煤巷综合机械化掘进机毕业设计.docx
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煤巷综合机械化掘进机毕业设计
摘要
煤炭工业是我国国民经济的主要支柱产业。
在未来50年内,煤炭仍是主要的能源和战略物质,具有不可替代性,是国民经济和社会发展的保证。
我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线,也称为煤巷综合机械化掘进掘进机,而掘进机的生产水平代表了煤炭的采集效率。
本次设计选用ZBXS100E掘进机型。
掘进机主要包括机械部分,电气系统,液压系统和水冷系统。
本次设计的主要内容为电气系统的设计,其中明确了电气系统的组成,完成了电气系统的控制原理,电气系统的自我保护系统的设计。
关键词:
电气系统、主电路、控制、保护
Abstract
Thecoalindustryisthepillarindustryofournationaleconomy.Inthenext50years,coalisstillthemainsourceofenergyandstrategicmaterials,whichcannotbereplaced,isthenationaleconomicandsocialdevelopmenttoensure.Themainmodeofourcountrycoallanetunnelingefficiencyisboom-typeroadheaderandmonomerRoofboltermatchingline,alsoknownascoallanecomprehensivemechanizationtunnelingboringmachine,andmachineproductionlevelrepresentsthecollectionefficiencyofcoal.
ThisdesignusesZBXS100Etunneler.Boringmachinemainlycomprisesamechanicalpart,electricalsystem,hydraulicsystemandcoolingsystem.Themaincontentsofthedesignforthedesignofelectricalsystem,whichmadeclearthecompositionoftheelectricalsystem,thecontrolprincipleoftheelectricalsystem,theelectricalsystemdesignofselfprotectionsystem.
Keywords:
electricalsystem,themaincircuit,control,protection
1绪论
1.1引言
煤矿掘进是煤炭生产和建设的基础工程。
近年来,我国煤矿掘进机械化得到了迅速的发展,装备水平也有很大的提高,在自主创新能力上也有长足的进步。
煤炭工业是我国国民经济的主要支柱产业。
在未来50年内,煤炭仍是主要的能源和战略物质,具有不可替代性,是国民经济和社会发展的保证。
随着国民经济的快速发展,以及国加入WTO后,煤炭工业现代化的步伐也在加快。
目前,国内掘进机发展水平相对落后,巷道掘进成为煤矿发展的一个瓶颈,制约着煤炭工业的发展。
各国早期研制的悬臂式掘进机都是以煤炭为作业对象,机重在13-17吨之间、切割功率在30KW左右的轻型机,代表机型是前苏联的ЛК-3型掘进机。
中期产品主要是用于切割煤系地层中的各种煤岩的中型掘进机,机重在25吨左右、切割功率50-100KW,可切岩石硬度系数f6,如英国的MKA-2400型、奥地利的AM-50型、日本的S100型等。
