断面掘进机的总体方案设计
摘要：因为掘进机在矿山井下设备当中属于大型的机械设备，是巷道掘进机械中重要的一种，成为实现掘进机械化的关键。它是集矿岩破碎、装载和转运于一体，由于它的结构复杂，所以对设计和制造的要求也是多方面的。本文关于总体方案的设计主要对掘进机的总体结构进行了分析和研究，确定了掘进机的主要外形以及各部分的工作形式。
关键词：断面掘进机；总体设计；结构设计；工作原理1总体设计
1.1 总体设计任务及要求
总体设计任务是根据掘进机的用途、作业情况和制造条件，合理选择机型、确定性能参数、整体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
设计要求：EBJ-120（S1）
⑴适应巷道断面20m2；
⑵最大可掘高度4m；
⑶最大可掘宽度4.5m；
⑷经济切割强度60Mpa。
2总体结构方案设计
2.1 工作机构的型式选择
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等。因悬臂截割式掘进机机体灵活、体积较小，可截出各种形状和断面的巷道，并能实现选择性截割，而且截割效果好，掘进速度较高；所以，现在主要采用悬臂截割式，并已成为当前掘进机工作机构的一种基本型式。
按截割头的布置方式，分为纵轴和横轴式两种。纵轴式截割头传动方便、结构紧凑，能截出任意形状的断面，易于获得较为平整的断面，有利于采用内伸缩悬臂，可挖柱窝或水沟。截割头的形状有圆柱形、圆锥形和圆锥加圆柱形，由于后两种截割头利于钻进，并使截割表面较平整，故使用较多。缺点是由于纵轴式截割头在横向摆动截割时的反作用力不通过机器中心，与悬臂形成的力矩使掘进机产生较大的振动，故稳定性较差。因此，在煤巷掘进时，需加大机身重量或装设辅助支撑装置[1]。
横轴式截割头分滚筒形、圆盘形、抛物线形和半球形几种。这种掘进机截齿的截割方向比较合理，破落煤岩较省力，排屑较方便。由于截深较小，截割与装载情况较好。纵向截割时，稳定性较好。缺点是传动装置较复杂，在切入工作面时需左右摆动，不如纵轴式工作机构使用方便；因为截割头较长对掘进断面形状有限制，难以获得较平整的侧壁。故本次设计选择纵轴式掘进机。
由于工作机构的载荷变化范围大、驱动功率大、过坚硬岩石时短期过载运转、有冲击载荷、振动较大，要求其传动装置体积小，最好能调速。考虑掘进机工作时，截割头不仅要具有一定的转矩和转速以截割煤岩，而且要能上下左右摆动，以掘出整个断面，掘进机工作机构一般都采用单机驱动。虽然液压传动具有体积小、调速方便等优点，但由于对冲击载荷很敏感，元件不能承受较大的短时过载，所以选择过载能力较大的电动机驱动。
2.2 装载机构的型式选择
部分断面掘进机的装载机构有4种：
⑴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]。
⑵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。
⑶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限制，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。
⑷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。
由于本次设计的掘进机要求适合于中型断面巷道的掘进，因此可将装载机构设计成为结构简单、强度高、工作可靠的星轮式。
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。
2.3 输送机构的型式选择
部分断面掘进机多采用刮板链式输送机构。
输送机构可采用联合驱动方式，即将电动机或液压马达和减速器布置在刮板输送机靠近机身一侧，在驱动装载机构同时，间接地以输送机构机尾为主动轴带动刮板输送机构工作。这样传动系统中元件少、机构比较简单，但装载与输送机构二者运动相牵连，相互影响大。
输送机构采用独立的驱动方式，即将电动机或液压马达布置在远离机器的一端，通过减速装置驱动输送机构。这种驱动方式的传动系统布置简单，和装载机构的运动互不影响。但由于传动装置和动力元件较多，故障点有所增加。
目前，这两种输送机构均有采用。由于该型掘进机位置空间较小，布置较困难，所以输送机构采用液压马达的联合驱动方式[3]。
2.4 转运机构的型式选择
掘进机的转载机构有两种布置方式：
⑴作为机器的一部分；⑵为机器的配套设备。
这里采用第二种布置方式。
该掘进机采用的是刮板输送机。
为使卸载端作上下、左右摆动，一般将转载机构机尾安装在掘进机尾部的回转台托架上，可用人力或液压缸使其绕回转台中心摆动，达到摆角要求；同时，通过升降液压缸使其绕机尾铰接中心作升降动作，以达到卸载的调高范围。
转载机构应采用单机驱动，选用液压马达驱动。
2.5 行走机构的型式选择
该种掘进机的行走机构有迈步式、导轨式和履带式几种。
⑴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。
⑵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。
⑶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。
本次设计的掘进机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，所以选用液压马达驱动。
2.6 除尘装置的型式选择
掘进机的除尘方式有喷雾式和抽出式两种。
