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摘要
掘進機是巷道掘進和隧道施工的重要設備，它具有截割、裝載、轉運、獨立行走、噴霧降塵等功能。但隨著現代化建設的不斷加快，礦山機械的迅猛發(fā)展以及對能源和建設等要求的不斷增大，掘進機的性能還不能夠完全滿足要求，所以迫切要求設計出能夠滿足工況要求的新型掘進機。
掘進機的轉運機構是掘進機十分重要的工作機構，轉運機構運輸能力的大小直接影響掘進機的掘進速度。本設計主要針對縱軸式掘進機轉運機構方案設計及其技術設計。通過應用掘進機設計的一系列知識，對掘進機轉運機構加以分析設計，運輸系統(tǒng)采用刮板輸送機，液壓馬達驅動，取消轉運減速器，運輸部根據需要選用的圓環(huán)鏈為邊雙鏈，使轉運機構結構更加緊湊，運轉更加協(xié)調，減少了故障的發(fā)生，以更好的適應井下復雜多變的巷道情況。
關鍵詞： 縱軸式掘進機；轉運機構設計；邊雙鏈
Ⅰ
Abstract
The driving machine is the important equipment of tunnel excavation and tunnel construction, which has the function of cutting, loading, transporting, walking independently, spraying dust and dust etc.. But with accelerating modernization, the rapid development of mining machinery, as well as demand for energy and construction is increasing, roadheader performance can not fully meet the requirements, there is an urgent request to design to meet the requirements of working conditions of new type roadheader.
The transport mechanism of the tunneling machine is the important working mechanism of the tunneling machine, and the transportation capacity of the transportation mechanism directly influences the driving speed of the tunneling machine.. This design is mainly to the transport mechanism of longitudinal roadheader design and technical design. Through the application of tunnel boring machine design of a series of knowledge, the transport mechanism of roadheader be analysis and design, transportation system using scraper conveyor, hydraulic motor driven, cancel the transfer speed reducer, Department of transportation according to need to use round link chain for edge double chain, transport structure is more compact, running a more coordinated, and reduce the occurrence of the fault, to better adapt to the underground complex tunnel.
Key words: Roadheader; transport mechanism design; double side chain
目錄
摘要 I
Abstract II
前言 1
1 概述 2
1.1 國內外掘進機的發(fā)展、現狀 2
1.1.1國外掘進機的發(fā)展概況 2
1.1.2國內掘進機的發(fā)展概況 3
1.2掘進機技術的發(fā)展趨勢 3
1.3掘進機的基本組成 4
2 轉運機構方案設計 6
2.1 結構方案設計 6
2.1.1 運輸方式選擇 6
2.1.2刮板輸送機的結構形式選擇 8
2.1.3刮板輸送機的布置形式選擇 9
2.1.4 驅動裝置布置 10
2.1.5 刮板鏈的布置 10
2.1.6 溜槽的布置 13
2.1.7 張緊裝置 14
2.2 參數確定 18
2.3 動力元件選擇 19
2.3.1 電動機與馬達的比較 19
2.3.2 液壓馬達的選擇計算 20
2.4傳動系統(tǒng)確定 25
3.轉運機構技術設計 26
3.1鏈輪的設計計算 26
3.1.1 鏈輪齒數選擇和圓環(huán)鏈的選擇 26
3.1.2 鏈輪的各部分幾何尺寸計算 27
3.2 鏈輪軸的設計計算 31
3.2.1確定最小直徑 32
3.2.2軸的長度確定 32
3.3刮板鏈的設計計算 33
