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摘要
采煤機是集截割、行走、裝載及運輸于一體的巷道掘進的綜合化機組，是井下巷道掘進的主要產(chǎn)品。采煤機液壓系統(tǒng)作為采煤機控制系統(tǒng)中的核心技術(shù)之一，其控制性能的優(yōu)劣直接決定了采煤機整體性能的優(yōu)越與否。因此，對采煤機液壓系統(tǒng)的研究對推動我國采煤機進機的發(fā)展具有重要的意義。
論文通過對MG200/450-BWD型采煤機液壓系統(tǒng)進行分析與設計，詳細分析了其工況特性，并對其液壓回路進行優(yōu)化設計，通過對工況分析所得參數(shù)對其各部分執(zhí)行元件的參數(shù)進行合理的計算，經(jīng)過各個廠家液壓元件的優(yōu)缺點對比，合理的完成液壓系統(tǒng)所需的主要液壓元件的選型，再對所設計的液壓系統(tǒng)進行系統(tǒng)性能驗算，檢驗所設計的液壓系統(tǒng)的合理性，并進一步完善設計上的不足，最終設計出一套帶采煤機液壓系統(tǒng)。此外，通過對MG200/450-BWD型采煤機液壓系統(tǒng)進行分析與設計，明確液壓系統(tǒng)在整體控制中的作用以及相互聯(lián)系，為整體控制系統(tǒng)設計提供依據(jù)。
關鍵詞：采煤機；液壓系統(tǒng)；工況分析；選型；系統(tǒng)性能驗算
Abstract
Shearer is a cutting, walking, loading and transportation of tunneling in one integrated unit, is the underground tunneling main products. Shearer hydraulic system as the tunneling machine control system is one of the core technology, the control performance will directly determine the overall performance of Shearer superior or not. Therefore, the hydraulic system of Shearer research on the promotion of the development of TBM has important significance.
Papers by MG200/450-BWD Shearer hydraulic system analysis and design, detailed analysis of its working conditions characteristic for constant power control, load sensing and pressure compensation control theory analysis and study, and to optimize the design of its hydraulic circuit through Engineering Analysis parameters obtained for each part of the implementation of its component parameters for a reasonable calculation, through the various advantages and disadvantages of hydraulic components manufacturer contrast, reasonable hydraulic system needed to complete the main hydraulic components selection, and then for the design of hydraulic system performance checking, testing the design of the hydraulic system is reasonable, and further improve the design deficiencies, and ultimately design a load sensing and pressure compensation with the boring machine hydraulic system. In addition, through the EBZ260 type Shearer hydraulic system analysis and design, specifically in the overall control of the hydraulic system and the role of linkages, the overall control system design to provide the basis.
Keywords: boring machine; hydraulic system; Engineering Analysis; selection; system performance checking
目錄
Abstract II
前言 1
1 緒論 2
1.1 采煤機概述 2
1.2 國內(nèi)外采煤機的發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀 3
1.2.1國外采煤機的發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀 3
1.2.2 國內(nèi)采煤機的發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀 5
1.3 選題意義 7
2 MG200/450-BWD型采煤機調(diào)高液壓系統(tǒng)分析 8
2.1 MG200/450-BWD型采煤機簡介 8
2.2 MG200/450-BWD型采煤機整機技術(shù)參數(shù) 8
2.3 MG200/450-BWD型采煤機的使用環(huán)境 9
