EBZ-160型掘进机内伸缩臂参数优化设计

０９中图分类号： 学科分类号：
卫Ｄ４２１．５ ４４０．６０
论文编号：
安徽理工大学
硕士学位论文
ＥＢＺ．１ ６０型掘进机内伸缩臂参数优化设计
作者姓名： 专业名称：
塞塞搓 扭越遮让厘理途
研究方向：芷出扭越逡让理途皇控制导师姓名： 导师单位：
韭塞宝
麴援
扭越王程堂院 医圭强
答辩委员会主席：
论文答辩日期：２０１０年５月２６日
安徽理工大学研究生处 ２０１０年月日
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叉
ＥＢＺ．１６０型掘进机内伸缩臂参数优化设计
作者姓名：
塞塞搓 扭越遮让区理途
专业名称：
研究方向：砬出扭越遮盐理论量控剑导师姓名：．．韭塞室 导师单位：
熬援
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扭越王猩堂院
答辩委员会主席： 论文答辩日期：２０１０年５月２６日
安徽理工大学研究生处 ２０１０年月日
一
Ａ Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ
ｉｎ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｔｈｅｏｒｙ＿
ｌ
■
Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＥＢＺ １ ６０ Ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｍ
●
Ｃａｎｄｉｄａｔｅ：Ｚｈｕ Ｊｉａｘｉａｎｇ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｏｒ：Ｐｒｏｆ．Ｚｈａｎｇ Ａｎｎｉｎｇ
Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＳｃｈｏｏｌＡｎＨｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ●
Ｎｏ．１ ６８，Ｓｈｕｎｇｅｎｇ Ｒｏａｄ，Ｈｕａｉｎａｎ，２３２００ １，Ｐ．Ｒ．ＣＨＩＮＡ
●
■
独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得
塞徵理王太堂
或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一
同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。
学位论文作者签名：
日期：世年』月望日
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塞邀理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 安徽理工大学
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学位论文作者签名善 妒才备◆、Ｚ
签字日期：参，ｏ年，月２．ｏ Ｉｊ
锄签名：嬲／，ｖ
Ｉ
签字日期－．２０ｒｏ年厂月２０日
●
摘
要
捅
要
目前，部分断面掘进机在我国矿业生产中得到了广泛应用，论文简要介绍了 掘进机国内外发展概况及其在我国的应用情况，分析了我国掘进机伸缩臂的研究 设计水平。指出了截割头内伸缩臂研究的意义。 本文以ＥＢＺ．１６０部分断面掘进机为例，介绍了其主要结构、基本参数、工作 原理，分析了内伸缩截割臂的结构和工作原理。通过对伸缩截割臂运动和力学的 分析，得到了其不同工况下的数学模型。 利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件对掘进机伸缩截割臂的截割头主轴、花键套、伸缩内筒、 伸缩外筒、伸缩保护筒和浮动密封架进行三维建模，并完成装配，再使用 Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ软件对装配体进行有限元分析，对主要零件的分析结果进行处理，得 到其应力和位移。结果发现，ＥＢＺ．１６０型掘进机内伸缩臂整体受力和变形均匀， 无明显突变现象，但伸缩外筒和伸缩内筒变形较大，磨损严重，这与其实际工作 情况相符。比较各影响因素对伸缩内筒和伸缩外筒变形的影响度的大小。指出，外 部载荷对其影响最大，伸缩量影响次之。提出，应根据不同的煤岩硬度采取不同 的截割速度，这样能较好的保护伸缩臂和保证生产效率。
图５９●
表ｌ
参４４
关键词：掘进机伸缩臂
磨损
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ有限元分析
参数优化
分类号：（１—２）：ＴＨ４２１．５
安徽理工人学硕士学位论文
ＡｂｓｔｒａｃｔＮｏｗａｄａｙｓ，ｐａｒｔｉａｌ—ｓｉｚｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｓ ｉｎｏｕｒ ａｌｅ
ｕｓｅｄ ｗｉｄｅｌｙ ｉｎ ｍｉｎｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
ｃｏｕｎｔｒｙ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｏｄｕｅｅｓ ｔｈｅ ｄｏｍｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｔｈｅ
ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇＩｎ ｔｈｉｓ
ａｎｎ，ａｎｄ
ｐｏｉｎｔｓ ｏｕｔ ｔｈｅ
ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｉｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ． ｍａｄｅａｓ
ｐａｐｅｒ，ｐａｒｔｉａｌ?ｓｉｚｅ
ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｏｎ
ｍａｃｈｉｎｅ ｍａｉｎ
ｏｆ ＥＢＺ．１ ６０
ａｎ
ｅｘａｍｐｌｅ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ａｎａｌ

ｙｓｉｓ ｔｈｅ
ｍａｃｈｉｎｅ
ｔｈｅ
ｓ仃ｕｃｔｕｒｅ，ｂａｓｉｃ
ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｗｏｒｋｉｎｇ ｉｎｔｅｒａｎｌ ｃｕｔｔｉｎｇ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ａｎｄ
ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ
ｅｘｐａｎｓｉｏｎ
ａｌＴｎ．Ａｆｅｒ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｒｍ，ｗｅ
ａｎｄ
ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｃｕｔｔｉｎｇ●
ｃａｎ
ｆｉｎｄ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｔｉｐｉｃａｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．
Ｅｒｅｃｔ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ
ｃａｎｉｓｔｅｒ，ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｈｅａｄｏｎ
ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｎｉｓｔｅｒ，ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌｓｐｉｎｄｌｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｃａｎｓｉｔｅｒ，ｆｌｏａｔｉｎｇ
ａｉｒｐｒｏｏｆ
ｆｒａｍｅ，ｃｕｔｔｉｎｇ
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ，ｔｈｅｎ，ｓｅｔｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｔｈｅｍ ｕｐ，Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｔｈｅ
ｅｘｐａｎｓｉｏｎｃａｎ
ｃｕｔｔｉｎｇ
ａｌＴｎ
ｔｈｒｏｕｇｈ ａｎｄ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈａ］ｒＩｎ
ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗｅ
ｆｉｎｄ ｔｈａｔ
ｔｈｅ
ｓｔｒｅｓｓａ１１Ｔｌ
ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ
ａｌｅ ｅｖｅｎ．Ｎｏ ａｂｒｕｐｔ
ｃｈａｎｇｅ．Ｔｈｅ
ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｃａｎｉｓｔｅｒ
ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ．Ｂｕｔ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ
ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ
ａｎｄ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ
ｉｎｔｅｎａｌ ｃａｎｓｉｔｅｒ ｉｓ
ｔｏｏ
ｇｒｅａｔ．ｔｈｉｓ ｉｓ ｉｎ ｌｉｎｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅｉｒ ａｃｔｕａｌ
ｗｏｒｋ．Ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ
ｗｉｔｈｉｎ
ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｎｉｓｔｅｒ
ａｎｄ ｅｘｐａｎｓｉｏｎｏｎ
ｉｎｔｅｎａｌ ｃａｎｉｓｔｅｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ｓｉｚｅ．Ｐｏｉｎｔ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｉｔ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｓｔ ｉｍｐａｃｔ
ｔｈｅ
ｅｘｔｅｒｎａｌ ｌｏａｄ．Ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｂａｓｅｄ

ｓｐｅｅｄｓｔｏ
ｏｎ
ｔｈｅ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｍ
ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ．Ｔｈｉｓ
Ｃａｌｌ
ｂｅ ｂｅｔｔｅｒ ｐｒｏｔｅｃｔｅｄ
ａｎｄ
ｔｏ
ｅｎｓｕｒｅ
ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．
Ｆｉｇｕｒｅ ５９
ｔａｂｌｅ １
ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ４４ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｍ
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＲｏａｄｈｅａｄｅｒＡｎａｌｙｓｉｓ
ｗｅａｌ
ａｎｄ
ｔｅａｒ
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ
Ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ
●
Ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ
Ｃｈｉｎｅｓｅ ｂｏｏｋｓ ｃａｔａｌｏｇ：ＴＨ４２ １．５
．ＩＩ．
目
录
目摘 引１
录
要……………………………………………………………………………………………………．Ｉ
言……………………………………………………………………………１ 绪论………………………………………………………………………………………………………２１．１
掘进机的国内外研究……………………………………………………２１．１．１
一
我国掘进机发展情况……………………………………………．３
１．１．２国外掘进机发展情况……………………………………………．４ １．２悬臂式掘进机发展的趋势………………………………………………５ １．３我国煤矿主力机型简介…………………………………………………．６１．４ １．５ ２
掘进机内伸缩臂研究的意义…………………………………………．．６ 论文的主要研究内容……………………………………………………７
ＥＢＺ一１ ６０型掘进机基本结构和技术参数……………………………………．８二
２．１
ＥＢＺ．１６０型掘进机主要结构和工作原理………………………………８２．１．１
ＥＢＺ一１６０型掘进机主要结构……………………………………．８
２．１．２工作原理…………………………………………………………一９２．１．３
ＥＢＺ．１６０型掘进机内伸缩臂……………………………………．９
２．２技术参数……………………………………………………………ｂ．１１２．２．１
主体…………………………………………………………………………………一１１
２．２．２切割结构…………………………………………………………１１ ．２．２．３装运机构…………………………………………………………１１ ２．２．４行走机构……

……………………………………………………ｌ ２ ２．２．５液压系统…………………………………………………………．１２ ２－３本章小结……………………………………………………＿．：………．１２ ３截割臂运动和力学研究………………………………………………………１３３．１
运动规律………………………………………………………………１３ ３．１．１截割臂垂直升降速度……………………………………………１３ ３．１．２截割臂水平摆动速度…………………………………………．．１４ ３．１－３截割臂轴向顶进速度……………………………………………１６
３．２
力学研究………………………………………………………………１ ６
安徽理工大学硕士学位论文
３．２．１
整机受力稳定性分析……………………………………………１６
３．２．２内伸缩截割臂受力分析…………………………………………１９ ３．３本章小结…………………………………………………………………．２２４ ＥＢＺ一１ ６０型掘进机内伸缩臂三维建模和有限元分析………………………２３ ４．１
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件………………………………………………．…………………………２３４．１．１ ４．１．２ ４．１．３
简述………………………………………………………………２３ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件特点……………………………………………２３ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维实体建模过程…………………………………２３
．
?
４．２有限元方法简介………………………………………………………．２４ ４．２．１有限元方法概述…………………………………………………２４ ４．２．２有限元方法分析基本思路………………………………………２４４．３
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ简介…………………………………………．．２５４．３．１ ４．３．２
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ概述…………………………………………．２５ ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ分析过程………………………………２５
４．４掘进机伸缩臂关键零件的实体建模…………………………………．２６４．４．１
主轴建模…………………………………………………………２６
４．４．２伸缩内筒建模……………………………………………………２９ ４．４．３花键套建模………………………………………………………２９ ４．４．４浮动密封架建模

…………………………………………………２９ ４．４．５伸缩外筒建模……………………………………………………３０ ４．４．６伸缩保护筒建模…………………………………………………．３０ ４．４．７装配体建模………………………………………………………３ ｌ●．
４．５掘进机伸缩臂有限元分析……………………………………………．３１ ４．５．１连接条件的设定…………………………………………………３２ ４．５．２约束条件和载荷的设定…………………………………………３２４．５．３
网格划分…………………………………………………………３３
４．５．４结果分析…………………………………………………………３３ ４．６本章小结…………………………………………………………………４３５
ＥＢＺ．１６０型掘进机内伸缩臂参数优化………………………………………４４
一ＩＶ．
目
录
５．１缩小伸缩量变形分析……………………………………………………４４ ５．２降低作用力变形分析……………………………………………………４６ ５．３降低扭矩变形分析………………………………………………………４７ ５．４结果分析…………………………………………………………………４９ ５．５本章小结…………………………………………………………………４９ ６总结与展望……………………………………………………………………５０ ６．１总结………………………………………………………………………５０ ６．２展望………………………………………………………………………５０ 参考文献……………………………………………………………………………５ １ 附录………………………………………………………………………………………………………５３
附录１…………………………………………………………………………………………………５３ 附蜀乏２…………………………………………………………………………………………………５３ 附蜀乏３…………………………………………………………………………………………………５４ 附录４…………………………………………………………………………………………………５４ 附录５…………………………………………………………………………………………………５５附录６…………………………………………………………………………………………………５６
附录７……………………………

……………………………………………………………………５７ 附勇乏８…………………………………………………………………………………………………５９ 致谢………………………………………………………………………………………………………６１ 作者简介及读研期间主要科研成果……………………………………………．６２
．Ｖ．
安徽理工大学硕士学位论文
Ｃｏｎｔｅｎｔｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ…．．．…．…．．．……．．………．．．．……．．……………．……．．．…．．．．．……Ｉ Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ……．…．…………．．．……．．．．．．．．．．…．…．…．．．．…．．．．．．．．．．…．．．．．１１
Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．：１
２ Ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｓ缸ｕｃｎｌｒｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ＥＢＺ一１ ６０ ３ Ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ４
Ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ……８
ａｎｄ
ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｓｔｕｄｙ ｏｆｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｍ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１３
Ｔｈｅ
ｔｈｒｅｅ?－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ＥＢＺ?－１ ６０
Ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ５
ａｒｍ…………………………………………２３
Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ
ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｏｆ ｔｈｅ ＥＢＺ一１ ６０ Ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ
ａｒｍ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．。．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．４４ ６ Ｓｕｍｍａｒｙ ａｎｄ Ｏｕｔｌｏｏｋ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．：；（）Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