3.3.1判斷最小張力點 33
3.3.2各點張力計算 34
3.3.3刮板鏈強度驗算 35
3.4轉運機構參數驗算 35
3.4.1溜槽斷面驗算 35
3.4.2鏈輪軸的強度校驗 36
4經濟技術分析 39
5總結 40
致謝 41
參考文獻 42
附錄A 43
附錄B 4
3
前言
隨著回采工作面綜合機械化程度的不斷提高，要求巷道掘進速度隨之加快，以保證采掘比例協(xié)調和礦井的高產穩(wěn)產。
目前，巷道掘進有兩種方法，分別是鉆爆法和掘進機法。鉆爆法首先要在工作面上鉆出炮眼，然后在炮眼內裝入炸藥進行爆破，然后用裝載機械把爆破下來的巖塊裝入礦車中運走。鉆爆法是巷道掘進的傳統(tǒng)技術，它不受煤、巖物理力學特性的限制，但其掘進速度較低。掘進機法沒有鉆眼爆破工序，直接用掘進機上的刀具破落工作面上的巖石，形成所需形狀的巷道，并同時將破落下來的巖塊裝入礦車或運輸機運走，實現了落、裝、運一體化。顯然，掘進機法比鉆爆法掘進速度快、效率高、勞動強度低和安全性較好[1]。
為了保證掘進機的掘進速度，對其運輸能力有一定要求，完成運輸功能的是掘進機轉運機構，轉運機構是掘進機重要的工作機構，轉運機構運輸能力的大小直接決定著整機的生產能力，而其參數選擇、結構設計是否合理直接影響整機的適應性和可靠性。
1 概述
巷道掘進機是一種能夠完成截割、裝載、轉載煤巖，并能自己行走，具有噴霧滅塵等功能的巷道掘進聯合機組[2]，根據其不同的工作方式可將其分為全斷面掘進機和部分斷面掘進機。全斷面掘進機能夠一次性截割出所需要的斷面，且斷面形狀大部分為圓形，主要被用于工程涵洞和隧道等巖石掘進；部分斷面掘進機一次只能截割斷面的一部分，它需要工作機構多次上下、左右擺動、移動，才能逐漸地截割掘出所需斷面，其斷面形狀有矩形、梯形、拱形等形狀。其中懸臂式斷面掘進機的使用比較普遍。
1.1 國內外掘進機的發(fā)展、現狀
1.1.1國外掘進機的發(fā)展概況
英國、前蘇聯、德國、美國等國在上個世紀的30年代，就已經開始了煤礦巷道用掘進機的研制工作，但其得到較廣泛的工業(yè)性應用還是在第二次世界大戰(zhàn)之后。1948年，匈牙利開始研制F系列煤巷掘進機。1949年生產的F2型掘進機，是世界上的第一臺懸臂式掘進機，不過當時還未能實現懸臂式掘進機的全部功能。1951年匈牙利研制了采用履帶行走機構的F4型懸臂式掘進機，這種機型除采用橫軸截割方式和調動靈活的履帶行走機構之外，還采用了鏟板和星輪裝載機構，并采用了刮板運輸機轉運物料。這種機型已經具備了現代懸臂式掘進機的雛形。F系列掘進機是目前懸臂式橫軸掘進機的原始機型。
目前國外的掘進機生產單位有：奧地利的奧鋼聯、德國的阿特拉斯普客-埃克霍夫掘進機技術公司，保拉特有限公司級維斯特法利亞呂恩公司等。這些公司的掘進機技術發(fā)展水平基本上代表著國外先進的懸臂式掘進機的技術現狀。國外早期掘進機的控制。操作回路一般都通過操作安裝在隔爆型主令箱上的按鈕或手把開關來控制傳統(tǒng)的交流中間繼電器電路，進而通過繼電器接點來對主回路交流接觸器進行二次控制。近幾十年來，體積小、功率低、可靠性高的光電耦合元件作為隔離和轉換器件在本安型控制先導回路中得到了廣泛額應用并取得了良好的效果，在實際應用中取得了良好的效果。
經過半個多世紀的發(fā)展，目前，國外掘進機主要生產國有：英、德、俄羅斯、奧地利、日本等國，所生產的掘進機已被廣泛用于硬度較低的半煤巖的采準巷道掘進，并擴大到巖巷。重型機不移位截割斷面達35~42m，多數機型能在縱向16°、橫向8°的斜坡上可靠工作，截割功率在132~300kW，機重在50~100t，切割巖石硬度f為12。部分機型截割速度已降至1m/s以下，牽引速度采用負載反饋調節(jié)，以適應不同巖石硬度；一些機型除設有后支撐外，還在履帶前后安裝了卡爪式液壓扎腳機構，以便在切割巖石時錨固定位。機電一體化已成為掘進機發(fā)展趨勢，新推出的掘進機可以實現推進方向和斷面監(jiān)控、電動機功率自動調節(jié)、離機遙控操作及工況監(jiān)測和故障診斷，部分掘進機實現PLC控制，實現回路循環(huán)檢測。
1.1.2國內掘進機的發(fā)展概況
我國煤巷高效掘進方式中最主要的方式是懸臂式掘進機與單體錨桿鉆機配套作業(yè)線，也稱為煤巷綜合機械化掘進，在我國國有重點煤礦得到了廣泛應用，主要掘進機械為懸臂式掘進機。
懸臂式掘進機是集支撐、截割、裝運、行走、操作等功能于一體，主要用于截割任意形狀斷面的井下巖石、煤或半煤巖巷道。現在國內的掘進機設計雖然說離國際先進的技術還有段距離，但是國內的技術水平已能基本滿足國內的需求。大中型號的掘進機不斷被創(chuàng)新。主要廠家石煤機、三一、佳木斯都以各自特點屹立國內市場。
然而，國內目前巖巷施工仍以鉆爆法為主，重型懸臂式掘進機用于大斷面巖巷的掘進在我國處于試驗階段，但國內煤炭生產逐步朝向高產、高效、安全方向發(fā)展，煤礦技術設備正在向重型化、大型化、強力化、大功率和機電一體化發(fā)展，新集能源股份公司、新汶礦業(yè)集團、淮南礦業(yè)集團及平頂山煤業(yè)集團公司等企業(yè)先后引進了德國WAV300、奧地利AHM105、英國MK3型重型懸臂式掘進機。全巖巷重型懸臂式掘進機代表了巖巷掘進技術今后的發(fā)展方向。雖然三一重裝前幾年推出了國內第一臺EBZ200H型硬巖掘進機，但國產重型掘進機與國外先進設備的差距除總體性能參數偏低外，在基礎研究方面也比較薄弱。
1.2掘進機技術的發(fā)展趨勢
