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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 題目 新型電牽引采煤機截割部的設(shè)計 院（系部） 機械與動力工程系 專業(yè)名稱 機械設(shè)計制造及其自動化 年級班級 07機制2班 學生姓名 王鴻凱 指導(dǎo)教師 向道輝 2011年 5 月 25日 河 南 理 工 大 學 萬 方 科 技 學 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 專業(yè)班級 學生姓名 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 河 南 理 工 大 學 萬 方 科 技 學 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語 專業(yè)班級 學生姓名 題目 評閱人 簽字（蓋章） 職 　 稱 工作單位 年 月 日 河 南 理 工 大 學 萬 方 科 技 學 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）評定書 專業(yè)班級 學生姓名 題目 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章）　　職稱 年 月 日 河 南 理 工 大 學 萬 方 科 技 學 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯許可證 經(jīng)審查， 專業(yè) 班 同學所提交的畢業(yè)設(shè)計（論文），符合學校本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）的相關(guān)規(guī)定，達到畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書的要求，根據(jù)學校教學管理的有關(guān)規(guī)定，同意參加畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章） 年 月 日 根據(jù)審查，準予參加答辯。 答辯委員會主席（組長） 簽字（蓋章） 年 月 日 河 南 理 工 大 學 萬 方 科 技 學 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會（小組）決議 院（系） 專業(yè) 班 同學的畢業(yè)設(shè)計（論文）于 年 月 日進行了答辯。 題目 答辯委員會成員 主 席（組長） 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)計答辯委員會（小組）提交了如下資料： １、設(shè)計（論文）說明 共 頁 ２、圖紙 共 張 ３、評閱人意見 共 頁 ４、指導(dǎo)教師意見 共 頁 根據(jù)學生所提供的畢業(yè)設(shè)計（論文）材料、評閱人和指導(dǎo)教師意見以及在答辯過程中學生回答問題的情況，畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會（小組）做出如下決議。 一、畢業(yè)設(shè)計（論文）的總評語 二、畢業(yè)設(shè)計（論文）的總評成績 畢業(yè)設(shè)計答辯委員會主席（組長） 簽名 委員（組員）簽名 年 月 日 —6— 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 摘 要 本說明書主要介紹了采煤機截割部的設(shè)計計算。此新型電牽引采煤機截割部主要是由一個搖臂減速箱和一個行星減速機構(gòu)組成,截割部電機放在搖臂內(nèi)橫向布置,電動機輸出的動力經(jīng)由三級直齒圓拄齒輪和行星輪系的傳動，最后驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)。截割部采用四行星單浮動結(jié)構(gòu)，減小了結(jié)構(gòu)尺寸，采用大角度彎搖臂設(shè)計，加大了過煤空間，提高了裝煤效果。 