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1、第17页中国矿业大学2005届本科生毕业设计1 绪论1.1采煤机的发展史20世纪40年代初，英国和前苏联相继研制出了链式采煤机，这种采煤机是通过截链截落煤，在截链上安装有被称为截齿的专用截煤工具，其工作效率低。同时德国研制出了用刨削方式落煤的刨煤机。50年代初，英国和德国相继研制出了滚筒式采煤机，在这种采煤机上安装有截煤滚筒，这是一种圆筒形部件，其上安装有截齿，用截煤滚筒实现落煤和装煤。这种采煤机与可弯曲输送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。这种采煤机的主要缺点有二点：其一是截煤滚筒的高度不能在使用中调整，对煤层厚度及其变化适应性差；其二是截煤滚筒的装煤效果不佳，限制了采煤机生产率的提高。进
2、入60年代，英国、德国、法国和前苏联先后对采煤机的截割滚筒做出革命性改进。其一是截煤滚筒可以在使用中调整其高度，完全解决对煤层赋存条件的适应性；其二是把圆筒形截割滚筒改进成螺旋叶片式截煤滚筒，即螺旋滚筒，极大地提高了装煤效果。这两项关键的改进是滚筒式采煤机称为现代化采煤机械的基础。可调高螺旋滚筒采煤机或刨煤机与液压支架和可弯曲输送机配套，构成综合机械化采煤设备，使煤炭生产进入高产、高效、安全和可靠的现代化发展阶段。从此，综合机械化采煤设备成为各国地下开采煤矿的发展方向。自70年代以来，综合机械化采煤设备朝着大功率、遥控、遥测方向发展，其性能日臻完善，生产率和可靠性进一步提高。工矿自动检测、故障
3、诊断以及计算机数据处理和数显等先进的监控技术已经在采煤机上的到应用。1.2我国采煤机的发展展望依靠科技进步，推进技术创新，开发高产高效矿井综合配套技术是我国煤炭科技发展的主攻方向，根据世界采煤机发展潮流和煤炭科技前沿最新消息，我国采煤机应在以下方面进行攻关研究，尽快赶上世界水平。1.2.1大功率、大截深电牵引采煤机的进一步研究为了满足高产高效矿井发展的需要，增产减员，增产减面，实行合理化集中生产，拟研制截割功率2X500KW2X600KW，总装机功率1200KW1500KW以上，截深0.8m1.0m的高效电牵引采煤机；电机横向布置，框架式结构，无底托架，交流变频调速，供电电压3300V以上；强
4、力型无链牵引系统，具有高牵引速度和牵引力；配用机载增压水泵和吸尘滚筒，操作方便，控制、保护齐全，性能良好。1.2.2大功率采煤机的工况监测、故障诊断与控制系统的研究高可靠性大功率采煤机是实现高产高效矿井合理集中生产的根本保证，采用机载计算机监测，故障诊断及自动控制系统是提高大功率采煤机可靠性和利用率的重要途径，通过开发采煤机监测传感器和机载计算机系统，以及地面中心站的故障诊断和维修管理专家系统，实现多参数工况监测和井下、地面两极预报型故障诊断及维修管理专家系统等机电一体化技术，使采煤机的技术水平、工作能力得以大幅度提高，保证高效连续生产。1.2.3应用高新技术，严格管理，提高可靠性衡量一个国家
5、的采煤机的技术水平，首先应对其机械设备的先进行、品种、质量、可靠性、适应程度以及寿命等加以分析。我国是一个发展中国家，改革开放以来，采煤机得到了很大的发展，但生产的质量、寿命、高新技术的应用、科学管理等与世界煤炭工业发达国家相比，还存在较大的差距，国外采煤机有关部件的设计寿命是：齿轮12500h，轴承20000h30000h，电机绝缘寿命4400h，滚筒可产煤300万吨。综合工作面采煤机一般都装有自动控制、诊断、数据传输、无线电遥控装置，不仅操作方便，而且能通过诊断装置预先发现故障并及时排除。我国采煤机的齿轮、轴承、滚筒、电机等主要部件的设计寿命均低于国外水平。采煤机大部分不具有监控、诊断保护
