马惠宁 黄东梅

（燕京理工学院 机电工程学院，廊坊 065201）

纵轴掘进机截割部设计

马惠宁 黄东梅

（燕京理工学院 机电工程学院，廊坊 065201）

截割头是掘进机的核心部件，其设计的好坏直接决定整机的性能。截割头的设计参数众多，工作环境较恶劣。因此，需对其进行受力分析，以提高它的综合性能和设计效率。本文进行截割部方案设计，对于截割机构参数的确定、掘进机的传动系统及整体布局进行了详细说明。

掘进机 截割机构 截割头

前言

悬臂式掘进机是广泛应用于矿井巷道建设的机械设备。我国对悬臂式掘进机的研究起步于在60年代中期，并通过对国外产品设计和制造上的消化和吸收，逐渐开始自主研制和生产。经过几十年的努力，我国生产的掘进机在性能上得到了很大提高，已开发出适用于不同矿井、从轻型到重型的一系列产品。然而，随着我国矿井规模和工作面单产的不断提高，大批千万吨级现代化矿井的建设，特别是新井建设中岩石巷道的开拓，对掘进机的性能提出了更高要求。

截割头是掘进机上直接作用于矿岩的工作机构，其性能直接影响整机的工作效率、可靠性和使用寿命，是掘进机的关键部件。高性能的掘进机首先取决于高性能的截割头。目前，各大煤矿机械研究单位和公司都在争先研制高性能的掘进机，如佳木斯煤矿机械有限公司生产的EBZ300掘进机，截割功率达到了300kW，机重达到102吨；三一重型装备有限公司推出的EBZ318H掘进机，截割功率达到了318kW，整机重量达120吨，经济截割硬度达f10以上。

截割头的设计非常复杂，需要考虑很多参数。如何合理确定形状参数、截齿排列的方式、截齿的安装角度、截割头的运动参数等，成为截割头设计中的难点。

1 纵轴掘进机设计要求

掘进机的基本要求：最大截割高度5.2m，最大定位截割宽度6m，最大卧底深度0.24m。

截割部有关技术参数：截割头最大摆动角度，上42，下25，左右±33。切割煤岩最大单向抗压强度可达85MPa，可切割性能指标适用切割煤岩硬度，普氏系数f≤8。

2 截割机构技术参数的确定

2.1 机器可掘断面参数确定和悬臂长度的确定

机器的规格主要取决于巷道断面的大小。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。

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550mm。

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、上下宽度以及摆角，结合垂直摆动的中心高度，可以初步确定悬臂的长度：最大掘高5.2m，上摆角α1=42o，下摆角α2=25o，水平摆角为ϕ=33°。

由几何关系可以得出，在最大掘宽6m下，悬臂长L=4310mm，即悬臂长为4310mm（其中，垂直回转中心O1至水平回转中心O2的距离，取650mm）。

2.2 截割头转速的初步确定和切屑厚度的计算

截齿需要具备一定的截割力和截割速度，才能对煤岩进行有效的破碎。在一定的功率下，适当降低截割速度，可以使截割力矩和截割力都相应增加，有利于截割较硬的煤岩。同时，还可以降低截割头上的动载荷，减少截齿的磨损和粉尘。通常，在煤和软岩中，可取Vj=2.0～3.0m/s，

截割头转速为30～100r/min；对于中硬岩，可选Vj=0.8～1.6m/s；对于砂岩和石灰岩，平均截割速度Vj=0.6～0.8m/s，最高Vj=0.9～1m/s，截割头转速为20～40r/min。

本次设计的掘进机截割转速设定为42r/min。根据设计要求，选择切割头的长度为L0=880mm；选择切割头的平均直径为D=820mm；本掘进机设计结合同类掘进机运用情况，选取45°；取螺旋头数为2；升角α=20.258，取α=20；确定摆动速度为1.4m/min。于是，最大切屑厚度可计算为hmax=33.3mm。

2.3 截齿载荷计算

掘进机截割头在正常截割状态下，截齿受到截割阻力、牵引阻力和侧向力。而具体某个截割头的截割受力，与相邻截线上的截齿排列方式有关系。当相邻两条截线上的截齿在同一个叶片上时，这种截割方式为顺序式截割；当相邻两条截线上的截齿不在同一个叶片上，这种截割方式称为交叉式截割。顺序式截割属半封闭式截割，有明显的侧向力；交叉式截割属浅封闭式截割，截齿几乎不受侧向力。

在计算瞬时载荷前，对截齿的平均受力、截割头对旋转轴的截割阻力矩、截割电机的功率及其单位能耗等参数指标进行计算评估，以更好地进行后续瞬时负载、功率等的计算。

3 截割部减速机构设计

3.1 选择电动机以及传动比的分配

性能要求：传动比大，输入轴与输出轴具有同轴性，选用NGW行星齿轮传动。

根据性能要求，按照机械设计手册，确定各零件效率。取初选230kW电动机，即满足工作需要。根据行业标准

MT/T 477—2011YBU系列掘进机用隔爆型三相异步电动机选择，确定截割功率为230kW，额定电压AC1140/660V，转速1500rpm；根据截割功率，选择电动机型号为YBU-230隔爆电动机；确定总传动比，并根据传动比分配理论分配各级传动比，同时选择齿轮齿数。