關(guān)鍵詞：采煤機；截割部；減速箱；行星輪系；設(shè)計 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 采煤機發(fā)展概述 2 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢 4 1.2.1 國外電牽引采煤機發(fā)展概況 4 1.2.2 國內(nèi)電牽引采煤機發(fā)展概況 5 1.2.3技術(shù)特點與發(fā)展趨勢 6 1.2.4 國內(nèi)電牽引采煤機研究方向 9 2 煤的機械性能及截割理論 10 2.1 煤層構(gòu)造特點 10 2.1.1 原生性構(gòu)造特點 10 2.1.2 次生性構(gòu)造特點 10 2.1.3 斷裂和裂縫的觀測 11 2.2 煤的物理機械性質(zhì) 12 2.2.1 煤的物理性質(zhì) 12 2.2.2 煤的機械性質(zhì) 13 2.2.3 煤的堅固系數(shù) 17 2.2.4 煤的截割阻抗 17 3 截割部的設(shè)計與計算 18 3.1主要技術(shù)參數(shù) 18 3.2傳動比和各軸轉(zhuǎn)矩的計算 19 3.3 齒輪強度校核 22 3.3.1 第Ⅰ級、高速級減速齒輪 22 3.3.2 第Ⅱ級減速齒輪 29 3.4 行星機構(gòu)的計算 36 3.5 截割部軸的設(shè)計計算 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 采煤機的使用與維護 75 4．1采煤機使用過程中常見故障與處理 75 4.1.1 采煤機截割部與牽引部連接部位損壞的原因分析： 75 4.2大功率采煤機截割部溫升過高現(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采煤機軸承的維護及漏油的防治 78 4.3.1采煤機軸承損壞形式和原因 78 4.3.2 預(yù)防和改進措施 79 4.3.3 加強軸承使用中維護和保養(yǎng) 80 4.3.4 采煤機漏油及處理 80 4．4煤礦機械傳動齒輪失效的改進途徑 81 4.4.1設(shè)計 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 表由強化處理 85 4.4.6 正確安裝運行 85 4.4.7 潤滑 85 致 謝 89 參考文獻 90 iii 前 言 我國是一個貧油、少氣、富煤的國家，因此我國是產(chǎn)煤大國，煤炭是我國最主要的能源，是保證我國國民經(jīng)濟飛速增長的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。 然而采煤一直以來都被人們看作一項非常危險的事情。在以前國內(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行挖煤、運輸煤。因此經(jīng)常出現(xiàn)各種事故，而且大量浪費了資源。大型的采煤機械的出現(xiàn)使這一現(xiàn)象得到了改觀。采煤機作為采煤的主要工具是實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)機械化和現(xiàn)代化的重要設(shè)備之一。機械化采煤可以減輕體力勞動、提高安全性，達到高產(chǎn)量、高效率、低消耗的目的。它對提高煤的采掘效率有著重要的影響。 20世紀70年代主要靠進口采煤機來滿足我國生產(chǎn)的需要，到今天幾乎是我國采煤機占領(lǐng)我國的整個采煤機市場，依靠科技進步，推進技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)高效礦井綜合配套技術(shù)是我國煤炭科技的發(fā)展的主攻方向，我國的采煤機現(xiàn)在已經(jīng)進入了自主研發(fā)，標準化，系列化階段。 1 緒論 1.1 采煤機發(fā)展概述 機械化采煤開始于本世紀40年代，是隨著采煤機械的出現(xiàn)而開始的。40年代初期，英國、蘇聯(lián)相繼生產(chǎn)了采煤機，使工作面落煤、裝煤實現(xiàn)了機械化。但當時的采煤機都是鏈式工作機構(gòu)，能耗大、效率低，加上工作面輸送機不能自移，所以生產(chǎn)率受到一定的限制。 50年代初期，英國、聯(lián)邦德國相繼生產(chǎn)出了滾筒式釆煤機、可彎曲刮板輸送機和單體液壓支柱，從而大大推進了采煤機械化技術(shù)的發(fā)展。滾筒式采煤機采用螺旋滾筒作為截割機構(gòu)，當滾筒轉(zhuǎn)動并切人煤壁后，通過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的煤裝人工作面輸送機。但由于當時采煤機上的滾筒是死滾筒，不能實現(xiàn)調(diào)高，因而限制了采煤機的適用范圍，我們稱這種固定滾筒采煤機為第一代采煤機。