４、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 共 頁(yè) 根據(jù)學(xué)生所提供的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）材料、評(píng)閱人和指導(dǎo)教師意見(jiàn)以及在答辯過(guò)程中學(xué)生回答問(wèn)題的情況，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)（小組）做出如下決議。 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的總評(píng)語(yǔ) 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的總評(píng)成績(jī) 畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯委員會(huì)主席（組長(zhǎng)） 簽名 委員（組員）簽名 年 月 日 —7— XX大學(xué)本科畢業(yè)論文 摘 要 本說(shuō)明書(shū)主要介紹了采煤機(jī)截割部的設(shè)計(jì)計(jì)算。此新型電牽引采煤機(jī)截割部主要是由一個(gè)搖臂減速箱和一個(gè)行星減速機(jī)構(gòu)組成,截割部電機(jī)放在搖臂內(nèi)橫向布置,電動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力經(jīng)由三級(jí)直齒圓拄齒輪和行星輪系的傳動(dòng)，最后驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)。截割部采用四行星單浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，減小了結(jié)構(gòu)尺寸，采用大角度彎搖臂設(shè)計(jì)，加大了過(guò)煤空間，提高了裝煤效果。 關(guān)鍵詞：采煤機(jī)；截割部；減速箱；行星輪系；設(shè)計(jì) Abstract Calculate in design which cuts the cutting department of main introduction mining machine of this manual.It is made up of a gearbox and moderate breeze gear wheel transmission that the advanced mining machine cuts the cutting department,cut the electrical machinery of cutting department and put to fix up horizontally in the rocker arm,the power that the motor outputs leans on around of transmission of department of gear wheel and planet round via the tertiary straight tooth ,urge the cylinder ti rotate finally.Cut the cutting department and adopt the floating structure of four planetary forms,have reduced the physical dimension, adopt the large angle to curve the rocker arm to design,have strengthened the space of coal,have improved the coal result of putting. Key words: Mining machine;Cut the cutting department;Gearbox;A department of planet;Desigh II 目 錄 前 言 1 1 緒論 2 1.1 采煤機(jī)發(fā)展概述 2 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢(shì) 4 1.2.1 國(guó)外電牽引采煤機(jī)發(fā)展概況 4 1.2.2 國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)發(fā)展概況 5 1.2.3技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì) 6 1.2.4 國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)研究方向 9 2 煤的機(jī)械性能及截割理論 10 2.1 煤層構(gòu)造特點(diǎn) 10 2.1.1 原生性構(gòu)造特點(diǎn) 10 2.1.2 次生性構(gòu)造特點(diǎn) 10 2.1.3 斷裂和裂縫的觀測(cè) 11 2.2 煤的物理機(jī)械性質(zhì) 12 2.2.1 煤的物理性質(zhì) 12 2.2.2 煤的機(jī)械性質(zhì) 13 2.2.3 煤的堅(jiān)固系數(shù) 17 2.2.4 煤的截割阻抗 17 3 截割部的設(shè)計(jì)與計(jì)算 18 3.1主要技術(shù)參數(shù) 18 3.2傳動(dòng)比和各軸轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 19 3.3 齒輪強(qiáng)度校核 22 3.3.1 第Ⅰ級(jí)、高速級(jí)減速齒輪 22 3.3.2 第Ⅱ級(jí)減速齒輪 29 3.4 行星機(jī)構(gòu)的計(jì)算 36 3.5 截割部軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 56 3.5.1 離合器齒輪軸 56 3.5.2 齒輪組軸 64 3.6 截割部軸承壽命校核 71 3.6.1 離合齒輪組軸承 71 3.6.2 齒輪組軸軸承 73 4 采煤機(jī)的使用與維護(hù) 75 4．1采煤機(jī)使用過(guò)程中常見(jiàn)故障與處理 75 4.1.1 采煤機(jī)截割部與牽引部連接部位損壞的原因分析： 75 4.2大功率采煤機(jī)截割部溫升過(guò)高現(xiàn)象及解決方法 76 4.2.1 發(fā)熱原因的分析 77 4.2.2 解決方法 77 4．