2.4 MG200/450-BWD型采煤機工作過程分析 9
2.5 MG200/450-BWD型采煤機液壓調(diào)高系統(tǒng)的工況分析 13
2.5.1 采煤機整機的工況分析 13
2.5.2 采煤機滾筒調(diào)高系統(tǒng)的工況分析 16
2.5.3 破碎機調(diào)高系統(tǒng)的工況分析 21
3 MG200/450-BWD型采煤機調(diào)高液壓回路設計 24
3.1 MG200/450-BWD型采煤機液壓系統(tǒng)額定壓力的確定 24
3.2 MG200/450-BWD型采煤機調(diào)高液壓系統(tǒng)基本回路設計 25
3.2.1 采煤機搖臂調(diào)高回路 25
3.2.2 破碎機調(diào)高回路 26
3.2.3 擋矸回路 27
3.2.4 制動器回路 28
4 MG200/450-BWD型采煤機液調(diào)高壓系統(tǒng)參數(shù)計算 29
4.1 調(diào)高液壓缸設計與參數(shù)計算 29
4.2.1 調(diào)高液壓缸設計與參數(shù)計算 29
4.2.2 破碎裝置液壓缸設計與參數(shù)計算 31
4.2.3 擋矸裝置液壓缸設計與參數(shù)技術(shù) 34
4.2 液壓缸系數(shù)驗算 37
5 MG200/450-BWD型采煤機調(diào)高液壓系統(tǒng)的元件選型 39
5.1 液壓泵的選型 39
5.2 泵站電機的選型 40
5.3 油箱的設計 41
6 液壓系統(tǒng)性能驗算 42
6.1 液壓系統(tǒng)壓力損失 42
6.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱溫升計算 43
6.2.1 計算液壓系統(tǒng)的發(fā)熱功率 43
6.2.2 計算液壓系統(tǒng)的散熱功率 44
6.2.3 根據(jù)散熱要求計算油箱容量 46
6.3 計算液壓系統(tǒng)沖擊壓力 46
7 技術(shù)與經(jīng)濟性分析 49
8 總結(jié) 51
致謝 52
參考文獻 53
附錄A 譯文 54
附錄B 外文文獻 63
3
前言
20世紀40年代初，英國和前蘇聯(lián)相繼研制出了鏈式采煤機，這種采煤機是通過截鏈截落煤，在截鏈上安裝有被稱為截齒的專用截煤工具，其工作效率低。同時德國研制出了用刨削方式落煤的刨煤機。50年代初，英國和德國相繼研制出了滾筒式采煤機，在這種采煤機上安裝有截煤滾筒，這是一種圓筒形部件，其上安裝有截齒，用截煤滾筒實現(xiàn)落煤和裝煤。這種采煤機與可彎曲輸送機配套，奠定了煤炭開采機械化的基礎。
這種采煤機的主要缺點有二點：其一是截煤滾筒的高度不能在使用中調(diào)整，對煤層厚度及其變化適應性差；其二是截煤滾筒的裝煤效果不佳，限制了采煤機生產(chǎn)率的提高。
進入60年代，英國、德國、法國和前蘇聯(lián)先后對采煤機的截割滾筒做出革命性改進。其一是截煤滾筒可以在使用中調(diào)整其高度，完全解決對煤層賦存條件的適應性；其二是把圓筒形截割滾筒改進成螺旋葉片式截煤滾筒，即螺旋滾筒，極大地提高了裝煤效果。這兩項關鍵的改進是滾筒式采煤機稱為現(xiàn)代化采煤機械的基礎?？烧{(diào)高螺旋滾筒采煤機或刨煤機與液壓支架和可彎曲輸送機配套，構(gòu)成綜合機械化采煤設備，使煤炭生產(chǎn)進入高產(chǎn)、高效、安全和可靠的現(xiàn)代化發(fā)展階段。從此，綜合機械化采煤設備成為各國地下開采煤礦的發(fā)展方向。自70年代以來，綜合機械化采煤設備朝著大功率、遙控、遙測方向發(fā)展，其性能日臻完善，生產(chǎn)率和可靠性進一步提高。工礦自動檢測、故障診斷以及計算機數(shù)據(jù)處理和數(shù)顯等先進的監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)在采煤機上的到應用。
69
1 緒論
1.1 采煤機概述
世界上第1臺釆煤機是原蘇聯(lián)于1952年生產(chǎn)并開始使用的，我國于1952年購進并使用，而此同時，雞西煤礦機械廠即開始進行仿制工作，于1954年制造出中國第1臺深截式采煤機，即頓巴斯-1型釆煤康拜因，隨后批量生產(chǎn)。在頓巴斯-1型釆煤康拜因的基礎上，經(jīng)過研究、改進和完善，設計制造了多種型式的采煤康拜因，這一時期的釆煤機稱為中國第1代采煤機[1]。
20世紀60年代初，在頓巴斯-1型釆煤康拜因的基礎上，中國開始自行研制生產(chǎn)釆煤機，1964年生產(chǎn)出MLQ-64型，1968年生產(chǎn)出MLQI-80型淺截式單滾筒釆煤機，成為中國第2代釆煤機，中國第2代釆煤機的特點是截割部滾筒釆用搖調(diào)高，牽引機構(gòu)也為鋼絲繩牽引，通過應用證明，釆用鋼絲繩牽引，繩筒磨損嚴重，使用壽命短，同時牽引力較小，容易拉斷而導致傷人和機器下滑事故。該類型釆煤機釆用了液壓傳動，具有無級調(diào)速和過載保護等特點。
中國于20世紀60年代末70年代初開始研制第3代釆煤機即雙滾筒釆煤機。1975年生產(chǎn)的M鞏-170型釆煤機，實現(xiàn)了滾筒釆煤機由單滾筒向雙滾筒的飛躍。M鞏-170型釆煤機的2個可調(diào)高滾筒放在釆煤機的兩端，利用搖臂調(diào)高。牽引機構(gòu)釆用圓環(huán)鏈牽引，提高了牽引力，但不適應大傾角釆煤。MXA-300型系列釆煤機是西安煤礦機械廠1983年研制生產(chǎn)的大功率無鏈牽引雙滾筒釆煤機，釆用了三頭螺旋滾筒，滾筒轉(zhuǎn)速有所降低，牽引機構(gòu)釆用齒輪—銷軌式，傳動平穩(wěn)，消除了鏈牽引的缺點，機器的使用壽命延長，增設了副牽引部和可靠的液壓制動裝置，可用于大傾角(40°~50°)煤層而不需要設防滑安全絞車，提高了工作效率，加大了生產(chǎn)能力。MG132/320-W新型液壓牽引釆煤機是由泰山建能公司、煤炭科學研究總院、新漢礦業(yè)集團聯(lián)合研制完成的。該釆煤機釆用滾筒式釆煤機發(fā)展趨勢的多電機橫向布置，液壓牽引系統(tǒng)打破常規(guī)，釆煤機牽引部泵箱把長期使用的“濕腔”布置分離液壓元件改為“干腔”布置，實現(xiàn)了釆煤機液壓系統(tǒng)的創(chuàng)新。該機在同類釆煤機設計中達到了國內(nèi)先進水平。