因此，50年代各國采煤機械化的主流還只是處于普通機械化水平。雖然在1954年英國已研制出了自移式液壓支架，但由于采煤機和可彎曲刮板輸送機尚不完善，綜采技術(shù)僅僅處在開始試驗階段。 60年代是世界綜采技術(shù)的發(fā)展時期。第二代采煤機——單搖臂滾筒采煤機的出現(xiàn)，解決了采高調(diào)整問題，擴大了采煤機的適用范圍。這種采煤機的滾筒裝在可以上下擺動的搖臂上，通過擺動搖臂來調(diào)節(jié)滾筒的截割高度，使采煤機適應(yīng)煤層厚度變化的能力得到了大大加強。1964年，第三代采煤機——雙搖臂滾筒采煤機的出現(xiàn)，進一步解決了工作面自開切口問題。另外，液壓支架和可彎曲輸送機技術(shù)的不斷完善，把綜采技術(shù)推向了一個新水平，并在生產(chǎn)中顯示了綜合機械化采煤的優(yōu)越性——高效、高產(chǎn)、安全和經(jīng)濟，因此各國競相采用綜采。進入70年代，綜采機械化得到了進一步的發(fā)展和提高，綜采設(shè)備開始向大功率、高效率及完善性能和擴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，功率為900—1000kW、生產(chǎn)能力達1500t／h的刮板輸送機，以及工作阻力達1500kN的強力液壓支架等。1970年采煤機無鏈牽引系統(tǒng)的研制成功以及1976年出現(xiàn)的第四代采煤機——電牽引采煤機，大大改善了采煤機的性能，并擴大了它的使用范圍。世界上第一臺直流電牽引(他勵)采煤機是由西德艾柯夫公司1976年研制的EDW一150—2L型采煤機。該采煤機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的l／5。同年，美國久益公司研制出了1LS直流(串勵)電牽引采煤機，以后陸續(xù)改進發(fā)展為2LS、3LS、4LS系列；1996年生產(chǎn)的6LS05型采煤機，其總裝機功率為1530kW，是目前世界上功率最大的釆煤機。 我國采煤機始于50年代，主要從國外引進，自70年代開始，我國處于引進與開發(fā)相結(jié)合的發(fā)展時期，能自行設(shè)計和生產(chǎn)適合各種煤層的螺旋滾筒式采煤機。我國采煤機的發(fā)展在80年代處于興盛時期，在90年代進入電牽引階段。1997年研制了我圖第一臺大功率電牽引采煤機，實現(xiàn)了采煤機技術(shù)的升級換代?，F(xiàn)在我國采煤機技術(shù)正向高技術(shù)、高性能、高可靠性及電牽引方向發(fā)展。 滾筒式采煤機總體結(jié)構(gòu)一般由截割部、電動機、牽引部和電氣控制系統(tǒng)以及輔助裝置組成。截割部是工作機構(gòu)及其驅(qū)動裝置的總稱，它包括固定減速箱、搖臂和滾筒，是采煤機實現(xiàn)截煤、破煤和裝煤的工作部分。采煤機截割部減速器一般分為固定減速器和搖臂減速器，其作用是將電動機的動力傳遞給螺旋滾筒，它主要包括齒輪減速的機械傳動系統(tǒng)和供搖臂調(diào)高滾筒用的液壓傳動系統(tǒng)。本文設(shè)計的電牽引采煤機就是采用了搖臂減速器與行星機構(gòu)的傳動系統(tǒng)。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及研究趨勢 1.2.1 國外電牽引采煤機發(fā)展概況 20世紀70年代，美國JOY公司研制成功了1LS多電機橫向布置直流電牽引采煤機，此后又陸續(xù)研制了2LS-6LS等型多電機橫向布置電牽引采煤機。7LS5采煤機總功率1940kW，牽引速度30m／min，采用JOY Ultratrac2000型強力銷軌無鏈牽引系統(tǒng)，加大銷軌節(jié)距和寬度，并采用鍛造銷排，裝備了與6LS5型通用的JNA機載計算機信息中心，具有人機通訊界面、故障診斷圖形顯示和儲存、無線電遙控、牽引控制和保護等功能。 德國Eickhoff公司于1976年研制成功直流電牽引采煤機，并基本停止了液壓牽引采煤機的研發(fā)，此后又陸續(xù)開發(fā)了多種形式電牽引采煤機。20世紀90年代開發(fā)的SL系列橫向布置交流電牽引采煤機，將截割電機布置在搖臂上。其中SL500型電牽引采煤機裝機功率達1815kW，最大牽引力869kN；SL300型電牽引采煤機總裝機功率1138kW，采用雙變頻器一拖一系統(tǒng)，最大牽引速度達36．7 m／min：SLl000型采煤機裝機功率達2600kW，牽引力1003kN?？