钻式采煤机(张佳佳)
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中国矿业大学
MZ110/238.5螺旋钻采煤机传动系统 和推进机构的设计
姓名：张佳佳 指导老师：杜长龙
钻式采煤机简介
钻式采煤机传动系统设计
钻式采煤机推进机构设计 传动系统的优化 总结
1.1 研究背景：
薄煤层（≤0.8m）储量的丰富及开采难度较大 的特性使其成为目前世界上关注率最高的课题之一。 钻机式采煤机采煤工艺是其中一个最主要，也是迄 今为止，较为成熟和有效的开采方法。目前世界主 要产煤国都在对钻机式采煤机进行改进和完善研究 工作。
型号： YOXD500限矩型液力耦合器（水介质）
输入转速（r/min） : 1500 传递功率 (kW): 90-132 效率%: 0.97 重量 (kg): 104 键： 渐开线花键（int16z*3.5m*30p*5H）
液力偶合器的工作原理
液力耦合器的泵轮和涡轮组成一个可使液 体循环流动的密闭工作腔。动力机(内燃机、 电动机等)带动输入轴旋转时，液体被离心 式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即 推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递 给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而 复始的流动。
HSG:双作用单活塞杆液压缸 L:外螺纹连接（缸盖连接方式） 125/70:液压缸内径/活塞杆外径 E：压力等级代号，16MPa
推进液压缸组
移动框架的设计
导向杆连接组件的设计
液压缸连接件的设计
4.扩充部分
基于枚举法的减速器优化设计
机械优化设计大多数属于非线性约束优化设 计。目前，非线性约束优化设计一般采用混沌搜 索法、信赖域算法、罚函数法以及遗传算法等。
1.5T KZ X Z R Z KT 2 2 H1 Z Z1H Z e Z b 2E [i +1 H1 ] H 2 3 E 10 Im2 z H2 m2 z3 1 1 d i2
2
2
约束条件
（1）齿面接触应力条件
H1
1.5T1 KZ X Z R Z E 2 [ H1 ] 2 10 Im1 z1
F1
F2
T1 K YX F1 2 10m1 J
2 KT2 Y Y Y F 2 2 3 Fa Sa 0.6 z3 m2
2 KT3 Y Y Y F3 2 3 Fa Sa 0.6 z5 m3
F3
模数限制条件
2 m1 10 2 m2 10 2 m 10 3
2
H2
Z E Z H Z e Z b 2 KT2 i2 +1 3 H 2 m2 z3 d i2
H3
Z E Z H Z Z 2 KT3 i3 +1 3 H 3 i3 m3 z5 d
2
（2）齿根弯曲应力条件
本螺旋钻采煤机的推进系统采用液压推 进，采煤机的工作情况： 推进速度：0-1.0m/min; 推进力：320kN； 后退力： 220kN。
主液压缸型号： HSG· L－125/70· E-1711-800· 1472 副液压缸型号： HSG· L－90/50· E-1711-800· 1067
但是机械设计中很多变量是由国标规定的非 连续的一系列离散量，如V带的长度、齿轮的模数、 轴承的内径、液压杆的内径等。对于求解的设计 变量，要对结果进行圆整（标准化），从而求得 目标函数的最优值。
什么是枚举法？
机械优化设计中的枚举法，就是将所有可能 的情况一一列举，将满足约束条件的设计变量进 行组合，然后根据条件判断此答案是否合适，合 适就保留，不合适就丢弃，从而得到最优设计结 果。其优越性体现在三个方面：一是优化结果是 全局最优解，不是局部最优解；二是思路简单， 程序编写调试方便；三是不用对优化设计的结果 进行标准化。
1.4 钻式采煤机的缺点 钻式采煤机由于体积庞大，需要巷道 断面也大，使用成本很高； 换接钻杆时间长，影响采煤效率； 截割面积小，降低采煤效率。
2 传动系统的设计
电动 机
传 动 系 统
液力耦合 器
减速器
技术参数
钻杆转速： 0～60r/min; 钻头数量：4个; 推进力：320kN; 后退力：220 kN; 推进速度: 0～1m/min; 液压系统压力: ≤16MPa; 推进类型: 液压； 煤层厚度: 0.45～0.60m; 煤层倾角: ≤±15°; 工作额定电压: 三相交流660V; 钻头直径: Φ550mm; 煤层硬度: f ≤3。 截割功率：2х110kW
减速器示意图
目标函数：
为了使钻式采煤机减速箱的结构紧凑、 体积合理，以总中心距(L)最小作为设计目 标，即：
i m3 z5 (1 ) m z (1 i ) i1i2 1 m1 z1i1 2 3 o 2 L= o 2 cos12 cos12