國外于1976年研制出第1臺電牽引釆煤機。1991年，由煤炭科學研究總院上海分院與波蘭科瑪克公司合作，研制成功中國第1臺釆用交流變頻調(diào)速的G344-PWD型薄煤層強力爬底板電牽引釆煤機，性能良好，電牽引釆煤機成為中國第4代釆煤機。2005年煤炭科學研究總院上海分院又開發(fā)出總裝機功率達1 815 kW的大功率釆煤機。隨后，更大功率的電牽引釆煤機MG900/2215-GWD也問世，該型釆煤機的控制達到了國際先進水平，是目前國內(nèi)功率最大的釆煤機。如果釆用長搖臂，最大釆高可達到創(chuàng)記錄的6m，該型釆煤機完全能夠滿足國內(nèi)煤礦高產(chǎn)高效工作面的生產(chǎn)需要。目前，國內(nèi)使用的交流電牽引釆煤機的電牽引調(diào)速系統(tǒng)主要有3種：即交流變頻調(diào)速系統(tǒng)、開關磁阻電機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱SRD）、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速系統(tǒng)。調(diào)速原理不盡相同，但基本上都可分為控制部分和牽引電機部分。在這3種交流電牽引調(diào)速系統(tǒng)中，交流變頻調(diào)速技術(shù)由于具有的諸多優(yōu)點，在大功率釆煤機的應用已趨向成熟，并已成為目前釆煤機調(diào)速方式的主流，其主要特點是：啟動性能好，可直接實現(xiàn)軟啟動；交流變頻調(diào)速屬轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)，故效率高。隨著計算機技術(shù)和大功率電子元器件的不斷發(fā)展，交流變頻調(diào)速的調(diào)速性能和精度可與直流調(diào)速相比。SRD技術(shù)在采煤機上的應用雖然起步不久，但具有發(fā)展?jié)摿Γ薪涣髯冾l調(diào)速電動機結(jié)構(gòu)簡單、無刷無整流子的優(yōu)點，也有直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速性能好，控制電路簡單、價格低廉等優(yōu)勢，而且啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小，這種調(diào)速方式一旦解決了噪聲問題和位置傳感器存在的不可靠性問題，將更適合在煤礦井下釆掘機械中使用。電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速技術(shù)本身比較成熟，它屬于改變轉(zhuǎn)差率的交流調(diào)速方式，釆用閉環(huán)系統(tǒng)能得到較大的調(diào)速范圍，可平滑調(diào)速，并具備交流調(diào)速和直流調(diào)速的雙重優(yōu)點。隨著計算機技術(shù)在控制系統(tǒng)中的應用，電磁調(diào)速電動機電流的控制精度和控制性能可以做得更適合釆煤機的使用，但它在釆煤機上的應用也存在低速性能差、電動機發(fā)熱等問題。
1.2 國內(nèi)外采煤機的發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀
1.2.1國外采煤機的發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀
近年來，國外釆煤機的技術(shù)特點和發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：牽引方式釆用電牽引，傳統(tǒng)的液壓牽引釆煤機在國外雖然仍在生產(chǎn)和使用，但已不占主導地位，由于電牽引釆煤機的諸多優(yōu)點，國外目前新開發(fā)的采煤機，特別是大功率采煤機基本上都是釆用電牽引方式[2-3]。
裝機總功率不斷增大，國外釆煤機的功率在不斷提高，電機截割功率通常在400 kW以上，功率大的已達l 000 kW；牽引電動機功率均在40 kW以上，大的甚至達到125 kW；總裝機功率通常超過l 000 kW，最高已達2 000 kW以上；牽引速度、牽引力也大幅提高，目前大功率電牽引釆煤機的牽引速度普遍達到15~25 m/min,牽引力達到757 kN以上。釆用大截深滾筒已成為提高釆煤機生產(chǎn)能力的重要途徑。
交流變頻成為主流調(diào)速方式由于交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)具有技術(shù)先進、可靠性高，維護管理簡單和價格低廉等特點，近幾年發(fā)展很快，交流牽引正逐步替代直流牽引，成為今后電牽引釆煤機的發(fā)展方向。釆用2個變頻器分別拖動2臺牽引電機的牽引系統(tǒng)，可使牽引的控制和保護性能更加完善，這種一拖一的牽引系統(tǒng)也正被逐步釆用，成為電牽引技術(shù)發(fā)展的又一個特點。
普遍釆用中高壓供電80年代以來，由于裝機功率大幅度提高以及工作面的不斷加長，整個工作面容量超過5 000 kW，工作面長度達到300 m。為減少輸電線路損耗，提高供電質(zhì)量和電機性能，新一代大功率電牽引釆煤機乎都釆用中高壓供電。主要供電等級有2 300 V、3 300 V、4 160 V和5 000 V等。
監(jiān)控保護系統(tǒng)的智能化現(xiàn)代電牽引釆煤機均具有建立在微處理機基礎上的智能化監(jiān)控、監(jiān)測和保護系統(tǒng)，可實現(xiàn)交互式人機對話、遠近控制、無線電遙控、工況監(jiān)測及狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)釆集存儲及傳輸、健康（故障）診斷及預警、自動控制、自動調(diào)高等多種功能，以保證釆煤機最低的維護量和最高的利用率；并可實現(xiàn)與液壓支架、工作面輸送機的信息交互和聯(lián)動控制等功能。英國Long-Airdox 公司在EL系列機型上裝置的Im-pact集成保護及監(jiān)控系統(tǒng)；德國Eickhoff公司的 Eickhoff-數(shù)據(jù)匯集技術(shù)系統(tǒng)；美國JOY公司6LS型電牽引釆煤機的JNA網(wǎng)絡信息中心等。監(jiān)控保護系統(tǒng)的智能化主要功能可歸結(jié)為：