掘進機的發(fā)展經歷了由小到大、從單一到多樣化的過程，現在已形成輕型、中型、重型3個系列。掘進機正向以下幾個方面發(fā)展：
1）增強截割能力。為了實現較強的截割能力，現代掘進機截割功率不斷增大，截割速度逐漸降低。現代中重型懸臂式掘進機截割功率120~300kW,個別機型達到400kw。截割頭轉速一般為20~50r/min,截割速度1~2m/s，部分機型降低到1 m/s以下。經濟截割硬度100~120MPa,最大可達140 MPa。
2）提高工作可靠性。由于地質條件復雜多變，使掘進機在工作時承受交變的沖擊載荷，且磨損和腐蝕嚴重。而井下的環(huán)境惡劣，空間狹小，檢修不便，因此要求通過完善的設計、高質量的制造及合理的使用和良好的維護來提高其可靠性。
3）采用緊湊化設計，降低重心，提高工作穩(wěn)定性。由于掘進機懸臂過長，使得截割反力較大，不利于機器穩(wěn)定工作。針對這個問題，應采用緊湊化設計，努力降低機器的重心，并在機器的后部或兩側增設油缸穩(wěn)定裝置，以提高機器的工作穩(wěn)定性。
4）增強對各種復雜地質條件的適應性。懸臂式掘進機普遍采用履帶行走裝置，以減小接地比壓；通過增大驅動功率，以增強牽引力和爬坡能力，從而提高對各種底板、工況的適應性。
5）發(fā)展自動控制技術。截割斷面監(jiān)視和控制技術的開發(fā)和應用。采用該技術將實現掘進工作面切割情況較直觀、全面的觀察和了解，并能對斷面切割精度和巷道質量進行控制?；窘鉀Q了掘進機械操作人員在截割過程中離開迎頭，安全、準確操縱的問題和提高巷道質量、生產效率的問題。該技術包括隨設備水平姿態(tài)識別、調整；切割軌跡記錄和顯示；斷面邊界設定；斷面成形控制；前進方向指示和引導；偏離方向和切割超限報警等幾個方面的內容。該技術的進一步發(fā)展將實現掘進機的自動掘進。
6）研究新型刀具和新的截割技術。為增強截割能力、提高刀具的使用壽命，應努力改進刀具的結構，采用新材料，研究新的破巖方法。
7）發(fā)展掘錨機組，實現快速掘進。目前，影響懸臂式掘進機掘進速度的主要因素就是支護時間過長。掘進、支護不能同步作業(yè)，制約了巷道掘進速度，降低了掘進效率。掘錨機組是一種新型、高效、快速的掘進設備，是一種理想的作業(yè)方式，具有良好的發(fā)展前景。
8）向重型化方向發(fā)展。掘進機除用于煤礦巷道掘進外，正在進入鐵路、城市地鐵隧道的掘進以及公路建設等行業(yè)。這就需要掘進機不僅能截割煤，也能截割巖石，并且是全巖的巷道。為了能真正截割全巖，在破巖方法和效率、減振、防塵以及運輸上考慮解決方案，首先截割巖石要有較大的截割力，這樣就必然要增加截割電動機的功率，電動機功率的增加其外形也會相應加大，這樣會使整個掘進機的外形及機體重量隨之增加。掘進機機體重量增加后會有更好的穩(wěn)定性，機體的重力會平衡掉截割力。
1.3掘進機的基本組成
懸臂式掘進機要同時實現將煤巖從礦體分離、裝載運出、并實現機器本身的行走調動和噴霧滅塵等功能。工作時，截割機構的截割頭輸出的扭矩和升降或回轉液壓缸的推、拉力共同轉化為截齒的截割力并施于煤（巖）壁上，將煤（巖）從煤層或圍巖的基體上破落。同時，裝載機構不斷地將破落下的煤（巖）裝入中間刮板輸送機轉運至機后卸載。依靠臂桿帶動截割頭上、下、左、右，依次截割完巷置（或吸塵器），以減少空氣中粉塵濃度。各個機構的動作和各個系統(tǒng)的控制均由司機在機器的操縱臺上操縱。
它主要由截割機構、裝載機構、運輸機構、機架及回轉臺、行走機構、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、冷卻滅塵系統(tǒng)及機器的操作控制與保護等九部分組成[3]。
1）截割機構：又稱為工作機構，主要是由截割頭、懸臂段、截割減速器以及截割電動機組成，部分懸臂式掘進機截割部還設有叉形架，用來保護截割電動機；
2）裝載機構：主要由鏟板及左右對稱的收集裝置組成，裝載機構位于機器前端的下方，其主要作用是將截割機構分離和破碎的物料集中裝載到運輸機構上去；
3）運輸機構：主要由機前部、機后部、驅動裝置、刮板鏈、張緊裝置、脫鏈器和改向輪等組成，運輸機構可采用低速大扭矩液壓馬達直接驅動（或用電動機經減速器驅動），刮板鏈條的張緊通過在運輸機尾部的張緊油缸來實現；
4）機架和回轉臺：機架是整個機器的骨架，承受著來自截割、行走和裝載的各種載荷；回轉臺主要用于實現切割機構的升降和回轉運動，通過大型回轉軸承止口和高強度螺栓支承、聯接，是回轉臺座落在機架上；
5）行走機構：現代掘進機多采用履帶式行走機構。傳統(tǒng)的履帶行走機構通常由“四輪一帶”即：驅動輪、改向輪、支重輪和托鏈輪四輪以及履帶組成。但為了降低行走機構的高度，也有用耐磨框架代替支重輪和托鏈輪的；
6）液壓系統(tǒng)：主要由泵站、控制閥組、油缸、驅動馬達及輔助液壓元件組成，為掘進機提供壓力油，驅動和控制各油缸及馬達，是機器實現相應的動作，并進行液壓保護；
7）電氣系統(tǒng)：向機器提供動力，驅動和控制機器中的所有電動機、電控裝置、照明裝置等，并可實現電氣保護；
8）除塵系統(tǒng)：由內外噴霧裝置組成，用以向工作面噴霧，除去截割時產生的粉塵，還有冷卻截割電動機和液壓系統(tǒng)的功能。
2 轉運機構方案設計
2.1 結構方案設計
2.1.1 運輸方式選擇
轉運機構運輸能力大小直接影響掘進機整機的工作效率，其運輸方式可選刮板輸送機運輸或膠帶輸送機運輸。
1）膠帶輸送機。