3采煤機(jī)軸承的維護(hù)及漏油的防治 78 4.3.1采煤機(jī)軸承損壞形式和原因 78 4.3.2 預(yù)防和改進(jìn)措施 79 4.3.3 加強(qiáng)軸承使用中維護(hù)和保養(yǎng) 80 4.3.4 采煤機(jī)漏油及處理 80 4．4煤礦機(jī)械傳動(dòng)齒輪失效的改進(jìn)途徑 81 4.4.1設(shè)計(jì) 82 4.4.2 選材 83 4.4.3 加工工藝 83 4.4.4 熱處理 84 4.4.5 表由強(qiáng)化處理 85 4.4.6 正確安裝運(yùn)行 85 4.4.7 潤(rùn)滑 85 致 謝 89 參考文獻(xiàn) 90 iii 前 言 我國(guó)是一個(gè)貧油、少氣、富煤的國(guó)家，因此我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭是我國(guó)最主要的能源，是保證我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速增長(zhǎng)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 然而采煤一直以來(lái)都被人們看作一項(xiàng)非常危險(xiǎn)的事情。在以前國(guó)內(nèi)有很多小型煤窯，由于規(guī)模小，技術(shù)落后，大部分都是靠人工進(jìn)行挖煤、運(yùn)輸煤。因此經(jīng)常出現(xiàn)各種事故，而且大量浪費(fèi)了資源。大型的采煤機(jī)械的出現(xiàn)使這一現(xiàn)象得到了改觀。采煤機(jī)作為采煤的主要工具是實(shí)現(xiàn)煤礦生產(chǎn)機(jī)械化和現(xiàn)代化的重要設(shè)備之一。機(jī)械化采煤可以減輕體力勞動(dòng)、提高安全性，達(dá)到高產(chǎn)量、高效率、低消耗的目的。它對(duì)提高煤的采掘效率有著重要的影響。 20世紀(jì)70年代主要靠進(jìn)口采煤機(jī)來(lái)滿足我國(guó)生產(chǎn)的需要，到今天幾乎是我國(guó)采煤機(jī)占領(lǐng)我國(guó)的整個(gè)采煤機(jī)市場(chǎng)，依靠科技進(jìn)步，推進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)高效礦井綜合配套技術(shù)是我國(guó)煤炭科技的發(fā)展的主攻方向，我國(guó)的采煤機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了自主研發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)化，系列化階段。 1 緒論 1.1 采煤機(jī)發(fā)展概述 機(jī)械化采煤開(kāi)始于本世紀(jì)40年代，是隨著采煤機(jī)械的出現(xiàn)而開(kāi)始的。40年代初期，英國(guó)、蘇聯(lián)相繼生產(chǎn)了采煤機(jī)，使工作面落煤、裝煤實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。但當(dāng)時(shí)的采煤機(jī)都是鏈?zhǔn)焦ぷ鳈C(jī)構(gòu)，能耗大、效率低，加上工作面輸送機(jī)不能自移，所以生產(chǎn)率受到一定的限制。 50年代初期，英國(guó)、聯(lián)邦德國(guó)相繼生產(chǎn)出了滾筒式釆煤機(jī)、可彎曲刮板輸送機(jī)和單體液壓支柱，從而大大推進(jìn)了采煤機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展。滾筒式采煤機(jī)采用螺旋滾筒作為截割機(jī)構(gòu)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)并切人煤壁后，通過(guò)安裝在滾筒螺旋葉片上的截齒將煤破碎，并利用螺旋葉片把破碎下來(lái)的煤裝人工作面輸送機(jī)。但由于當(dāng)時(shí)采煤機(jī)上的滾筒是死滾筒，不能實(shí)現(xiàn)調(diào)高，因而限制了采煤機(jī)的適用范圍，我們稱(chēng)這種固定滾筒采煤機(jī)為第一代采煤機(jī)。因此，50年代各國(guó)采煤機(jī)械化的主流還只是處于普通機(jī)械化水平。雖然在1954年英國(guó)已研制出了自移式液壓支架，但由于采煤機(jī)和可彎曲刮板輸送機(jī)尚不完善，綜采技術(shù)僅僅處在開(kāi)始試驗(yàn)階段。 60年代是世界綜采技術(shù)的發(fā)展時(shí)期。第二代采煤機(jī)——單搖臂滾筒采煤機(jī)的出現(xiàn)，解決了采高調(diào)整問(wèn)題，擴(kuò)大了采煤機(jī)的適用范圍。這種采煤機(jī)的滾筒裝在可以上下擺動(dòng)的搖臂上，通過(guò)擺動(dòng)搖臂來(lái)調(diào)節(jié)滾筒的截割高度，使采煤機(jī)適應(yīng)煤層厚度變化的能力得到了大大加強(qiáng)。1964年，第三代采煤機(jī)——雙搖臂滾筒采煤機(jī)的出現(xiàn)，進(jìn)一步解決了工作面自開(kāi)切口問(wèn)題。另外，液壓支架和可彎曲輸送機(jī)技術(shù)的不斷完善，把綜采技術(shù)推向了一個(gè)新水平，并在生產(chǎn)中顯示了綜合機(jī)械化采煤的優(yōu)越性——高效、高產(chǎn)、安全和經(jīng)濟(jì)，因此各國(guó)競(jìng)相采用綜采。進(jìn)入70年代，綜采機(jī)械化得到了進(jìn)一步的發(fā)展和提高，綜采設(shè)備開(kāi)始向大功率、高效率及完善性能和擴(kuò)大使用范圍等方向發(fā)展，相繼出現(xiàn)了功率為750—1000kW的采煤機(jī)，功率為900—1000kW、生產(chǎn)能力達(dá)1500t／h的刮板輸送機(jī)，以及工作阻力達(dá)1500kN的強(qiáng)力液壓支架等。1970年采煤機(jī)無(wú)鏈牽引系統(tǒng)的研制成功以及1976年出現(xiàn)的第四代采煤機(jī)——電牽引采煤機(jī)，大大改善了采煤機(jī)的性能，并擴(kuò)大了它的使用范圍。世界上第一臺(tái)直流電牽引(他勵(lì))采煤機(jī)是由西德艾柯夫公司1976年研制的EDW一150—2L型采煤機(jī)。該采煤機(jī)首次使用就顯示出電牽引的優(yōu)越性，即效率高、產(chǎn)量大、可靠性高，其故障率只是液壓牽引采煤機(jī)的l／5。