1. 負載控制：通過截割電機電流的精確監(jiān)測，調(diào)整釆煤機的牽引速度，使釆煤機在不同工況下以最優(yōu)化的參數(shù)進行工作，從而保證傳動系統(tǒng)不易受持續(xù)沖擊影響。
2. 工作面定位控制：可以識別釆煤機在工作面的位置，在機頭、機尾可自動減速和停止，與支架配合實現(xiàn)自動隨機移架,并可檢查支架是否正確支護。
3. 與工作面輸送機聯(lián)機的負荷控制：通過輸送機的負荷監(jiān)測來調(diào)節(jié)釆煤機的釆煤量，使釆煤機和輸送機的生產(chǎn)能力完全相匹配，既提高輸送機的可靠性，又充分發(fā)揮工作面的生產(chǎn)能力。
4. 自動調(diào)高控制：釆煤機每移動1 m就可精確地測量截割高度和角度10次，通過自動算法與存儲數(shù)據(jù)進行比較校正，迅速對釆煤機進行最優(yōu)化的水平調(diào)整。該控制可最大地減小底板的截割臺階，實現(xiàn)平滑過渡，加快工作面設備的推進速度，提高設備的使用壽命，使操作人員能盡量避開粉塵。
5. 運行狀態(tài)監(jiān)控和顯示：釆煤機的數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)可釆集大量各類機器參數(shù)，如：輸入電壓；電機電流，軸承、繞組和冷卻水溫度；控制電源；潤滑油溫度、消耗；液壓系統(tǒng)油位、壓力、溫度；冷卻和噴霧降塵水量/水壓；機器速度、方向；搖臂的操作角度；過載保護監(jiān)控等。
6. 數(shù)據(jù)傳輸、順槽控制及地面監(jiān)控：釆煤機上的雙向調(diào)制解調(diào)器可通過雙芯拖移電纜輸送到順槽調(diào)制解調(diào)器，再通過雙向通訊線路傳送到地面調(diào)制解調(diào)器及協(xié)議控制器。傳送的數(shù)據(jù)經(jīng)過地面監(jiān)控軟型號。
1.2.2 國內(nèi)采煤機的發(fā)展趨勢及研究現(xiàn)狀
國內(nèi)電牽引采煤機代表機型在總體參數(shù)和性能方面已接近國外先進水平。但一些關鍵部件及其總體性能、功能、適應范圍等方面還有待進一步完善和提高。尤其是在線工況監(jiān)測、故障診斷及預報、信號傳輸與采煤機自動控制、傳感器等智能化技術(shù)與國外相比還有較大的差距。因而國內(nèi)電牽引采煤機的智能化程度低，設備可靠性、安全性和可維護性較差，今后國內(nèi)電牽引采煤機的主要研究方向如下：
1. 進一步完善和提高交流變頻調(diào)速牽引系統(tǒng)的可靠性。重點是完善和提高系統(tǒng)裝置的抗振、散熱和防潮等性能。
2. 研究可靠的微機電氣控制系統(tǒng)。重點是高采煤機電控系統(tǒng)抗干擾、抗熱效應的能力。
3. 開發(fā)或增強電控系統(tǒng)的監(jiān)控功能。重點是研究故障診斷與專家系統(tǒng)、工況監(jiān)測、顯示與信息傳輸系統(tǒng)、工作面采煤機自動運行控制系統(tǒng)、自適應變頻電路的漏電檢測與保護技術(shù)、搖臂自動調(diào)高系統(tǒng)等。
4. 開發(fā)可四象限運行的礦用交流變頻調(diào)速裝置，使采煤機能適應較大傾角煤層開采的需要。
5. 開發(fā)裝機功率更大、采高更高的采煤機,提高煤炭產(chǎn)量及回采率。
6. 加強提高采煤機開機率和可靠性的研究。
7. 電器元件小型化的研究。由于裝機功率增大，電動機、變壓器、變頻器等設備的體積也相應增大，為滿足整機結(jié)構(gòu)布置緊湊的要求，必須研究設備小型化的技術(shù)途徑。
隨著煤礦對高產(chǎn)、高效工作面要求，近年來采煤機的技術(shù)發(fā)展日新月異。一是采煤機裝機功率不斷增加。為了滿足高產(chǎn)高效綜采工作面快速割煤對采煤機的高強度、高性能需要，不論是厚、中厚煤層還是薄煤層采煤機，其裝機功率（包括截割功率和牽引功率）均在不斷加大。二是控制系統(tǒng)日趨完善。采煤機電氣控制功能逐步齊全，可靠性不斷提高，在通用性，互換性和集成化等方面已有較大進步。三是國內(nèi)從20世紀90年代初已逐步停止研究開發(fā)液壓牽引采煤機，并將研究重點轉(zhuǎn)向電牽引采煤機，后者已成為國內(nèi)采煤機的研究重點。本文主要介紹國內(nèi)電牽引采煤機產(chǎn)品與技術(shù)的有關情況。
幾款國內(nèi)產(chǎn)品介紹
目前，天地科技股份有限公司、太原礦山機器集團有限公司、雞西煤礦機械有限公司和無錫盛達機械制造有限公司等采煤機主要生產(chǎn)廠商推出了各種型號規(guī)格的電牽引采煤機，從直流電牽引采煤機到交流電牽引采煤機，又到四象限電牽引采煤機。
天地科技股份有限公司研制的MG250/600－AWD采煤機采用PWM變頻調(diào)速技術(shù)、它由模塊式大功率晶體管和微機控制技術(shù)組成；采用擺線輪－銷軌無鏈牽引系統(tǒng)，調(diào)速范圍廣。截割電機橫向布置在整體彎曲搖臂上，搖臂和機身聯(lián)接沒有動力傳遞，減少了傳動環(huán)節(jié)。采用兩級直齒輪，一級行星輪傳動，搖臂與機身采用鉸軸聯(lián)接，搖臂和調(diào)高油缸支承力及牽引的反作用力均作用在牽引減速箱上，機身三段之間不受此力影響；采用整體彎曲搖臂，增大了過煤空間。
太原礦山機器集團有限公司推出的MGTY200/500-1.1D電牽引采煤機適用于較薄煤層高產(chǎn)效工作面，機身由左、右牽引部和中間箱體三部分組成，結(jié)合面采用燕尾槽、楔鐵定位，偏心螺母連接，此結(jié)構(gòu)增加了過煤空間，縮短了機身長度。采用彎搖臂結(jié)構(gòu)，強度按250kw設計，可配用200kw和250kw截割電機。牽引方式為鏈輪銷軌式無鏈牽引系統(tǒng)。采用機截式一拖一交流變頻調(diào)速系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)對運行狀態(tài)隨時檢測顯示，可配備無線遙控裝置實現(xiàn)離機操作。閥組裝配和水路系統(tǒng)的主要元件都集中在集成塊上，調(diào)高油缸設計為近水平。