膠帶輸送機是以膠帶作為牽引機構和承載機構的一種連續(xù)運轉的運輸設備。主要由機架、輸送帶、托輥、滾筒、張緊裝置、傳動裝置組成。工作時，電動機帶動主動滾筒轉動，主動滾筒通過與膠帶間的摩擦力帶動膠帶及貨載一同運行，當膠帶繞經端部卸載滾筒時進行卸載。它既可以運輸碎散物料，也可進行成件物品的運輸。膠帶輸送機可用于水平及傾斜運輸，傾斜向上運輸時，運送原煤時，允許傾角不大于20°，運送煤塊時，傾角小于18°，向下運輸時，傾角不大于15°。
膠帶輸送機一般分為以下幾類：
a.普通型膠帶輸送機
b.繩架吊掛式膠帶輸送機
c.可伸縮膠帶輸送機
d.鋼絲繩芯膠帶輸送機
e.鋼絲繩牽引膠帶輸送機
膠帶輸送機的特點：
a.優(yōu)點
膠帶輸送機的運輸能力大，工作阻力小，耗電量低，與刮板輸送機相比，其耗電量為刮板輸送機的20%~30%；貨載同膠帶一起運動，對膠帶的磨損小，貨載破碎性小，工作噪聲低；結構簡單，鋪設長度大，減少了轉載次數，節(jié)省人員和設備。
b.缺點
膠帶成本高，初期投資大；強度低，容易損壞，無法承受較大的沖擊與摩擦；機身高，需要專門的裝載設備；不能用于彎曲巷道。
2)刮板輸送機
刮板輸送機作為煤炭運輸的主要運輸設備，在煤炭生產中起著非常重要的作用。由于它結構簡單、使用壽命長，運轉可靠性高、節(jié)能高效、輸送距離長、密封性能好且維修方便，在冶金、建材、化工、火電、礦山等行業(yè)里同樣被廣泛使用。
刮板輸送機是一種有撓性牽引機構的連續(xù)運輸機械。溜槽是煤炭的承載機構，其牽引推運機構是繞過機頭鏈輪和機尾鏈輪（或滾筒）而進行循環(huán)運動的無極閉合的刮板鏈。起動電動機，經液力聯軸器、減速器傳動鏈輪而驅動刮板鏈連續(xù)運轉，將裝在溜槽中的煤炭推運到機頭處卸載轉運。刮板輸送機適用于煤層傾角不超過25度的采煤工作面，但對于間作采煤機軌道與機組配合工作的刮板輸送機，適用的煤層角度一般不超過10度。煤層傾角大時，要采用防滑措施。此外，在采煤工作面下順槽和聯絡眼都可以使用刮板輸送機運送煤炭。目前，采煤工作面多使用可彎曲刮板輸送機，以適應機械化、綜合機械化采煤的需要，與相應的采煤機、金屬支架或自移式液壓支架配套使用。
刮板輸送機常用的分類方式有以下幾種：
a.按牽引的條數和布置方式，可分為單中鏈、邊雙聯和中雙鏈及三鏈型刮板輸送機。
b.按溜槽的布置方式，可分為重疊式和并列式溜槽刮板輸送機。
c.按溜槽的結構，可分為開底式和封底式溜槽刮板輸送機。
d.按卸載方式，可分為端卸式和側卸式刮板輸送機。
e.按功率大小，可分為輕型（單電動機額定功率小于或等于40kw）、中型（大于40kw,小于等于90kw）和重型（大于90kw）刮板輸送機。
刮板輸送機的主要特點：
a.優(yōu)點
由于它機身低矮，可以彎曲，運輸能力大，結構強度高，能適應采煤工作面較惡劣的工作條件，并可作為采煤機運行軌道，有時還作為移置液壓支架的支點：在推移刮板輸送機時，鏟煤板可自動清掃機道浮煤；擋煤板后面有安全電纜、水管的槽架，并對電纜、水管起保護作用，推移輸送機時，電纜、水管隨著同時移動。
b.缺點
運行阻力大，耗電量高，溜槽磨損嚴重；使用維護不當時易出現掉鏈、漂鏈、卡鏈、甚至斷鏈等事故，影響正常運行。
綜上所述，本設計中掘進機主要用于巷道掘進工作，其輸送的物料多為硬度較大、塊度較大的煤巖，對輸送機承受沖擊與摩擦的能力要求較高，故轉運機構選擇刮板輸送機，其位于掘進機中部，前端鉸接于鏟板上，后部托在機架上，其作用是將裝載機構收集起來的物料運至機后的轉載設備，由前溜槽、后溜槽、刮板鏈組件、張緊裝置、驅動裝置等幾部分組成。
2.1.2刮板輸送機的結構形式選擇
目前，掘進機中的刮板輸送機主要有直輸送機和尾部可擺動輸送機兩種形式。
1）直輸送機的形式如圖2-1所示，這種形式的輸送機的后配套設備為皮帶轉載機，其特點是結構簡單，可靠性高。大多數掘進機都采用直輸送機的形式。
圖2-1 直輸送機
FIG.2-1 straight conveyor
2） 尾部可擺動的輸送機如圖2-2所示,這種形式的輸送機多用于短壁開采掘進機，適用于各種后配套設備，用于開采殘采區(qū)的塊段及回收煤柱，也適用于“三下” 采煤。但輸送機尾部擺動時，刮板鏈的松緊程度變化較大，容易造成刮板鏈與鏈輪的嚙合不好，出現跳鏈等故障。
圖2-2 尾部可擺動的輸送機
FIG.2- 2 the tail swinging conveyor
綜上所述，本設計選用結構簡單，可靠性高的直輸送機的形式。
2.1.3刮板輸送機的布置形式選擇
刮板輸送機的幾種常用的布置形式，如圖2-3。
圖2-3 刮板輸送機常用的幾種布置形式
a水平型 b傾斜型 c 傾斜水平型
FIG. 2- 3 scraper conveyor commonly used several kinds of decorate a form
a.Horizontal b.Tilting type c.Inclined horizontal
選擇和確定刮板輸送機的布置形式，應考慮以下幾個方面：
1)必須滿足工藝要求。即應符合工藝提出的運輸路線、輸送量和需要在其上面完成的工業(yè)作業(yè)等要求。
2)在滿足工藝要求的前提下，應力求最簡單的布置形式。布置形式越簡單，輸送機線路的轉折越少，其運行阻力就越小，從而可降低制造成本，提高其使用的經濟性。
3)布置時，應充分考慮輸送機與各有關專業(yè)工種的關系。如安設在地坑中的板式輸送機，容易和土建、水道、通風及除塵等設施發(fā)生矛盾，故應綜合研究各方面的情況，求得整機布置的合理性和經濟性。
4)輸送機在作傾斜輸送時，不得超過允許的傾角范圍。
綜上所述，本設計中掘進機運輸路線較短，可選用較簡單的直線運輸且輸送機構前后部高度不同，故選用b傾斜型布置形式。