近期产品主要是以煤系地层中的中硬度岩石为作业对象的重型机,一般机重40-80吨、切割功率150-200KW、可切岩石硬度系数f8,如英国的LH-1300型、奥地利的AM-75型、日本的S200M型掘进机等。
我国的掘进机技术开发工作始于1965年,最初是仿前苏联的ЛК-3型掘进机,1979年后,先后从日本、奥地利、英国、美国、西德、原苏联、匈牙利引进了多种型号的掘进机,通过引进日本MRH-5100-41型、奥地利AM-50等型掘进机的制造技术和先进加工设备,并进行技术转化,到1989年底,我国已自行研制成功了AM50、ELM-55、EMIA-30、EL-90、5100等6种8个型号的掘进机,使我国中小型掘进机不再依赖进口。
此后,我国又开始了重型掘进机技术开发和研制工作。
1999年,煤科总院太原分院开发出了EBJ-160型掘进机,2001年,佳木斯煤机厂又完成了从日本引进S200M型掘进机的消化吸收、国产化任务。
经过几代人的不懈努力,截止到目前为止,我国掘进机的开发研究在轻型及中重型上己其本达到国际先进水平,但在重型掘进机的研究上,与一些发达国家的产品还存在一定的差距。
1.2国内掘进机的简介
近年来,随着我国煤炭行业的快速发展,与之唇齿相依的煤机行业也日益受到重视。
在煤炭行业纲领性文件《关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》中,在全国煤炭工业科学技术大会上以及国家发改委出台的煤炭行业结构调中,都涉及到发展大型煤炭井下综合采煤设备等内容。
掘进和回采是煤矿生产的重要生产环节,国家的方针是:
采掘并重,掘进先行煤的矿巷道的快速掘进是煤矿保证矿井高产稳产的关键技术措施。
采掘技术及其装备水平直接关系到煤矿生产的能力和安全。
高效机械化掘进与支护技术是保证矿井实现高产高效的必要条件,也是巷道掘进技术的发展方向。
随着综采技术的发展,国内已出现了年产几百万吨级、甚至千万吨级超级工作面,使年消耗回采巷道数量大幅度增加,从而使巷道掘进成为了煤矿高效集约化生产的共性及关键性技术。
我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂式掘进机与单体锚杆钻机配套作业线,也称为煤巷综合机械化掘进,在我国国有重点煤矿得到了广泛应用,主要掘进机械为悬臂式掘进机。
我国煤巷悬臂式掘进机的研制和应用始于20世纪60年代,以30~50kW的小功率掘进机为主,研究开发和生产使用都处于试验阶段。
80年代初期,我国淮南煤机厂(现重组为凯盛重工)引进了奥地利奥钢联公司AM50型掘进机、佳木斯煤机厂(现隶属于国际煤机)引进了日本三井三池制作所S-100型掘进机,通过对国外先进技术的引进、消化、吸收,推动了我国综掘机械化的发展。
但当时引进的掘进机技术属于70年代的水平,设备功率小、机重轻、破岩能力低及可靠性差,仅适合在条件较好的煤巷中使用,加之国产机制造缺陷,在使用中暴露了很多问题。
国内进一步加强对引进机型的消化吸
收工作,积极研制开发了适合我国地质条件和生产工艺的综合机械化掘进装备。
经过近30年的消化吸收和自主研发,目前,我国已形成年产1000余台的掘进机加工制造能力,研制生产了20多种型号的掘进机,其截割功率从30kW到200kW,初步形成系列化产品,尤其是近年来,我国相继开发了以EBJ-120TP型掘进机为代表的替代机型,在整体技术性能方面达到了国际先进水平。
基本能够满足国内半煤岩掘进机市场的需求,半煤岩掘进机以中型和重型机为主,能截割岩石硬度为f=6~8,截割功率在120kW以上,机重在35t以上。