無錫盛達機械制造有限公司推出的MWG200（250）/500（600）－CD開關磁阻電機調(diào)速牽引采煤機，其截割電機橫向布置在搖臂上，搖臂和機身采用銷軸連接，取消螺旋傘齒輪傳動結(jié)構(gòu)，機身主體分三段，取消了底托架，用高強度液壓螺母聯(lián)接，緊固可靠，各主要部件均可從采空處側(cè)抽出，更換方便。
雞西煤礦機械有限公司推出的MG250/591-WD電牽引采煤機主要特點為：機身三大部件之間使用高強度T形螺栓和四個楔形啞鈴銷以及兩個Φ150定位銷連接和緊固。截割電機、牽引電機的啟動、停止等操作采用旋轉(zhuǎn)開關控制外，其余控制如牽引速度調(diào)整、方向設定、左右搖臂的升降，急停等操作均由設在機身兩端操作站的按鈕進行。所有電機橫向布置。機械傳動都是直齒傳動。電機、行走箱驅(qū)動輪組件等均可從老塘側(cè)抽出?？赏ㄟ^更換電控部或液壓傳動部而成為交流變頻調(diào)速電牽引或液壓牽引采煤機以實現(xiàn)電液互換，而其它部件通用。兩動力輸入部位可安裝液壓馬達，也可安裝40Kw牽引電機。
1.3 選題意義
煤炭是中國的主要能源之一。長期以來，煤炭在中國一次能源生產(chǎn)和消費結(jié)構(gòu)中一直占70℅以上，雖然近年來新能源和可再生能源快速發(fā)展，但中國能源資源的賦存特點決定了在相當長的時期內(nèi)，以煤炭為主的能源格局很難改變。隨著中國煤炭資源開發(fā)強度加大，煤礦開采深度增加，構(gòu)造相對復雜，自然災害增多，易采煤區(qū)的不斷枯竭，釆煤的難度不斷加大。為了保證我國煤炭能源的安全，同時也為了保證在難度大的采煤區(qū)機械保障較高的效率，就必須要在釆煤機械上下功夫，提高采煤機械化設備的使用效率，以保證我國煤炭資源的戰(zhàn)略安全。要想達到這個目標，現(xiàn)代化、高產(chǎn)、高效、安全可靠的采煤機的研究相當重要，采煤機技術(shù)的創(chuàng)新有助于推動中國采煤機械裝備整體水平的提高，有助于中國煤炭事業(yè)發(fā)展。
本文主要針對大功率電牽引采煤機——MG200/450-BWD型的無鏈電牽引采煤機的液壓系統(tǒng)進行設計，并對其工作裝置進行工況分析。目前，長壁工作面的煤炭機械化開采主要應用采煤機，而無鏈電牽引采煤機在煤礦的使用率最高，與國外先進的機型相比，國產(chǎn)的設備在使用壽命和可靠性上都有很大差距，智能化程度不高，本課題旨在對采煤機對搖臂調(diào)高液壓系統(tǒng)進行設計計算，結(jié)合采煤機工作環(huán)境及工作要求，力求液壓系統(tǒng)高效、穩(wěn)定、性能優(yōu)越。
2 MG200/450-BWD型采煤機調(diào)高液壓系統(tǒng)分析
2.1 MG200/450-BWD型采煤機簡介
隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，對能源的需求量將會日益增加。而作為我國傳統(tǒng)能源的煤炭是推動我國經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展的重要能源保障。我國目前煤礦大部分都已經(jīng)經(jīng)過了多年的開采，而對一些薄煤礦由于技術(shù)的原因我們的開采還不到位，潛力很大，因此對薄煤層采煤機的需求量很大。所以說研制開發(fā)薄煤層采煤機有著長遠的社會效益。而目前我國的薄煤層采煤機并不能滿足實際工況的需要，其中一個主要的原因是由于其截割部的設計并不是很完善，而該設計正是在這樣一個背景下進行的，對薄煤層采煤機截割部的設計就是為了滿足實際工況的需求，使其發(fā)揮更大的作用。
我國薄煤層資源豐富,1.3m以下煤層可采儲量約占全部可采儲量的20%。但由于薄煤層開采煤層厚度薄,與中厚及厚煤層相比,薄煤層機械化開采存在著:工作條件差,設備移動困難;煤層厚度變化、斷層等地質(zhì)構(gòu)造對薄煤層設備生產(chǎn)性能影響大,以及投入產(chǎn)出比高,經(jīng)濟效益不如厚與中厚煤層等特殊問題,造成薄煤層機械化開采技術(shù)發(fā)展速度相對緩慢。發(fā)展機械化開采,是提高薄煤層工作面生產(chǎn)效率的唯一出路,而實現(xiàn)薄煤層工作面高產(chǎn)高效的關鍵是要有高性能的薄煤層生產(chǎn)設備。滾筒采煤機由于具有截割效率高、破煤巖能力強、適應性好等優(yōu)點,必將成為薄煤層開采的主力設備。
2.2 MG200/450-BWD型采煤機整機技術(shù)參數(shù)
表 2-1 MG200/450-BWD型采煤機的主要參數(shù)
Tab. 2-1 Main parameters of MG200/450-BWD Shearer
項 目
數(shù) 據(jù)
單 位
裝機功率
2*200+2*25
Kw
采高范圍
1.0---1.7
m
牽引調(diào)速方式
無鏈交流電牽引
牽引速度
0--6
m/min
牽引力
?1000 --?1250
Kw
滾筒直徑
600
mm
滾筒轉(zhuǎn)速
44.7（40）
r/min
截深
800
mm
機身布置方式
騎輸送機
機器重量
20
T
2.3 MG200/450-BWD型采煤機的使用環(huán)境
MG200/450-BWD型采煤機結(jié)構(gòu)緊湊,運轉(zhuǎn)靈活,重心低,工作穩(wěn)定；具有可靠性好、先進性、適用性、經(jīng)濟性、互換性等特點，但一般在下列條件下才可正常工作：
1) 海拔不超過2000m；
2) 環(huán)境溫度-20℃～+40℃；
3) 周圍空氣相對濕度不大于90%(+25℃)；
4) 在有瓦斯、煤塵或其他爆炸性氣體環(huán)境礦井中；
5) 與垂直面的安裝斜度不超過18°；
6) 無破壞絕緣的氣體或蒸氣的環(huán)境中；
7) 無長期連續(xù)漏水的地方；
8) 污染等級：3級；
9) 安裝類別：Ⅲ類。
2.4 MG200/450-BWD型采煤機工作過程分析
