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1.3 采煤机的发展趋势

80年代以来，滚筒式采煤机在结构、性能参数、可靠性和易维修性上都有很大的改进。归结起来，滚筒式采煤机有以下特征和发展趋势：

(1)增大功率和能力

为了适应综采工作面高产、高效和在不同地质条件下快速截割煤岩的需要，不论厚、中厚和薄煤层的采煤机均在不断增大装机功率和生产能力。

(2)电牵引采煤机已成为主导机型

目前电牵引采煤机已成为德国、英国、美国、日本和法国等主要生产国的主导机型。

(3)增大牵引速度和牵引力，并改进无链牵引机构

为了适应综采高产高效的要求，近代采煤机的牵引速度和牵引力都有较大的增大。

(4)机器的结构布置有新的发展

近年来不断发展和研制出了多机横向布置、部件可侧面拉装的整机箱式机身、纵向布置采煤机的牵引部和截割部合为一个部件、破碎机采用单独电动机传动、改进挡煤板传动装置、无底托架或不用整体底托架等新的结构布置方式。

(5)截割滚筒的革新和改进

截割滚筒的改进是围绕增大截深、减低煤尘、增大块煤率和提高寿命等目标进行的式主要改进有增大截深、采用强力截齿、增大块煤率和减少煤尘生成、滚筒设计CAD、高压水射流喷雾降尘和助切、加固滚筒结构等方面。

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(6)扩大采煤机的使用范围，不断开发难采煤层的机型

薄煤层、厚煤层、硬粘并有夹矸煤层、大倾角、破碎顶板等难采煤层的机型的发展有，开发出了薄煤层、厚煤层、大倾角、短机身、窄机身等机型。

(7)提高采区工作电压

80年代以前，各国采区工作面设备电压多为1000V左右。随着综采设备向大功率发展，目前采煤机最大功率达1220kW ，截割电机最大功率达6000kW，刮板输送机最大功率达1125kW，驱动电机最大功率达525 kW，加上工作面长度的不断增长，所以必须提高采区的供电电压，目前各国生产的大功率采煤机，式供电电压一般为2300、3300、4160和5000V等几档。

(8)采用微电子技术，实现机电液一体化的采集、工况监测、故障诊断和自动控制

现代采煤机均装有功能完善的用微处理器控制的数据采集、工况监测、故障诊断和自动控制，这是代表采煤机水平的重要标志。现代采煤机的微处理系统除了工况监测，还可以对式采集信息进行分析处理，再输出显示、存储、控制和传输等，以实现检测、预警、保护、健康诊断、事故查询、维修指导和调度分析等多种功能。

(9)贯彻标准化、系列化和通用化原则，加速开发适合不同地质条件的新机型

目前各主要采煤机生产厂家都十分重视三化原则，将采煤机各主要部件制定标准，各部件间的连接尺寸一致。这样，就可以根据不同的地质条件的要求，很容易将各部件组合成新机型，扩大采煤机的系列。

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2 采煤机的总体设计

2.1 原始条件

MG400/920-WD型采煤机截割部

适用煤层2.0-4.1m 适用倾角α≤16° 机面高度1530mm 最大采高4103mm 下切量 680mm 滚筒直径Φ2000

牵引力 660/395kN 牵引速度0-7.96-13.3m/min 截深 630mm 装机功率918.5kw 牵引电机型号YBC52-400A 截割电机功率2×400kW 牵引电机型号YBQY4-50 牵引电机功率2×50kW 牵引形式 交流变频 无链牵引方式：销轨 截割电机电压 1140V 牵引电机电压 380V 泵电机型号 YBRB-18.5 泵电机功率 18.5kW 整机重量60t

2.2 采煤机的整机结构

采煤机有不同的分类方法，一般我们按照工作机构的形式进行分类，可分为：滚筒式、钻削式和链式采煤机；现在我们所说的采煤机主要是指滚筒采煤机，这种采煤机适用范围广，可靠性高，效率高，所以现在使用很广泛。