煤矿现用主流半煤岩巷悬臂式掘进机以煤科总院太原研究院院生产的EBJ-120TP型、EBZ160TY型及佳木斯煤机厂生产的S150J型三种机型为主,占半煤岩掘进机使用量的80%以上。
然而,国内目前岩巷施工仍以钻爆法为主,重型悬臂式掘进机用于大断面岩巷的掘进在我国处于试验阶段,但国内煤炭生产逐步朝向高产、高效、安全方向发展,煤矿技术设备正在向重型化、大型化、强力化、大功率和机电一体化发展,新集能源股份公司、新汶矿业集团、淮南矿业集团及平顶山煤业集团公司等企业先后引进了德国WAV300、奥地利AHM105、英国MK3型重型悬臂式掘进机。
全岩巷重型悬臂式掘进机代表了岩巷掘进技术今后的发展方向。
虽然三一重装去年推出了国内第一台EBZ200H型硬岩掘进机,但国产重掘
进机与国外先进设备的差距除总体性能参数偏低外,在基础研究方面也比较薄弱,适合我国煤矿地质条件的截割、装运及行走部载荷谱没有建立,没有完整的
设计理论依据,计算机动态仿真等方面还处于空白;在元部件可靠性、控制技术、在截割方式、除尘系统等核心技术方面有较大差距。
1.3悬臂式掘进机的发展状况及趋势
1.3.1国内外掘进机发展状况
国外主要生产单位有:
英国Anderson公司,Dosco公司、奥地利的奥钢联、
德国的阿特拉斯科普柯-埃可霍夫掘进机技术公司(AtlasCopco-Eick2hoffRoadheadingTechbicGmbh简称AC-E),保拉特(Paurat)有限公司,威斯特
伐利亚吕恩公司、前苏联雅西诺瓦斯克机械制造厂、日本三井三池制作所。
这些公司的发展现状基本上代表着国外悬臂式掘进机的技术现状。
控制系统:
国外早期掘进机的控制、操作回路一般都通过操作安装在隔爆型主令箱上的按钮或手把开关来控制传统的交流中间继电器电路,进而通过继电器接点来对主回路交流接触器进行二次控制。
近年,体积小、功耗低、可靠性高的光电耦合元件作为隔离和转换器件在本安型控制先导回路中得到了广泛的应用并取得了良好的效果。
而可编程控制器(PLC)的应用更是使掘进机的控制技术和可靠性上了一个台阶。
目前,许多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,故障诊断功能等。
目前,我国悬臂式掘进机技术已上了一个新的台阶,总体水平已接近国外同
行。
在产品的开发方面,掘进机的截割功率从30kW提高到160kW,机重从13t上升到53t,截割对象从煤扩展到半煤岩,并逐步形成了煤及半煤岩掘进两大系列、10多个品种。
尤其是在“八五”后期至“九五”初期研制成功的EBJ系列半
煤岩掘进机,其技术性能达到并部分超过了某些进口的同类产品,具有良好的性能价格比。
我国设计生产掘进机的单位有煤科总院上海分院、太原分院、唐山分院以及淮南煤机厂、佳木斯煤机厂、南京晨光机器厂、内蒙二机厂等。
主要机型
有ELM型、AM50型、S-100型、EBJ型、EBZ型。
1.3.2国内外悬臂式掘进机发展趋势
悬臂式掘进机技术的发展除取决于实际生产需要外,还受基础工业发展水平及技术可行性的影响。
随着工业技术水平的提高和在悬臂式掘进机技术开发方面
经验的积累,国外发展趋势为:
(1)矮型化 在加大机重、截割功率和提高截割硬度的前提下,发展机身较低的机型,提高工作稳定性,也可以适用比较低矮的巷道掘进。
(2)中、重型化 目前世界上有代表性的生产厂家生产的掘进机从轻型逐渐向中、重型发展,多数掘进机的截割功率达到40~350kW,有的已到400kW,机重在40t以上。
(3)主要元部件系列化 掘进机发展过程中只需改变主机形式,而不改变基本元部件,此外采用组件结构设计,掘进机工作机构可根据需要装配横轴式或纵轴式截割头。
(4)应用高科技技术 借助计算机进行优化设计,使机型简洁可靠性高,逐步使用模块化设计。
掘进机自动控制系统更加完善,利用微机进行机器工况监测和故障诊断等。