采煤機的功能有兩個，即對煤巖的截割破落和裝載。采煤機通過螺旋滾筒上的截齒對煤壁進行切割；通過滾筒螺旋葉片的螺旋面進行裝載，將從煤壁上切割下來的煤運出，在利用葉片外緣將煤拋到刮板輸送機中部槽內(nèi)運走。
單滾筒采煤機（見圖1-5a、圖1-5b）滾筒一般位于采煤機下端，以使?jié)L筒割落下的煤不經(jīng)機身下部就運走，從而可降低采煤機機面（由底板到機身上表面）高度。單滾筒采煤機上行工作（圖1-5a）時，滾筒割頂部煤并把落下的煤裝入刮板輸送機，同時跟機懸掛鉸接頂梁，割完工作面全長后，將弧形擋煤板翻轉(zhuǎn)180°；機器下行工作（圖1-5b）時，滾筒割底部煤及裝煤，并隨之推移刮板輸送機。這種采煤機沿工作面往返一次進一刀的采煤法稱為單向采煤法。
圖 1-5 滾筒采煤機的工作原理
Fig. 1-5 Working principle of?drum?shearer
雙滾筒采煤機（1-5c）工作時，前滾筒割頂部煤，后滾筒割底部煤。因此，雙滾筒采煤機沿工作面牽引一次，可以進一刀，返回時，又可進一刀，即采煤機往返一次進兩次刀，這種采煤法稱為雙向采煤法。
必須指出，為了使?jié)L筒落下的煤能裝入刮板輸送機，滾筒上螺旋葉片的螺旋方向必須與滾筒旋轉(zhuǎn)方向相適應，對順時針旋轉(zhuǎn)（人站在采空區(qū)側(cè)看）的滾筒，螺旋葉片方向必須右旋；逆時針旋轉(zhuǎn)的滾筒，螺旋葉片方向必須左旋，可歸結(jié)為“左轉(zhuǎn)左旋，右轉(zhuǎn)右旋”。
當采煤機沿工作面雙向割煤時，每次割完工作面全長時，工作面就向前推進一個截深的距離。在采煤機重新開始截割下一刀之前，首先要使?jié)L筒切入煤壁，推進一個截深，這一過程稱為進刀。綜采工作面兩端巷道的斷面較大，刮板輸送機的機頭和機尾一般可伸進巷道，當采煤機截割到工作面端頭時，其滾筒可截割至巷道，因此不需要人工預開切口，而是由采煤機在進刀過程中自開切口。采煤機的進刀方式主要有斜切式進刀和正切式進刀兩種。
(1) 端部斜切法
利用采煤機在工作面兩端25~30m范圍內(nèi)斜切進刀稱為端部斜切法，如圖7-2所示。
圖 7-2 端部斜切進刀法
其操作過程如下：
1) 采煤機下行正常割煤時，滾筒2割頂部煤，滾筒1割底部煤（圖7-2a），在離滾筒1約10 m處開始逐段移輸送機。當采煤機割到工作面運輸巷處（輸送機頭）時，將滾筒2逐漸下降，以割底部殘留煤，同時將輸送機移成如圖7-2b所示的彎曲行。
2) 翻轉(zhuǎn)擋煤板，將滾筒1升到頂部，然后開始上行斜切（圖7-2b中虛線），斜切長度約為20m，同時將輸送機移直（圖7-2c）。
3) 翻轉(zhuǎn)擋煤板并將滾筒1下降割煤，同時將滾筒2上升，然后開始下行截割（圖7-2中虛線），直到工作面運輸巷。
4) 翻轉(zhuǎn)擋煤板，將滾筒位置上下對調(diào)，由滾筒2割殘留煤（圖7-2d），然后快速移過斜切長度（25~30 m）開始上行正常割煤，隨即移動下部輸送機，直到工作面回風巷時又反向牽引。重復上述進刀過程。
可見，端部斜切法要在工作面兩端近20 m地段使采煤機往返一次，翻轉(zhuǎn)擋煤板及對調(diào)滾筒位置3次，所以工序比較復雜。這種進刀法適用于工作面較長、頂板較穩(wěn)定的條件。
(2) 中部斜切法（半工作面法）
利用采煤機在工作面中部斜切進刀稱為中部斜切法，如
圖 7-3 中部斜切進刀法
其操作過程如下：
1) 開始時工作面是直的，輸送機在工作面中部彎曲（圖7-3a），采煤機在工作面運輸巷將滾筒1升起，待滾筒2割完殘留煤后快速上行至工作面中部，裝凈上一刀留下的浮煤，并逐步使?jié)L筒斜切入煤壁（圖7-3a中虛線）；然后轉(zhuǎn)入正常割煤，直到工作面回風巷；再翻轉(zhuǎn)擋煤板，將滾筒1下降割殘留煤，同時將下部輸送機移直。這時工作面是彎的，輸送機是直的（圖7-3b）。
2) 將滾筒2升起，機器下行割掉殘留煤后，快速移到中部，逐步使?jié)L筒斜切入煤壁（圖7.3b中虛線），轉(zhuǎn)入正常割煤，直到工作面運輸巷；再翻轉(zhuǎn)擋煤板，將滾筒2下降，即完成了一次進刀；然后將上部輸送機逐步完成圖7-3c所示狀態(tài)，即又恢復到工作面是直的，輸送機是彎的位置。
3) 將滾筒1上升，機器快速移到工作面中部，又開始新的斜切進刀，重復上述過程。
2.5 MG200/450-BWD型采煤機液壓調(diào)高系統(tǒng)的工況分析
2.5.1 采煤機整機的工況分析
（1） 正常截割工況
采煤機在正常截割工況下工作時，處于水平底板且煤層條件較理想，采煤機騎在刮板輸送機上，有牽引電機經(jīng)過減速調(diào)節(jié)驅(qū)動采煤機前進，前滾筒處于升起狀態(tài)，截割頂板以下部分，后滾筒與其相反，截割底板以上部分的煤。在采煤機推進過程中，受到牽引力、推進阻力、截割阻力、軸向力等不同方向的作用力，根據(jù)工況需要，采煤機的液壓系統(tǒng)需確定系統(tǒng)壓力及調(diào)高油缸的參數(shù)，保證采煤機截割部搖臂在工作過程中完成調(diào)高和鎖死動作，提高采煤機的可靠性[11]。
圖 3-1 采煤機的靜力學分析
Fig. 3-1 Statics analysis of shearer
要準確進行受力分析是很難的，因此，應對其進行簡化，并以采煤機實際工作中受力最不利的工況進行分析[12-13]。如圖3-1所示，采煤機所受的外負載和各支撐反力示意圖，以水平工作、無鏈牽引為分析前提。圖中，、為滑靴、導向套支撐反力和對應的摩擦力，=1，…，6,；為摩擦系數(shù)；、為前、后滾筒的推進阻力，；、為前、后滾筒的截割阻力，；、為前、后滾筒的軸向力，；為采煤機質(zhì)量，；、、為各受力點對應的位置尺寸，；、為采煤機的牽引速度、牽引力，、。
如圖3-1所示，沿、、三個坐標軸列出力平衡方程，，，，即
(3-1)
以點的三個坐標軸列出力矩平衡方程，，，，即，
(3-2)
其中
式中 —煤層傾角，（°）。
將式3-1和式3-2寫成矩陣形式
即
（2）斜切開采工況
采煤機處于初始斜切階段時，由于前導向裝置已進入彎道，后導向裝置仍保持直線移動，隨著采煤機的推進，前導向裝置將對后導向裝置向煤壁側(cè)偏移，使采煤機逐漸切入煤壁，截深由零逐漸加大，此時采煤機為斜切進刀方式，既有牽引方向進刀，同時又有軸向進刀。目前，為了實現(xiàn)斜切進刀，國內(nèi)外廣泛采取了在滾筒端盤的煤壁側(cè)端，安裝端面截齒，同時在端盤上開有較大的排煤窗口，以降低斜切時滾筒軸向力的增量。