滚筒采煤机的组成如图2.1 所示。采煤机与刮板输送机，液压支架配套如图2.2所示。

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⑴采煤机组要组成：左、右截割滚筒，左、右行走减速箱，左、右行走箱，电器控制箱，变频调速箱，中间框架，托缆装置及喷雾冷却系统等组成。

⑵截割部：截割电动机横向布置在摇臂上单独驱动，经摇臂减速箱三级直齿、以及行星传动减速后，通过方形出轴与截割滚筒连接，驱动截割滚筒旋转，实现割煤、落煤、装煤。

⑶牵引部：两台行走电机横向布置在左右行走箱内实现双牵引，经行星减速器的减速后，带动左右行走箱体中的小齿轮轮回转，经一级直齿减速后，驱动行走轮和销轨啮合，使采煤机沿工作面刮板输送机正或是反方向移动，牵引多采用交流变频调速、齿轮-销轨式牵引系统。

⑷电控箱（矿用隔爆兼本安型）：该电控箱为独立隔爆箱体，可以从采空侧抽出。电气控制系统采用可编程控制器（PLC）控制，具有瓦斯报警装置。各项保护和显示功能齐全，并配备中文液晶显示屏，实时显示采煤机的工况参数。

⑸变频调速箱（矿用隔爆型交流变频）：该变频调速箱为独立隔爆箱体，由三个腔体组成，变压器腔、变频器腔和接线腔。大盖板上设有电控按钮和显示窗，箱体上设有冷却水通道。

⑹支撑：由采煤机煤壁侧的两个滑靴和采空侧的两个导向滑靴分别支承在工作面刮板机的槽帮和销轨上。

⑺调高：主要由调高电机、调高泵、粗过滤器、手液动换向阀、集成块阀和油箱等组成。各部分均可以从中间框架的采空侧抽出，维修方便。

⑻喷雾冷却系统：主要由接头、水封、泄露环、轴承装置、外壳、不锈钢水管、O形圈、定位销、管座、高压软管、铰接体、交接螺钉等组成。

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1左滚筒 2左摇臂 3左牵引部 4中间控制器

5右牵引部 6右摇臂 7右滚筒 图2.1 MG400/920-WD型电牵引采煤机

1.采煤机 2.刮板输送机 3.液压支架

图2.2 三机配套

MG400/920-WD型机载交流电牵引采煤机，该机装机功率920KW，截割功率2×400KW,牵引功率2×50KW。该采煤机使用的电气控制箱符合矿用电气设备防爆规程的要求，可在有瓦斯或煤层爆炸危险的矿井中使用，并可在海拔不超过2000m、周围介质温度不超过＋40℃或低于－10℃、不足以腐蚀和破坏绝缘的气体与导电尘埃的情况下使用。

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2.3采煤机总体尺寸的确定

采煤机的总体尺寸由图2.3所示。

图2.3 采煤机总体尺寸

2.4截割部传动系统

截割机构是采煤机的工作机构，在采煤过程中完成实现割煤、落煤、装煤、喷雾等作业。截割机构主要由截割电动机、摇臂减速箱、截割滚筒等组成，截割机构并设有冷却系统、内喷雾系统、离合器等装置。

截割电动机横向直接安装在摇臂减速箱内，与传统的纵向布置的采煤机相比，没有固定减速箱、摇臂回转套、螺旋锥齿轮等结构，传动效率高，结构简单、紧凑。

两个摇臂，分别用阶梯轴同左右行走减速箱铰接。同时通过摇臂回转腿上的Φ90孔用圆柱销与安装在减速箱上的调高油缸铰接，通过调高油缸的伸缩，实现左右滚筒的升降。

截割机构有如下特点：

(1)摇臂回转处采用铰接轴结构，与机身没有机械传动，回转部分的磨损与摇臂内的齿轮啮合无关，提高传动精度；

(2)摇臂齿轮减速都采用直齿传动，传动效率高；

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(3)截割电动机和摇臂一轴主动轮之间，采用细长扭矩轴联结，电动机和摇臂主轴齿轮位置的少量误差，也不影响动力传递，便于安装；在截割滚筒受到较大的冲击载荷时对机械传动系统的齿轮和轴承起到缓冲的作用，提高可靠性；