2.1.4 驅動裝置布置
掘進機轉運機構驅動方式主要有裝-運聯合驅動和轉運機構單獨驅動。
裝-運聯合驅動即裝載機構和轉運機構共用驅動裝置。即將電動機或液壓馬達和減速器布置在刮板輸送機靠近機身一側，由刮板輸送機的尾軸作為裝載機構減速器的輸入軸，減速器輸出軸驅動裝載機構運動。刮板輸送機由布置在刮板輸送機后部的驅動裝置直接驅動。這樣傳動系統(tǒng)中元件少、機構比較簡單，但裝載與輸送機構二者運動相牽連，相互影響大。此種布置方式將驅動裝置布置在刮板輸送機后部，而刮板輸送機后部空間比較狹小，高度較低，其結構較復雜，當發(fā)生故障時維修困難且平時檢修也不方便。
轉運機構單獨驅動一般將驅動裝置布置在刮板輸送機后部。即將電動機或液壓馬達布置在遠離機器的一端。這種驅動方式的傳動系統(tǒng)布置簡單，和裝載機構的運動互不影響。轉運機構與裝載機構分別單獨驅動，機械結構簡單，檢修維修方便。
綜上所述，本設計選用轉運機構單獨驅動，其驅動裝置布置在刮板輸送機前部。
2.1.5 刮板鏈的布置
刮板鏈由鏈條和刮板組成，是刮板輸送機的牽引構件，具有推移貨載的功能。
刮板鏈的型式分為中單鏈型、中雙鏈型、邊雙鏈型和三鏈型幾種，其中中雙鏈型、邊雙鏈型在掘進機中應用較廣。
中單鏈刮板的圓環(huán)鏈在刮板中間用U型螺栓連接，刮板兩端在槽幫內運行，這種鏈子結構簡單，整體彎曲性能好，與邊雙鏈相比鏈子無受力不均現象。與中雙鏈相比結構更簡單，不存在鏈子受力不均現象，且彎曲性能更好些。缺點是一股鏈子強度受到限制，不適用于功率較大的輸送機，且刮板兩端磨損后，稍有歪斜就易出槽。運行阻力比邊雙鏈稍高。
圖2-4 中單鏈式刮板鏈
1--接鏈器；2--開口銷；3--刮板；4--U形螺栓；5--自鎖螺母；6--圓環(huán)鏈
FIG. 2-4 single chain scraper chain
1 -- answer the chain;2 - split pin;3 - scraper;4 - U bolt;5 - self-locking nuts;6 - round link chain
中雙鏈刮板上的兩股鏈條中心距不大于槽寬的20%，刮板在機槽內起導向作用。刮板強度高，可以適用于重型和超重型刮板輸送機。有鏈子受力較均勻，不易彎曲變形、打斜，受力均勻，運轉平穩(wěn)，很少出現脫鏈現象，彎曲性能較好等優(yōu)點，使用效果較好。缺點是運行阻力較高，并且在煤質較硬，煤的塊度大的情況下，運輸效果不佳，不宜采用，主要適用于割煤工況，由刮板、礦用高強度圓環(huán)鏈、扁平接鏈環(huán)等組成。
圖2-5 中雙鏈式刮板鏈
1--卡鏈橫梁；2--刮板；3--螺栓；4--螺母；5--圓環(huán)鏈；6--接鏈環(huán)
FIG.2-5 in the double chain scraper chain
1 - card chain beam;2 - scraper;3 - bolt;4 -- nut;5 - ring chain;6 - connect link
邊雙鏈刮板上的鏈條位于刮板兩端，鏈條和連接環(huán)在機槽內起導向作用。由刮板、礦用高強度圓環(huán)鏈、開口式連接環(huán)組件等組成。邊雙鏈型刮板輸送機的兩條圓環(huán)鏈在刮板兩端用連接環(huán)與刮板連接，每節(jié)鏈條的長度就是刮板的間距，因此，鏈條都是短節(jié)。鏈條和連接環(huán)在槽幫鋼的槽內運行，刮板的空間較大，能運輸較大的煤塊，這種鏈子的預張力較小，運行阻力小，適應性強，因此，得到廣泛應用。缺點是兩條鏈子受力不均，刮板易歪斜；刮板中間受力大，易彎曲；由于鏈環(huán)與連接環(huán)在槽幫內運行，空間受到限制，不能使用較大的圓環(huán)鏈，強度受到限制。
圖2-6 邊雙鏈式刮板鏈
1--圓環(huán)鏈；2--連接環(huán)；3--刮板；4、5、6--螺栓、螺母、彈簧墊圈
FIG. 2-6 double chain scraper chain
1 - ring chain;2 - link;3 - scraper;4, 5, 6- bolt, nut, spring washer
綜上所述，本設計中掘進機主要用于礦井下煤巖掘進，煤塊較硬，塊度較大，運輸距離較短，故選用拉煤能力較強，運行阻力小，適應性強的邊雙鏈型刮板。
2.1.6 溜槽的布置
掘進機轉運機構中溜槽與綜采工作面刮板輸送機中溜槽有一定區(qū)別。
綜采工作面刮板輸送機中溜槽既是刮板輸送機機身的主體，作為貨載和刮板鏈的支撐機構，又是采煤機的運行軌道。煤和刮板鏈在溜槽中滑行，不僅工作阻力大，而且對溜槽的磨損嚴重；同時溜槽承受采煤機的全部重力，采煤機在槽幫上滑行對槽幫產生磨損。為此，要求溜槽要有足夠的強度和剛度以及較高的耐磨性能。
綜采工作面刮板輸送機中溜槽有中部槽、調節(jié)槽、連接槽（或過度槽）等類型。工作面刮板輸送機溜槽靠采空側安裝擋煤板，以提高裝載力；靠煤壁側安裝鏟煤板，以清掃機道，便于輸送機推向煤壁。擋煤板和鏟煤板屬于附件。
1) 中部槽由槽幫鋼和中板焊接而成。上槽為裝運物料的承載槽，下槽有敞底和封底式兩種。封底式可減小刮板鏈返程中的阻力，故可用于松軟底板，但安裝維修較為困難。
2) 調節(jié)槽、過度槽
調節(jié)槽與中部槽結構基本相同，用來調節(jié)刮板輸送機的長度，以適應工作面長度的變化。
過度槽用于機頭架和機尾架與中部槽的過度或連接，使機頭架、機尾架和中部槽連成整體。
