一、气缸设计论文
1200万人民币左右 F1 的造价 F1 是世界上开销最大的体育运动，相信很多人早已听说过。赛车的设计和制作是一件非常复杂的工作，而且保密性极强，赛车上的每个部件不能简单地以价格来衡量。但是，从财务的角度要求，每一个部件必须有一个基本价格。这个价格只能组装出一部可以开动的赛车，如果再加上科研费，设计费，风洞实验费（甚至风洞实验室的造价）, 公开和私下试车费等等，一辆 F1 赛车的造价到底是多少呢? 下面是车辆各组件的价目清单，也许我们可以从中看出一些轮廓： 这就是为什么我们说一辆 F1 赛车的造价就要 100 万英镑的原因，其中以引擎，变速箱, 车身及电子系统的造价最为昂贵。上面的价目并没有包括车队 150 到 500 人不等的高额薪资与设计车辆的成本（风洞测试, 计算机设备之类），加上之后更是惊人，要称 F1 赛车是最昂贵的职业运动显然并不为过。 F1 的车身 F1 车队的设计小组通常在上一个赛季的夏天就已经开始着手讨论下个年度的赛车设计项目。几支志在争冠的大车队甚至在前一年的赛季初就已经开始着手进行下一个赛季赛车的设计。 虽然目前仍有许多车队科技总监还是喜欢带着图纸走来走去，但是这样的景象终究会成为历史的陈迹。F1 赛车的零组件已经讲求到公厘甚至更精密的程序，这已经不是手工可以处理的范围。车轮部分复杂的钛合金组件连计算机都需要超过 36 小时进行切割，很难想像手工处理需费时多久。这就需要借用计算机辅助设计。利用卑鄙的男人输出的资料，计算机控制的精密切割器具开始打造第一具赛车模型。制作这具模型的材质是人造材质 Ureol ，不过它的性质接近天然的木材。利用这个模型，车队可以利用碳纤维生产打造车身的模具。 模具诞生之后，接下来就是手工打造的时间。熟练的技师将碳纤维一层一层地贴在模具上，车身每一个部位因为承受的压力不同而贴上不同层数的碳纤维与不同的排列方向。每一层碳纤维的排列方向决定了车身承受压力将往哪一个方向分散。所以这个程序需要谨慎地执行，吹风机与手术刀此时都会派上用场。F1 赛车的碳纤维层数平均是 12 层，另外在最中央的部分铺设蜂巢结构的铝合金。 费时的碳纤维铺设工作结束后，最后一步就是将车身送进高温与高压的特别烤箱中让每一层碳纤维紧密结合。这样的程序要反复进行三次后一具车身才能算大功告成。烤出第一具车身需费时六周，不过第一具车身制造完成后，后来的车身只需一周即可出厂。 说到 F1 赛车车身，便不得不提及各种应用其上的空气动力学组件。正是由于空气动力学原理在车身和底盘设计上的广泛应用，才使得 F1 赛车可以达到任何赛车都无法比拟的水平和规模。这也是 F1 卓尔不群的原因之一。 对空气动力学在车身设计上应用的研究工作是近 20 年才兴起的。上世纪 60 年代， F1 车队认识到在车身不同地方加装翼板等扰流部件能够有效提高赛车在弯道上的速度，但由于当时缺乏理论体系指导，对这些翼板该加装在什么地方，翼板的面积大小, 角度如何等车队并没有一个成形的概念，大家都在不断的摸索和尝试中。再加上当时的加工工艺并不成熟，翼板在比赛中脱落造成伤亡的例子比比皆是，于是，在赛车上加装空气动力学部件一度被禁止。然而，随着空气动力学理论体系的发展，加上计算机科技的兴起，使车队深入研究空气动力学对赛车影响的想法变成了可能。 一直到了上世纪 70 年代，终于有人想出了得以实现的办法。这个人便是现任麦凯伦车队的首席设计师纽维。他从南安普顿大学毕业时的毕业论文便是以此为题，当时他尚是一个初出茅庐的小子，但是这一石破天惊的想法让他成为了 F1 赛车设计和空气动力学结合的开山鼻祖。 我们知道，赛车的车身是综合考虑减少车身迎风面积和增加与地面附着力以及赛车运动规则而成型的。赛车在疾驶时，迎面会遇到极大的空气阻力，为了减少空气阻力，赛车外形要尽可能呈流线型，座椅靠背倾角便于使车手处于半卧坐姿，以获得较小的迎风面积。通过减小迎风面积并采用扰流装置，借以减小空气阻力，提高速度。赛车车身设计师们必须将影响空气动力表现的各种因素都分析得清清楚楚。 