．．．．．．！；１
Ａｐｐｅｎｄｉｘ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．！；３
Ｐｏｓｔｓｃｒｉｐｔ
ｏｒ
Ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．６１
Ｒｅｓｕｍｅ ｏｆ
ｔｕｔｏｒ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．６：２１
●
．ＶＩ．
引
言
引
言
悬臂式掘进机是煤矿井下巷道施工的主要掘进设备。我国于１９６２年开始掘进 机的研制工作，经过几十年的发展，我国在悬臂式掘进机的设计、生产、使用等 方面都有了较大发展，并开始走向了国际市场。但与国外相比，我国在掘进机的 设计、开发阶段还存在不小差距。目前，我们的设计理念、设计手段、制造工艺、 检测实验等方面相对都比较落后。 随着掘进机的迅速发展，国内专家、学者从多方面、多角度对掘进机进行了 研究。陈淑莲针对悬臂式掘进机切割头运动特性进行过研究，并分别推导和建立 横截割头和纵截割头刀齿尖的运动方程，分析了其运动特性。黄艳等研究了悬臂 掘进机断面的成型过程与成型原理，建立了断面成型控制的数学模型，分析了横 轴式截割头刀齿的运动轨迹、速度和加速度以及在截割过程中，截割头的摆动力 与摆动速度的变化规律，并从保证截割头功率或截割力充分发挥的原则出发，导 出了截割力与摆动力合理匹配关系数的一般范围，从而为液压摆动机构的设计提 供了理论依据。 从现在掌握的情况来看，目前针对掘进机内伸缩的研究相对较少；中国煤炭 研究总院太原研究院的杨春海，就掘进机的内伸缩臂的机构的改进进行过研究。 然而内伸缩式掘进机在使用时，往往位于伸缩内筒和伸缩外筒的地方磨损严重， 易损坏。本论文主要是利用有限元分析方法检验该区域是否存在较大变形，寻找 其影响因素，并适当进行优化，以改善使用特性。
安徽理：Ｔ＝大学硕士学位论文
１
绪论
掘进机械主要用于矿山及地下工程中的巷道掘进。同传统的钻爆法相比、采 用掘进机作业，具有掘进速度快、巷道成型和稳定性好、瓦斯突出少、利于支护、 工程量小、劳动强度低、生产安全等优点。 悬臂式掘进机是煤矿井下巷道施工的主要掘进设

备，根据截割头与截割臂的 结构形式，掘进机可分为两类：纵轴式掘进机和横轴式掘进机。纵轴式掘进机是 一种部分断面巷道掘进机，在工作时，截割头的旋转轴线与截割臂轴线重合，这 种掘进机向工作面方向推进时，不受任何限制，就可达到截割深度，因此，钻进 效率较高，尤其在煤巷掘进中使用较为经济，如图１（ａ）所示。横轴式掘进机主要 由截割头、工作臂、装碴铲板、回转台、驾驶室、中间输送机、行走机构、液压 系统、电气系统和喷雾降尘系统等组成。在工作时，截割头截齿按空间螺旋线运 动。向工作面推进时，由于受两半球截割头中间的传动箱所限，每次进刀的深度 较小，须作大量左右摆动，才能达到截深。横轴式掘进机截割头呈圆形，截割后 在两侧巷道上出现与截割头形状相等的弧形台阶。截割较硬煤岩时的振动明显低 于纵轴式掘进机，稳定性能好。如ＡＭ一５０、ＥＢＺ－７５等型掘进机属此机型，如图１（ｂ） 所示。
（ａ）纵轴式掘进机 图１掘进机的图形
（ｂ）横轴式掘进机
Ｆｉｇ．１ Ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ
１．１掘进机的国内外研究
．２．
１
绪论
１．１．１我国掘进机发展情况 我国于１９６２年开始掘进机的研制工作，最初是仿前苏联产品，机身轻，功率 小，性能差，未广泛应用。２０世纪６０年代初期到７０年代末，这一阶段主要是以 引进国外掘进机为主，也定型生产了几种机型，在引进的同时进行消化、吸收， 为我国悬臂式掘进机的第二阶段的发展打下了良好的技术基础。这一阶段掘进机 的主要特点是：使用范围越来越广，切割能力逐步提高，有切割夹岩和过断层的 能力。 ２０世纪７０年代末到８０年代末，我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并 逐步地实现了国产化，其典型的代表是与奥地利、日本合作生产的ＡＭ５０型及 Ｓ１００型，这两种机型现已成为国内市场主导产品。其后，国产掘进机研制步伐也 在加快，我国自行设计制造了几种悬臂式掘进机，先后研制了ＥＬ．９０，ＥＬＭＢ。５５，ＥＢＪ．６５／４８，ＥＬＭＢ，ＥＭＩＡ３０，ＥＭＳ．７５，ＥＬ．９０，ＥＢＪ—１３２，ＥＢＪ．１６０，ＭＲＨ．Ｓ１００一４１，
ＥＢＨ．１３２，ＡＭ．５０，ＥＪ．７０等机型。这一阶段悬臂式掘进机的特点是：可靠性较高， 已能适应我国煤巷掘进的需要；半煤岩巷的掘进技术已达到相当的水平。 由２０世纪８０年代末至今，重型机型大批出现，悬臂式掘进机的设计与制造 水平己相当先进，可以根据矿井生产的不同要求实现部分个

性化设计，这一阶段 的代表机型较多，主要有ＥＢＪ型，ＥＬ型及ＥＢＨ型。这一阶段悬臂式掘进机的特点 是：设计水平较为先进，可靠性大幅提高，功能更加完善，功率更大，一些高新 技术已用于机组的自动化控制并逐步发展到全岩巷的掘进。经过几十年的发展， 我国悬臂式掘进机的设计、生产、使用进人了一个较高的水平，并开始走向了国 际市场。 目Ｉ；｛『我国掘进机设计开发与制造也存在一些急需解决的问题，首先是产品设 计理念、设计手段相对落后。无论是研究院所还是制造厂，更多重视追求应用技 术，轻视基础理论的研究。其次是产品制造工艺、检测实验手段、加工设备相对 落后。还有就是主要产品的核心技术并没有完全掌握，我国掘进机的开发主要是 引进、跟踪仿制，缺少创新和自主的知识产权，如液压阀的核心技术靠外国公司 提供。最后是产品使用寿命、可靠性相对进口产品较差，对产品的可靠性和工艺 研究不够。国内技术攻关只侧重于设计结构研究，很少进行可靠性理论、工艺方 法研究。主机用原材料、关键部件如轴承、密封、机电、电气元件、液压元部件 等，在使用寿命和可靠性上都存在较大的差距。这些问题严重影响了产品的可靠 性和使用寿命，需要国内掘进机研究生产厂家在今后的工作中不断探索攻关加以
．３．
安徽理：Ｊ：大学硕士学位论文
解决【１】【２１。
１．１．２国外掘进机发展情况 在全世界范围内，自第二次世界大战以来的几十年，新的理论和新技术被应 用到掘进机的设计、制造和使用之中，使矿山掘进机械有了巨大的进步。劳动者 的劳动强度大大减轻，生产效率得到大幅度提高。 目前，国外掘进机的型式趋于系列化和多样化。截割头的功率５０，－４００ ＫＷ， 机重最轻的有十几吨，最重的可达１６０吨。国外新型掘进机均配备有完善的工况 监测和故障诊断系统，从而可早期发现故障，快速排除故障，大大减少停机时间。 有些重型掘进机还可配置自动控制系统，可以使机器的生产率提高３０％左右，还 可以保证切割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当引起的尖峰负荷，从而延 长机器的使用寿命约２０％。此外，一些发达国家的掘进机电控系统，除完成常规 的控制以外，还具有遥控、程控功能，增设掘进断面自动控制和掘进定向功能， 使掘进机按预定方案作业，大大提高了其自动化程度和掘进效率。 总的看来，近些年来国外悬臂式掘进机的发展与研究情况主要体现在以下几 个方面： １．切割功率能力稳定提高，机器的可靠性高。据报道，日本成功地使用Ｔ