掘進機的中間刮板機輸送機不同于工作面輸送機，其輸送長度短，不需要對接，也不需要段之間的互換性能；另一方面，輸送機受力不大。本設計中溜槽分為前溜槽與后溜槽，前后溜槽用M24高強度螺栓聯接，前后溜槽應盡量平直，以提高運輸能力。為增強溜槽的耐磨性、強度以及使用壽命，前后溜槽中與刮板鏈組件相接觸的鏈條擋板、托鏈板、中底板的材料均選用厚度為20mm的高強度耐磨鋼板，使用壽命可提高2-3倍。
2.1.7 張緊裝置
張緊裝置的功能是調節(jié)刮板鏈的松緊程度，使其具有一定的預張緊張力，防止刮板鏈運行是發(fā)生松鏈或堆鏈現象，保證刮板鏈正常運轉。緊鏈常用的方法是鏈輪反轉式，其原理如圖2-7所示，緊鏈時先把刮板鏈一端固定在機頭架上，另一端繞經機頭鏈輪，反向點動電動機或液壓馬達，待鏈條拉緊時立即用緊鏈器閘住鏈輪，拆除多余的鏈條，再接好刮板鏈。刮板鏈的張緊程度，以運轉時機頭下方下垂兩個鏈環(huán)為宜。
圖2-7 鏈輪反轉緊鏈示意圖
FIG. 2-7 sprockets inversion tight chain diagram
目前應用的緊鏈方式有三種：一種是將刮板鏈一端固定在機頭架上，另一端繞經機頭鏈輪，用機頭部的電動機使鏈輪反轉，將鏈條拉緊；另一種方式與前一種基本相同，只是不用電動機反轉緊鏈，而用專設的液壓馬達緊鏈；第三種是采用專用的液壓缸緊鏈。
第一種緊鏈方式的緊鏈器主要有以下幾種：1）棘輪緊鏈器、2）摩擦輪緊鏈器、3）閘盤緊鏈器。
1） 棘輪緊鏈器是總功率在150kW以下的刮板輸送使用的一種緊鏈器。此種緊鏈是借棘爪插到棘輪槽上，而使棘輪只能向著一個方向轉動，借此來完成刮板鏈的張緊。
棘輪緊鏈器操作方便、機構簡單，主要用于輕型刮板輸送機。因為較大功率的刮板輸送機會使棘輪與插爪之間產生的壓力過大，緊鏈過程不安全。
2）摩擦輪緊鏈器又叫閘帶緊鏈器，主要用于總功率在150~220kW以下的刮板輸送機的刮板鏈張緊。其結構如圖2-8所示。緊鏈時的制動力是由閘帶與制動輪之間的摩擦力而來，此種緊鏈方式是利用輸送機動力部提供給鏈輪軸組的旋轉力來張緊刮板鏈的。目測刮板鏈松緊適度時，用緊鏈器將動力部制動，是刮板處于靜止張緊狀態(tài)，等刮板鏈斷開點重新連接后，松開閘帶，使鏈條重新達到自由張緊。
圖2-8摩擦輪緊鏈器
FIG. 2-8 friction wheel chain tensioner
3） 閘盤緊鏈器主要用于總功率在220~800kW以下的刮板輸送機中。其主要由制動裝置和閘盤組成如圖2-9所示。與前兩種緊鏈器不同，它的緊鏈過程不是獨立完成的，是由閘盤緊鏈器和阻鏈器共同完成的。阻鏈器用來在緊鏈過程中卡阻刮板鏈，使其張緊。之后目測
刮板鏈松緊適度斷開點，閉合時松開被制動的閘盤，之后刮板鏈恢復自由張緊。
圖2-9 閘盤緊鏈器
1--減速器一軸；2--夾鉗式制動裝置；3--閘盤；4--液力耦合器；5--連接罩；6--彈性聯軸器
FIG. 2-9 Brake disc chain tensioner
1 - a reducer shaft;2 - clamp type brake;3 - brake disc;4 - hydraulic coupler;5 - the connection cover;
6 - elastic coupling
第二種緊鏈方式使用的液壓馬達，安在聯接筒上，減速箱一軸上裝緊鏈齒輪。如圖2-10所示。
液壓馬達緊鏈裝置的液壓系統(tǒng)裝置的液壓系統(tǒng)及機械傳動系統(tǒng)。緊鏈時，將操作手把扳到起始位，惰輪將與主減速器一軸上的緊鏈齒輪與緊鏈減速器上的齒輪嚙合。手動換向閥扳到緊鏈位置，壓力液經梭閥進入液控腔，克服彈簧壓力，時插爪從齒槽中脫出，與此同時液壓馬達供壓力液，液壓馬達帶動機頭鏈輪反轉緊鏈，緊鏈力的大小用溢流閥調節(jié)，有壓力表上的讀數經換算得到，緊鏈運轉時，壓力表上升到規(guī)定的壓力值，即表明已達到了規(guī)定的緊鏈力。將手動換向閥扳到中間位置，馬達停止，液控鎖卸壓，在彈簧作用下，插爪插入齒輪的齒槽。刮板鏈保持張緊狀態(tài)。拆去多余的鏈段，接好鏈子后，將手動換向閥換到運轉位置，液壓馬達帶動接好的刮板鏈運轉，緊鏈掛鉤松開后，停止馬達運轉，卸載緊鏈掛鉤，將操作手把扳到結束位，惰輪脫開緊鏈齒輪，關斷截止閥，完成緊鏈操作。
圖2-10 液壓馬達緊鏈裝置
1--液壓馬達；2--齒輪箱；3--液控機械閉鎖裝置；4--惰輪；5--聯接閥
6--減速器輸入軸；7--緊鏈齒輪
FIG 2-10 hydraulic motor chain unit
1 - hydraulic motor;2 - gear box;3 - hydraulic control mechanical locking device;4 - idler;
5 - connecting valve 6 - reducer input shaft;7 - tight chain gear
第三種緊鏈方式是使用單獨的液壓缸緊鏈器。這種緊鏈器是一個帶增壓缸的液壓千斤頂裝置，由泵站供給壓力液，緊鏈時需要將它抬到緊鏈位置使用。
上述各種緊鏈裝置中：
（1） 棘輪緊鏈器和摩擦緊鏈器結構簡單，使用方便，單它們不能顯示出鏈子張力的大小。其余三種都能顯示和準確控制鏈子的張緊力。
（2） 液壓馬達緊鏈裝置的操作簡單，安全性高。
（3） 液壓缸緊鏈器體積較小，可以在任意位置使用。
綜上所述，使用電機或馬達緊鏈的張緊裝置體積較大且位置固定，故本設計選用彈簧和液壓缸進行漲緊，其體積較小，位置靈活，使用方便，如圖2-11.。
圖2-11 液壓缸張緊
FIG. 2-11 The hydraulic cylinder tensioning