F1 车队在每一?热蓟嵊蒙闲掳娴?不同的空气动力学组件，如果车队间的竞争和自然的力量已经不是车队考虑的重点，那么赛车主办单位 FIA 永远会导入新的规则来限制 F1 赛车的速度。年复一年，空气动力学的专家们通过不断的改良与创新，让空气动力学效益更上一层楼。所以，今日的 F1 赛车堪称是地球上最完美的贴地飞行器。 F1 的发动机 自从 1950 年以来， F1 每年都给最优秀的车手授予世界冠军的称号，自 1958 年开始给最优秀的车队授予冠军称号。发动机是没有正式的冠军。 铝，是当今一级方程式赛车发动机使用最普遍的材料。在 80 年代，铸铁已经全部被较轻的铝取代。铝还取代了镁，因为镁接触水会腐蚀。然而，必须承受强大作用力的运动件还是要用钛和钢来制造。材料基本分配为：铝 63% （汽缸盖、机油盘、活塞）；钢 29.5% （凸轮轴、曲轴、正时齿轮）；镁 1.5% （油泵壳）；碳素纤维 1% （空气罐、线圈罩）；钛 5% （连杆、紧固件）。 制造一台发动机需要 150 名以上的职工，其中 28 名工程师、 20 名制图员、 35 名发动机机械师、 8 名电子专家、 20 名机械工和装配工、 4 名系统工程师、 6 名台架实验技术员、 15 人从事采购、生产和检验，另有 15 人为管理人员。 打造F1引擎的材料大部分仍然是铝合金，外加上少部分的复合材料。FIA规定引擎制造商只能选择10汽缸的设计，主要原因是在现有的规定之下V10引擎最有效率。另一个大家经常注意的地方是引擎夹角，V型汽缸夹角的角度从最早的60度到之后的72度、90度，甚至曾有Renault车厂108度的大夹角V10引擎，F1引擎内的曲轴每分钟旋转超过18000次，10个汽缸内活塞每秒钟的位移超过25公尺。 F1车队每年的预算约有50%用在引擎的研发与制作上。高转速、动力输出惊人的F1引擎，所需的零件都需具备高强度与轻量化的特质。因些会用上多种特殊合金材质，让F1引擎的造价惊人。不含研发费用，每具F1引擎的造价就高达15万美元，而Mercedes-Benz每年需要约制作80～100具F1引擎以供Mclaren-Mercedes车队使用。 各项性能兼具的F1引擎，仍需考量可靠度的问题，一具无法完成比赛的引擎，会让车队的一切努力变得徒劳无功，因此在研发阶段之后，重要的工作就是不断地测试，提高引擎的耐用度与可靠度。不过，F1无法在守旧的科技中寻找答案，要赢就必须冒险，因此就引擎而言，100%的可靠度是不可能的。而引擎工程师仍须继续不断的在马力、油耗、重量、尺寸、高转速，可靠度的矛盾中寻求奇迹，创造新的F1动力
二、气缸的设计及选型
根据设计的机构负载，空间，速度，是否带磁性，是否要防尘防水，是否要缓冲，单作用还是双作用，带导杆与否，用途等进行选型，公式是：F=π/4*D^2(mm)*P(MPa)
三、气缸毕业设计论文
相对于铸铁，铝的缺点和优点都非常明显，使得这两种发动机缸体材料适用范围其实不一样。
一、两种材料的优缺点。
1、铸铁的优缺点。
铸铁热膨胀系数低，铸铁缸体易加工，强度高，耐磨，铸铁甚至还有一定的自润滑特性。除了温度传导系数和重量，铸铁几乎没有缺点。但是铁再差也是金属，蠕墨铸铁又是铸铁里热传导系数比较好的材料。对内燃机的需要而言，蠕墨铸铁与铝合金差的那点温度传导系数完全可以用更精密的水路换回来，毕竟铝这玩意儿因为强度和热膨胀系数的关系做复杂水路有点难（后面慢慢分析）。
所以铸铁真正无法克服的，只有重量这一个问题，但是这个问题，只在大缸体上存在（注意排量大不等于缸体大，这两件事有关系，但终归不是一回事）
2、铸铝的优缺点。
铝最大的优点：轻。网上盛传的散热优势其实对一般的全铝发动机不存在，只有采用铁离子涂层（注：等离子涂层是指采用等离子喷射技术生产的铁离子涂层）的全铝发动机缸体散热才是真的牛逼。原因在后面有分析。