⑷摇臂采用弯摇臂形式，相对直摇臂结构可以加大装煤口，提高装煤率。摇臂外壳上、下由冷却水套，以降低摇臂内油池的温度。输出端采用410×410mm方形出轴与滚筒联结，滚筒采用三头螺旋叶片，输出转速可根据不同直径滚筒的线速度要求和煤质硬度，在三档速度内选择。

截割机构的传动系统见图2.4。

图2.4 截割部的传动系统

截割电动机的输出轴是带有内花键的空心轴，通过细长的柔性扭矩轴与1轴齿轮Z1相连。电动机输出转矩通过齿Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6，Z7，Z8，Z9传到行星减速器，最后由行星减速器的行星架输出，将动力传给截割滚筒。左，右摇臂减速箱传动方式相同，传动元件全部通用。

2.5采煤机牵引部概述

采煤机牵引部担负着移动采煤机，使工作机构实现连续割煤或调动任

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务。它包括行走机构（又称牵引机构）和行走驱动装置两部分。

行走部的特点如下：

⑴采用液压制动器，靠两组摩擦片组件由加载弹簧力接触实现制动或靠液压释放松闸，使采煤机在较大倾角条件下采煤，有可靠的防滑能力，使采煤机实现安全制动。

⑵双级行星减速器都采用四行星轮机构，第一级太阳轮，行星架浮动，第二级太阳轮，内齿圈浮动，即双浮动机构，以补偿制造和安装误差。承载均匀，可靠性高。

⑶花键轴的一端与后级行星减速器行星架内花键相连，式轴上设有扭矩槽，当大于额定载荷的2.8倍时，花键轴从扭矩槽处剪断，从而起到过载保护的作用。

⑷电动机转速在0-1480r/min范围内为恒扭矩输出，在1480-2440r/min为恒功率输出。交流变频调速电控装置提供给牵引电动机的供电频率范围为0-83Hz，对应电动机转速为0-2440r/min，从而改变采煤机的行走速度。

⑸平滑靴通过更换方便的支撑板与行走部外壳相连，易于和刮板输出配套。导向滑靴套在销轨上，它是支撑采煤机重量的一个支撑点，同时承受一定的侧向力，并起导向作用，从而保证销轨轮与销轨的正常啮合。

⑹机壳采用猪、焊结构。左、右行走部机壳为箱体框架，独立的调高泵箱和变压器箱分别装入左、右行走部箱体框架内。

MG400/920-WD型采煤机牵引部传动系统如图2.5所示，由一台50kW交流电动机输出的动力通过牵引电动机输出轴外花键与电动机齿轮轴的内花键相连，再经过二级直齿轮传动和二级行星齿轮传动减速后传至驱动轮，然后驱动齿轨轮与销轨啮合，使采煤机沿工作面移动。

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图2.5 采煤机行走部传动

表2.1 行走机构牵引特征

牵引功率（kW） 电动机转速（r/min） 50HZ 1472 牵引速度（m/min） 牵引力（kN） 7.34 570 2×50kW 83.4HZ 2455 12 350

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2.6 电机的主要参数

2.6.1截割电动机的选择

由设计要求知，截割部功率为2×400kW，即每个截割部功率为400kW。根据矿下电机的具体工作情况，要有防爆和电火花的安全性，以保证在有爆炸危险的含煤尘和瓦斯的空气中绝对安全;而且电机工作要可靠，启动转矩大，过载能力强，效率高。据此选择由抚顺厂生产的三相鼠笼异步防爆电动机YBC3─300,式主要参数如下:

额定功率：400kW 工作电压：1140V 额定转速：1480rpm 额定电流：245A 额定频率：50HZ 绝缘等级：H级 接线方式：Y 工作方式：S1

质量：1502KG 电机安装止口： φ660f 螺孔：21-φ18 分布圆：φ695 冷却方式：外壳水冷 输出轴：EXT22Z×3M×20P

输出轴长125mm，键长66mm，止口外长770mm

该电机总体呈圆形, 式电动机输出轴上，带有渐开线花键，通过该花键电机将输出动力传递给摇臂的齿轮减速机构。 2.6.2牵引电动机的选择

由设计要求知，截割部功率为2×50kW，即每个截割部功率为50kW。根据矿下电机的具体工作情况，要有防爆和电火花的安全性，以保证在有爆炸危险的含煤尘和瓦斯的空气中绝对安全；而且电机工作要可靠，启动转矩大，过载能力强，效率高。据此选择由抚顺厂生产的三相鼠笼异步防

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爆电动机YBQY4-50,式主要参数如下：

额定功率：50kW 工作电压：380V 额定转速：1480rpm 额定电流：100A

额定频率：50HZ 绝缘等级：H级 接线方式：Y 工作方式：S1 电机安装止口：φ399 冷却方式：外壳水冷 螺孔：4-φ18 分布：长344宽292 输出轴：EXT17Z×2.5M×30P 输出轴长75mm，键长46mm

该电机总体呈长方形, 式电动机输出轴上，带有渐开线花键，通过该花键电机将输出的动力传递给摇臂的齿轮减速机构。

2.7传动比分配

2.7.1传动比的确定

滚筒上截齿的切线速度，称为截割速度，它可由滚筒的转速和直径计算而的，为了减少滚筒截割产生的细煤和粉尘，增大块煤率，滚筒的转速出现低速化的趋势。滚筒转速对滚筒截割和装载过程影响都很大；但对粉尘生成和截齿使用寿命影响较大的是截割速度而不是滚筒转速。 总传动比I总

I总＝n1480＝＝52 n滚28.445式中 n ——电动机转速 r/min

n滚——滚筒转速 r/min

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2.7.2传动比的分配

在进行多级传动系统总体设计时，传动比分配是一个重要环节，能否合理分配传动比，将直接影响到传动系统的外阔尺寸、重量、结构、润滑条件、成本及工作能力。多级传动系统传动比的确定有如下原则：

⑴各级传动的传动比一般应在常用值范围内，不应超过所允许的最大值，以符合式传动形式的工作特点，使减速器获得最小外形。

⑵各级传动间应做到尺寸协调、结构匀称；各传动件彼此间不应发生干涉碰撞；所有传动零件应便于安装。

⑶使各级传动的承载能力接近相等，即要达到等强度。

⑷使各级传动中的大齿轮进入油中的深度大致相等，从而使润滑比较方便。

由于采煤机在工作过程中常有过载和冲击载荷，维修比较困难，空间限制又比较严格，故对行星齿轮减速装置提出了很高要求。因此，这里先确定行星减速机构的传动比。

本次设计采用NWG型行星减速装置，式原理如图2.6所示。

a太阳轮 b内齿圈 g行星轮 x行星架

图2.6 NWG型行星减速装置原理

该行星齿轮传动机构主要由太阳轮a、内齿圈b、行星轮g、行星架x

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等组成。传动时，内齿圈b固定不动，太阳轮a为主动轮，行星架x上的行星轮g—面绕自身的轴线ox—ox转动，从而驱动行星架x回转，实现减速。运转中，轴线ox—ox是转动的。

这种型号的行星减速装置，效率高、体积小、重量轻、结构简单、制造方便、传动功率范围大，可用于各种工作条件。因此，它用在采煤机截割部最后一级减速是合适的，该型号行星传动减速机构的使用效率为0.97～0.99,传动比一般为2.1～13.7。如上图所示，当内齿圈b固定，以太阳轮a为主动件，行星架g为从动件时，传动比的推荐值为2.7～9。查阅文献[4],采煤机截割部行星减速机构的传动比一般为4～6。这里定行星减速机构传动比