刂葡到y(tǒng)具有交互式人機對話、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)報、在線控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋? 英國long-Airdox公司于1984年研制成功第1臺將截割電機布置在搖臂上的多電機橫向布置的Electra55V型直流電牽引采煤機，在此基礎(chǔ)上又開發(fā)出功率更大的Electral000型直流電牽引采煤機。20世紀90年代，在Electra系列機型基礎(chǔ)上，進一步加大功率，改進控制系統(tǒng)，開發(fā)了EL系列交流電牽引采煤機，主要機型有EL600、ELl000、EL2000、EL3000型。在EL系列機型上裝置的Impact集成保護及監(jiān)控系統(tǒng)具有負荷控制、機器監(jiān)控、采煤機自動定位、自動調(diào)高、區(qū)域控制‘智能化安全聯(lián)鎖、隨機故障診斷和數(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縱向布置的MCLE．DR系列交流電牽引采煤機，近幾年又開發(fā)了截割電機橫向布置的多電機交流電牽引采煤機。采煤機裝有微機工況監(jiān)測及故障診斷系統(tǒng)，可數(shù)字顯示牽引速度、滾筒位置、留頂?shù)酌汉穸?、電機負載及各處溫度，具有無線遙控裝置，并可加裝紅外線發(fā)射器操縱液壓支架。表l為國外代表性電牽引采煤機主要技術(shù)參數(shù)。 1.2.2 國內(nèi)電牽引采煤機發(fā)展概況 我國電牽引采煤機在消化吸收國外引進采煤機技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過二次開發(fā)擁有了許多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的換代產(chǎn)品，在我國煤礦綜合機械化采煤工作面，國產(chǎn)采煤機已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)地位，完全采用國產(chǎn)裝備的高產(chǎn)高效工作面不斷涌現(xiàn)。1991年，煤炭科學研究總院上海分院與波蘭合作，在國內(nèi)率先研制成功我國第l臺采用交流變頻調(diào)速技術(shù)的薄煤層爬底板采煤機，接著又先后研制成功了截割電機縱向布置的交流電牽引采煤機、截割電機橫向布置的適用于中厚和較薄煤層的交流電牽引采煤機。上海分院研制的MG系列電牽引采煤機已形成九大系列共幾十個品種。太原礦山機器廠與上海分院合作，將AM500液壓牽引采煤機改造成MG375／830-WD型交流電牽引采煤機后，又自主研制成功了MGTY400／900-3·3D型和MG750／1800-3．3D型機載交流變頻調(diào)速鏈軌式電牽引采煤機，現(xiàn)正在國家“十一五”科技支撐計劃資助下研發(fā)裝機總功率達2 500kW、最大采高6.0 m、年產(chǎn)1000萬t的交流電牽引采煤機；雞西煤機廠與上海分院合作將MG2x300-W型液壓牽引采煤機改造成MG300／360-WD型交流電牽引采煤機后，又開發(fā)了MG200／463型、MG400／985型交流電牽引采煤機；遼源煤機廠與邢臺礦業(yè)集團合作研制成功我國首臺應(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；無錫采煤機廠與中紡機電研究所合作研制成功國內(nèi)首臺應(yīng)用開關(guān)磁阻電機調(diào)速技術(shù)的MG200／500-CD型電牽引采煤機。表2為國內(nèi)具有代表性機型的采煤機主要技術(shù)參數(shù)。 1.2.3 技術(shù)特點與發(fā)展趨勢 (1) 裝機功率增大、性能參數(shù)提高 ①單臺截割電機功率多在400kW以上。多數(shù)采煤機單臺截割電機功率己達600kW以上，EL3000采煤機單臺截割電機功率達900kW，SLl000采煤機的單臺截割電機功率高達1000kW，太原礦山機器集團也正在研發(fā)單臺截割電機功率1000kW的新型大功率采煤機。 ②牽引功率多在80kW以上，最大已達300kW。 ③總裝機功率超過1000kW，如7LS5達1940kW，EL3000總裝機功率達2000kW，SLl000總裝機功率更高達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1000kN以上(EL3000、SLl000、西安煤礦機械廠生產(chǎn)MG900／2210、雞西煤礦機械廠生產(chǎn)的MG800／2040)，太原礦山機械集團有限公司即將推出牽引力l 125kN的采煤機。 ⑤截割功率增大，支架實現(xiàn)隨機支護，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，別已達到1500 nun截深。 ⑥采煤機可靠性和開機率提高。國外采煤機大修周期2a，出煤量400～600萬t，要求采煤機出煤量300-400萬t而不大修，差距較大。 (2) 中高壓供電 隨著采煤機裝機功率大幅度提高，工作面不斷加長，整個工作面容量超過5000kW，工作面長度達到300m。為減少輸電線路損耗，提高供電質(zhì)量和電機性能，普遍采用中高壓供電。主要供電等級有2300V、3300V、4160V、5000V等。 (3)監(jiān)控保護系統(tǒng)智能化 現(xiàn)代電牽引采煤機均配備有智能化監(jiān)控、監(jiān)測和保護系統(tǒng)，可以實現(xiàn)交互式人機對話、無線電遙控、工況監(jiān)測及狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)采集存儲及傳輸、故障診斷及預(yù)警、自動控制、自動調(diào)高等多種功能，以保證采煤機維護量最小，利用率最高，并可實現(xiàn)與液壓支架、工作面輸送機的信息交互和聯(lián)動控制等功能。如安德森公司EL系列機型上裝置Impact集成保護與監(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大多采用直流調(diào)速系統(tǒng)。日本20世紀80年代中期研制成功第1臺交流電牽引采煤機，交流調(diào)速系統(tǒng)以其技術(shù)先進、可靠性高、維護管理簡單、價格低廉等優(yōu)點，被迅速推廣應(yīng)用。20世紀90年代中后期研制的大功率電牽引采煤機均采用交流變頻調(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變頻器拖動2臺牽引電機，變頻器對電機的性能參數(shù)難以準確檢測，控制和保護功能無法完全發(fā)揮。如今主流交流電牽引采煤機均采用2個變頻器分別拖動2臺牽引電機的牽引系統(tǒng)，使牽引的控制和保護性能更加完善。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。 (5)總體結(jié)構(gòu)趨向模塊化及多電機橫向布置 橫向布置方式可使各部件由單獨電機驅(qū)動，機械傳動系統(tǒng)彼此獨立，可模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便。美國從1LS開始將截割電機橫向布置在搖臂上，至今沿用。英國從Electra550開始，采用電機橫向布置。德國于20世紀90年代開發(fā)了橫向布置的SL系列電牽引采煤機。目前國內(nèi)外的電牽引采煤機幾乎都采用了橫向布置方式。 (6)無鏈牽引向齒輪-齒軌式演變 隨著牽引力的不斷增大，銷輪．齒軌式無鏈牽引已經(jīng)淘汰，齒輪．鏈軌式無鏈牽引也已使用不多，現(xiàn)在采煤機無鏈牽引正逐步趨向于采用齒輪．齒軌式無鏈牽引，這是一種從齒輪．銷軌式演變而來的無鏈牽引結(jié)構(gòu)，圓柱銷被齒軌所取代，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 國內(nèi)電牽引采煤機研究方向 國內(nèi)電牽引采煤機代表機型在總體參數(shù)和性能方面已接近國外先進水平。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一步完善和提高。尤其是在線工況監(jiān)測、故障診斷及預(yù)報、信號傳輸與采煤機自動控制、傳感器等智能化技術(shù)與國外相比還有較大的差距。因而國內(nèi)電牽引采煤機的智能化程度低，設(shè)備可靠性、安全性和可維護性較差，今后國內(nèi)電牽引采煤機的主要研究方向如下； (1)進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)研究可靠的微機電氣控制系統(tǒng)。重點是提高采煤機電控系統(tǒng)抗干擾、抗熱效應(yīng)的能力。 (3)開發(fā)或增強電控系統(tǒng)的監(jiān)控功能。重點是研究故障診斷與專家系 統(tǒng)、工況監(jiān)測、顯示與信息傳輸系統(tǒng)、工作面采煤機自動運行控制系統(tǒng)、自適應(yīng)變頻電路的漏電檢測與保護技術(shù)、搖臂自動調(diào)高系統(tǒng)等。 (4)開發(fā)可四象限運行的礦用交流變頻調(diào)速裝置，使采煤機能適應(yīng)較大傾角煤層開采的需要。 (5)開發(fā)裝機功率更大、采高更高的采煤機，提高煤炭產(chǎn)量及回采率。 (6)加強提高采煤機開機率和可靠性的研究。 (7)電器元件小型化的研究。由于裝機功率增大，電動機、變壓器、變頻器等設(shè)備的體積也相應(yīng)增大，為滿足整機結(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 煤的機械性能及截割理論 煤體是采煤機械的破碎對象，對采煤機的刀具受力、能耗和裝機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，為了解煤的破碎機理，探求截煤過程的合理參數(shù)，仗工作機構(gòu)可靠、經(jīng)濟地工作，也需要討論截煤理論及截齒的受力。 2.1 煤層構(gòu)造特點 煤是遠古地質(zhì)時代沉積物，并且在此后的漫長歲月中，在與空氣隔絕、高壓、高溫的條件下，經(jīng)過漫長的碳化變質(zhì)過程形成的。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，沉積過程 中形成的分層面(稱為層理)、地質(zhì)力使煤層破碎形成的斷裂面(稱為節(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)造特點按其形成原因分為原生性和次生性兩大類。 2.1.1 原生性構(gòu)造特點 原生性構(gòu)造特點由煤層生成時的條件所致，如生成煤層的材料、當時的自然條件和環(huán)境條件等。人們用下面幾個概念描述原生性構(gòu)造特點，即層理、節(jié)理和非均質(zhì)性等。原生性構(gòu)造特點中的層理、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，僅能在煤層破碎過程中顯現(xiàn)出來，這時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 次生性構(gòu)造特點是由于地質(zhì)動力形成的煤層特征，通常用斷裂和裂脒這兩個概念來描述。斷裂是指在煤層內(nèi)明顯充實的分離面；裂隙則是指煤層內(nèi)張開著的明顯可見的大裂縫。 2.1.3 斷裂和裂縫的觀測 煤層中存在著弱結(jié)合面，使煤層強度大為降低。在煤的開采過程中，為節(jié)省能源和延長機械壽命，采煤工藝過程就應(yīng)充分利用煤層強度降低的這一現(xiàn)象。因此，在井下觀測斷裂和裂縫存在的規(guī)律，并對其進行正確描述和掌握，對于煤炭開采是十分必要的。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)和測量方面的工程技術(shù)人員給出，標注在圖紙上。 （2）裂縫密度 ①線裂縫密度S1:表示單位勘探線或測定線長度上的裂線條數(shù)，稱為線裂縫密度，即 （2-1） 式中 N——觀測到的裂縫條數(shù)，條； L——鉆孔巖心長度或巷道壁必及工作面的測定線長度，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度，即 （2-2） 式中 F——煤層被觀測而積，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型。 2.2 煤的物理機械性質(zhì) 煤的基本性質(zhì)可以分為物理性質(zhì)和機械性質(zhì)兩大類。 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)煤種類不同，如泥炭、煙煤、無煙煤以及褐煤等，其容重在1 3 t／m3～1．45 t／m3范圍內(nèi)變化(計算時通常取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 花崗巖 砂巖 石灰?guī)r 頁巖 泥炭、褐煤、煙煤、無煙煤 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，其強度有明顯降低。采煤機械開采這樣的煤層時，功率消耗明顯降低，而且粉塵也少。 2.2.2 煤的機械性質(zhì) 煤的機械性質(zhì)是指煤體受到機械旌加的外力時所表現(xiàn)出的性質(zhì)和抵抗外力的能力。在破碎煤體時可借助于煤的機械性質(zhì)選擇對煤體作用力的形式、截煤刀具形狀和種類等。