铝最大的问题是膨胀系数和加工难度，而且这俩缺点还狼狈为奸——加工难度高导致对膨胀系数的容忍度更低（因为膨胀系数越高，零部件加热后变形越大），而为了解决膨胀系数和成本的问题，导致其必须使用较为简单的管路设计：为降低缸体与缸套间隙因温度变化受到的影响，水路、油路都不能太复杂以尽量减少受热引起的不规则变形。因此简单的开放式水路是这种发动机缸体的最佳选择，这也是为啥宝马B48那种加了涂层没用缸套的缸体用的反而是封闭式水道。
铝制缸体为什么加工难度高？这是因为铝制缸体中汽缸壁必然不是铝材，原因是铝不耐磨而且摩擦系数大，所以需要在铝制缸体上，为汽缸壁，替换一部分材料。而铸铁缸体一般是不需要这一步的（赛用那种玩意儿铸铁也得上套，但是民用一般用不着）。
全铝缸体一般采用的铁制缸套，因为需要镗缸下套，导致这玩意儿成本很高。部分车子会采用铁离子涂层，但是那玩意儿相对于铁制缸套耐磨性还是差了很多：正常使用时，采用铁离子涂层的宝马N20 B48缸体在质保期内一定会出现汽缸涂层磨损不均匀的问题。其耐用性差导致应用范围很窄，关键成本也高。
3、两者的对比分析。
单从铸造的角度来讲，铸铁和铸铝差别不大，铝制缸体成本高的原因在于缸套和涂层——但这种东西对铸铁不是必须的，所以才会说铸铁缸体易加工而不是铸铁易加工，注意区别。
一般的全铝发动机其实都会使用铁制缸套，即使是赛车，大多也是塞个锻造的塞用套。也就是说对于这种全铝发动机，冷却水最终面对的还是铁，因此散热与铸铁发动机相比没有本质区别。
但是这也扯出了另一个铁离子涂层的优势「采用铁离子涂层汽缸壁的缸体，其铝制缸筒直接浸泡在冷却液里，同时不存在铁质缸套的阻隔，工质温度控制是真的牛逼」，然而不耐用。到底有多么不耐用呢？用了一段时间的N20 B48的缸体测量汽缸内径时可以测出处处都不一样，跟葫芦串似的。
然后是膨胀系数的问题。对于加了缸套的全铝缸体，缸套和缸体的间隙因温度的变化而变化较大。而对于铁离子涂层的全铝缸体，虽然不存在缸套和缸体的间隙问题，但是活塞和汽缸壁之间的间隙也会因为温度变化而发生较大变化。为保证发动机常用工况的良好性能，一般原厂都会牺牲冷车状态的性能，具体表现就是冷车噪音大（全铝发动机通病），后果就是冷车状态对发动机伤害更大，冷车状态发动机工况更差，发动机性能衰减更快（动力降低油耗增加）。
铁因为强度高膨胀系数低的关系，单位截面上水路的形状设计可以更加激进而不至于强度不足或受热影响变形太大。所以加缸套的全铝发动机和铸铁发动机在热量管理上其实半斤八两，真正牛逼的是铁离子涂层全铝缸体，然而那玩意儿不耐用。
缸体易加工不仅关系成本，还关系性能：铝制发动机缸体为了缩减镗缸工时，提高良品率，降低缸体与缸套间隙因温度变化受到的影响，一般会采用开放式水道。但是铸铁四缸缸体几乎全部都是封闭式水道，因为对四缸以内缸体的铸造来说，两者的成本几乎没区别。有些人会提粘砂什么的，但是拜托去知网查查，这种东西是可以解决的，一汽大众当初还因为解决了EA111缸体铸造粘砂那事儿发了篇论文。对铸铁缸体而言，除了一些缸体结构特别复杂的，一般四缸发动机缸体在试生产中，采用封闭式水道缸体良品率可能会低一些，但在正式的大规模生产中，两种水道对良品率影响不大。
二、两者适用场景的分析。
好，缸体材料的优劣分析完了，开始说结论：省油取向的混动发动机适合用铸铁，小缸体发动机适合用铸铁，寒冷地区适合用铸铁。
省油取向的混动用铸铁是因为很多情况下混动燃油机其实不工作，这种时候水温会受一定影响，所以需要膨胀系数低冷车状态工况更好的铸铁发动机（本田IMMD为代表）。
小缸体的重量本身就不大，用全铝节约重量的意义不大，反而这时铸铁热膨胀系数低、自润滑、易加工的优势突出：封闭式水道的缸体强度极佳，冷车工况更好，从而使发动机性能衰减缓慢（大众EA888、奇瑞E4T系列为代表）。
寒冷地区适合用铸铁就不用解释了吧？这种段子太多了，比如「全小区的人都知道XX要去上班了」。
大缸体高性能同时对重量有严格要求的发动机适合用全铝带缸套。铁离子涂层全铝我也不知道适用于什么场景。赛用吧强度不足，民用吧耐用不够。把缸体也作为消耗部件吧，那么这种发动机效率是相当牛逼，可效率再高多少年才能省回来一个缸体？所以个人认为铁离子涂层全铝缸体实在太鸡肋。