同年，美國(guó)久益公司研制出了1LS直流(串勵(lì))電牽引采煤機(jī)，以后陸續(xù)改進(jìn)發(fā)展為2LS、3LS、4LS系列；1996年生產(chǎn)的6LS05型采煤機(jī)，其總裝機(jī)功率為1530kW，是目前世界上功率最大的釆煤機(jī)。 我國(guó)采煤機(jī)始于50年代，主要從國(guó)外引進(jìn)，自70年代開(kāi)始，我國(guó)處于引進(jìn)與開(kāi)發(fā)相結(jié)合的發(fā)展時(shí)期，能自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)適合各種煤層的螺旋滾筒式采煤機(jī)。我國(guó)采煤機(jī)的發(fā)展在80年代處于興盛時(shí)期，在90年代進(jìn)入電牽引階段。1997年研制了我圖第一臺(tái)大功率電牽引采煤機(jī)，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)技術(shù)的升級(jí)換代?，F(xiàn)在我國(guó)采煤機(jī)技術(shù)正向高技術(shù)、高性能、高可靠性及電牽引方向發(fā)展。 滾筒式采煤機(jī)總體結(jié)構(gòu)一般由截割部、電動(dòng)機(jī)、牽引部和電氣控制系統(tǒng)以及輔助裝置組成。截割部是工作機(jī)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)裝置的總稱(chēng)，它包括固定減速箱、搖臂和滾筒，是采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)截煤、破煤和裝煤的工作部分。采煤機(jī)截割部減速器一般分為固定減速器和搖臂減速器，其作用是將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給螺旋滾筒，它主要包括齒輪減速的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)和供搖臂調(diào)高滾筒用的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的電牽引采煤機(jī)就是采用了搖臂減速器與行星機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢(shì) 1.2.1 國(guó)外電牽引采煤機(jī)發(fā)展概況 20世紀(jì)70年代，美國(guó)JOY公司研制成功了1LS多電機(jī)橫向布置直流電牽引采煤機(jī)，此后又陸續(xù)研制了2LS-6LS等型多電機(jī)橫向布置電牽引采煤機(jī)。7LS5采煤機(jī)總功率1940kW，牽引速度30m／min，采用JOY Ultratrac2000型強(qiáng)力銷(xiāo)軌無(wú)鏈牽引系統(tǒng)，加大銷(xiāo)軌節(jié)距和寬度，并采用鍛造銷(xiāo)排，裝備了與6LS5型通用的JNA機(jī)載計(jì)算機(jī)信息中心，具有人機(jī)通訊界面、故障診斷圖形顯示和儲(chǔ)存、無(wú)線電遙控、牽引控制和保護(hù)等功能。 德國(guó)Eickhoff公司于1976年研制成功直流電牽引采煤機(jī)，并基本停止了液壓牽引采煤機(jī)的研發(fā)，此后又陸續(xù)開(kāi)發(fā)了多種形式電牽引采煤機(jī)。20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)的SL系列橫向布置交流電牽引采煤機(jī)，將截割電機(jī)布置在搖臂上。其中SL500型電牽引采煤機(jī)裝機(jī)功率達(dá)1815kW，最大牽引力869kN；SL300型電牽引采煤機(jī)總裝機(jī)功率1138kW，采用雙變頻器一拖一系統(tǒng)，最大牽引速度達(dá)36．7 m／min：SLl000型采煤機(jī)裝機(jī)功率達(dá)2600kW，牽引力1003kN。控制系統(tǒng)具有交互式人機(jī)對(duì)話、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障預(yù)報(bào)、在線控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋? 英國(guó)long-Airdox公司于1984年研制成功第1臺(tái)將截割電機(jī)布置在搖臂上的多電機(jī)橫向布置的Electra55V型直流電牽引采煤機(jī)，在此基礎(chǔ)上又開(kāi)發(fā)出功率更大的Electral000型直流電牽引采煤機(jī)。20世紀(jì)90年代，在Electra系列機(jī)型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加大功率，改進(jìn)控制系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了EL系列交流電牽引采煤機(jī)，主要機(jī)型有EL600、ELl000、EL2000、EL3000型。在EL系列機(jī)型上裝置的Impact集成保護(hù)及監(jiān)控系統(tǒng)具有負(fù)荷控制、機(jī)器監(jiān)控、采煤機(jī)自動(dòng)定位、自動(dòng)調(diào)高、區(qū)域控制‘智能化安全聯(lián)鎖、隨機(jī)故障診斷和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。日本三井三池制作?987年后陸續(xù)研制成功多種截割電機(jī)縱向布置的MCLE．DR系列交流電牽引采煤機(jī)，近幾年又開(kāi)發(fā)了截割電機(jī)橫向布置的多電機(jī)交流電牽引采煤機(jī)。采煤機(jī)裝有微機(jī)工況監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)，可數(shù)字顯示牽引速度、滾筒位置、留頂?shù)酌汉穸?、電機(jī)負(fù)載及各處溫度，具有無(wú)線遙控裝置，并可加裝紅外線發(fā)射器操縱液壓支架。表l為國(guó)外代表性電牽引采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。 