因此，采用機械開采時，了解煤的機械性質(zhì)尤其重要。 煤體的機械性質(zhì)主要是：強度、硬度、接觸強度、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)是借助于材料力學的研究方法在試驗室中得到。 （1） 強度 強度是衡量物體在特定方向上抵抗破壞能力的指標，如抗壓強度δy抗剪強度δj和抗拉強度δl等等。強度極限通常用試件在實驗機上測定。研究結(jié)果表明，煤的抗壓強度δy最大，抗剪強度δj次之，抗拉強度δl最小，三種強度在數(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)計采煤機械時，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度值見表2—2。 表2-2煤巖材料的抗壓強度 不同地區(qū)、不同礦層的煤巖材料強度均不同，由于煤的各向異性，因而同一煤體不同方向的強度也不同。前蘇聯(lián)學者和英國學者的研究結(jié)果表明．垂直于層理加載與平行于層理加載二者相比較，前者抗壓強度較后者大30％～50％。 另外，研究表明，各種煤體強度與其埋藏深度(由地表面算起的深度)之間的對應(yīng)關(guān)系有所不同。波蘭學者對某地區(qū)煤巖體的強度與其埋藏深度關(guān)系的研究結(jié)果見表2—3。 表2—3煤巖體的強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?？梢杂貌际嫌捕扔嫛⒙迨嫌捕扔嫽蛐な嫌捕扔媮頊y定煤體的硬度。 （3） 接觸強度 上面提到的硬度，由于其測定方法所限，只代表煤巖體測定部位的個別顆?；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度，采用接觸強度這一概念。 接觸強度可按幾次實驗測壓頭上的載荷值只與S壓頭下表面積之比來計算，即 （2-4） 式中 pk——巖石材料接觸強度，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。 接觸強度的概念在掘進機設(shè)計與使用中經(jīng)常遇到。前蘇聯(lián)有關(guān)學者根據(jù)接觸強度值的太小，把巖石分為六類：松軟(400 MPa以下)，次中等堅固(400 MPa一600 MPa)，中等堅固(650 MPa～1250 MPa)，堅固(1250 MPa～2450 MPa)，很堅固(2450 MP8～4500 MPa)和極堅固(4500 MPa以上)。 （4） 摩擦與腐蝕性 金屬零部件或硬質(zhì)臺金在煤體表面運動時，要受到摩擦阻力的作用。這種金屬與非金屬問的摩擦作用將引起如下后果：金屬部件是運動主體，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，因此需要用水來冷卻。 煤體對金屬或硬質(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而異，也因作相對運動的二者之間壓力大小和相對運動速度大小而異。 前蘇聯(lián)學者對煤炭與鋼的摩擦系數(shù)研究結(jié)果表明：煤的強度增加，摩擦系數(shù)p值由0.5下降到0.3左右；當煤與鋼相對滑動速度由0.lm/s增加到3.1 m/s時,μ值由0.4下降到0.15；當法向壓力增加，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，用標準金屬試件在一定壓力下與被測煤巖材料接觸，并作相對移動。設(shè)作用力為P(N)，摩擦路程為L(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：還有用標準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)或長度△l(mm)來表征磨蝕性的，此時用ρ表示磨蝕性系數(shù)。 研究結(jié)果表明，對于磨蝕性已定的煤巖，切割刀具在破碎煤巖時的磨損量與摩擦路徑成正比，與刀具對煤巖表面正壓力成正比．與刀具和煤巖之間的相對速度成正比，還與刀具的溫升成正比。這一研究成果對采煤機械的設(shè)計和使用都是很重要的，應(yīng)該使采煤機械具有適當?shù)墓r參數(shù)“盡量減少在工作過程中刀具的磨損量。 （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：當作用于煤體上的外力消失后，煤體的變形也完全消失，稱煤的這種能恢復(fù)其原來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：當作用于煤體上的外力除去后，煤體無殘余變形，當煤體在外力作用下破碎時，其變形也極小，這種性質(zhì)被稱為脆性。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 煤的堅固系數(shù) 堅固性系數(shù)又稱堅硬度，是用來衡量煤破碎難易程度的指標，它綜合反映了煤的強度、硬度和彈塑性等因素。堅固性系數(shù)是前蘇聯(lián)學者普羅托季雅柯諾夫于1926年提出的，固此又稱普氏系數(shù)。 我國用堅固性系數(shù)來進行巖石分級和煤層分類。煤和軟巖?≤4，中硬巖?=4～8，硬巖 ?≥8～20(最硬的巖石)；同時還規(guī)定?≤1.5的煤稱為軟煤，?=1.5～3.0的煤稱為中硬煤，?≥3.0的煤稱為硬煤。 2.2.4 煤的截割阻抗 截割阻抗是刀具截煤時煤及煤層抵抗機械作用的能力。它不僅能反映采煤機械刀具截煤的真實過程，而且可在井下現(xiàn)場測定，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常用指標。煤、巖及硬雜物的截割阻抗見表2—6。 表2—6煤、巖機硬雜物的截割阻抗 從有效使用采煤機械的角度，可將煤層按截割阻抗分為三類： A≤180 N／mm的煤稱為軟煤，適合用各種刨煤機，特別是脆性煤層最適于刨煤機工作；A=180 N／mm～240 N／mm的煤稱為中硬煤。其中韌性煤適合用采煤機，脆性煤適合用滑行刨；A=240 N／mm～360 N／mm的煤稱為硬煤，韌性煤必須用大功率采煤機，脆性煤可用滑行刨或動力刨。 3 截割部的設(shè)計與計算 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 電機型號 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 電機型號 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： SGB630/220型刮板輸送機 3.2 傳動比和各軸轉(zhuǎn)矩的計算 1.確定總傳動比 ： == =39.26 2.確定各級傳動比： 各級傳動比分配如下： （、、） （、、） （、、） 行星減速： （、、、） 3.確定各級傳動效率和總效率： =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，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 齒輪強度校核 3.3.1 第Ⅰ級、高速級減速齒輪 (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----7-6-6(GB/T10095--1988）, 以提高齒輪傳動的質(zhì)量，減低齒輪的噪聲。 (3）校核齒面接觸疲勞強度許用接觸應(yīng)力： 實際接觸應(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)： 單對齒嚙合系數(shù)： 計算齒面接觸疲勞強度安全系數(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。 按齒面允許有一定點蝕查圖“接觸強度計算的 壽命系數(shù)”得壽命系數(shù)。 潤滑油膜影響系數(shù)： 查表“潤滑油膜影響系數(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“接觸強度計算的尺寸系數(shù) ”得 將以上數(shù)據(jù)代入安全系數(shù)計算式得： 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“彎曲強度計算的壽命系數(shù)”得 相對齒根圓角敏感系數(shù)： 相對齒根表面狀況系數(shù)： 取齒根表面粗糙度，據(jù)此查圖“相對 齒根表面狀況系數(shù)”得 尺寸系數(shù)： 查圖“彎曲強度計算的尺寸系數(shù)”得 將以上數(shù)據(jù)代入安全系數(shù)計算式： 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)。 。 由此可知第一級齒輪強度滿足要求 d1=138mm 故很安全 故很安全 3.3.2 第Ⅱ級減速齒輪 (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：