至于为啥现在兴起小排量全铝发动机，对于宝马，肯定是因为技术通用，节约研发资金，模块化压缩成本。他们要给豪车造大缸体高性能轻量化全铝发动机，然后再把这种发动机刀一刀，活塞连杆气门什么的通用，搞出一个小排量的喂消费者吃屎——他们是舍不得特意为工薪阶层研发适合他们的发动机，又想割韭菜。
对于其他家，没研究过，不清楚。
多数消费者也被厂家忽悠瘸了，你真问他小排量全铝好在哪，就会扯一些玄而又玄的「轻量化」「散热好」「行业趋势」。你真问他轻了多少，散热好了多少，为什么是行业趋势，他就会喷你不懂车，精神胜利法溜得飞起，笑。
顺便提一下，奇瑞E4T系列的热量管理是真的骚，80℃的水温啧啧啧。
最近日产小排量1.6也开始用铁离子涂层的全铝缸体了，他的表现会不会比宝马更好呢？我们拭目以待吧。
四、气缸设计计算
1、锥度的计算公式：C=(D-d)/ L
其中，C 表示锥度比，D 表示大端直径，d 表示小端直径，L 表示锥的长度。
（1）已知锥度比C，小头直径d，总长L，则大头直径 D=C*L+d
（2）已知大头直径D，锥度比C，总长L，则小头直径 d=D-C*L
（3）已知大头直径D，小头直径d，锥度比C，则总长 L=(D-d)/C ④已知大头直径D，小头直径d，总长L，则锥度比 C=(D-d)/L
2、锥度是指圆锥的底面直径与锥体高度之比，如果是圆台，则为上、下两底圆的直径差与锥台高度之比值。锥度塞规主要用于检验产品的大径、锥度和接触率，属于专用综合检具。锥度塞规可分为尺寸塞规和涂色塞规两种。由于涂色锥度塞规的设计和检测都比较简单，故在工件测量中得到普遍使用。
五、气缸结构设计
1）缸筒
缸筒的内径大小代表了气缸输出力的大小。活塞要在缸筒内做平稳的往复滑动，缸筒内表面的表面粗糙度应达到Ra0.8um。对钢管缸筒，内表面还应镀硬铬，以减小摩擦阻力和磨损，并能防止锈蚀。缸筒材质除使用高碳钢管外，还是用高强度铝合金和黄铜。小型气缸有使用不锈钢管的。带磁性开关的气缸或在耐腐蚀环境中使用的气缸，缸筒应使用不锈钢、铝合金或黄铜等材质。气缸活塞上采用组合密封圈实现双向密封，活塞与活塞杆用压铆链接，不用螺母。
2）端盖
端盖上设有进排气通口，有的还在端盖内设有缓冲机构。杆侧端盖上设有密封圈和防尘圈，以防止从活塞杆处向外漏气和防止外部灰尘混入缸内。杆侧端盖上设有导向套，以提高气缸的导向精度，承受活塞杆上少量的横向负载，减小活塞杆伸出时的下弯量，延长气缸使用寿命。导向套通常使用烧结含油合金、前倾铜铸件。端盖过去常用可锻铸铁，现在为减轻重量并防锈，常使用铝合金压铸，微型缸有使用黄铜材料的。
3）活塞
活塞是气缸中的受压力零件。为防止活塞左右两腔相互窜气，设有活塞密封圈。活塞上的耐磨环可提高气缸的导向性，减少活塞密封圈的磨耗，减少摩擦阻力。耐磨环长使用聚氨酯、聚四氟乙烯、夹布合成树脂等材料。活塞的宽度由密封圈尺寸和必要的滑动部分长度来决定。滑动部分太短，易引起早期磨损和卡死。活塞的材质常用铝合金和铸铁，小型缸的活塞有黄铜制成的。
4）活塞杆
活塞杆是气缸中最重要的受力零件。通常使用高碳钢，表面经镀硬铬处理，或使用不锈钢，以防腐蚀，并提高密封圈的耐磨性。
5）密封圈
回转或往复运动处的部件密封称为动密封，静止件部分的密封称为静密封。缸筒与端盖的连接方法主要有以下几种：整体型、铆接型、螺纹联接型、法兰型、拉杆型。
六、液压缸设计论文
在液压系统设计部分，基本上确定各零部件的液压使用原理及参数计算。这里分析计算了截
割部、行走机构、装运机构、中间运输机等载荷分析。马达部分的确定：装载部的星轮机构
马达、行走机构的驱动马达、中间运输机的驱动马达等。油缸部分的确定：升降油缸、回转
油缸、伸缩油缸、履带行走机构的张紧油缸、铲板部的升举油缸的计算设计。
液压缸的结构设计部分，进行了伸缩油缸的机构设计计算，并绘制零件图。也进行了泵站的