Ｍ６０Ｋ 型掘进机掘进全岩巷引水隧道，截割抗压强度高达１７０－－－２００ ＭＰａ的岩石，目前最 大的ＷＡＶ４０８型掘进机重达１６０ ｔ，切割功率可达４０８ ｋＷ，定位切割断面面积可 达８７．５ ｍ２。以先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加工精度都能进 行严格的控制，又有优越的国际协作条件，选购外购范围宽广，有效地保证了主 机的质量水平。此外，近年来广泛采用了可靠性技术，其突出表现为简化机械结 构，在齿轮传动、机械联接及液压传动方面尽量减少串联系统，有的地方以嵌装 式结构代替螺栓组结构，既简化了结构，又大大提高了整机的可靠性。’
’
２．配套设备多样化。为充分发挥掘进机效能，各国都十分重视综掘（掘锚一体化） 作业线配套设备的研究。为缩短支护时间，在中间稳定顶板条件下，常用机载锚 杆钻机支护，为使掘进机与支护平行作业，运用超前液压支架或自带盾牌掩护支 架。在后配套运输方面，通常采用桥式、带式转载机，后配带式输送机，有条件 时设置活动煤仓。 ３．采用机电一体化技术。国外新型掘进机均配有完善的工况检测和故障诊断系 统，从而可以在早期发现机器故障，并快速排除故障，大大缩短了机器的停机时 间，生产率相应大幅度提高；这样还可以保证切割机构的负载平稳，从而延长机．－４．．
１绪论
器的使用寿命。部分新型掘进机可实现推进方向监控、截割路线循环程序控制、 切割断面轮廓尺寸监控。 ４．研究探索新的截割技术，如高压水射流掘进机的研制、冲击振动式截割机具的‘
研制等。［３１１４１１５】
１．２悬臂式掘进机发展的趋势纵观国内和国外悬臂式掘进机的发展情况，各国都在技术方面进行创新，未 来的发展趋向如下： １．重型化、大功率。随着采煤机械化程度的提高和巷道断面的不断扩大，掘进 机面对越来越硬和研磨性更强的岩石，单向抗压强度超过１７０Ｍｐａ。因此，开发研 制高功率、大质量的重型硬岩掘进机尤为迫切。目前，国外许多重型掘进机截割 功率达到２００—３００ＫＷ，最高可达５００ＫＷ。而我国重型掘进机尚处于发展阶段，截割 功率目前已达２００ＫＷ。越来越高的截割功率虽然可提供给截割头巨大的截割力， 但使机器的振动进一步加剧，对生产率、机器的寿命和日常保养都将产生不利影 响。随之而来的是机器的重量将越来越大，以增加稳定性。 ２．掘、钻、锚一体化。研制集掘、钻、锚为一体的采掘锚综合机组，以实现快 速掘进的同时又能打眼安装锚杆，支护顶板、侧帮，实现

掘进、支护平行作业， 解决掘进机利用率低的问题。因此，掘、钻、锚一体化是实现巷道快速掘进，满 足高产、高效工作面发展需要的重要技术途径。≯
３．喷雾降尘设备随机化。目前，掘进机大多设有内、外喷雾装置，但对呼吸性 粉尘降尘效果差，喷嘴堵塞严重。因此，对现有机型设置机载降尘设备，强化外 喷雾的使用效果，将会使掘进机在工作时的粉尘浓度大大降低。 ４．智能化、自动化。配置激光导向系统、计算机断面控制系统和遥控系统，以 降低对操作人员的反应要求，提高生产效率和生产能力。 ５．矮型化。在加大机重、截割功率和提高截割硬度的前提下，注重发展机身较 低的机型，以易于井下运输和适用于掘进中、小断面巷道，同时也为配置其他辅 助设备（锚杆安装机、辅助工作平台等）带来了方便。 ６．附件化。保留必要的截、装、运、行主要组成功能，将降尘、辅助支护等装 置以附件形式出现。这样，可根据需要选择装配各种附加件，给设计、制造、使 用都带来方便。 ７．装载运输装置亦采用可伸缩型结构，保证机器的机动性和适应性。液压系统 逐步趋于完善、可靠。．５．
安徽理工大学硕士学位论文
１．３我国煤矿主力机型简介我国掘进机技术经过了４０多年的发展，取得了较大的进步。但和西方发达国 家相比，仍存在较大的差别。目前，我国煤矿广泛应用的机型有以下几种。 １．ＡＭ５０、Ｓ．１００型掘进机ＡＭ５０、Ｓ．１ ００型悬臂式掘进机是２０世纪８０年代我国以技贸合作方式引进生
产的中硬煤层巷道掘进机。设备集截割、装运和行走为一体，采用了多种新结构、 新技术，具备截割夹矸煤巷的能力，截割功率均为１００１ｃｗ，截割断面积８，－－，１８ｍ２， 机重约２０ｔ，ＡＭ５０为横向截割头、Ｓ．１００型掘进机为纵向截割头，截割面积皆较 小，但单刀截割力较大，能截割较硬的岩石，适应多种地质条件。这两种机型都
有体积小、质量轻、安装移动灵活等特点。其配套设备为ＱＺＰ—１６０型转载机、ＳＳＪ．６００型可伸缩带式输送机，实现国产化后已在全国累计推广２００多台。ＡＭ５０、 Ｓ一１００型掘进机均为国外上世纪７０年代的产品，设备功率小，机身轻、破岩能力 低及电控装备可靠性差，仅适合条件较好的煤或半煤岩巷道中使用。 ２．ＥＢＪ．１３２，ＥＢＪ．１２０型掘进机 针对ＡＭ５０，Ｓ．１００型掘进机在使用中暴露出的截割能力小，稳定性和工作可 靠性较差等问题，我国自行研制开发了ＥＢＪ一１３２，ＥＢＪ．１２０ＴＰ型掘进