⑴喷雾式。用喷嘴把具有一定压力的水高度扩散、雾化，使粉尘附在雾状水珠表面沉降下来，达到灭尘效果。这种除尘方式有以下两种：①外喷雾降尘。是在工作机构的悬臂上装设喷嘴，向截割头喷射压力水，将截割头包围。这种方式结构简单、工作可靠、使用寿命长。由于喷嘴距粉尘源较远，粉尘容易扩散，除尘效果较差；②内喷雾降尘。喷嘴在截割头上按螺旋线布置，压力水对着截齿喷射。由于喷嘴距截齿近，除尘效果好，耗水量少，冲淡瓦斯、冷却截齿和扑灭火花的效果也较好。但喷嘴容易堵塞和损坏，供水管路复杂，活动联接处密封较困难。
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。有的掘进机喷雾系统由内喷雾、外喷雾和引射器三部分组成。压力水是经过液压系统冷却器、水冷电机后进入引射喷雾器的。
⑵抽出式。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，应安装消音装置。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。
本次设计选用的是内外喷雾相结合的除尘装置[4]。
3总体布置
3.1 总体布置的内容
各部件在整机上的位置如图1-1所示：
3.2 总体布置的原则
⑴保证整机的稳定性；
⑵结构紧凑，并有较高的传动效率；
⑶便于操作和维修，工作安全可靠；
⑷外形平整美观。
3.3 具体要求和注意事项
⑴工作机构减速器的进、出轴尽量同轴线；
⑵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；
⑶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。从增加机构的稳定性看，摆动中心的高度应尽量降低。在保证悬臂摆动不与其他机构干涉的条件下，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；
⑷总体设计时，其重心的位置仅需估算纵向坐标x值：
X=∑GiXi/∑Gi
式中 Gi——各部（组）件的重力；
Xi——各部（组）件重心X坐标。
当各主要部件设计出来后。应进行校核，不满足要求时需进行调整，使重心位于履带中心稍偏前且小于L/6（L为履带接地长度）。此外，还要求重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；
⑸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，使其能够很好的操纵机器，截割出规则的巷道；
⑹操纵台的位置要适当，应保证司机操作方便、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。
4各部组成及工作原理
4.1 截割部
截割部又称工作机构，主要由电动机、叉形架、减速器、行星减速器、伸缩部、伸缩油缸、截割头等组成。
截割部为三级圆锥圆柱齿轮传动，由水冷电动机输入动力经三级圆柱圆锥齿轮减速器，经悬臂段，将动力传给截割头，从而达到破碎煤岩的目的。截割头安装有42把截齿。电动机型号选为YBU（S）-120。
整个截割部通过一个叉形框架，两个支承轴铰接于回转台上，借助安装与截割部和回转台之间的两个升降油缸，以及安装于回转台与机器之间的两个回转油缸，实现整个截割部的升、降和回转运动。
4.2 装载部
装载部由铲板及传动装置组成。装载机构考虑工作环境潮湿、有泥水，选用液压马达驱动。传动装置为两台液压马达直接驱动左右转盘。马达型号选为NHM-1300，动力直接由马达驱动左右执行件，从而实现装载煤岩的目的。
装载部安装于机器的前端，通过一对销轴铰接于主机架上，在铲板油缸的作用下，铲板可绕销轴上、下摆动，当机器截割煤岩时，应使铲板前端紧贴底板，以增加机器的截割稳定性。
4.3 刮板输送机
刮板输送机主要由机前部、机后部、驱动装置、脱链器等组成。
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。链条张紧装置采用丝杆螺母张紧方式。
4.4 行走部
行走机构分为左行走机构和右行走机构。以左行走机构为例，主要由导向张紧装置、左履带架、履带链、左行走减速器等组成。
该掘进机采用履带式行走机构，左右两部分对称布置，各由10个螺栓与机架相联。由于其工作环境差，用电动机驱动易受潮烧毁，故选用液压马达驱动。该掘进机左右行走机构由两台液压马达分别驱动，经三级圆柱齿轮传动和二级行星齿轮传动，将动力传给主链轮。
行走部工作速度为3/6/min，履带链采用液压油缸张紧装置，采用黄油枪向油缸注油，对履带链进行张紧，再装入锁板，泄掉油缸内压力。
4.5 机架和回转台
机架是整个机器的基础，在机器的组成中起着相当重要的作用，也就是说机架是整个机器的骨架同时它亦承受着来自截割头的各种负载力及其他的作用力。机器中的各部件均用螺栓或销轴与机架相联，机架为铸焊结合件。
回转台主要用于支承、联结并实现切割机构的升降和回转运动。回转台座在机架上，与机架用Φ1050止口，36个高强度螺栓相联。工作时，在油缸的作用下带动切割机构水平摆动，切割机构的升降是通过回转台支座上左、右耳轴铰接相连的两个升降油缸实现的。
[参考文献]
[1]郝建生.掘进机纵轴式截割头截割效率的优化设计[J].煤炭科学技术，2007，35（2）：80～83.
[2]煤炭工业部生产司开拓处组织.掘进机选型手册.北京：煤炭工业出版社，1989.
[3]宋学义.袖珍液压气动手册.北京：机械工业出版社，1995.
[4]东北工学院《机械零件设计手册》编写组.机械零件设计手册.第2版（下）.