参数计算确定和液压系统的计算，评估液压系统性能。
最后进行掘进机的通过性分析与稳定性分析。
关键词：纵轴式掘进机；总体方案设计；液压系统设计
中图分类号：TH
1 引言
1.1 当前国内外掘进机研究水平的状况
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整政策中，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，
- 2 -
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，但国产重型掘进机与国
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。
1.2 本设计的主要研究内容
本论文的研究内容有：根据给定的设计要求和目的，按照中国煤炭行业标准和行业设计
规范，进行纵轴式掘进机的总体方案设计与液压系统设计。
主要有以下几个方面：
a. 按行业标准MT138—1995《悬臂式掘进机的型式与参数》，MT238.3—2006《悬臂
式掘进机|第3 部分|通用技术条件》，结合工作要求和设计目的，确定掘进机的总体型式和
总体参数；
b. 分析整个工作部件的工作原理，给出机械传动系统图和绘制整体配置图；
c. 为实现工作要求，进行了整体液压系统原理设计，形成本掘进机的液压系统原理图；
d. 对截割部、行走机构、装载机构、中间运输机构进行载荷分析，确定各部分的载荷，
为进行液压系统各执行元件的设计提供依据。这里通过计算确定了8 个马达和11 个油缸的
主要参数；
e. 重点选取伸缩油缸进行详细的结构设计，确定缸筒壁厚度，缸体外径，进出口布置，
工作行程，平底缸盖厚度，活塞宽度，最小导向长度，缸体长度等，并进行了强度，刚度和
稳定性校核；
f. 进行液压系统参数计算，由各回路的流量、工作压力，完成液压系统参数计算，确定
泵站的主要技术参数，确定6 个小系统所需要的6 个泵及其各自的功率，并综合确定泵站电
机的功率参数。同时，由6 个小系统的总体最大流量，确定油箱容积。进行液压系统的性能
验算，确定整个系统的效率、产生的热量和温升，以评估系统的优越。并做了液压缸的工作
速度验算，保证系统工作的顺利进行。
g. 按照规范进行了掘进机的通过性与稳定性分析。
- 3 -
2 掘进机总体设计与液压系统设计的理论基础与设计规范
2.1 掘进机型式的基本参数要求
根据MT238.3—2006《悬臂式掘进机|第3 部分|通用技术条件》，确定掘进机型式的基
本参数。
表2-1 掘进机型式的基本参数[1]
Tab.2-1 Table of the basic parameters of roadheader models
机型
技术参数 单位
特轻 轻 中 重 超重
切割煤岩最大
单向抗拉强度 MPa ≤ 40 ≤ 50 ≤ 60 ≤ 80 ≤ 100
煤,m3 / min 0.6 0.8 — — —
生产能力 煤夹
矸,m3 / min
0.35 0.4 0.5 0.6 0.6
切割机构功率 kW ≤ 55 ≤ 75 90～132 > 150 > 200
适应工作最大
坡度(绝对值)
不小于
(·) ±16 ±16 ±16 ±16 ±16
可掘巷道断面 ㎡ 5～12 6～16 7～20 8～28 10～32
机重(不包括转
载机)
T ≤ 20 ≤ 25 ≤ 50 ≤ 80 > 80
2.2 掘进机的截割头载荷计算公式
截齿截割岩石的阻力产生了截割力, 其值与被切削的岩石有关, 也与截齿的形状和切深
有关。这些参数大多通过假岩壁截割试验取得, 所需截割力的近似计算按式(2-1)求得
K
P h
c
c z
c cos ( / 2)
0.016 2
2
β
σ
= π [2] (2-1)
式中： c P —平均截割力, kN;
c h —切屑厚度(截齿截割煤岩体的深度) , mm;