机。这些新 产品具有以下技术特点：１）机身矮、重心低、结构紧凑、可靠性高、操作简单、 维护方便，适合于中等断面巷道掘进；２）采用小直径截割头，单刀截割力大，截 齿布置合理，破岩过断能力强，截割振动小，工作稳定性好；３）液压、电气系统 功能先进，可靠性好。 ３．ＥＢＪ．１６０型半煤岩巷道掘进机 ＥＢＪ．１６０型半煤岩巷道掘进机是国家“八五”科技攻关重点项目产品。该机采 用多种先进的结构设计，整体布置合理，工作可靠，具有生产能力大，截割硬度 高，调动速度快、工作稳定性好、截齿消耗低等特点，其整机综合指标达到９０ 年代先进水平。ＥＢＪ．１６０型重型掘进机不但适用于煤和半煤岩综采工作面巷道掘 进，也适用于类似条件下的工程隧道掘进。目前该机已经批量生产，并出口俄罗 斯，同时也在河南、四川等铁路隧道工程一ｋ推广使用【６】【７】【８】【９１。
１．４掘进机内伸缩臂研究的意义，近几年，随着我国采煤技术装备与矿井配套设施的快速发展，使得矿井生产 能力和自动化程度大幅提高，人们对其性能也提出了越来越高的要求。截割臂是
．６．
１绪论
掘进机的工作机构，它的稳定性、可靠性直接影响着整机性能。【１ ｏ】【１１１ 掘进机性能的好坏不仅仅取决于各构件的单独性能，而且在很大程度上取决 于构件匹配情况。截割头和内伸缩臂是掘进机的重要构件，其不合理匹配，就无 法发挥出各自的性能。合理匹配，对掘进效率、使用寿命和降低能耗等有着重要 意义。【１２】【１３】掘进机截割臂在设计时，其匹配状况并不能令人满意。首先根据设计 者的经验进行设计、试制、试验，然后通过试验结果的对比，修改设计方案，再 试制、试验，如此反复，才能得到一种较好的设计方案。这种设计方法耗资大、 周期长。因此，设计者因受时间和经费所限往往简单地采用参照法决定参数匹配， 其结果虽然能满足基本性能要求，但没有充分发挥其性能指标。因此，为了提高 设计质量，缩短研制周期，在设计阶段采用计算机模拟计算，优化参数，提高掘 进机整机性能是极其必要的。 本课题是针对ＥＢＺ．１６０型掘进机内伸缩截割臂，采用理论与有限元分析相结 合的方法，分析其内伸缩臂工作性能，并对其参数进行优化设计，这对于提高掘 进机的工作性能和整机寿命具有重要意义
１．５论文的主要研究内容根据课题的要求，在课题的研究过程中主要开展以下几方面的工作：１．ＥＢＺ
１６０型内伸缩式掘进机的工作原理、结构特点和工作过程。
２．内伸缩

机构的运动和力学分析，建立内伸缩臂力学模型； ３．用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ对内伸缩臂主要零件进行三维实体建模，并完成截割臂的装 配，利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ对内伸缩臂装配体做有限元分析； ４．逐个分析各零件的分析结果，研究影响伸缩内筒和伸缩外筒变形的因素，寻 找优化方案； ５．优化前后性能比较。
安徽理ＩＴ大学硕＋学位论文
２
ＥＢＺ一１
６０型掘进机基本结构和技术参数
ＥＢＺ－１６０型悬臂式掘进机是集切割、装载、运输、行走于一体的巷道综合掘 进设备，可用于切割任意形状断面的煤及半煤岩巷道，也可用于条件相近的其它 矿山及工程隧道掘进。定位切割时，其最大切割高度为４．３５米，最大切割宽度为 ６．６４米。该机采用了电机和液压混合传动方式，操作简便、可靠，运行平稳。机 器配有高压内喷雾，可有效地抑制切割产生的粉尘和火花，提高工作环境的安全 性。该机可切割煤岩的单向抗压强度为８０～ｌＯＯＭｐａ，可在±１６。坡上作业。该机 后配套转载、运输设备应优先选用桥式胶带转载机和可伸缩式带式输送机或刮板 输送机，转载搭接长度１２米。２．１
ＥＢＺ．１６０型掘进机主要结构和工作原理ＥＢＺ．１６０型掘进机主要结构 本机主要有切割、行走、装运三大机构和液压、水路及电气三大系统组成，
２．１．１
由机器传动机构和液压执行元件实现所规定的动作，进而完成机器的作业过程。
图２为机器传动系统刚１ ４１。
ｌ
２
３
４
５
６
７
８
图２机械传动系统图Ｆｉｇ．２ Ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
１一截割头
２一工作臂
３一截割减速器 ８一行走马达
４～装载机构
５一刮板运输机构 １０一装运马达
６一行走减速器 １ｌ一风冷马达１５一装载减速器
７～行走机构
９一运输减速器
１２一油泵电动机 １６一切割电动机
１３一三联泵
１４一回转工作台
一８－
２
ＥＢＺ一１６０型掘进机基本结构和技术参数
２．１．２工作原理 履带带动机身向前运动，到达工作区域，将铲板和后支腿放下支稳，电机带 动截割头转动，截割臂回转油缸带动截割臂左右摆动，截割臂伸降油缸带动截割 臂上下运动，截割头伸缩油缸可以使掘进机在不移动机身的情况下使截割头向前 进给截割煤岩。截割工作前，首先对截割断面前的底部进行截割清理，尽量平整， 不至于因为铲板下部堆积的煤岩，造成铲板落不到底影响卧底。掏窝槽时，缩回 截割头，开动行走，机器沿巷道轴心向前

至欲截割处，落下铲板、后支撑。伸出 截割头开始切深，同时做微量左右摆动，减少截割阻力。窝槽掏好后，应缩回截 割头，抬起铲板、后支撑，重新移机至截割处，再将铲板和后支撑放下，使机器 稍微抬起，提高机器稳定性。２．１．３
ＥＢＺ。１６０型掘进机内伸缩臂 内伸缩式悬臂的结构见图３，它主要有花键套８，伸缩内筒７、伸缩外筒６，
伸缩保护筒９，截割头主轴ｌ以及轴承、挡圈等组成。截割头主轴ｌ的两端均有 花键，左端装截割头２，１、２用螺钉固定，右端与花键套８的左端相配合，花键 套右端与减速器的输出轴相连，构成传动件间的伸缩机构。截割头轴１有两个轴 承支承。轴向用挡圈３紧固，并加以油封密封。上述机构均装在伸缩内筒７内， 由伸缩内筒７、伸缩外筒６、伸缩保护筒９构成支承件间的伸缩机构。伸缩外筒６ 用螺栓与减速器箱壳相连，其左端与伸缩内筒７用密封圈密封。伸缩内筒７和伸 缩保护筒９，借助于伸缩油缸的动力，可与截割头主轴ｌ一起相对伸缩外筒６和 花键套８伸缩。为了防止伸缩内筒７有相对转动，用导向块和螺钉将其固定在伸 缩保护筒９上。 这种悬臂的结构尺寸小，移动部件的重量轻，移动阻力较小，利于机器的稳定。 但需有较长的花键轴，加工较难，结构也比较复杂【１５】【１６１。 内伸缩截割机构传动方式如图４，首先是驱动电机通过联轴器将转动和扭矩 输送到齿轮减速器，齿轮减速器也是通过联轴器把运动和扭矩传递到截割头。截 割头通过一对伸缩油缸推进或后退来完成伸缩功能。
．９．
安徽理工大学硕士学位论文
１一主轴２一截割头３一挡圈４＿轴承 ５—轴套６＿一申缩外筒７＿一申缩内筒８一花键套９＿一申缩保护筒图３ 内伸缩悬臂的结构
Ｆｉｇ．３ Ｓ仃ｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ
图４内伸缩截割机构传动简图Ｆｉｇ．４
Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｉｎｎｅｒ ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ ｆｒａｍｅｗｏｒｋ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｌ一电机２一联轴器３一减速器４—伸缩油缸５—伸缩悬臂段６＿截割头
．１０．
２
ＥＢＺ．１ ６０型掘进机基本结构和技术参数
２．２技术参数２．２．１
主体１０４５４×３０６０×１６５０￣２８ ４．３５ｒ■
３，ｔ－形）２寸：长×宽×高 最大截割断面 最大截割高度 最大截割宽度 切割煤岩最大单向抗压强度 适应工作最大坡度 卧底深度 总质量 总功率 供电电压 供电频率 供水水压 ２．２．２切割结构 电动机型号 功率 转速 截割头形式 截割头直径