(5)附件化 保留必要的截、装、运、行主要组成功能,将降尘、辅助支护等部分以附件形式出现。
这样可根据需要选择装配各种附加件,给设计、制造、使用都带来了方便。
(6)掘进破岩方式的多元化 破岩方式既有机械截割破岩又有冲击破岩,最近又开发了一种水力掘进技术等。
我国掘进机技术虽经近30年的努力已有了较大的提高,但与西方发达国家比还有距离。
今后我国掘进机技术的发展趋势是:
(1)扩大掘进机的适用范围 进一步使机型矮型化,改善截割、装载、行走等结构,使其能较好地适应我国各种地质构造和断面形状的巷道掘进。
(2)掘锚联合机组 研制集掘、钻、锚为一体的综合机组,既能快速掘进,同时又能进行打眼安装锚杆,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。
这是实现巷道快速掘进,满足高产高效工作面发展需要的重技术途径。
(3)喷雾降尘设备随机化 对现有机型设置载降尘设备,提高外喷雾的使用效果,将会使掘进机在工作时的粉尘浓度大大降低。
(4)提高各型掘进机工作的可靠性并发展新型掘进机 进一步对各型掘进机整机设计的完善化,运用优化设计方法提高主要元部件的可靠性。
此外还可借鉴其他领域理论发展新型掘进机,如盘形滚刀悬臂式掘进机、冲击振动掘进机。
(5)发展新的元部件技术和机电一体化技术 如:
尝试将履带内藏式行星减速器新技术运用在悬臂式掘进机中;掘进机工况监控技术的发展(包括掘进机工况监测、故障诊断)。
(6)采用新的制造技术和先进的生产管理理论及经验降低生产成本 我国掘进机生产厂家在生产中大部分还是沿用原苏联的生产管理模式,这已经不能适应现代生产的发展,因此应该多采用先进的加工技术和管理模式,如采用计算机为主体的CADPCAMPCAEPFMSPCIM等先进制造技术,模块化设计及制造技术,以及全面质量及目标管理等管理理论来进行生产和管理,从而达到降低成本提高质量的目的。
1.4S100E掘进机介绍
EBZ100E(S100E)掘进机是在S100、S100A的基础上,结合国际先进技术进行优化设计的产品。
该机能够实现连续切割、装载、运输作业,并以矮机身、高强度等特点广泛适用于较大倾角的半煤岩巷、软岩巷道的掘进,也可在铁路、公路、水力及地下工程隧道中使用。
定位截割断面达21m2,截割硬度60Mpa。
于煤矿井下巷道掘进,适用全煤巷道或半煤岩巷道,其截割能力大、机体稳定性好、粉尘少、操作与维护方便,运行安全可靠,在煤矿装备中,是国家重点推广产品。
1.5S100E掘进机在设计上的优点:
1.机身矮、重心低;
2.各部件均采用框架结构件,强度高、刚性好,运行稳定、效率高;
3.小炮头、可伸缩;
4.铲板采用低速大扭矩马达直接驱动,底板开放,减少飘浮;
5.第一运输机底板呈直线形,底板采用20厚的新型耐磨材料;
6.履带板整体铸造,行走驱动系统采用减速器与液压马达高度集成的驱动方式;
7.采用截割功率监控显示;
8.提高除尘效果的内、外喷雾系统。
2机械部分2.1设计特点:
1.整机结构紧凑,截割能力大,爬坡能力强,操作与维护方便,运行安全可靠;
2.截割头可以伸缩,伸缩行程510mm;
3.装载部采用低速大扭矩马达驱动弧齿三齿星轮方式,第一运输机采用低速大扭矩马达驱动双边刮板链运输方式;
4.行走部采用马达加减速机驱动,履带采用套筒滚子链,履带与履带架之间有支重轮;
5.具有内、外喷雾除尘系统;
6.有提高机器稳定性的支撑装置;
7.电器系统保护功能齐全,截割电机为双速电机,可实现双电压供电。
2.2结构特点:
2.2.1掘进机总体布局:
EBZ100E(S100E)掘进机是由截割部、铲板部、第一运输机、本体部、行走部、后支承、液压系统、水系统、润滑系统、电气系统。