z σ —岩石的抗拉强度, MPa;
c β —截齿的刀具角, °;
K —岩石的脆性系数, D z K = σ /σ , 其中D σ 为岩石的抗压强度。在K 取值
为10 左右时，本公式准确性比较高。
2.3 纵轴式掘进机的截割头每个截齿的最大切割厚度计算公式
对于纵轴式掘进机截割头,每个截齿的最大切削厚度可由式(2-2)计算求得:
h V n m c b 0 = / [2] (2-2)
式中： b V —截割头牵引速度(或摆动速度),mm/ min ；
0 n —截割头的转速, r / min ；
m—在一条截线上的截齿数。
- 4 -
2.4 工况分析及载荷计算公式
对于液压缸，外负载为：
c f i F = F + F + F [3] (2-3)
式中： F —工作负载；
f F —摩擦负载；
i F —惯性负载。
对于液压马达，外负载为：
n f i M = M + M + M [3] (2-4)
式中： M —工作负载扭矩；
f M —摩擦阻力矩；
i M —惯性力矩。
3 纵轴式掘进机总体设计
悬臂式掘进机主要由截割、行走、装运、装载四大机构和液压、水路、电气三大系统组
成，并通过主体部将各执行机构有机的组合于一体。总体方案设计主要是进行掘进机的选型
和总体参数的确定。根据任务书的要求，按行业标准MT138—1995《悬臂式掘进机的型式
与参数》，MT238.3—2006《悬臂式掘进机|第3 部分|通用技术条件》选定机型类别为重型
掘进机。按照行业的设计规范和使用的情况，确定各部件的驱动方式和连接结构。这里除了
截割头使用电机驱动外，其余的都采用液压驱动。
本掘进机的总体设计，主要包括以下内容：
1、据设计任务书选择机型及各部件结构型式。
2、定整机的主要技术性能参数，包括尺寸参数、重量参数、运动参数和技术经济指标。
3、按照总体设计的性能要求，确定整机系统的组成及它们之间的匹配性以及各个部件
的主要技术参数。
4、进行必要的总体计算，并绘制传动系统图和总体配置图。
切割头采用圆锥形式，按行业标准MT477-1996《YBU 系列掘进机用隔爆型三相异步电
动机》选取截割电机，减速机采用二级行星减速器。内伸缩式结构紧凑、尺寸小、伸缩灵活
方便，因此采用内伸缩式截割头。耙装部机构采用弧形三齿星轮式，有左右两个，对称布置。
输送机构，采用刮板链式输送机，由机尾向机头方向倾斜向上布置。转载机采用胶带输送机
的形式。行走机构采用履带式，驱动方式由液压马达驱动，可在底板不平或者松软的条件下
工作。采用喷雾式除尘，综合使用内喷雾形式和外喷雾形式。
掘进机的总体参数，是指主要性能参数，它表示了掘进机特性的指标。掘进机的总体参
数有：机重、外形尺寸、可掘断面、生产率、截深、摆动速度、切割力等。
确定的主要参数如表3-1：
- 5 -
表3-1 主要技术参数
Tab.3-1 main technical parameters
总体参数
总体长度 总体宽度 总体高度 总重 卧底深度
8.7 m 2.8 m 1.8 m 45 t 200 mm
爬坡能力 截割硬度
±16° ≤60 Mpa
截割范围
高度 宽度 面积
4.5 m 5.6 m 22.6 ㎡
截割部
截割头形状 截割头转速 截割头伸缩量 隔爆型三相电动机喷雾
圆锥台形 46 r/min 550 mm
YBUD2-132-4 隔
爆，水冷方式，1 台
内、外喷雾方式
水平回转角 上摆角 下摆角
33° 32° 28°
铲板部
装载形式 装载宽度 星轮转速 装载能力 铲板卧底
三齿星轮式 2.8 m 28 r/min 230m3 /h 300 mm
铲板抬起
340 mm
刮板输送机
运输形式 溜槽宽度 链速 龙门高度 张紧形式
双边链刮板式 540 mm 0.90 m/s 360 mm 油缸张紧
行走部
形式 履带宽度 制动方式 接地比压 行走速度
履带式 450 mm 摩擦离合器制动 0.14 MPa 0-5/10m/min
接地长度 张紧形式