2.2 參數確定
原始參數是機械設計的依據，不論是結構形式的選擇，還是理論分析計算，它都起著決定性的作用。
畢業(yè)設計原始參數：
適用巷道斷面：23m,高2.4-4.5m，寬3.0-5.5m；
臥底深度：250mm；
爬坡能力：≤±16；
溜槽斷面：540mm（寬）x350mm(高）；
龍門高度：≥420mm；
理論運轉能力：≥250m/h；
設計長度：3700mm；
牽引速度：0.96m/s。
2.3 動力元件選擇
2.3.1 電動機與馬達的比較
動力元件一般可選電動機或液壓馬達。
電動機由電能轉化為機械能。
電動機有以下優(yōu)點：
1)能提供的功率范圍很大，從毫瓦級到萬千瓦級；
2)電動機的使用和控制非常方便，具有自起動、加速、制動、反轉、掣住等能力，能滿足各種運行要求；
3)電動機的工作效率較高，又沒有煙塵、氣味，不污染環(huán)境，噪聲也較小。運行可靠、價格低廉、結構牢固。
電動機有以下缺點：
1)輸出扭矩比較??；
2)傳動系統(tǒng)相對復雜，體積較大；
3)難于進行無級變速；
4)長時間使用精度下降；
5)不可連續(xù)長時間工作 否則易出故障縮減使用壽命。
液壓馬達由液壓能轉化為機械能。
1）易于獲得較大的力或力矩
2）功率重量比大
3）易于實現往復運動
4）易于實現較大范圍的無級變速
5）傳遞運動平穩(wěn)
6）可實現快速而且無沖擊的變速和換向
7）與機械傳動相比易于布局和操縱
8）易于防止過載事故
9）自動潤滑、元件壽命較長
10）易于實現標準化、系列化
液壓傳動有以下缺點：
?? 1）易出現泄漏
2）油的粘度隨溫度變化，引起工作機構運動不穩(wěn)定
3）空氣滲入液壓油后會引起爬行、振動、噪聲
4）用礦物油作液壓介質時，有燃燒危險應注意防火。
? 5）物油與空氣接觸會發(fā)生氧化，使油變質必須定期換油。
?? 6）液壓件的零件加工質量（幾何精度、表面粗糙度等）要求較高。
本設計中掘進機轉運機構為一刮板輸送機，主要用于運送塊度較大的煤巖，其運動速度較小，且需長時間連續(xù)工作。而液壓馬達主要應用于低速重載，同等扭矩或者輸出功率下，液壓馬達的體積及重量相較電機要小的多，而且馬達能夠通過控制油液，輕易實現正反轉，且液壓傳動系統(tǒng)簡單，故障環(huán)節(jié)少，液壓的反應快靈敏精度高壽命高。
綜上所述，本設計動力元件選用液壓馬達。
2.3.2 液壓馬達的選擇計算
1） 運輸能力計算
刮板輸送機的輸送能力，是指輸送機每小時運送貨載的質量。它取決于輸送機每米長度上的貨載的質量和鏈速。即：
=3.6 (2-1)
=3.6 (2-2)
式中：
——刮板輸送機的運輸能力，t/h；
q ——每米長度貨載質量，kg/m；
A ——溜槽物料運行時的斷面積，m；
——物料的散碎密度，kg/m,對于煤kg/m，取900kg/m；
——刮板鏈牽引速度，m/s。
因為刮板鏈本身占據一定的空間且運輸角度有一定的影響，貨載實際斷面積比A小一點，計算時要乘以一個小于1的裝滿系數。故運輸能力按式（2-3）計算，
(2-3)
式中：
——裝滿系數，水平及向下運輸時，=0.9~1；傾斜向上運輸時=0?.6~0.9?（傾角<5°時，；傾角為5°~10°時，=0.8；傾角>15°時，=0.6）。
由式（2-3）有：
t/h
則其每米上貨載為：
kg/m
2）刮板輸送機的運行阻力計算
運行阻力包括直線段運行阻力和曲線段運行阻力。
a. 直線段阻力
直線段運行阻力是指貨載及刮板鏈在溜槽中運行時的阻力（摩擦阻力），以及傾斜運輸時貨載與刮板鏈的自重沿斜面的分力。
圖2-12 阻力計算簡圖
FIG. 2-12 resistance calculation diagram
運行阻力有重段阻力和空段阻力，如圖2-12 所示。
即：
（2-4）
（2-5）
式中：
——重段阻力，N；
——空段阻力，N；
g——重力加速度，9.8m/;
q——每米長度貨載質量，109kg/m；
——刮板連每米質量，查[4]表5-1得，18.8kg/m；
L——輸送機鋪設長度，3.7m；
——輸送機鋪設傾角，16；
——貨載及刮板鏈在溜槽內的阻力系數，見表2-1；
--對于重段，向上運行取“+”，向下運行取“-”；對于空段，符號與重段相反。
表2-1 煤及刮板鏈在溜槽中移動的阻力系數
Table 2-1 coal and scraper chain moving drag coefficient in the chute
阻力系數
單鏈 0.4~0.6 0.3~0.4
雙鏈 0.6~0.8 0.3~0.4
由式（2-4）和（2-5）有：
b.曲線段運行阻力。
曲線段運行阻力，是指刮板鏈繞過機頭和機尾時的彎曲附加阻力和軸承阻力，以及水平彎曲時，刮板鏈在彎曲溜槽中運行時產生的附加阻力，對掘進機轉運機構來說，曲線段運行阻力只有刮板鏈繞過機頭和機尾時的彎曲附加阻力和軸承阻力。這部分阻力的計算十分繁瑣，通常來講，按照重段阻力W和空段阻力W之和的10%來計算。
c.總阻力和牽引力。
總阻力是指直線段和曲線段運行阻力之和，
其值為：
(2-6)
式中：
——刮板輸送機運行時的總阻力，N；
——附加阻力系數，=1.1，輸送機不彎曲時=1。
代入式（2-6）得：
總阻力即為主動鏈輪的牽引力。
3） 液壓馬達的確定
a.所需軸功率計算
（2-7）
式中：
P ——鏈輪軸所需的軸功率，kW;
——主動鏈輪牽引力（總阻力），5764.8N；
v ——刮板鏈的運行速度，0.96m/s.
由式（2-7）有：
kw
再考慮15%-20%的備用功率后，
將其圓整為10kw.