截割头转速 截割头最大伸缩距离 ２．２．３装运机构 液压马达型号 排量 工作压力 转速 装载型式 星轮转速‘
Ｉ
眦ｏｍ
６．４６ ８０～１００ ±１６２５０ ５３ ２８３ １１４０ ５０ １．５～５ Ｖ
ｍ№㈠ 弼）ｎ
一ｔ删ｖ
ＹＢＵＳ—ｌ ６０１６０ １４８ｌ
纵轴式１１２０２７ ５５０
Ｈ１Ｃ５５ＦＭｌＲＭＮＢＲ（２台）５５×２２ ２５ １３００
星轮３３
安徽理工入学硕士学位论文
装载铲板宽度 刮板输送机型式 输送能力 链速 溜槽宽度 龙门高度 ２．２．４行走机构 型式 行走速度 履带最大牵引力 履带板宽度 履带中心距 公称接地比压 ２．２．５液压系统 泵站功率 油泵电机转速 邮箱容积 切割臂升降油缸 缸径／活塞杆直径 行程 切割臂回转油缸 缸径／活塞杆直径 行程 截割头伸缩油缸 缸径／活塞杆直径 行程
３５００
ｎＵｎ
边双链刮板式３０００．９２ ６３０
ｍ３／ｈ ｍ／ｓｎ１Ｉｎ
３５０
Ｉｍ
履带式０．０６４ ２Ｘ２８０６５０ ２２５０ Ｏ．１３
眺烈
～ 一№
９０ １４８０ ６００
Ｋｗ ｒｐｍ Ｌ
２００／１１０ ５５９
ｎ】ｍ ｎｌｍ
２００／１１０８８０
ＩＩＵｎ
ｍｍ
１２５／８０ ５５０
ｎｍｌｎｌｒｎ
２．３本章小结本章主要是研究了ＥＢＺ一１６０型掘进机的基本机构、技术参数和工作模式，分 析了内伸缩臂的结构和传动方式。这位后面进行运动学和力学分析提供了依据。．１２．
３截割臂运动和力学研究
３截割臂运动和力学研究在进行掘进工作前，履带带动机身向前运动，到达工作区域，将铲板和后支 撑放下支稳，电机带动截割头转动，截割臂回转油缸带动截割臂左右摆动，截割 臂伸降油缸带动截割臂上下运动，截割头伸缩油缸可以使掘进机在不移动机身的 情况下使截割头向前进给截割煤岩。截割工作前，首先对截割断面前的底部进行 截割清理，尽量平整，不至于因为铲板下部堆积的煤岩，造成铲板落不到底影响 卧底。掏窝槽时，缩回截割头，开动行走，机器沿巷道轴心向前至欲截割处，落 下铲板、后支撑。伸出截割头开始切深，同时做微量左右摆动，减少截割阻力， 截割深度可以根据不同煤岩确定。窝槽掏好后，应缩回截割头，抬起铲板、后支 撑，重新移机至截割处，再将铲板和后支撑放下，使机器稍微抬起，提高机器稳 定性。 工作机构的工作主要是由截割臂回转油缸、截割臂升降油缸和截割臂伸缩油 缸相互配合完成。１１７］
３．１运动规律截割臂具有上下、左右摆动和轴向项进三种运动方式，其动力均来源于液压 油缸。【１８】

３．１．１截割臂垂直升降速度 截割臂垂直摆动结构如图５所示，主动件为活塞杆，液压油进入油缸，推动 活塞杆运动，带动截割臂垂直摆动。［１９１［２０】
图５截割臂上下摆动速度Ｆｉｇ．５
Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｍ ｆｌｕｃｔｕａｔｅ ｓｗａｙ
一１３—
安徽理工大学硕士学位论文
截割臂向上摆动速度ｖ。
Ｖ。＝半ｈ
（３－１）
２署。’
４０ｐ．
式中：
三——截割臂长度，ｍｍ； 厶——升降油在截割臂上接点至截割臂终点长度，ｍｍ； Ｑ——液压系统额定流量，Ｌ／ｍｉｎ； Ｄｌ——升降油缸内径，ｍｍ； ｖ．——升降油缸活塞推进速度，ｒｅ／ｒａｉｎ； 口——升降油缸活塞杆水平夹角，度。截割臂向下摆动速度ｖｄ
１，ｄ：掣（３－２）Ｖｄ
２二—７一
圹署％式中：’
ｖ，——升降油缸活塞退回速度，ｍ／ｍｉｎ；ｄ，——－于ｆ．降油缸活塞杆直径，ｍｍ。 ３．１．２截割臂水平摆动速度 截割臂水平摆动是由两个水平回转油缸一推一拉实现的，其工作原理如图６ 所示。【２１】【冽【２３】
．．１４．．
３截割臂运动和力学研究
图６截割臂水平摆动速度Ｆｉｇ．６ Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｍ ｆｌｕｃｔｕａｔｅ ｓｗａｙ
ｑ
妒南式中：
２再Ｖ丽１
（３—３）
ｓ；ｍ§ｓ试口， ｓｉｌｌ肚；ｓｉＩｌ矾Ｓ７
垫把（３—３）代Ａ．（３－４）得：
兰
（３４）
ｑ一 二 如一Ｓ以上
尺一．一、￡ｄ竺掭
．＿一ｎ一竺 ０一，：一。一
式中：
Ｄ２、ｄ２——水平回转油缸缸径和活塞杆直径，在稳定运行时，ｇ＋ｑ’＝ｑｏ，则：ｑｏ
２———丽＿＿一 ＋一ｚｃ．（Ｄ２－ｄ２）．ｃａ２．．１２．Ｒ．ｓｉｎｏｔ＇．４Ｓ’
．．７ｔ＂?Ｄ；?０）Ｉ?１２?Ｒ?ｓｉｎａ
由于刚性连接，一推一拉两个液压缸推动悬臂摆动的角速度必相等，即ｑ＝国２＝ＣＯ，故：
因此，可得截割头摆动线速度：－１５．
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为计算分析方便，可简化为：
Ｖ＝磊评可４ｑｏｉ＇（Ｌ丽＋Ｍ碉）（３－５）３．１．３截割臂轴向顶进速度 ＥＢＺ．１６０型掘进机轴向顶进时，主要是靠伸缩油缸来实现的，故：
Ｖ：＝等冗?Ｕｉ
Ｖ，＝———寻式中：
ｆ３－６ｌ （３－６）
ｖ，——伸缩臂轴向顶进速度，ｍ／ｍｉｎ；Ｑ——液压系统额定流量，Ｌ／ｍｉｎ： 及——伸缩油缸内径，ＩｌＩｌＴＩ。
３．２力学研究ＥＢＺ．１６０型掘进机在掘进巷道时，截割头首先钻进工作面一定深度，然后横