3.2 轴设计及行星齿轮强度计算

输入轴、中间空心轴和输出轴只承受转矩作用而无弯矩作用，所以设计计算时只需按照许用转应力计算公式计算最小轴径，然后按照轴上零部件进行设计，不需要再对轴进行校核计算。而行星轮轴不仅承受啮合作用力对其施加的载荷，而且还要承受行星齿轮的离心力对其施加的载荷。

3.3 轴承的选择

在结构要求很紧凑时，可选用无内圈和外圈的滚针轴承。此时，滚道就是行星轮孔壁和行星轴表面。由于掘进机截割机构行星减速器的外廓尺寸受到极大限制，行星齿轮直径太小，其轴承的选用便是要解决的难题之一。

根据上述限制条件，一般要选择内外径之差比较小的轴承。通常，首先选用滚针轴承或滑动轴承。然而，采用滚针轴承虽能满足尺寸方面的要求，但在承受强烈冲击及重负荷的工况下，其使用寿命不能满足可靠性方面的要求。而滑动轴承因偏载、润滑等问题，同样保证不了可靠性要求。为了解决这一难题，在该机设计中采用了另一种形式，即用行星齿轮内孔充当轴承滚子的外圈滚道，行星轴圆柱面充当本轴承滚子的内圈滚道，在内外滚道间充填短圆柱滚子，与行星齿轮、行星轴等共同组成行星齿轮轴承。

本设计根据轴颈尺寸等相关参数，并根据《全国滚动轴承样品样本》，选取型号为22344和24044 CC/W33。

3.4 花键设计及校核

花键联结为多齿工作，承载能力高，对中性好，导向性好，齿根较浅，应力集中小，对轴榖的削弱小。按齿数和齿高不同规定有轻、中两个系列，应用广泛，且一般用于轻载和中载。渐开线花键受载时，齿上有径向分力，能起自动定心的作用，使各齿载荷作用均匀，强度高，寿命长。它的加工工艺与齿轮加工相同，易获得较高的精度和互换性。齿根有平齿根和圆齿根，渐开线有标准压力角30°、37.5°和45°。其中，30°压力角花键应用广泛，既适用于传递运动，又适用于传递动力，不仅适用于固定联结，而且适用于滑动和浮动联结；45°花键适用于固定联结，通常用于传动精度要求不太高的结构；37.5°花键介于上述两者之间，常用于联轴器。

联轴器花键：压力角αD=30o，Z=66，m=3mm。

强度校核：一般的花键联结只进行挤压强度和耐磨性计算。对于静联结，主要失效形式是齿面压溃，偶尔也会发生齿根被折断；对于动联结，主要的失效形式是工作面的过度磨损。本次设计的花键为动联结。

3.5 联轴器的选择

3.5.1 输入端联轴器的选择

根据工作情况要求，决定高速轴I与电动机轴之间选用弹性柱销联轴器。按表1-92查联轴器型号为HL11联轴器，且Tn=4000N· m＞TC=2708N· m，满足要求。

3.5.2 输出端联轴器的选择

根据工作情况要求，决定减速器和输出轴Ⅲ之间选用弹性柱销联轴器。按表1-102查联轴器型号为ZL11联轴器，且Tn=40000N· m＞TC=32423.8N· m，满足要求。

4 技术经济分析

本设计的纵轴掘进机截割部具有结构简单、性能可靠、成本低廉等特点。

生产方面，由于截割机构的工艺并不是很复杂，所以一般的工厂都能够生产。随着科技的发展，工厂也可以对其进行改造，提高自动化技术在掘进机中的应用。

经济上面，本设计中掘进机截割机构所使用的材料是市场中常见的材料，易买到。有些专用设备也可以通过外购得到，从而大大降低了产品成本。

5 结论

本文基于传统的机械设计，根据相关公式计算截割头的功率，得出了截割电机的功率，从而计算出减速机构各部分的尺寸，最终确定整个截割机构的尺寸。整个过程非常详细，有理有据，条理清晰。

通过本次设计得到以下结论：

（1）本设计中减速器要用两排或者三排齿轮传动，否则减速器的直径会过大。

（2）本设计中所设计的轴只受扭矩的作用，所以只要计算出最小轴径，其他的轴段直径合理增大即可，不需要对轴径进行校核。

[1]李贵轩.掘进机械设计[M].阜新：阜新矿业学院，1992.

[2]王运敏.中国采矿设备手册（下）[M].北京：科学出版社，2007.

[3]黄日恒.悬臂式掘进机[M].北京：中国矿业出版社，1996.

[4]李贵轩.设计方法学[M].北京：世界图书出版公司，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