传动比限制条件
2 i1 3 2 i2 4
设计流程图
优化结果：经计算得优化值（最小中心 距）FinL=627mm，实际值L=696mm，优化 值比实际值减小10%。
枚举法小结：
运用枚举法进行机械优化设计具有以 下优点：思路简单，编程容易、无局部最 优解、不需对求解结果进行圆整等。通过 计算实例表明运用枚举法求解以离散设计 变量为主的机械优化设计问题是非常有效 的。
YB315S-4 110kW 660/1140 V 198.7 A 1480 r/min
液力耦合器的选择
液力偶合器是利用液体动能和势能来传递动力 的一种液力传动设备．具有如下的优点： 超过载保护作用，改善起动性能 起动平稳，可缩短电动机起动时间，并节省电能 可减缓传动系统中的冲击振动 在多种驱动系统中，能均衡各电机负载 结构简单可靠，无机械磨损，无需特殊维护 防火、防爆、无污染
液力偶合器工作原理
减速器的设计
采用三级圆锥圆柱齿轮减速器，圆 锥齿轮可以使受力转变90度，从而使输 入输 出垂直。虽然增加了采煤机沿巷 道方向的长度，却减小了巷道面积。
螺旋钻采煤机减速器设计
转速n （r/min） 输出功率P （kW） 输出扭矩T （Nm）
轴号 电机轴
Ⅰ轴 Ⅱ轴 Ⅲ轴
1480
1440 480 150
1.2 螺旋钻机的主机结构
1-风筒；2-锁紧装置；3-减速箱；4-液力耦合器；5-电动机； 6-传动架；7-滑撬；8-支撑油缸；9-底架；10-液压推进部件
1.3 螺旋钻采煤机的特点
1.设计先进，结构紧凑； 2.实现了工作面无人开采，安全性能好； 3.采出煤质好，含矸率底； 4.提高了资源回收率，回采了过去丢失的煤 层，有利于资源回收； 5.维修便利安全。工人在顺槽操作，检修设 备安全方便。
110
104.57 100.41 96.43
709.80
693.50 1997.74 6139.38
Ⅳ轴
60
91.67
14738.83
wenku.baidu.com
齿轮传动参数
第一级传动：弧齿锥齿轮 第二级传动：斜齿圆柱齿轮 第三级传动：斜齿圆柱齿轮
齿轮受力分析
推进液压缸组
推 进 机 构
移动框架
微调装置
3.1推进液压缸的设计
截割部电机的选择 截割部电机的选择
由设计要求知，截割功率为2×110kW。选用 防爆电机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。据此选择由沈阳电机总厂生 产的防爆电动机YB315S-4，其主要参数如下：
电机型号： 额定功率： 额定电压: 额定电流： 额定转速：
MZ110/238.5螺旋钻采煤机传动系统 和推进机构的设计
姓名：张佳佳 指导老师：杜长龙
钻式采煤机简介
钻式采煤机传动系统设计
钻式采煤机推进机构设计 传动系统的优化 总结
1.1 研究背景：
薄煤层（≤0.8m）储量的丰富及开采难度较大 的特性使其成为目前世界上关注率最高的课题之一。 钻机式采煤机采煤工艺是其中一个最主要，也是迄 今为止，较为成熟和有效的开采方法。目前世界主 要产煤国都在对钻机式采煤机进行改进和完善研究 工作。
型号： YOXD500限矩型液力耦合器（水介质）
输入转速（r/min） : 1500 传递功率 (kW): 90-132 效率%: 0.97 重量 (kg): 104 键： 渐开线花键（int16z*3.5m*30p*5H）
液力偶合器的工作原理
液力耦合器的泵轮和涡轮组成一个可使液 体循环流动的密闭工作腔。动力机(内燃机、 电动机等)带动输入轴旋转时，液体被离心 式泵轮甩出。这种高速液体进入涡轮后即 推动涡轮旋转，将从泵轮获得的能量传递 给输出轴。最后液体返回泵轮，形成周而 复始的流动。
HSG:双作用单活塞杆液压缸 L:外螺纹连接（缸盖连接方式） 125/70:液压缸内径/活塞杆外径 E：压力等级代号，16MPa
推进液压缸组
移动框架的设计
导向杆连接组件的设计
液压缸连接件的设计
4.扩充部分
基于枚举法的减速器优化设计
机械优化设计大多数属于非线性约束优化设 计。目前，非线性约束优化设计一般采用混沌搜 索法、信赖域算法、罚函数法以及遗传算法等。
1.5T KZ X Z R Z KT 2 2 H1 Z Z1H Z e Z b 2E [i +1 H1 ] H 2 3 E 10 Im2 z H2 m2 z3 1 1 d i2
2
2
约束条件
（1）齿面接触应力条件
H1
1.5T1 KZ X Z R Z E 2 [ H1 ] 2 10 Im1 z1
F1
F2
T1 K YX F1 2 10m1 J
2 KT2 Y Y Y F 2 2 3 Fa Sa 0.6 z3 m2
2 KT3 Y Y Y F3 2 3 Fa Sa 0.6 z5 m3
F3
模数限制条件
2 m1 10 2 m2 10 2 m 10 3