1.2.2 國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)發(fā)展概況 我國(guó)電牽引采煤機(jī)在消化吸收國(guó)外引進(jìn)采煤機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)擁有了許多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的換代產(chǎn)品，在我國(guó)煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面，國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，完全采用國(guó)產(chǎn)裝備的高產(chǎn)高效工作面不斷涌現(xiàn)。1991年，煤炭科學(xué)研究總院上海分院與波蘭合作，在國(guó)內(nèi)率先研制成功我國(guó)第l臺(tái)采用交流變頻調(diào)速技術(shù)的薄煤層爬底板采煤機(jī)，接著又先后研制成功了截割電機(jī)縱向布置的交流電牽引采煤機(jī)、截割電機(jī)橫向布置的適用于中厚和較薄煤層的交流電牽引采煤機(jī)。上海分院研制的MG系列電牽引采煤機(jī)已形成九大系列共幾十個(gè)品種。太原礦山機(jī)器廠與上海分院合作，將AM500液壓牽引采煤機(jī)改造成MG375／830-WD型交流電牽引采煤機(jī)后，又自主研制成功了MGTY400／900-3·3D型和MG750／1800-3．3D型機(jī)載交流變頻調(diào)速鏈軌式電牽引采煤機(jī)，現(xiàn)正在國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃資助下研發(fā)裝機(jī)總功率達(dá)2 500kW、最大采高6.0 m、年產(chǎn)1000萬(wàn)t的交流電牽引采煤機(jī)；雞西煤機(jī)廠與上海分院合作將MG2x300-W型液壓牽引采煤機(jī)改造成MG300／360-WD型交流電牽引采煤機(jī)后，又開(kāi)發(fā)了MG200／463型、MG400／985型交流電牽引采煤機(jī)；遼源煤機(jī)廠與邢臺(tái)礦業(yè)集團(tuán)合作研制成功我國(guó)首臺(tái)應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速技術(shù)的MG668-WD型電牽引采煤機(jī)；無(wú)錫采煤機(jī)廠與中紡機(jī)電研究所合作研制成功國(guó)內(nèi)首臺(tái)應(yīng)用開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速技術(shù)的MG200／500-CD型電牽引采煤機(jī)。表2為國(guó)內(nèi)具有代表性機(jī)型的采煤機(jī)主要技術(shù)參數(shù)。 1.2.3 技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì) (1) 裝機(jī)功率增大、性能參數(shù)提高 ①單臺(tái)截割電機(jī)功率多在400kW以上。多數(shù)采煤機(jī)單臺(tái)截割電機(jī)功率己達(dá)600kW以上，EL3000采煤機(jī)單臺(tái)截割電機(jī)功率達(dá)900kW，SLl000采煤機(jī)的單臺(tái)截割電機(jī)功率高達(dá)1000kW，太原礦山機(jī)器集團(tuán)也正在研發(fā)單臺(tái)截割電機(jī)功率1000kW的新型大功率采煤機(jī)。 ②牽引功率多在80kW以上，最大已達(dá)300kW。 ③總裝機(jī)功率超過(guò)1000kW，如7LS5達(dá)1940kW，EL3000總裝機(jī)功率達(dá)2000kW，SLl000總裝機(jī)功率更高達(dá)2600kW。 ④牽引速度、牽引力大幅提高。牽引速度15～25 m／min，牽引力500 kN以上。最大牽引速度60m／min(EL3000)，最大牽引力已達(dá)1000kN以上(EL3000、SLl000、西安煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)MG900／2210、雞西煤礦機(jī)械廠生產(chǎn)的MG800／2040)，太原礦山機(jī)械集團(tuán)有限公司即將推出牽引力l 125kN的采煤機(jī)。 ⑤截割功率增大，支架實(shí)現(xiàn)隨機(jī)支護(hù)，滾筒截深加大。10a前，截深大多是630-700mnl，現(xiàn)普遍采用截深1000～1200raln，別已達(dá)到1500 nun截深。 ⑥采煤機(jī)可靠性和開(kāi)機(jī)率提高。國(guó)外采煤機(jī)大修周期2a，出煤量400～600萬(wàn)t，要求采煤機(jī)出煤量300-400萬(wàn)t而不大修，差距較大。 (2) 中高壓供電 隨著采煤機(jī)裝機(jī)功率大幅度提高，工作面不斷加長(zhǎng)，整個(gè)工作面容量超過(guò)5000kW，工作面長(zhǎng)度達(dá)到300m。為減少輸電線路損耗，提高供電質(zhì)量和電機(jī)性能，普遍采用中高壓供電。主要供電等級(jí)有2300V、3300V、4160V、5000V等。 (3)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)智能化 現(xiàn)代電牽引采煤機(jī)均配備有智能化監(jiān)控、監(jiān)測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)交互式人機(jī)對(duì)話、無(wú)線電遙控、工況監(jiān)測(cè)及狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)及傳輸、故障診斷及預(yù)警、自動(dòng)控制、自動(dòng)調(diào)高等多種功能，以保證采煤機(jī)維護(hù)量最小，利用率最高，并可實(shí)現(xiàn)與液壓支架、工作面輸送機(jī)的信息交互和聯(lián)動(dòng)控制等功能。如安德森公司EL系列機(jī)型上裝置Impact集成保護(hù)與監(jiān)控系統(tǒng)，Eichhoff公司的Eichhoff數(shù)據(jù)匯集技術(shù)系統(tǒng)， JOY公司6LS型電牽引采煤機(jī)的JNA網(wǎng)絡(luò)信息中心等。 (4)電牽引系統(tǒng)向交流調(diào)速發(fā)展 早期的電牽引采煤機(jī)大多采用直流調(diào)速系統(tǒng)。日本20世紀(jì)80年代中期研制成功第1臺(tái)交流電牽引采煤機(jī)，交流調(diào)速系統(tǒng)以其技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、維護(hù)管理簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被迅速推廣應(yīng)用。