2.2.2截割部:
1、改进截割头形状,以消除原机型的截割头尾部磨损严重问题;
2.改用进口截齿,齿数为40,并设计相应截齿座,增加了切割的可靠性;
3.优化布齿的螺旋线和各空间角度;
4、水密封采用格莱圈。
截割头
重量:
569
外形:
Φ840×700
截割电机
重量:
1930
外形:
1320×950×600
切削减速机
重量:
1093
外形:
1270×623×750
截割部
重量:
5287
外形:
3350×1950×1220
伸缩部
重量:
1410
外形:
Φ574×2290
截割电机盖板
重量:
190.5
外形:
1550×1400×312
图2-1截割部
2.2.3铲板部:
1、在不降低整体强度情况下,底部减少封底,以缓解铲板上漂;
2、工作角度增加约2度,外观美化;
3、上板变成整体,后围板高度增加(不等高),上过链板角度与第一运输机配后尾端下沉;
4、与第一运输机结合处采用插口式。
图2-2铲板部
铲板部主要特征:
(1)铲板前端夹角小,减少前进阻力;
(2)铲板较大侧面倾角,利于装煤和清底;
(3)铲板后面弧形设计,减少上面积货;
(4)星轮三齿弧形设计,减少装货阻力;
2.2.4第一运输机:
1、增加底板耐磨性,采用新型耐磨材料;
2、底板全长取直,且提高二运在大摆角时一运的落料效果;
3、双马达驱动;
4、与铲板部结合处采用插口式;
驱动装置
5、通过热处理方法提高刮板抗弯能力。
涨紧装置
后溜槽
前溜槽
刮板链组件
图2-3第一运输机
型式:
双边链刮板式
溜槽断面尺寸(mm):
500(宽)×327(高)
链速(m/min):
70.8
驱动:
NHM6-400液压马达2台
涨紧装置:
弹簧、丝杠涨紧
运输能力(m3/min):
5.3
2.2.5本体部:
为使电控箱统一,本体与后支承联接的尾部左臂切割一处90*212*355角,以避免与电控箱干涉,同时在不影响性能的条件下为提高强度此处有较大改变。
图2-4本体部
概述:
外形尺寸:
3210(长)X1506(宽)X1482(高)
总重:
5.2t
主要组成部件:
本体架、回转台、盖板、回转轴承等
2.2.6行走部:
采用减速机内嵌液压马达高度集中结构,采用整体履带板,履带的松紧程度是靠
涨紧油缸推动涨紧轮组加卡板来调节的。
图2-5行走部
2.2.7后支承部
1、后支承高度降低;
2、与二运联接型式改变,增大二运摆角;
3、爬坡地隙优于EBZ100A;
4、后支承与本体联接板采用钩槽式,以防止受力大时,后支承与本体联接螺栓被剪断。
托架
联接架
支承器
第二运输机回转架
架子
图2-6后支承部
外形尺寸mm:
2000(长)×1900(宽)×990(高)
总重:
2.4t
2.3掘进机参数
表2-1掘进机参数
一、整机参数
1、
型号:
S100E
2、
机体总长:
8.7m
3、
机身高:
1.48m
4、
一运高
1.48m
5、
铲板总宽:
2.8m
6、
履带外宽:
1.956m
7、
机体重:
28吨
8、
截割宽度:
5.3m
9、
截割高度:
4.63m
10、
截割面积:
21m2(定位截割)
11、
截割头最大卧底量:
210mm
12、
铲板卧底:
250mm
13、
铲板抬升:
340mm
14、
地隙:
200mm
15、
龙门高度:
366mm
16、
爬坡能力:
±18°
17、
最小转弯半径:
5.5m
18、
经济截割硬度:
≤60Mpa
19、
接地比压:
0.127MPa
20、
装载能力:
270m3/h
21、
运输能力:
270m3/h
22、
系统压力:
MPa
23、
供电电压:
AC660/1140V
24、
总功率:
163Kw
二、截割部参数
1、
截割头形状:
圆锥台形
2、