向摆动截割，达到巷道边界后，沿垂直方向截割一定高度，再水平摆动截割，如 此循环往复，直到完成全工作面的截割。 由此可见，其截割过程可分为纵向钻进、水平截割和垂直截割三种工作方式。 因此，对伸缩臂进行受力分析也应按照工作方式分别进行。［２４］１２５】【２６】 ３．２．１整机受力稳定性分析 掘进机工作时，上下摆动截割时，受力如图７－ａ所示，截割头受到的阻力分 别是上升阻力Ｃ、下降阻力Ｅ；左右摆动截割时，受力如图７－ｂ所示，横向阻力 Ｅ；纵向钻进时受力如图７－ｃ所示，纵向阻力Ｅ。掘进机工作时，截割头同时还 受到径向切割阻力Ｅ的作用，其大小随截割条件的不同而不同，岩石越硬，截割 深度越深，Ｃ就越大。Ｃ的计算方法通常是通过电机输出的扭矩丁获的：［２６１１２７１１２８１１２９］
额定截割扭矩丁：
Ｍ．５５鲁ＫＮｍ（３－７）．１６．
３截割臂运动和力学研究
式中：
Ⅳ——截割电机功率，Ｋｗ： 聆——截割头转速，ｒ／ｍｉｎ
ａ上下摆动截割
ｂ左右摆动截割 图７掘进机截割受力分析
ｃ纵向钻进
Ｆｉｇ．７ Ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ ｗｏｒｋｉｎｇ
根据以上对掘进机工作时进行的受力分析，可以对ＥＢＺ．１６０型掘进机进行稳 定性分析。见图８
ＦｚＺ
ｆ ＯＬＦｚ
Ｏ
广。Ｘ
安徽理丁大学硕士学位论文
∥——掘进机与底板的附着系数。 由于上升角度口不太大，Ｆ。的分力只ｓｉｎａ小于《， 即整机在水平方向不会发生移动，故不予考虑。 由以上分析可知，要保证整机的稳定，则：
Ｍ尼≤面Ｇ．ｂ即：
（３－１１）
只≤＝研＝焉再Ｇ．ｂ＝面ｃ——机器重心到回转台转动中心的水平距离，ｍ
（３－１２）
２．当截割头向下摆动截割时，下降阻力Ｆ。产生的倾翻力矩ＭＦｘ：’
Ｍ府＝只?ｃ。ｓ口（三?ｃ。ｓ口＋磊ｃ＋万ａ＋Ｐ］＋Ｅ?ｓｉｎ口（Ｌ．ｓｉｎａ＋Ｈ）
（３＿１３）
｛２蒜ａ．ａ一砂∥
（３—１４）
至
兰唧。１８，
＋ｓｉｎａ－ｃｏｓｆｌ（Ｌ。ｓｉｎａ＋／－／）
（３．１５）
３截割臂运动和力学研究
３．左右摆动截割时，横向阻力Ｆｈ的方向与截割头的摆动方向相反。由于悬臂不 是很长，摆角通常不大，且机器纵、横向尺寸差不多，所以，该力不会导致机器 横向倾翻，但可能使机身横向摆动，按最不利的条件考虑，其偏转力矩ＭＦｈ为：【３０ｌ
Ｍ而＝Ｅｐ……茹）为保证机器稳定，则： Ｍ砌≤Ｇ?∥?ａ即：
ｐ峋
（３—１７）
Ｅ≤＿‰兄 易—ａ

一口 一Ｏ ｐｈ
三?ＣＯＳ（Ｚ＋Ｐ－Ｉ－＝ ｃｏｓｐ＇
（３－１８）
４．掘进机纵向钻进时，主要是靠伸缩机构推进，其大小与截割头受到的煤壁推进 阻力、掘进机与底板的摩擦阻力及伸缩油缸的推进力有关。掘进过程中，由于煤 壁硬度不同，推进阻力Ｆｚ也不是定值，为保证整机稳定，则，
五∥一∥ｐ—Ｇ｜Ｉ￡一４
者竿弘一
（３—１９）
墨
式中：
Ｇ一掘进机重量，ＫＮ；Ｐ——伸缩油缸工作压力，Ⅷａ：Ｄ——伸缩油缸缸径，ｍｎ＇ｌ。 ３．２．２内伸缩截割臂受力分析 掘进机工作时，不同的掘进方式，伸缩臂上受力情况也不一样。因此，对掘 进机伸缩臂上进行受力分析时，也应按照纵向钻进、水平截割和垂直截割三种方 式分别进行。 １．向上摆动时截割臂的受力分析 截割头向上摆动截割时，截割头受到上升阻力Ｅ、纵向阻力疋，和径向切割
阻力Ｂ作用，故伸缩臂受力如图９所示，根据静力学平衡∑Ｆ＝ｏ和∑Ｍ＝ｏ建立如下方程：一１９．
安徽理丁大学硕士学位论文
Ｚ
ＬＹＦｚｓ
Ｌ
ｘ
图９截割臂上摆受力分析Ｆｉｇ．９ Ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｒｍ ｕｐ ｓｗａｙ
只?ｓｉｎａ?ｃｏｓｐ＋疋?ｓｉｎｆｌ＋２Ｆ！?ｃｏｓｙ?ｃｏｓｆｌ＋２Ｒｚ一巴?ＣＯＳＯｆ?ｃｏｓｆｌ＝０ 只‘ｓｉｎ口。ｓｉｎ∥一疋。ｃｏｓｆｌ＋２Ｆｌ‘ｃｏｓｙ＂ｓｉｎｆｌ＋２Ｒｙ一兄‘ｃｏｓ口。ｓｉｎ∥＝Ｏ（３－２０） ２互?ｓｉｎｙ＋２Ｒｚ—只?ＣＯＳＯｆ—Ｇ６一足‘ｓｉｎＯｆ＝０
只?Ｌ＋Ｇ６?岛?ｃｏｓ口一２Ｆ，?厶?ｓｉｎ（ａ，一Ｏｆ）＝０式中：
只——．ｆ申缩臂上升时截割头的切向阻力，ＫＮ； Ｅ——单个支撑油缸推进力，ＫＮ； Ｒｒ——单个支撑轴承Ｘ向的支承力，ＫＮ； 欠，——单个支撑轴承Ｙ向的支承力，ＫＮ； Ｊ５ｃ，——单个支撑轴承Ｚ向的支承力，ＫＮ； Ｅ，：——伸缩臂上升时的纵向阻力，ＫＮ； Ｇ。——截割臂自重，ＫＮ； 厶——支承轴承到支承油缸接点的距离，ｍｍ； 厶——支承轴承到截割臂重心的距离，ｍｍ； ｙ——支承油缸的水平夹角，。。２．向下摆动时截割臂受力分析
截割头向下上摆动截割时，截割头受到下降阻力Ｒ、纵向阻力Ｐ，和径向切
割阻力已作用，故伸缩臂受力如图１０所示，根据静力学平衡∑Ｆ＝ｏ和∑Ｍ＝ｏ建立如下方程：
．２０．
３截割臂运动和力学研究
ｚ
Ｌ丫Ｌ图１０截割臂向下摆受力分析Ｆｉｇ．１ ０ Ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｃｕｔｔｉｎｇａｎｎ
ａｄ