20世紀(jì)90年代中后期研制的大功率電牽引采煤機(jī)均采用交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)。目前，交流電牽引已經(jīng)取代直流電牽引。早期的交流牽引均采用一個(gè)變頻器拖動(dòng)2臺(tái)牽引電機(jī)，變頻器對(duì)電機(jī)的性能參數(shù)難以準(zhǔn)確檢測(cè)，控制和保護(hù)功能無(wú)法完全發(fā)揮。如今主流交流電牽引采煤機(jī)均采用2個(gè)變頻器分別拖動(dòng)2臺(tái)牽引電機(jī)的牽引系統(tǒng)，使?fàn)恳目刂坪捅Ｗo(hù)性能更加完善。這種一拖一的牽引系統(tǒng)已經(jīng)成為電牽引技術(shù)發(fā)展的又一特點(diǎn)。 (5)總體結(jié)構(gòu)趨向模塊化及多電機(jī)橫向布置 橫向布置方式可使各部件由單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)彼此獨(dú)立，可模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝拆方便。美國(guó)從1LS開(kāi)始將截割電機(jī)橫向布置在搖臂上，至今沿用。英國(guó)從Electra550開(kāi)始，采用電機(jī)橫向布置。德國(guó)于20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)了橫向布置的SL系列電牽引采煤機(jī)。目前國(guó)內(nèi)外的電牽引采煤機(jī)幾乎都采用了橫向布置方式。 (6)無(wú)鏈牽引向齒輪-齒軌式演變 隨著牽引力的不斷增大，銷(xiāo)輪．齒軌式無(wú)鏈牽引已經(jīng)淘汰，齒輪．鏈軌式無(wú)鏈牽引也已使用不多，現(xiàn)在采煤機(jī)無(wú)鏈牽引正逐步趨向于采用齒輪．齒軌式無(wú)鏈牽引，這是一種從齒輪．銷(xiāo)軌式演變而來(lái)的無(wú)鏈牽引結(jié)構(gòu)，圓柱銷(xiāo)被齒軌所取代，焊接結(jié)構(gòu)改成了整體精密鑄造或鍛造，寬度增大，節(jié)距由125mm增加至175 mm。 1.2.4 國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)研究方向 國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)代表機(jī)型在總體參數(shù)和性能方面已接近國(guó)外先進(jìn)水平。但一些關(guān)鍵部件及其總體性能、功能、適應(yīng)范圍等方面還有待進(jìn)一步完善和提高。尤其是在線工況監(jiān)測(cè)、故障診斷及預(yù)報(bào)、信號(hào)傳輸與采煤機(jī)自動(dòng)控制、傳感器等智能化技術(shù)與國(guó)外相比還有較大的差距。因而國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)的智能化程度低，設(shè)備可靠性、安全性和可維護(hù)性較差，今后國(guó)內(nèi)電牽引采煤機(jī)的主要研究方向如下； (1)進(jìn)一步完善和提高交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)的可靠性。重點(diǎn)是完善和提高系統(tǒng)裝置的抗振、散熱和防潮等性能。 (2)研究可靠的微機(jī)電氣控制系統(tǒng)。重點(diǎn)是提高采煤機(jī)電控系統(tǒng)抗干擾、抗熱效應(yīng)的能力。 (3)開(kāi)發(fā)或增強(qiáng)電控系統(tǒng)的監(jiān)控功能。重點(diǎn)是研究故障診斷與專(zhuān)家系 統(tǒng)、工況監(jiān)測(cè)、顯示與信息傳輸系統(tǒng)、工作面采煤機(jī)自動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng)、自適應(yīng)變頻電路的漏電檢測(cè)與保護(hù)技術(shù)、搖臂自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)等。 (4)開(kāi)發(fā)可四象限運(yùn)行的礦用交流變頻調(diào)速裝置，使采煤機(jī)能適應(yīng)較大傾角煤層開(kāi)采的需要。 (5)開(kāi)發(fā)裝機(jī)功率更大、采高更高的采煤機(jī)，提高煤炭產(chǎn)量及回采率。 (6)加強(qiáng)提高采煤機(jī)開(kāi)機(jī)率和可靠性的研究。 (7)電器元件小型化的研究。由于裝機(jī)功率增大，電動(dòng)機(jī)、變壓器、變頻器等設(shè)備的體積也相應(yīng)增大，為滿足整機(jī)結(jié)構(gòu)布置緊湊的要求，必須研究設(shè)備小型化的技術(shù)途徑。 2 煤的機(jī)械性能及截割理論 煤體是采煤機(jī)械的破碎對(duì)象，對(duì)采煤機(jī)的刀具受力、能耗和裝機(jī)功率等都有直接影響，因此需要討論煤及煤層的性質(zhì)；同時(shí)，為了解煤的破碎機(jī)理，探求截煤過(guò)程的合理參數(shù)，仗工作機(jī)構(gòu)可靠、經(jīng)濟(jì)地工作，也需要討論截煤理論及截齒的受力。 2.1 煤層構(gòu)造特點(diǎn) 煤是遠(yuǎn)古地質(zhì)時(shí)代沉積物，并且在此后的漫長(zhǎng)歲月中，在與空氣隔絕、高壓、高溫的條件下，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的碳化變質(zhì)過(guò)程形成的。原始沉積物的不同，碳化變質(zhì)程度的差異，使煤炭的機(jī)械性質(zhì)和煤層的構(gòu)造在不同地域有很大差異。煤層含有矸石和硫化鐵等硬夾雜物，沉積過(guò)程 中形成的分層面(稱(chēng)為層理)、地質(zhì)力使煤層破碎形成的斷裂面(稱(chēng)為節(jié)理)，使煤層各處的性質(zhì)不同．即煤是一種非均質(zhì)、各向異性的脆性物質(zhì)。煤層的構(gòu)造特點(diǎn)按其形成原因分為原生性和次生性?xún)纱箢?lèi)。 2.1.1 原生性構(gòu)造特點(diǎn) 原生性構(gòu)造特點(diǎn)由煤層生成時(shí)的條件所致，如生成煤層的材料、當(dāng)時(shí)的自然條件和環(huán)境條件等。