biag5.9

则式他三级减速机构总传动比

bII总iag525.98.81 由于采煤机机身高度受到严格限制，每级传动比一般为

ij3~4;根据

前述多级减数齿轮的传动比分配原则和摇臂的具体结构，初定各级传动比为：

Z31.81 Z1Z9i32.16 Z6i1以此计算，四级减速传动比的总误差为：

(521.812.242.165.9)526‰ 在误差允许范围5﹪内，合适。

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2.7.3齿轮主要参数

参照以往设计经验，对各个齿轮主要参数就行初步设计，各个齿轮主要参数初步设计如下：

表2.2 齿轮参数初步设计表

齿数 模数 齿数 分度圆

Z1 7 22 154 Z2 7 39 273 Z3 7 40 280 Z4 8 21 168 Z5 8 47 376 Z6 12 18 216 Z7 12 39 468 Z8 12 39 468 Z9 12 39 468 Z10 10 15 150 Z11 10 28 280 Z12 10 73 730

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①第一级减速中验算齿轮1的强度。查表得YFa2.72，YSa1.57。 齿宽系数

Ψa=

B85==0.4 a213.5式中B为齿宽，a为齿轮中心距。 m1≥34KT1YFaYSa41.725552.721.57100034.5mm

ai1Z2F0.441.612221500式中m1为一齿轮的模数，m1=6。齿轮模数满足要求。

②在第二级减速中验算齿轮4的强度。查表得齿宽系数

Ψa=

m2≥3B90==0.33 a136YFa2.76，YSa1.56。

4KT1YFaYSa41.795082.761.57100037mm 22ai1ZF0.332.141211500式中m4为一齿轮的模数，m4=8。齿轮模数满足要求。

③在第三级减速中验算齿轮6的强度。查表得YFa2.91，YSa1.53。

ψa=

B150==0.44 a342式中B为齿宽，a为齿轮中心距。 m6≥34KT1YFaYSa41.719350.62.911.53100039.5mm 22ai1ZF0.442.161181500式中m6为一齿轮的模数，m6=12。齿轮模数满足要求。

④第四级减速中验算齿轮10的强度。查表得YFa2.97，YSa1.52。 齿宽系数

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5 键的选用和校核

键的静连接安全条件为

P式中 T--轴上转矩，Nm；

2T1000P40MPa ZhldmΨ--载荷分配不均匀系数，取0.8； Z--齿数；

h--花键齿侧面的工作高度，α=30°，hm。 l--齿的工作长度。

dm--花键的平均直径，dmdi，di为分度圆直径。 ⑴1轴上的键：选用渐开线内花键：16Z×5m×30P

P2T100022555100022.16MPa

Zhldm0.81654580得： PP ⑵3轴上的键：选用渐开线外花键：46Z×3m×30P

P2T10002437110008.8MPa

Zhldm0.846365138得： PP

⑶4轴上的键：选用渐开线外花键：46Z×3m×30P

P2T100029508100022.32MPaZhldm0.84635613853

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技术经济分析

经过近一个学期的忙碌，我终于完成了MG400/920-WD型采煤机的设计计算。首先，我对整个学期的设计进行了规划。按照老师给予的课题，第一步，我们确定了采煤机的组成，截割部的传动系统，根据选用电动机的特性参数，确定采用三级减速和行星减速器传动，并分配传动比和初选各轴齿轮齿数，确定各轴转速。第二步，我们进行了齿轮的设计，包括齿轮的材料。确定各轴的功率，转矩和各齿轮的受力分析，并对齿轮的强度进行了设计校核，经校核，初步选择的各齿轮的模数和强度均符合要求，从而确定了各齿轮的几何尺寸，为以后的计算提供方便。第三步，我进行了轴的设计和计算，确定了各轴的材料。然后根据轴的强度要求确定各轴的最小直径，并对每个轴进行了受力分析，根据弯扭合成强度和第三强度理论，得八根轴均符合强度条件。第四步，对1轴，3轴，4轴，7轴上的花键进行了校核，知均符合强度要求。第五步，对各轴上的轴承进行了选型和寿命验算并合格。第六步进行了采煤机的密封和润滑的选择。最后对采煤机的经济性进行了讨论，它的生产效率和使用寿命，维护成本等均符合煤矿单位的要求，具有一定的经济性。

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