2
H2
Z E Z H Z e Z b 2 KT2 i2 +1 3 H 2 m2 z3 d i2
H3
Z E Z H Z Z 2 KT3 i3 +1 3 H 3 i3 m3 z5 d
2
（2）齿根弯曲应力条件
本螺旋钻采煤机的推进系统采用液压推 进，采煤机的工作情况： 推进速度：0-1.0m/min; 推进力：320kN； 后退力： 220kN。
主液压缸型号： HSG· L－125/70· E-1711-800· 1472 副液压缸型号： HSG· L－90/50· E-1711-800· 1067
但是机械设计中很多变量是由国标规定的非 连续的一系列离散量，如V带的长度、齿轮的模数、 轴承的内径、液压杆的内径等。对于求解的设计 变量，要对结果进行圆整（标准化），从而求得 目标函数的最优值。
什么是枚举法？
机械优化设计中的枚举法，就是将所有可能 的情况一一列举，将满足约束条件的设计变量进 行组合，然后根据条件判断此答案是否合适，合 适就保留，不合适就丢弃，从而得到最优设计结 果。其优越性体现在三个方面：一是优化结果是 全局最优解，不是局部最优解；二是思路简单， 程序编写调试方便；三是不用对优化设计的结果 进行标准化。
1.4 钻式采煤机的缺点 钻式采煤机由于体积庞大，需要巷道 断面也大，使用成本很高； 换接钻杆时间长，影响采煤效率； 截割面积小，降低采煤效率。
2 传动系统的设计
电动 机
传 动 系 统
液力耦合 器
减速器
技术参数
钻杆转速： 0～60r/min; 钻头数量：4个; 推进力：320kN; 后退力：220 kN; 推进速度: 0～1m/min; 液压系统压力: ≤16MPa; 推进类型: 液压； 煤层厚度: 0.45～0.60m; 煤层倾角: ≤±15°; 工作额定电压: 三相交流660V; 钻头直径: Φ550mm; 煤层硬度: f ≤3。 截割功率：2х110kW
减速器示意图
目标函数：
为了使钻式采煤机减速箱的结构紧凑、 体积合理，以总中心距(L)最小作为设计目 标，即：
i m3 z5 (1 ) m z (1 i ) i1i2 1 m1 z1i1 2 3 o 2 L= o 2 cos12 cos12
传动比限制条件
2 i1 3 2 i2 4
设计流程图
优化结果：经计算得优化值（最小中心 距）FinL=627mm，实际值L=696mm，优化 值比实际值减小10%。
枚举法小结：
运用枚举法进行机械优化设计具有以 下优点：思路简单，编程容易、无局部最 优解、不需对求解结果进行圆整等。通过 计算实例表明运用枚举法求解以离散设计 变量为主的机械优化设计问题是非常有效 的。
YB315S-4 110kW 660/1140 V 198.7 A 1480 r/min
液力耦合器的选择
液力偶合器是利用液体动能和势能来传递动力 的一种液力传动设备．具有如下的优点： 超过载保护作用，改善起动性能 起动平稳，可缩短电动机起动时间，并节省电能 可减缓传动系统中的冲击振动 在多种驱动系统中，能均衡各电机负载 结构简单可靠，无机械磨损，无需特殊维护 防火、防爆、无污染
液力偶合器工作原理
减速器的设计
采用三级圆锥圆柱齿轮减速器，圆 锥齿轮可以使受力转变90度，从而使输 入输 出垂直。虽然增加了采煤机沿巷 道方向的长度，却减小了巷道面积。
螺旋钻采煤机减速器设计
转速n （r/min） 输出功率P （kW） 输出扭矩T （Nm）
轴号 电机轴
Ⅰ轴 Ⅱ轴 Ⅲ轴
1480
1440 480 150
1.2 螺旋钻机的主机结构
1-风筒；2-锁紧装置；3-减速箱；4-液力耦合器；5-电动机； 6-传动架；7-滑撬；8-支撑油缸；9-底架；10-液压推进部件
1.3 螺旋钻采煤机的特点
1.设计先进，结构紧凑； 2.实现了工作面无人开采，安全性能好； 3.采出煤质好，含矸率底； 4.提高了资源回收率，回采了过去丢失的煤 层，有利于资源回收； 5.维修便利安全。工人在顺槽操作，检修设 备安全方便。
110
104.57 100.41 96.43
709.80
693.50 1997.74 6139.38
Ⅳ轴
60
91.67
14738.83
wenku.baidu.com
齿轮传动参数
第一级传动：弧齿锥齿轮 第二级传动：斜齿圆柱齿轮 第三级传动：斜齿圆柱齿轮
齿轮受力分析
推进液压缸组
推 进 机 构
移动框架
微调装置
3.1推进液压缸的设计
截割部电机的选择 截割部电机的选择
由设计要求知，截割功率为2×110kW。选用 防爆电机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。据此选择由沈阳电机总厂生 产的防爆电动机YB315S-4，其主要参数如下：
电机型号： 额定功率： 额定电压: 额定电流： 额定转速：