6、功能，不能预报诊断故障，不能保证采煤机经常处于正常状态。我国要求采煤机出150万t200万t煤而不大修，实际上与要求还有距离。 为了满足高产高效综采工作面快速割煤提高生产力的需要，克服液压牵引的繁杂，电牵引采煤机是采煤机发展的一个趋势。与目前最先进国外采煤机相比，国内电牵引采煤机在总体参数性能方面尚有较大差距，某些关键部件的性能、功能、适应范围还有待完善和提高，尤其是无线监测、故障诊断及预报、信号传输与采煤机自动控制、传感器等智能化技术和机械部件的可靠性、寿命与国外相比差距甚大。根据我国煤炭生产要求和采煤机发展趋势以及针对国内电牵引采煤机存在的差距，今后主要研究内容如下：进一步完善和提高交流变
7、频调速系统的可靠性。重点完善和提高系统装置抗震、散热和防潮性能；研究可靠的微机电气控制系统，重点提高采煤机机电控制系统的抗干扰、抗热效应的能力；开发或增强电控系统的监控功能，重点研究故障诊断与专家系统、工况监测、显示与信息传输系统、工作面采煤机自动运行控制系统、自适应变频电路的漏电监测与保护技术、摇臂自动调高系统等；开发四象限运行的矿用交流变频调速装置，使采煤机能适应较大倾角煤层开采的需要；开发单机功率600KW,总装机功率1500KW的大功率电牵引采煤机；电牵引采煤机的可利用率、可靠性和寿命的研究。1.3螺旋钻采煤机的概述螺旋钻采煤法在我国刚刚起步，主要用于薄煤层开采，它属于一种无人工作面开
8、采方法。工人在支护条件良好的巷道中工作，彻底地改变了薄煤层回采工人在工作面内爬行的工作状况，安全有了可靠的保障。螺旋钻采煤机是在用于露天开采的螺旋钻机的基础上逐步改造成型的。自20世纪70年代开始，原苏联在这方面做了大量的研究试验工作。乌克兰在原有的基础上研制出2种新型的螺旋钻采煤机，并推备批量生产形成规模。螺旋钻采煤机可以从巷道两侧双向钻孔采煤，不需要辅助的转载设备便可回收落煤。新汶矿务局也准备从国外进口螺旋钻采煤机，用于开采薄煤层。螺旋钻采煤法的关键设备是螺旋钻采煤机。乌克兰研制了H1D/-M型螺旋钻采煤机，在该机型基础上又研制出2种新型的螺旋钻采煤机。这2种型号螺旋钻采煤机的工作原理、结
9、构和开采工艺基本相同，都采用电机主传动、液压推进的工作方式，并由主机、钻具、多功能操作台、单轨吊、支撑液压千斤顶、钻机行走腰带、接长和叠放螺旋钻杆的装置、液压泵站和风机等组成。变量液压泵，用于驱动钻架座和退钻座的移动机构、钻机固定机构和定位机构，以及移动和操纵钻机。该机工作时，用设在机架四角4个液压千斤顶支撑在巷道的顶底板间，用来支撑钻机；另外用2个副向液压千斤顶承受钻进时的推力。钻机由履带行走机构在巷道内移动。螺旋钻采煤机的工作机构是螺旋钻具，它由钻头和成对的螺旋钻扦组成。钻具部分可根据不同的开采和地质条件安装2-4个钻头，平行地钻进2-4个钻孔，并能部分地破碎各钻孔间的煤枝。这样钻孔的宽度
10、可从1.14m调整到2.77m，使它的效率和煤炭资源回收率得以提高。钻具上装有5种传感器，分别监控钻孔内的瓦斯浓度、钻头旋转扭矩、钻孔间的煤柱、钻孔导向、钻头与煤层顶底板岩层间隙等情况，并通过多功能控制装置实现集中控制，较好地解决了钻孔的导向、孔内的瓦斯稀释和喷雾防尘等问题。在高瓦斯矿井，在钻机推进过程中螺旋钻杆将通风和喷水的软管系统带入钻孔内，并用单独的局部扇风机向孔内压入新鲜风流，用喷水管在钻孔内喷雾，使钻孔内的瓦斯浓度和粉尘含量达到安全标准。螺旋钻杆包括顶端螺旋、直线螺旋和连接部分。螺旋钻杆的最大螺旋叶片直径为480mm，可与直径625nm的钻头相匹配。用直径725和825mm的钻头时，
11、在中间段的钻杆上应安装可拆卸的刮板。装设这些刮板后，在螺旋钻杆的叶片与孔壁之间存在间隙的情况下也能将煤从钻孔中指出来。螺旋钻采煤机的工作效率除了与开机钻孔时间有关外，还同钻孔深度有关。影响螺旋钻采煤机钻孔深度的主要因素是推力、动力和钻孔的倾斜。乌克兰的科研人员将英国collins采煤机与螺旋钻机结合起来,将collins采煤机的单钻头单钻杆改为三钻头双钻杆；将非动力切割改为动力切割；在钻头与推杆间增加了调整油缸，使钻头能够上下左右摆动，较好地解决了钻孔倾斜问题；同时增大了螺旋钻采煤机的推力和动力，使螺旋钻采煤机的钻进深度由原来的40m提高到70m。但由于钻杆是由1m2m的短钻杆连接而成，当钻孔