采煤機在斜切狀態(tài)下工作時，滾筒截割阻力Pz隨切削厚度的增加而增加，并基本成線性關系，而推進阻力Py與Pz亦成比例關系,即Py=KqPz，因此Py與切削厚度亦成比例關系。通過計算可以看出，在采煤機斜切開采過程中，滾筒剛進入煤壁進行斜切作業(yè)時，前導向滑靴受到了一個比較大的壓力，然后壓力隨截割深度的增加而變大，比正常開采工況下的壓力要大290 kN左右。在這個過程中，后導向滑靴由于受力不平衡開始翹起，隨著截割深度的增加受力開始向下轉(zhuǎn)移，最后平穩(wěn)的落在刮板輸送機上。隨著截割深度的增加，采煤受到扭動力逐漸增大，前后導向滑靴受到的向力越來越大。由此可判斷傾斜開采工況下的采煤機機械性能，隨著牽引力的增加斜切作業(yè)過程中滾筒的進刀角越大，載荷也會隨之增加，說明該工況下采煤機要在十分惡劣的條件下開采[14-16]。
圖 3-2 采煤機的斜切工況
Fig. 3-2 miter conditions of shearer
在此工況條件下，采煤機所受的軸向力對工作機構(gòu)的影響最大。若將斜切時滾筒軸向進刀的推進阻力視為附加軸向力ΔPA，則可引申推論：滾筒牽引方向推進阻力Py和軸向推進阻力ΔPA分別于各自方向的切削厚度成正比。由于滾筒沿牽引方向及軸向切削煤體的體積與各自方向的切削厚度成正比，因此滾筒的Py與ΔPA分別與各自方向切削煤體的體積成正比。由于滾筒端盤安裝了端面截齒，斜切時，滾筒軸向進刀不是靠端盤周邊上齒體甚至是齒座的側(cè)面來強行擠壓煤體，而是靠端面截齒的齒尖來有序地完成正常破煤進刀，因此，也可以認為，斜切時滾筒軸向進刀與牽引方向進刀的截割狀態(tài)，在一定程度上是相似的。
2.5.2 采煤機滾筒調(diào)高系統(tǒng)的工況分析
采煤機利用調(diào)高機構(gòu)來調(diào)整工作高度，以適應不同煤層的厚度變化。受井下工作空間和采煤機總體結(jié)構(gòu)限制，調(diào)高機構(gòu)既要具有足夠的強度和剛度，保證提供足夠的調(diào)高力矩，又要結(jié)構(gòu)合理、安裝緊湊，不影響采煤機其他功能部件的正常使用。
（1）采煤機滾筒調(diào)高系統(tǒng)工作過程分析
螺旋滾筒式采煤機的調(diào)高機構(gòu)（如圖3-3所示）主要通過液壓缸帶動搖臂上下擺動來調(diào)整滾筒高度。綜采過程中，在確定工作條件的前提下，以斜切開口為例，采煤機在靠近巷道的工作面一端開始與刮板輸送機配合工作，隨著采煤機的行進，截割部的搖臂開始根據(jù)工作需要調(diào)整螺旋滾筒的高度[17-19]。
圖 3-3 滾筒的調(diào)高機構(gòu)
Fig. 3-3 Height adjusting mechanism of drum
1- 螺旋滾筒；2-搖臂；3-機架；4-調(diào)高油缸
首先前搖臂調(diào)高油缸活塞桿外伸，推動搖臂向上擺動，滾筒上升到指定位置停止，而后搖臂此時需向下擺動，使后滾筒截割機身下方的煤，在采煤機行進過程中，根據(jù)不同的底板條件，調(diào)高油缸需要適當?shù)恼{(diào)節(jié)，使螺旋滾筒處在合適的位置，當采煤機行進至長壁工作面的另一端時，前、后截割滾筒分別落下和升起，沿工作面繼續(xù)工作，采煤機以此循環(huán)工作。螺旋滾筒的直徑應大于采高的二分之一，通過前、后螺旋滾筒的配合，完成整個煤壁的開采工作，在采高范圍內(nèi)完成最大的采煤效率。
（2）滾筒采煤機調(diào)高系統(tǒng)受力分析
(1) 滾筒調(diào)高的基本受力分析
滾筒是采煤機的工作機構(gòu)，它可隨搖臂上下擺動，以便調(diào)節(jié)采煤機的截割速度。滾筒截煤時，其受力情況（如圖3-4）所示。作用在滾筒上的主要外力有：沿采煤機牽引方向的推進阻力、垂直牽引方向的縱向截割阻力、滾筒軸向力、滾筒的重力G1和搖臂重力G2。此外、還有截割阻力矩M [20-22]。這里主要討論與調(diào)高有關的和的計算方法。
圖 3-4 滾筒截煤時的受力分析
Fig. 3-4 Stress analysis of the drum at cutting coal
(2) 滾筒的推進阻力
影響推進阻力的因素比較復雜，很難精確地計算，當采煤機牽引力確定，在有傾角的條件下，常采用近似估算。即
(3-3)
式中 T——采煤機的最大牽引力，N；
K1——后、前滾筒的截割阻力之比，取K1=0.2~0.8（薄煤層取小值，中煤層取大值。對于單滾筒K1=0）。已知最大牽引力為980kN，則計算可得Py為321 kN。
(3) 滾筒的縱向截割阻力
根據(jù)截煤理論，單截齒截煤時的受力情況（如圖3-5）。作用在一個截齒上的截割阻力為
(3-4)
式中 A——截割阻力系數(shù)，N/m；
hmax——截齒的最大切屑厚度，m；
ψi——第i個截齒在截齒分布圓上的位置角。
圖 3-5 滾筒受力
Fig. 3-5 Stress analysis of drum
在垂直牽引力方向上的分力為
(3-5)
故滾筒的縱向截割阻力為
(3-6)
由力矩平衡原理可知，滾筒的驅(qū)動力矩Mq應等于其截割力矩M，即Mq=M，則
(3-7)
式中 P——滾筒的切向圓周力，N；
Rc(Dc)——從齒尖算起的滾筒半徑（直徑），mm。
若設
(3-8)
當沿圓周截齒間的齒距角Ψ=15°時，K=0.79；而當Ψ=30°，K=0.8。顯然，Ψ的變化對二力的比值影響不大，故取K=0.8。對于確定的采煤機，當裝機功率一定時，給出的滾筒圓周力計算公式為
(3-9)
式中 NH——驅(qū)動截割部電動機的額定功率，kW；
η——截割部機械傳動效率；
n——螺旋滾筒轉(zhuǎn)速，rad/min；
Dc——螺旋滾筒直徑，mm。
所以有
(3-10)
已知截割部額定功率為200kW，螺旋滾筒轉(zhuǎn)速為447 rad/min，滾筒直徑為600mm。
計算可得P為102 kN，則P z為81.6 kN。
(4) 搖臂的轉(zhuǎn)矩及油缸的拉力計算