人們用下面幾個(gè)概念描述原生性構(gòu)造特點(diǎn)，即層理、節(jié)理和非均質(zhì)性等。原生性構(gòu)造特點(diǎn)中的層理、節(jié)理是屬于潛伏性的，是指在煤層整體中固有的結(jié)構(gòu)面，這是一種非連續(xù)性弱結(jié) 合面。通常肉眼不易發(fā)現(xiàn)它們，僅能在煤層破碎過(guò)程中顯現(xiàn)出來(lái)，這時(shí)人們能看到的是光滑而規(guī)則的離層面。 2.1.2 次生性構(gòu)造特點(diǎn) 次生性構(gòu)造特點(diǎn)是由于地質(zhì)動(dòng)力形成的煤層特征，通常用斷裂和裂脒這兩個(gè)概念來(lái)描述。斷裂是指在煤層內(nèi)明顯充實(shí)的分離面；裂隙則是指煤層內(nèi)張開(kāi)著的明顯可見(jiàn)的大裂縫。 2.1.3 斷裂和裂縫的觀測(cè) 煤層中存在著弱結(jié)合面，使煤層強(qiáng)度大為降低。在煤的開(kāi)采過(guò)程中，為節(jié)省能源和延長(zhǎng)機(jī)械壽命，采煤工藝過(guò)程就應(yīng)充分利用煤層強(qiáng)度降低的這一現(xiàn)象。因此，在井下觀測(cè)斷裂和裂縫存在的規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行正確描述和掌握，對(duì)于煤炭開(kāi)采是十分必要的。從如下諸方面描述這些規(guī)律。 （1）斷裂和裂縫的傾角與走向 斷裂和裂縫的傾角是指斷裂面和裂縫一側(cè)的平面與水平面的夾角。裂縫和斷裂的走向是指斷裂和裂縫一側(cè)平面與巷道軸線的夾角。這通常由地質(zhì)和測(cè)量方面的工程技術(shù)人員給出，標(biāo)注在圖紙上。 （2）裂縫密度 ①線裂縫密度S1:表示單位勘探線或測(cè)定線長(zhǎng)度上的裂線條數(shù)，稱(chēng)為線裂縫密度，即 （2-1） 式中 N——觀測(cè)到的裂縫條數(shù)，條； L——鉆孔巖心長(zhǎng)度或巷道壁必及工作面的測(cè)定線長(zhǎng)度，m。 ②面積裂縫密度S2：表示巷道壁或工作面上單位煤層面積上裂縫線總長(zhǎng)度，即 （2-2） 式中 F——煤層被觀測(cè)而積，m2； N——在F面積內(nèi)的裂縫總條數(shù)，條； Li——第i條裂縫長(zhǎng)度，m。 （3） 裂縫平均間隔 裂縫平均間距用s。表示，它表示在觀測(cè)范圍內(nèi)裂縫之間的平均距離，由式(2一1)可得 （2-3） （4） 裂縫充填程度 通過(guò)觀察工作面可發(fā)現(xiàn)裂縫之中是否已充滿煤粉，充滿情況可分為全充填、半充填和基本未充填等類(lèi)型。 2.2 煤的物理機(jī)械性質(zhì) 煤的基本性質(zhì)可以分為物理性質(zhì)和機(jī)械性質(zhì)兩大類(lèi)。 2.2.1 煤的物理性質(zhì) 煤的物理性質(zhì)主要是：容重、濕度、松散性、孔隙性、導(dǎo)電性和熱脹性等。其中與煤層開(kāi)采密切相關(guān)的有：容重和濕度。 （1）客重 煤巖體的容重是指單位體積煤在干燥狀態(tài)下的重量。根據(jù)煤種類(lèi)不同，如泥炭、煙煤、無(wú)煙煤以及褐煤等，其容重在1 3 t／m3～1．45 t／m3范圍內(nèi)變化(計(jì)算時(shí)通常取l.35)，表2-l給出了幾種煤和巖石的容重。 表2—1幾種煤和巖石的容重 煤和巖石名稱(chēng) 花崗巖 砂巖 石灰?guī)r 頁(yè)巖 泥炭、褐煤、煙煤、無(wú)煙煤 容重/t·m-3 2.56-2.67 2.11-2.64 2.46-2.6 2.16 1.3-1.45 （4）煤的濕度 煤的濕度用含水率表示。含水率是指在煤層的縫隙中存留的水的重量與煤固體重量之比。含水率高的煤巖體，結(jié)構(gòu)被弱化，其強(qiáng)度有明顯降低。采煤機(jī)械開(kāi)采這樣的煤層時(shí)，功率消耗明顯降低，而且粉塵也少。 2.2.2 煤的機(jī)械性質(zhì) 煤的機(jī)械性質(zhì)是指煤體受到機(jī)械旌加的外力時(shí)所表現(xiàn)出的性質(zhì)和抵抗外力的能力。在破碎煤體時(shí)可借助于煤的機(jī)械性質(zhì)選擇對(duì)煤體作用力的形式、截煤刀具形狀和種類(lèi)等。因此，采用機(jī)械開(kāi)采時(shí)，了解煤的機(jī)械性質(zhì)尤其重要。 煤體的機(jī)械性質(zhì)主要是：強(qiáng)度、硬度、接觸強(qiáng)度、摩擦與磨蝕性；彈性、塑性與脆性、蠕變與松弛等。這些性質(zhì)的參數(shù)多數(shù)是借助于材料力學(xué)的研究方法在試驗(yàn)室中得到。 （1） 強(qiáng)度 強(qiáng)度是衡量物體在特定方向上抵抗破壞能力的指標(biāo)，如抗壓強(qiáng)度δy抗剪強(qiáng)度δj和抗拉強(qiáng)度δl等等。強(qiáng)度極限通常用試件在實(shí)驗(yàn)機(jī)上測(cè)定。研究結(jié)果表明，煤的抗壓強(qiáng)度δy最大，抗剪強(qiáng)度δj次之，抗拉強(qiáng)度δl最小，三種強(qiáng)度在數(shù)值上大約有如下關(guān)系： Δy/δj/δl=1:（0.1-0.4）：（0.03-0.1） 據(jù)此，在設(shè)計(jì)采煤機(jī)械時(shí)，設(shè)法盡量利用拉伸或剪切破壞，以減少刀具受力和能耗。幾種煤巖體材料的抗壓強(qiáng)度值見(jiàn)表2—2。 表2-2煤巖材料的抗壓強(qiáng)度 不同地區(qū)、不同礦層的煤巖材料強(qiáng)度均不同，由于煤的各向異性，因而同一煤體不同方向的強(qiáng)度也不同。前蘇聯(lián)學(xué)者和英國(guó)學(xué)者的研究結(jié)果表明．垂直于層理加載與平行于層理加載二者相比較，前者抗壓強(qiáng)度較后者大30％～50％。 另外，研究表明，各種煤體強(qiáng)度與其埋藏深度(由地表面算起的深度)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系有所不同。波蘭學(xué)者對(duì)某地區(qū)煤巖體的強(qiáng)度與其埋藏深度關(guān)系的研究結(jié)果見(jiàn)表2—3。 表2—3煤巖體的強(qiáng)度與其埋藏深度的關(guān)系 （2） 硬度 煤體硬度表示在較小的局部表面積上抵抗外力作用而不破壞的能力。可以用布氏硬度計(jì)、洛氏硬度計(jì)或肖氏硬度計(jì)來(lái)測(cè)定煤體的硬度。 （3） 接觸強(qiáng)度 上面提到的硬度，由于其測(cè)定方法所限，只代表煤巖體測(cè)定部位的個(gè)別顆?；蜴樟ｉg粘結(jié)物的硬度。