3.3 m 油缸张紧
- 6 -
在本总体方案设计的最后，给出了本掘进机的传动系统图和总体配置图。
确定的掘进机的传动系统图如图3-1：
7 8 9 10 11 12
19 17 18
1 2 3 4 5 6
13
16
14
15
图3-1 掘进机的传动系统
Fig.3-1 The drive system of roadheader
1—内齿轮 2—中心轮 3—二级中心轮 4—行星轮 5—电动机 6、7—圆锥齿轮 8—链轮
9—链轮轴 10—内齿轮 11—二级行星减速机 12—齿轮 13—油马达 14—齿轮 15—齿圈 16—
油马达 17、18—涡轮蜗杆 19—星轮
4 掘进机液压系统设计
液压系统设计在明确基本要求的基础上，进行工况分析，工作负载计算，拟订液压系统
图。在进行各回路的设计之后，确定总体工作原理图，再进行各回路的执行元件的设计计算。
这里进行了截割部、行走机构、装载部、中间运输机构的载荷分析，详细确定了各部分的工
作情况，载荷大小，公式和分析方法来源于中国煤炭行业标准和中国煤炭科学研究院的研究
成果。由此确定了各部件的驱动方式和驱动元件的参数，包括8 个马达的技术参数和11 个
油缸的主要尺寸确定。
重点选取伸缩油缸进行详细的结构设计，确定缸筒壁厚度，缸体外径，进出口布置，工
作行程，平底缸盖厚度，活塞宽度，最小导向长度，缸体长度等，并进行了强度，刚度和稳
定性校核。
完成液压系统参数计算，确定泵站的主要技术参数，通过计算确定6 个小系统所需要的
6 个泵及其各自的功率，并综合确定泵站电机的功率参数。同时，由6 个小系统的总体最大
流量，确定油箱容积。
进行液压系统的性能验算，确定整个系统的效率、产生的热量和温升，以评估系统的优
越。并做了液压缸的工作速度验算，保证系统工作的顺利进行。
本设计确定的主要液压系统参数如表4-1。
- 7 -
表4-1 主要液压系统参数
Tab.4-1 main hydraulic system parameters
泵站
三联泵1 三联泵2 系统额定压力 油箱容量
电机额定功
率
电机工作转
速
CBZ2063/63/32 CBZ2063/50/32 16 MPa 640 L 110 kW 1450 r/min
电机额定电压
AC1140V
装载回路
马达型号 泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率
马达额定工
作转速
2 个NHM1200 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 28 r/min
中间运输回路
马达型号 泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率
马达额定工
作转速
NHM400 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 87.2 r/min
行走回路（左、右）
马达型号 泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率
马达额定工
作转速
NHM175A CBZ2032 16 MPa 45.5 L/min 17.8 kW 280 r/min
转载机与水泵回路
装载机马达 水泵 系统工作压力 串联回路流量泵工作功率
马达额定工
作转速
BM-E630 CBZ2050 16 MPa 77.64 L/min 24.4 kW 87.2 r/min
泵—缸回路
泵型号 系统工作压力 泵提供流量 泵工作功率
CBZ2050 16 MPa 61.63 L/min 19.3 kW
本设计确定的油缸的参数如表4-2。
表4-2 油缸的主要参数
Tab.4-2 main parameters of fuel tank
伸缩油缸1 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量