ｏｗｎ ｓｗａｙ
—Ｃ?ｓｉｎｃｒ?ＣＯＳ／日－－疋?ｅｏｓｐ一２Ｅ?ｃｏｓｙ?ｃｏｓｐ一疋?ＣＯＳａ?ｃｏｓｆｌ＋２Ｒｘ＝０ 一Ｅ?ｓｉｎａ?ｓｉｎｐ＋Ｆｒ，?ｓｉｎｆｌ一２Ｆ２。ｃｏｓ７＂?ｓｉｎｆｌ一兄?ＣＯＳＯｆ?ｓｉｎｆｌ＋２Ｒｙ＝０，，，’１、 Ｃ．ｃｏｓ口一Ｇｂ一２Ｆ．ｓｉｎ７＂一兄．ｓｉｎａ＋２Ｒｚ＝Ｏ Ｅ?三一皖?乞?ＧＯＳｔｚ一２Ｆ?厶。ｓｍ（ｒ一∥）＝０式中：
…１７
疋——伸缩臂下降时截割头的切向阻力，ＫＮ； 只——单个支撑油缸回缩力，ＫＮ
足——伸缩臂下降时的纵向阻力，ＫＮ；３．左右摆动时截割臂受力分析 截割头左右摆动时，截割臂受力情况如图１１所示（以向左摆动为例），根据
静力学平衡∑Ｆ＝ｏ和∑Ｍ＝ｏ建立如下方程：
Ｚ
Ｌ丫Ｌ图１１截割臂左右摆动受力分析Ｆｉｇ．１１ Ｆｏｒｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
ｃｕｔｔｉｎｇ姗ｒｉｇｈｔ ａｎｄ ｌｅｆｔ ｓｗａｙ－２１一
安徽理工大学硕士学位论文
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’（３－２２）
式中：
厶——－ｆ申缩臂向左摆动时截割头的切向阻力，ＫＮ 匕——伸缩臂向左摆动时的纵向阻力，ＫＮ。４．纵向顶进时，截割臂受到截割扭矩和纵向阻力的作用，受力情况比较简单，这 里不做研究。
３．３本章小结本章通过对ＥＢＺ．１６０型掘进机在不同掘进方式下截割臂运动、整机稳定性和 截割臂的受力分析，获得了其在纵向顶进、上下摆动和左右摆动截割时的数学模 型，为后面的有限元分析和参数优化设计提供了理论依据。
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ＥＢＺ．１６０型掘进机内伸缩臂三维建模和有限元分析
４４．１
ＥＢＺ．１６０型掘进机内伸缩臂三维建模和有限元分析ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件简述
４．１．１
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ是美国ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ公司开发研制的三维设计软件。ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的 设计思路十分清晰，设计理念容易理解，模型采用参数化驱动，用数值参数和几 何约束来控制三维几何体建模过程，生成三维零件和装配体模型；在根据工程实 际需要做出不同的二维视图和各种标注，完成零件工程图和装配工程图。从几何 体模型直到工程图的全部设计环节，实现全方位的实时编辑修改，能够应对频繁 的设计变

更。【３１】【３２１１３３】４．１．２
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ软件特点
１．易学、易用，操作过程简单、直观，功能强大。 ２．基于特征的参数化实体建模。用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ的拉伸、旋转、倒角、抽壳和倒 园等特征的三维实体造型工具，能够方便快捷地创建任何负复杂形状的实体。在 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ中可以创建具有参数化特征的实体，可以通过对尺寸的改变来进行编 辑，可以实现系列零件尺寸驱动设计和编辑。 ３．装配设计和工程分析。利用分析工具可以进行动态、静态干涉检查、计算质 量特征，如质心、惯性矩等。 ４．兼容二维ＡｕｔｏＣＡＤ，可以根据需要，利用ＶＢ和ＶＣ＋＋对其进行二次开发。 ５．ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ生成的模型可以满足其它软件的有限元分析、运动学分析、数控 加工等。４．１．３
ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ三维实体建模过程
１．零件图建模 首先在草图上建立基本特征，然后在其上添加其它几何特征或辅助特征便可 生成零件的实体模型。 几何特征是构成零件实体模型的基本要素，主要是在基本特征的基础上创建 细节特征。它分为草图特征和直接生成特征。草图特征是指在草图绘制面内，利 用轮廓线或面，通过拉伸、旋转、切除等方法形成；直接生成特征是在实体模型 上直接参数化地创建的特征，它只需要确定建立特征的位置和输入相关的参数即
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安徽理工大学硕士学位论文
司。
零件建模的过程，就是不断的在基体上构造几何特征的过程。 ２．装配体的建模 将所有的三维零件实体模型，模拟实际工作环境装配合成一台完整的机器。 装配后，可以进行运动测试。
４．２有限元方法简介４．２．１有限元方法概述
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有限元法是一种新的数值分析方法，它是将连续的求解区域离散为一组有限 个数且按一定的方式相互联结在一起的单元组合体。这样的组合体能用来模拟和 逼近求解域。由于单位能按不同点方式联结组合，且单元本身又有不同的形状， 所以这个组合体可以模型化几何形状非常复杂的求解域。 有限元法是利用每一个单元内假设的近似函数来分片地表示整个求解域上待 求的未知场函数。单元内的近似函数通常是由未知场函数或其导函数在单元的各 个结点的数值和其插函数来表达。因此，在有限元分析中，未知场函数及其导数 在各个结点上的数值就成了新的未知量，也就是自由度，从而使连续的无限自由 度问题转变为离散的自由度问题。一旦求出这些未知量，就可以通过插值函数计 算出各个单元内场函数的近似值，进而求得整个求解域上的

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