12、深度超过30m后，钻杆连接机构之间的间隙将会导致钻杆的整体刚度降低，使钻进方向发生偏斜。为此，乌克兰顿涅茨克煤炭科学研究所研制了一种导向装置，可确保螺旋钻采煤机比较稳定地将钻孔打到设计深度。这种导向装置是在钻杆上设计一套导向支撑管，可使钻机在煤层的垂直和水平两个方向实现定向钻进。导向柱的伸缩量，可根据钻头的直径选择。为了提高螺旋钻采煤机的回收率，德国提出一种方法所示，它通过摇控装置使钻头在钻孔内偏转一定的角度，在回撤时使钻头可以继续落煤。通过摇控装置使钻具的一个钻头偏转一个角度，这样可单向扩孔落煤。另一种方法是通过摇控装置使2个钻头同时偏转，与孔中心线成角，便可双向扩孔落煤。螺旋钻采煤机附带有
13、单轨吊，使钻杆安装、拆卸和搬运实现了机械化，减少了辅助时间，提高了它的有效利用率。螺旋采煤机包括两套分开的机组，螺旋钻机和回收机组，在操作中，它们共同来规定螺旋钻孔间煤柱的宽度。每台机组均由防爆电机带动液压泵，它们在各个机组上独立驱动所有液压功能。这种螺旋采煤机结合了许多特点，包括：螺旋钻采煤机钻进和螺旋机刮板回收同时作业，遥控操作螺旋钻机刮板的连接和拆开，液压刮板转换机构在两个机组间供刮板和截割头使用，操作中随机储备三套螺旋钻机刮板，液压操作平衡和操纵制动块及千斤顶，液压操作顶板千斤顶带自动载荷控制装置。高度低于零点九米的超薄煤层，在理论上为不可采煤层。该项技术不仅具有用人少、劳动强度低、安
14、全系数高、资源损失小且无需支护等特点。还使全国一千多亿吨的薄煤层储量有望得到开采，具有重要的经济和社会价值。薄煤层螺旋钻无人工作面开采是指回采工作面上无人，而是由螺旋钻机全部完成工作面内的破煤、装煤、运煤等各个工序，工作面的设备检修也都在工作面以外的巷道中进行。研制人员经过对螺旋钻机的进一步改造，其爬坡、移机、调向、机组防滑等性能均有了重大改善，其安全性、稳定性和先进性在现场得到了充分验证，工效比炮采提高了10倍，直接成本每吨降低了85.7元，大大减轻了工人的劳动强度，改善了工人的作业环境1。该采煤法可广泛地应用于开采围岩较稳定的薄煤层和极薄煤层，并且可以用来开采边角煤、三下压煤和回收各种煤柱
15、。近年来，国外许多产煤大国由于特厚煤层的开采储量日益枯竭，对螺旋钻机采煤产生了极大兴趣，螺旋钻采煤成了开采缓倾斜薄煤层最有发展前景的一种采煤方法，这项采用螺旋钻采煤的新技术用人少，工效高，可使平衡表外的储量得到开采，提高了资源利用率，延长了矿井的服务年限。该项技术采用半煤岩掘进机与螺旋钻机配套，实现了前进式采煤，利用掘进出的矸石充填钻孔，实现了洁净开采，保证了煤质，有利于环境保护。螺旋钻采煤方法科学，技术路线先进，在薄煤层采用螺旋钻无人工作面开采技术填补了国内空白，达到了国际先进水平，可在类似煤层赋存条件下的矿井中推广应用，具有广泛的发展前景。1.4螺旋钻采煤机的市场价值我国薄煤层可采储量较大
16、，约6150M，占煤层总可采储量的19，特别是南方及需要开采解放层的局矿和一些老矿井，薄及极薄煤层必须开采，而且薄煤层、极薄煤层的煤质一般较好。如果仍采用传统的劳动密集型方式开采薄煤层，工人劳动强度大，安全威胁极大。所以应针对不同条件选用不同的机械化生产，实现技术密集型，不断降低工人劳动强度和减少劳动力，是薄煤层开采适应市场经济的基本途径。1) 螺旋钻机在国外已有40 多年的历史,随着该技术的不断改进,特别是90 年代以来实时钻孔导向和定位技术的革新,加大了钻进深度,提高了资源回收率。当边帮压煤采用露天或井工开采难以实施或不经济时,该技术已经显示出巨大的优势。2) 国外螺旋钻机的成功应用为我国