則馬達扭矩為：
（2-8）
式中：
n —— 鏈輪轉速，由已知有，,r為鏈輪節(jié)圓半徑，則n=73r/min
則：
Nm
由[5]得表2-2。
表2-2 NHM型徑向柱塞馬達的性能參數
Table 2-2 type NHM radial piston motor performance parameters
型號
排量
mL/r
壓力 MPa
額定轉矩
Nm
轉速范圍
r/min
質量
kg
額定
最高
NHM1-100
96
25 32
300
15~1000
20
NHM1-125
126
20 25
380
15~1000
20
NHM1-160
159
20 25
472
15~1000
20
NHM2-100
113
25 32
420
10~1250
27
NHM2-150
159
25 32
620
10~1000
27
NHM2-175
180
20 25
526
10~1000
27
NHM3-175
181
25 32
670
8~1000
35
NHM3-200
201
25 32
800
8~800
35
NHM3-300
289
20 25
864
6~500
35
NHM6-400
397
25 32
1483
5~630
57.5
NHM6-500
491
20 25
1463
5~630
57.5
由表2-2選擇液壓馬達型號為NHM6—500,其參數見表2-3。
表2-3 液壓馬達參數表
Table 2-3 hydraulic motor parameter table
型號
排量
mL/r
壓力 MPa
額定轉矩
Nm
轉速范圍
r/min
質量
kg
額定
最高
NHM6—500
491
20
25
1463
5~630
57.5
2.4傳動系統(tǒng)確定
本設計中刮板輸送機的傳動系統(tǒng)是由液壓馬達直接驅動鏈輪軸旋轉，從而帶動刮板鏈的運轉。傳動系統(tǒng)簡圖如下：
圖2-13 傳動系統(tǒng)簡圖
FIG. 2-13 transmission system diagram
3.轉運機構技術設計
3.1鏈輪的設計計算
3.1.1 鏈輪齒數選擇和圓環(huán)鏈的選擇
為滿足鏈輪強度要求，鏈輪材料選取45鋼，鏈輪必須進行調制處理，調制硬度應達到HB260~320，鏈窩和齒形表面須進行淬火處理，淬火硬度應達到HRC45~55，淬火硬度層深度不低于3mm.
圓環(huán)鏈鏈輪的齒形結構和尺寸如圖3.1所示,鏈輪的每一齒距內有兩個鏈環(huán).其中,平臥于齒輪間鏈窩里的稱為平環(huán);松卡在齒寬中間立槽內的稱為立環(huán).鏈窩的形狀與鏈環(huán)的外形想適應,其長度應比鏈環(huán)略長; 立槽的寬度L,也比鏈環(huán)棒料的直徑稍大. 鏈輪的齒廓為兩段圓弧,頂部齒廓圓弧的半徑為R1,根據齒廓圓弧的半徑為R2.當圓環(huán)鏈的規(guī)格D*P和鏈輪齒數N選定后, 鏈輪的各部分幾何尺寸可計算。
圖3.1 圓環(huán)鏈鏈輪的齒形結構簡圖
FIG. 3.1 ring chain sprocket tooth structure diagram
1) 基本參數
刮板輸送機的鏈輪齒數一般為4~12齒，現選鏈輪齒數為7齒。
圓環(huán)鏈鏈環(huán)基本參數見表3.1。
表3.1 圓環(huán)鏈的基本參數
Table 3.1 Basic parameters of ring chain
成品鏈環(huán)直邊直徑d
節(jié)距p
寬度
圓弧半徑r
公稱尺寸
極限偏差
公稱尺寸
極限偏差
最小內寬a
最大外寬b
公稱尺寸
極限偏差
10
0.4
40
0.5
12
34
15
+2
0
14
0.4
50
0.5
17
48
22
+2
0
18
0.5
64
0.6
21
60
28
+2
0
22
0.7
86
0.9
26
74
34
+2
0
由于鏈條在槽幫內運行，其大小受槽幫大小限制無法選擇較大鏈條，但鏈條過小會使其強度太低，易斷裂，故取圓環(huán)鏈的規(guī)格為18x64-C級，其最小內寬為21mm,最大外寬為60mm,圓弧半徑為28mm。
3.1.2 鏈輪的各部分幾何尺寸計算
圓環(huán)鏈輪的幾何尺寸和齒形計算中,一部分參數是由幾何分析,結合工作要求而推導出的計算公式;另一部分是根據經驗確定，見表3.2，
表3.2 圓環(huán)鏈輪的幾何尺寸和齒形計算公式表
Table 3.2 ring chain wheel geometry size and calculation formula of tooth profile table
名稱
符號
計算公式
鏈輪節(jié)距角
鏈輪節(jié)圓直徑
D
鏈輪頂圓直徑
鏈輪立環(huán)槽直徑
鏈輪立環(huán)槽寬度
l
齒跟圓弧半徑
R
鏈窩長度
L
鏈窩平面圓弧半徑
R
R的值為扁平連接鏈環(huán)圓弧部分的最大外圓半徑
鏈輪中心至鏈窩底平面的距離
H
短齒厚度
W
鏈窩中心距離
A
齒形圓弧半徑
R
立環(huán)槽圓弧半徑
R
短齒跟部圓弧半徑
R
鏈窩間隙
T
限制W的最大值保證圓環(huán)鏈在鏈窩中得到足夠的支撐開口式連接環(huán)和保證刮板在鏈窩中有足夠的間隙
計算過程如下：
1）鏈輪節(jié)距角
（3-1）
式中：
——鏈輪節(jié)距角；
N——鏈輪齒數，7齒。
代入式（3-1）：
= （3-2）
2）鏈輪節(jié)圓直徑
（3-3）
式中：
D——鏈輪節(jié)圓直徑：
p ——圓環(huán)鏈鏈條節(jié)距，p=64mm；
d ——圓環(huán)鏈鏈條直徑，d=18mm。
代入式（3-3）：
mm
根據鏈條及鏈輪實際磨損情況，設計將鏈輪節(jié)圓直徑略有增加，設計取鏈輪節(jié)圓直徑=288mm。
3）鏈輪頂圓直徑
De=D0+2d （3-4）
由式（3-4）有：
mm
4）鏈輪立環(huán)的立槽