為了能在宏觀上表示煤巖材料的表面強(qiáng)度，采用接觸強(qiáng)度這一概念。 接觸強(qiáng)度可按幾次實(shí)驗(yàn)測(cè)壓頭上的載荷值只與S壓頭下表面積之比來(lái)計(jì)算，即 （2-4） 式中 pk——巖石材料接觸強(qiáng)度，MPa； pi——巖石材料脆性破壞的蹄間壓頭的載荷，N； n——壓頭下壓次數(shù)； s——壓頭下表面積，mm2。 接觸強(qiáng)度的概念在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)與使用中經(jīng)常遇到。前蘇聯(lián)有關(guān)學(xué)者根據(jù)接觸強(qiáng)度值的太小，把巖石分為六類(lèi)：松軟(400 MPa以下)，次中等堅(jiān)固(400 MPa一600 MPa)，中等堅(jiān)固(650 MPa～1250 MPa)，堅(jiān)固(1250 MPa～2450 MPa)，很堅(jiān)固(2450 MP8～4500 MPa)和極堅(jiān)固(4500 MPa以上)。 （4） 摩擦與腐蝕性 金屬零部件或硬質(zhì)臺(tái)金在煤體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，要受到摩擦阻力的作用。這種金屬與非金屬問(wèn)的摩擦作用將引起如下后果：金屬部件是運(yùn)動(dòng)主體，將消耗其有用功；使金屬零部件表面或硬質(zhì)合金受到磨損，表面形狀改變，增加了切割阻力；使金屬零部件和硬質(zhì)合金發(fā)熱，使其硬度降低，加劇磨損，因此需要用水來(lái)冷卻。 煤體對(duì)金屬或硬質(zhì)合金的摩擦作用大小用摩擦系數(shù)p表示，F(xiàn)值大小因金屬或硬質(zhì)合金以及煤巖材料種類(lèi)而異，也因作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的二者之間壓力大小和相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度大小而異。 前蘇聯(lián)學(xué)者對(duì)煤炭與鋼的摩擦系數(shù)研究結(jié)果表明：煤的強(qiáng)度增加，摩擦系數(shù)p值由0.5下降到0.3左右；當(dāng)煤與鋼相對(duì)滑動(dòng)速度由0.lm/s增加到3.1 m/s時(shí),μ值由0.4下降到0.15；當(dāng)法向壓力增加，μ值也減少。表2-4和表2-5給出了幾種材料之間的摩擦系數(shù)值。 表2—4鉆頭鋼、硬質(zhì)臺(tái)金與巖石的摩擦系數(shù) 表2—5煤與鋼、煤與煤的摩擦系數(shù) 磨蝕性(研磨性)：煤巖對(duì)金屬、硬質(zhì)合金或其他固體磨蝕的能力。表征煤巖磨蝕性的方法很多，這里介紹幾種應(yīng)用比較普遍的方法，用標(biāo)準(zhǔn)金屬試件在一定壓力下與被測(cè)煤巖材料接觸，并作相對(duì)移動(dòng)。設(shè)作用力為P(N)，摩擦路程為L(zhǎng)(m)，金屬試件被磨蝕掉的體積為△V(cm3)，則磨蝕系數(shù)ω。為 (2-5) 此外：還有用標(biāo)準(zhǔn)金屬試棒在一定條件下每千米摩擦路程磨蝕掉的質(zhì)量△Ⅲ(mg)或長(zhǎng)度△l(mm)來(lái)表征磨蝕性的，此時(shí)用ρ表示磨蝕性系數(shù)。 研究結(jié)果表明，對(duì)于磨蝕性已定的煤巖，切割刀具在破碎煤巖時(shí)的磨損量與摩擦路徑成正比，與刀具對(duì)煤巖表面正壓力成正比．與刀具和煤巖之間的相對(duì)速度成正比，還與刀具的溫升成正比。這一研究成果對(duì)采煤機(jī)械的設(shè)計(jì)和使用都是很重要的，應(yīng)該使采煤機(jī)械具有適當(dāng)?shù)墓r參數(shù)“盡量減少在工作過(guò)程中刀具的磨損量。 （5） 彈性、塑性與脆性 煤體的彈性、塑性與脆性是反映煤炭受外力作用與其變形之間關(guān)系的性質(zhì)。 煤體的彈性：當(dāng)作用于煤體上的外力消失后，煤體的變形也完全消失，稱(chēng)煤的這種能恢復(fù)其原來(lái)形狀和體積的性能為彈性。破碎彈性較高的煤體，消耗的能量也較高，破碎也顯得困難。一般煤體的彈性都比較小。 煤體的脆性：當(dāng)作用于煤體上的外力除去后，煤體無(wú)殘余變形，當(dāng)煤體在外力作用下破碎時(shí)，其變形也極小，這種性質(zhì)被稱(chēng)為脆性。脆性好的煤體，容易被破碎。通常煤體材料的脆性都極好，因此其破壞也都屬于脆性破壞。 2.2.3 煤的堅(jiān)固系數(shù) 堅(jiān)固性系數(shù)又稱(chēng)堅(jiān)硬度，是用來(lái)衡量煤破碎難易程度的指標(biāo)，它綜合反映了煤的強(qiáng)度、硬度和彈塑性等因素。堅(jiān)固性系數(shù)是前蘇聯(lián)學(xué)者普羅托季雅柯諾夫于1926年提出的，固此又稱(chēng)普氏系數(shù)。 我國(guó)用堅(jiān)固性系數(shù)來(lái)進(jìn)行巖石分級(jí)和煤層分類(lèi)。煤和軟巖?≤4，中硬巖?=4～8，硬巖 ?≥8～20(最硬的巖石)；同時(shí)還規(guī)定?≤1.5的煤稱(chēng)為軟煤，?=1.5～3.0的煤稱(chēng)為中硬煤，?≥3.0的煤稱(chēng)為硬煤。 2.2.4 煤的截割阻抗 截割阻抗是刀具截煤時(shí)煤及煤層抵抗機(jī)械作用的能力。它不僅能反映采煤機(jī)械刀具截煤的真實(shí)過(guò)程，而且可在井下現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，即能全面反映礦山條件的影響。因此，截割阻抗是表征煤的截割性能的一個(gè)常用指標(biāo)。煤、巖及硬雜物的截割阻抗見(jiàn)表2—6。 表2—6煤、巖機(jī)硬雜物的截割阻抗 從有效使用采煤機(jī)械的角度，可將煤層按截割阻抗分為三類(lèi)： A≤180 N／mm的煤稱(chēng)為軟煤，適合用各種刨煤機(jī)，特別是脆性煤層最適于刨煤機(jī)工作；A=180 N／mm～240 N／mm的煤稱(chēng)為中硬煤。其中韌性煤適合用采煤機(jī)，脆性煤適合用滑行刨；A=240 N／mm～360 N／mm的煤稱(chēng)為硬煤，韌性煤必須用大功率采煤機(jī)，脆性煤可用滑行刨或動(dòng)力刨。 3 截割部的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.1 主要技術(shù)參數(shù) 1. 