17、露天煤矿最终边帮压煤的回收开采提供了新的技术和方法。3) 螺旋钻机技术无论从资源回收率,还是生产成本皆优越于国内现有边帮开采技术。该技术在北露天煤矿的引进,将为该技术在国内的推广起到示范作用。4) 国内不少露天煤矿已开采到或即将到最终边帮,边帮下压煤数亿吨。由于这些露天煤矿地质条件复杂且煤层顶底板强度较低,不适宜采用国内现有的边帮开采方法,也不适合连续采煤机开采,而引进螺旋钻机技术使安全和经济的回收边帮压煤成为可能,因而该技术在我国露天煤矿有着广阔的发展前景。2 设计要求及方案确定本课题设计一台旋旋钻采煤机，主要是应用于薄煤层的开采，根据螺旋钻采煤机工作情况可以确定设计要求和方案。2.1设计要
18、求2.1.1使用条件1、 采宽：1.9052.105m。2、 采深：向上85m，向下45m。3、 准备巷道净断面不小于11.2，巷道坡度，卧底不小于0.6m，通风依赖于全矿井通风负压。4、 煤层厚度：0.60.9m，煤层倾角0，煤的切割的阻力不大于350KN/m。5、 煤的硬度系数。6、 技术特征表：序号参数名称单位数值1向上采煤，采深至，切割阻力：以内以内向下采煤，采深至，切割阻力：以内以内t/min2.01.51.00.752煤层厚度m0.60.93煤层倾角04防爆钻头直径BSHK-2DM.00.00.000ABSHK-2DM.00.00.000A-01BSHK-2DM.00.00.000
19、A-02mm6257258255钻头数量个36钻头之间的轴距mm6407采宽BSHK-2DM.00.00.000ABSHK-2DM.00.00.000A-01 BSHK-2DM.00.00.000A-02 mm1905200521058钻杆直径mm4809钻杆转速r/min55或6010钻杆推进速度工作状态 前进 后退调度状态 前进 后退m/min01.001.702.003.511钻进推力前进后退12推进机构类型液压13液压系统的油压，不低于1614操纵杆的作用力不低于4015机组总功率KW28016工作额定电压（三相、交流）V66017通风和降尘系统加压的18通风管的直径，不小于mm325
20、19喷水量，不小于L/min5020水管喷嘴的压力，不小于MPa1.521外型尺寸不大于：长宽高mm148403870188422机组重量，不大于BSHK-2DM.00.00.000ABSHK-2DM.00.00.000A-01BSHK-2DM.00.00.000A-02t54.555.857.57、 一次移动机组的距离（两个钻孔之间的距离）为2.63.1m。2.1.2液压系统1. 支撑液压缸的行程：1300 mm。2. 推进主液压缸：直径125 mm，杆径70 mm。3. 副推进液压缸：直径90 mm，杆径56 mm。4. 推进机构的总行程：1900 mm。5. 导向滑道：直径210 mm，
21、长2555 mm。6. 风管伸缩液压缸：伸缩长度+130 mm（伸）、-120 mm（缩）。7. 油泵流量：22L/min。8. 油箱容积：350L,可波动50L。2.1.3钻杆1. 首节钻杆：双头，直径分别为570mm、670mm、770mm。2. 中间钻杆直径：480 mm。3. 风筒直径：320 mm。4. 稳定器钻杆：直径分别为450 mm、550 mm，650 mm，长1540+50 mm或1570+50 mm。5. 钻杆的长度：1570（加联轴器节30 mm深）mm。2.1.4供电系统1、 钻头电机功率：132KW2。2、 液压站电机功率：15 KW。3、 单轨吊功率：1.5 KW
22、2。4、 移动变压站：400KVA。2.2总体方案的设计本课题主要对采煤机推进机构的设计，整个推进机构在螺旋钻机机架上，整个上机身是通过两个导轨支撑的，上机可以在导轨上往复滑动，推进机构主要靠两个液压缸组来实现，每个液压缸组由三个液压缸组成，分别为两个副推进液压缸和一个主推进液压缸，通过液压缸的往复运动实现其采煤掘进过程，液压缸组通过差动连接来实现其推进行程要求，三个液压缸通过一个夹板来固定以实现其联动，主推进液压缸可以自由移动，两侧的辅助液压缸的缸体一端固定在机架上。图2.1 推进机构推进机构的总冲程，导向器一个直径为长度为2555的厚管，传动框架沿导向器进行移动（其他尺寸见上图）。图2.2