29.7 kN 80 mm 125 mm 123 cm2 72.5 cm2 25.3 L/min
升降油缸2 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量
410.4 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 13.3 L/min
回转油缸2 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量
440.9 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 8.3 L/min
履带行走机构张紧油缸2 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积
106.7 kN 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2
铲板油缸2 个
油缸驱动力 杆径 内径 无杆腔有效面积 有杆腔有效面积 工作最大流量
89 kN 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2 15.5 L/min
- 8 -
伸缩油缸结构设计得出的主要参数如表4-3。
表4-3 伸缩油缸的重要参数
Tab.4-3 main parameters of extendable fuel tank
缸筒壁厚度 缸体外径 进出口布置行程 平底缸盖厚度最小导向长度 缸体长度
13.5 mm 152 ㎜
螺纹连接
M33×2
550 mm 12 ㎜ 230 mm 720 ㎜
液压系统的性能参数如表4-4。
表4-4 液压系统的主要性能参数
Tab.4-4 the main performance parameters of hydraulic system
系统效率 系统热量 系统温升
0.218 68.3×103 W 14.15 oC
5 本掘进机液通过性与稳定性分析
稳定性是指掘进机在规定方向行走和工作时不发生翻倒或侧滑的能力。它不仅关系到行
走和工作的安全、机器的生产率，而且还直接影响截齿、机械联接与传动元件、以及电气元
件和液压元件的寿命，是评价悬臂式掘进机使用性能的一项重要指标，只有具有良好的稳定
性，才能保证机器性能的充分发挥。本设计按照规范进行了掘进机的通过性与稳定性分析。
这是评估掘进机的综合性能的重要指标，是最终确定本掘进机的是否可以出产的重要依据。
通过性参数如表5-1。
表5-1 通过性参数
Tab.5-1 the parameters of through performance
离地最小间隙 接地比压 适应巷道坡度
253 mm 0.14Mpa ±16°
稳定性参数有：
（一） 静态稳定性计算结果如表5-2。
表5-2 静态稳定性参数
Tab.5-2 static stability parameters
极限倾翻角
上山（坡）极限倾翻角下山（坡）极限倾翻角横向极限倾翻角
下滑临界坡度角
40° 31° 36° 45°
（二） 动态稳定性计算结果如表5-3。
表5-3 动态稳定性参数
Tab.5-3 dynamic stability parameters
不同截割情况的稳定比
纵向截割（上下截割）
当截割头向上截割时 当截割头向下截割时
横向截割（左右截割） 轴向钻进
K = 3.8 K = 1.8 K = 2.3 K = 3.4
- 9 -
6 结语
本设计主要是根据掘进机的设计要求和用途，进行本掘进机总体方案设计和液压系统设
计，确定掘进机型号为EBZ132，能够满足中低硬岩、煤层的经济截割，切割能力较强，应
用范围也很广泛，不只在井下采掘作业，也可以在工程建筑里面的航道掘进。EBZ132 整机
结构紧凑，布局合理，机重与截割功率匹配，接地比压小，地隙大，适应性强。