適應(yīng)煤層： 采高范圍 1.5～3.0 m 煤層傾角 ≤20° 煤質(zhì)硬度 ≤4.50MPa 截割電機(jī) 電機(jī)型號(hào) YBC-150A（水冷） 額定功率（kW） 150 額定電壓（V） 1140 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 1475 牽引電機(jī) 電機(jī)型號(hào) YBC-75（水冷） 額定功率（kW） 75 額定電壓（V） 1140 額定轉(zhuǎn)速（r/min） 1465 2. 其它參數(shù)： 截深（mm） 800 牽引速度（m/min） 0～7.7 牽引力（kN） 400 滾筒直徑（mm） Φ1400 滾筒轉(zhuǎn)速（r/min） 39.26 3. 配套輸送機(jī)： SGB630/220型刮板輸送機(jī) 3.2 傳動(dòng)比和各軸轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 1.確定總傳動(dòng)比 ： == =39.26 2.確定各級(jí)傳動(dòng)比： 各級(jí)傳動(dòng)比分配如下： （、、） （、、） （、、） 行星減速： （、、、） 3.確定各級(jí)傳動(dòng)效率和總效率： =0.992 =0.992 =0.992 =0.992 =0.992 =0.992 則： =0.602 ----注：調(diào)高系統(tǒng)的功率損失不計(jì)，以偏安全。 4.確定各軸轉(zhuǎn)速、輸入功率： 1）轉(zhuǎn)速： 2）輸入功率： 3.3 齒輪強(qiáng)度校核 3.3.1 第Ⅰ級(jí)、高速級(jí)減速齒輪 (1)選擇齒輪材料和熱處理方法，確定齒輪的疲勞極限 應(yīng)力： 由于齒輪尺寸要求小，大小齒輪均選用合金鋼硬齒面齒輪。有效 硬化層深 小齒輪：20CrMnMo,滲碳淬火，有效硬化層深1.2~1.6mm，齒面硬 度58~62HRC，心部硬度≥32HRC。 大齒輪：20CrMnMo,滲碳淬火， 1.1~1.5mm，齒面硬度56~60HRC， 心部硬度≥32HRC。 齒輪的疲勞極限應(yīng)力按中等質(zhì)量要求MQ (2)初定齒輪主要參數(shù)和尺寸： 分度圓直徑： 節(jié)圓直徑： 基圓直徑： 齒頂圓直徑： 齒根圓直徑： 校核重合度： 無(wú)縱向重合度： 端面重合度： 齒頂圓壓力角： 嚙合角： 則總的重合度： 所以重合度符合要求。 齒輪圓周速度： 按此速度參考表“第Ⅱ公差組精度與圓周速 度的關(guān)系”選用較高的齒輪精度等級(jí)----7-6-6(GB/T10095--1988）, 以提高齒輪傳動(dòng)的質(zhì)量，減低齒輪的噪聲。 (3）校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度許用接觸應(yīng)力： 實(shí)際接觸應(yīng)力： 確定式中各參數(shù)： 分度圓上的切向力： 使用系數(shù)： 動(dòng)載系數(shù)： 其中： 齒向載荷分布系數(shù)： 齒間載荷分布系數(shù)： 根據(jù) 查表“齒間載荷分配系數(shù)、”得： 節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)： 材料彈性系數(shù)： 重合度系數(shù)： 螺旋角系數(shù)： 單對(duì)齒嚙合系數(shù)： 計(jì)算齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)： 齒面接觸應(yīng)力循環(huán)數(shù)： t 按使用壽命為10年，每年360天，每天工作 8小時(shí)。 按齒面允許有一定點(diǎn)蝕查圖“接觸強(qiáng)度計(jì)算的 壽命系數(shù)”得壽命系數(shù)。 潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)： 查表“潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)值”得： 齒面工作硬化系數(shù)： 由圖“齒面工作硬化系數(shù)”得 尺寸系數(shù)： 按，查圖“接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù) ”得 將以上數(shù)據(jù)代入安全系數(shù)計(jì)算式得： 由表“最小安全系數(shù)、參考值”取一 般可靠度（失效概率0.01），選用最小安全系數(shù) 。大小齒輪的安全系數(shù)>。 4）校核齒根彎曲強(qiáng)度： 算式中各參數(shù)確定如下： 齒向載荷分布系數(shù)： 齒間載荷分布系數(shù)： 重合度系數(shù)： 螺旋角系數(shù)： 當(dāng)量齒數(shù)： 由此查圖“外齒輪的復(fù)合齒形系數(shù)”得 將以上數(shù)據(jù)代入計(jì)算式： 齒輪彎曲疲勞安全系數(shù)： 應(yīng)力修正系數(shù)： 彎曲應(yīng)力循環(huán)數(shù)與接觸應(yīng)力循環(huán)數(shù)相同，據(jù)此 查圖“彎曲強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)”得 相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)： 相對(duì)齒根表面狀況系數(shù)： 取齒根表面粗糙度，據(jù)此查圖“相對(duì) 齒根表面狀況系數(shù)”得 尺寸系數(shù)： 查圖“彎曲強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)”得 將以上數(shù)據(jù)代入安全系數(shù)計(jì)算式： 按一般可靠度，查表“最小安全系數(shù)、 參考值”取最小安全系數(shù)。 。 由此可知第一級(jí)齒輪強(qiáng)度滿足要求 d1=138mm 故很安全 故很安全 3.3.2 第Ⅱ級(jí)減速齒輪 (1) 選擇齒輪材料和熱處理方法，確定齒輪的疲勞極限應(yīng)力： 由于齒輪尺寸要求小，大小齒輪均選用合金鋼硬齒面齒輪。 小齒輪：20CrMnMo,滲碳淬火，有效硬化層深1.2~1.6mm，齒面 硬度58~62HRC，心部硬度≥32HRC。 大齒輪：20CrMnMo,滲碳淬火，有效硬化層深1.1~1.5mm，齒面 硬度56~60HRC，心部硬度≥32HRC。 齒輪的疲勞極限應(yīng)力按中等質(zhì)量要求MQ (2) 初定齒輪主要參數(shù)和尺寸： 分度圓直徑： 節(jié)圓直徑： 基圓直徑： 齒頂圓直徑： 齒根圓直徑： 校核重合度： 無(wú)縱向重合度： 端面重合度：