23、 设计方案在传动架上装了两个一左一右的螺旋钻杆，中间钻头由左螺旋钻带动，通过两对齿轮实现等比传动。右螺旋钻杆的轴承前及减速箱的输出轴上装了3个钻头，钻头轴之间的输出距离为，两侧的钻头按煤层厚度采用不同的直径、。在各种条件下中间的钻头直径，它的结构由两侧钻头的不同而改变，所有钻头采用通用连接。螺旋钻杆之间通过连接套传递扭矩，螺旋钻杆的根据工况条件通过优化设计可以算出其各参数。3 螺旋钻杆结构参数的优化设计近年来,国内外已开始采用优化设计方法进行螺旋钻杆的结构参数设计,采煤机钻杆优化设计的任务是在满足装机功率、生产率、装载能力及制造工艺的条件下,寻求最佳钻杆结构参数和工作参数,使采出的煤平均块度最
24、大,浮煤量和煤尘量最小,采煤机的单位能耗最低,同时钻杆的载荷波动最小,寿命最长。但普通的优化设计均未考虑到影响螺旋钻杆结构参数各因素,因此设计方案难以更好地符合客观实际。对采煤机螺旋钻杆结构参数进行优化设计,进而求解。本文选择螺旋钻杆装煤生产率作为优化设计的目标,建立了其数学模型并确定了设计变量。通过选取煤壁破碎模式、钻杆工作转速、叶片螺旋升角、钻杆强度等作为约束条件,使钻杆参数的设计结果更能符合工作实际,从而提高采煤机的工作效率。3.1煤机螺旋钻杆结构参数优化数学模型的建立本文在理论分析基础上,以螺旋钻杆装煤生产率为目标函数,对影响其结构参数和运动参数等可变参数作为设计变量,在一定约束条件下
25、进行优化设计,并编程通过计算机计算,得出影响钻杆装煤生产率的几个主要可变参数的最优值和在此情况下装煤生产率的最大值,供钻杆设计、制造及研究时参考。目 录1 绪论11.1采煤机的发展史11.2我国采煤机的发展展望11.2.1大功率、大截深电牵引采煤机的进一步研究21.2.2大功率采煤机的工况监测、故障诊断与控制系统的研究21.2.3应用高新技术，严格管理，提高可靠性21.3螺旋钻采煤机的概述31.4螺旋钻采煤机的市场价值62 设计要求及方案确定82.1设计要求82.1.1使用条件82.1.2液压系统102.1.3钻杆102.1.4供电系统112.2总体方案的设计113 螺旋钻杆结构参数的优化设计
26、133.1煤机螺旋钻杆结构参数优化数学模型的建立133.1.1螺旋钻杆的装煤生产率理论分析133.1.2螺旋钻杆装煤生产率的计算153.1.3螺旋叶片设计及强度校核163.1.4优化约束条件的建立193.1.5模型的求解223.2钻杆轴及连接件的设计233.3联接套的设计264 传动减速箱的设计计算314.1齿轮传动的设计与计算314.1.1基本的参数314.1.2齿轮的计算324.1.3弯曲强度校核计算364.2轴的设计计算374.2.1按扭转强度概略计算轴径374.2.2计算支反力和绘弯扭矩图384.2.3强度精确校核（验算安全系数）425 推进液压缸、机架以及导轨的设计465.1液压缸的
27、设计465.1.1钢筒的设计计算475.1.3液压缸的校核545.2液压缸的结构575.2.1缸筒与端盖的连接585.2.2活塞组件595.2.3活塞组件的密封605.3推进机构导轨的设计626 螺旋钻采煤机的使用与维护636.1润滑及注油636.2地面检查与试运转636.3下井及井下组装646.4采煤机的井下操作646.5机器的维护与检修66专题部分68题目：螺旋钻头的研究68引言681 煤及煤层的性质691.1煤的强度691.2煤的坚固性系数691.3煤的截割阻抗691.4煤的压张效应692 截割工况和刀具712.1截割刀具的几何参数712.2刀具几何参数对截割性能的影响713 截齿受力分析744 截齿运动模型774.1坐标系的建立774.2截齿的运动学模型784.3不干涉条件795 截齿的优化布置83结论88参考文献90附录192螺旋钻杆优化设计程序（MATLAB）92附录293螺旋钻杆连接件优化设计程序（MATLAB、LINGO）93附录395螺旋钻专题程序（MATLAB、LINGO）95翻译部分105英文原文105中文译文113致 谢119