截割轴形式:
纵轴式
3、
截割头尺寸:
Φ840×700
4、
截齿数量:
40把
5、
截齿参数:
Φ34
6、
截割头转速:
46r/min
7、
截害头伸缩量:
0.51m
8、
截割功率:
100kw
9、
截割电机:
YBUS-100/60-4/8
1台
10、
喷雾:
内、外喷雾
三、铲板部
1、
装载形式:
弧形三齿星轮式
2、
装载宽度:
2.8m
3、
星轮转数:
r/min
4、
星轮直径:
1.33m
5、
星轮马达:
NHM11-1200
2台
四、第一运输机
1、
形式;
双边链刮板式
2、
溜槽尺寸:
0.5m(宽)×0.4m(高)
3、
链速:
63m/min
4、
圆环链规格:
φ18×64C
5、
原动机:
NHM6-400
1台
6、
涨紧形式:
弹簧、丝杆涨紧
五、行走部
1、
形式:
履带式
2、
履带宽度:
450mm
3、
制动方式:
圆盘制动器
4、
接地比压:
0.127MPa
5、
行走速度:
3m/min(慢速);7m/min(快速)
6、
行走马达:
A2FE90/61W-NAL100
2台
7、
行走减速机:
F55/185/K90/MB
2台
3掘进机电气控制系统的设计3.1掘进机对电气控制系统的要求
掘进机电气系统是整机的主要组成部分,与液压系统配合操作,可自如的实现整机的各种生产作业。
掘进机电气控制系统以可编程序控制器和掘进机综合保护器为核心,对截割、液压、二运、三个电机的过压、欠压、过温、过载、过流、三相平衡状态、电机及其电缆的绝缘状态(漏电闭锁)进行监控和保护、并具瓦斯监控和低压漏电保护功能。
3.2设计要求:
(1)各设备和电机启动前,系统先整体对截割电机(高、低速)、油泵电机、二运电机等进行漏电闭锁检测。
(2)应对各个电机进行温度、过载、断相和短路保护;
(3)各个电机工作过程及关系,首先必须启动油泵电机使油路先工作,然后方可启动截割电机,截割电机的高速和低速之间要能实现互锁;
(4)应有急停按钮一旦启动和运行时有意外发生,可紧急停机。
3.3系统的组成及结构概述3.3.1组成及分布
电气设备由前级馈电开关、KXJ-250/1140E型矿用隔爆兼本质安全型电控箱、CXB-36E型掘进机用矿用隔爆型操作箱、BAL1-36型矿用隔爆型连击电铃、DGY35/48(36)B(B)型隔爆型照明灯、BZJ2-5/127型矿用隔爆型急停按钮以及驱动掘进机各工作机构的防爆电动机和连接电缆组成。
EBZ-125XK型掘进机电控设备KXJ-250/1140(660)E矿用隔爆兼本质安全型电控箱(以下简称电控箱)、CXB-36E型掘进机用矿用隔爆型操作箱(以下简称操作箱),符合我国的煤矿安全规程、防爆规程和有关规程、标准的规定,适用于具有爆炸性危险的气体(甲烷)和煤尘的矿井中,控制EBZ-S100E型掘进机切割电机、油泵电机的运转,并对电机及有关电路进行保护
3.3.2结构的确定
电控箱为矿用隔爆兼本质安全型。
电控箱分为二个通过接线端子相互连接的独立腔体,左边为进出线腔,右边为主腔。
进出线腔内设有接线端子和内接地端子。
主腔内后壁板上装有真空接触器、互感器、过电压吸收装置等。
主腔内顶板上装有主回路熔断器。
主腔内底板上装有接插件、变压器、控制回路熔断器、继电器、保护单元等。
主腔内中门上装有接插件、PLC可编程控制器、显示器等。
主腔箱门上设有状态及故障指示观察窗口,外壳上设有紧急停按钮SB1和隔离开关QS,外壳上设有接地螺栓。
电控箱为钢板焊接结构。
电控箱门由两个转耳支撑,并用螺栓和箱体紧固。
箱门上设有“断电源后开盖”警告牌。
紧急停止按钮SB1与隔离开关
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