確定調(diào)高油缸設計載荷時，需正確選擇調(diào)高油缸的設計工況。從現(xiàn)場使用來看：一種是采煤機不牽引，滾筒調(diào)高；另一種是采煤機牽引，滾筒調(diào)高。對比兩種工況，顯然，選擇后者工況是合理的（后一種工況油缸載荷較大）。當然，從安全的角度出發(fā)，還應以采煤機下行悶車時的工況對調(diào)高油缸進行強度校核，一旦強度不能滿足要求（油缸尺寸受到限制），應在調(diào)高油缸的進出口油路中加設安全閥。
圖 3-6 調(diào)高機構(gòu)的受力分析
Fig. 3-6 Stress analysis of the height adjusting mechanism
對選定的工況，由于滾筒的轉(zhuǎn)向和升降方向不同，調(diào)高油缸的載荷也不同。以雙滾筒采煤機前滾筒順轉(zhuǎn)、下擺為例進行分析。當滾筒順轉(zhuǎn)、下擺時，其受力情況（如圖3-6）。滾筒軸心的絕對速度應是采煤機牽引速度vq與滾筒下擺速度vg2的合成，即
(3-11)
將參數(shù)代入，計算得
偏離牽引方向的角度為
(3-12)
可得β=3.79°。
此時滾筒的推進阻力為
(3-13)
由圖3-8得小搖臂R與油缸活塞桿AB的夾角γ
(3-14)
可得γ=50.75°其中，（θ取98°、λ取15°均為定數(shù)）。
油缸活塞桿的作用力臂，作用在搖臂上的力矩主要有：
1) 由推進阻力產(chǎn)生的力矩
(3-15)
2) 由截割阻力產(chǎn)生的力矩
(3-16)
3) 由滾筒和搖臂重力G產(chǎn)生的力矩
(3-17)
式中 G——滾筒和搖臂折算到滾筒軸上的總重量，N。
4) 滾筒和搖臂的慣性阻力矩
(3-18)
式中 —回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量，kg/m-2；
——角加速度，rad/s2。
5）搖臂轉(zhuǎn)動時摩擦阻力矩
(3-19)
式中 ——摩擦系數(shù)；
——搖臂支撐軸承的直徑，m；
——搖臂支撐軸承的支反力，N。
6）調(diào)高油缸的驅(qū)動力矩
(3-20)
由力矩平衡方程,得
(3-21)
油缸的輸出力為
(3-22)
若考慮粘性摩擦阻力，則油缸的拉力為
(3-23)
式中 ——油缸的黏性摩擦系數(shù)，N?s/m；
——油缸活塞的運動速度，m/s。
表 3-1 調(diào)高系統(tǒng)各力矩的計算值
Tab. 3-1 Calculate the value of each moment of adjusting system
My
Mz
MG
Mg
Mμ
269
82.4
892
42.6
14
由計算可得，搖臂調(diào)高液壓缸工作拉力為1 526.04kN，同理可得工作推力為2 034.7kN。
2.5.3 破碎機調(diào)高系統(tǒng)的工況分析
破碎裝置是大功率大采高采煤機重要部件?？膳渲糜诓擅簷C右端或左端，與機身懸掛鉸接，用鉸接銷連接，破碎機以鉸接銷為回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)；實現(xiàn)破碎機的滾筒上升和下降。破碎裝置滾筒的升降由調(diào)高油缸的行程來控制。從而調(diào)節(jié)破碎滾筒相對，工作面輸送機刮板之間的距離。
圖 3-7 破碎裝置
Fig. 3-7 Crushing device
1-調(diào)高油缸；2-破碎機搖臂；3-破碎滾筒
由于長壁采煤的采煤高度增加，片幫和落煤的塊度增大。當片幫和落煤的塊度較大時，煤不能順利通過機身與工作而輸送機之間的過煤通道。為此需專門的裝置進行破碎即破碎裝置。連接在破碎機上的液壓缸通過伸縮動作，控制搖臂的升降，采煤機騎在刮板輸送機工作時，搖臂下降最低調(diào)節(jié)位置，滾筒與刮板槽鋼頂?shù)淖钚【嚯xa=0.3 m；在片幫和落煤塊度不大的工況下，搖臂上升至預定高度，滾筒與刮板槽鋼頂?shù)淖畲缶嚯xb=1000 mm。破碎裝置工況分析簡圖（如圖3-8），其中L為2.7 m，R為1.8 m，L1為1.350 m，機重G為5 370 kN,破碎裝置在采煤機機身鉸接點的位置高度c=2 m，a，b為破碎機滾筒最低和最高位置到刮板輸送機槽鋼頂部的距離，c為破碎機與采煤機機身鉸接點到刮板輸送機槽鋼頂部的距離，L為破碎機搖臂長度。
圖 3-8 破碎機的工況分析
Fig. 3-8 Analysis of the crusher working conditions
由力矩平衡方程,得
(3-24)
計算液壓缸的活塞桿的拉力
(3-25)
式中 G——破碎機機重，kN；
R——破碎機重心到鉸接點的距離，m；
F ，F(xiàn)＇——液壓缸的拉力，kN；
α，α＇——破碎機搖臂與水平面的角度，°；
θ，θ＇——液壓缸與破碎機搖臂之間的夾角，°；
L1—液壓缸與搖臂的鉸接點到破碎機與采煤機機身鉸接點的距離，m；
在搖臂上升的過程中，以O1為中心，由重力產(chǎn)生的力矩隨著滾筒高度的增大而增大，液壓缸與水平方向的夾角為α隨著滾筒高度的增大而減小，不難推出液壓缸活塞桿的拉力在最高點時拉力最大，其中θ取15°，θ＇取40°。
根據(jù)簡圖可知
， (3-26)
計算可得α=39.02°，α＇=21.74°。這樣就可計算液壓缸活塞桿的拉力F=2 315 kN。
3 MG200/450-BWD型采煤機調(diào)高液壓回路設計
采煤機滾筒調(diào)高液壓系統(tǒng)的基本要求和功能：
采煤機采用油缸調(diào)高，所以采用雙作用單活塞油缸進行驅(qū)動?？紤]到滾筒和搖臂自重影響，滾筒升比降載荷大，所以選定活塞桿伸出為升，縮進為降。本課題的液壓調(diào)高系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能及所需元件如下：
(1) 實現(xiàn)采煤機搖臂的升降，通過活塞要實現(xiàn)伸出、縮進、鎖緊三個動作，就要建立油缸和換向閥；
(2) 截煤時要實現(xiàn)搖臂的舉角不變，即為了保證搖臂在采高的過程中固定在某一位置，需要系統(tǒng)采用精度較高的鎖緊回路，就要在油缸的進出油路裝液壓鎖丁；
(3) 為了保證系統(tǒng)壓力恒定或是限制系統(tǒng)的最大壓力，在油泵的出口應當安裝溢流閥做安全閥；為了限制執(zhí)行原件的最大工作壓力，需將溢流閥旁接在油缸的進口；
(4) 為能實現(xiàn)手動和遙控換向的功能，需安裝手動換向閥和電磁換向閥。手動換向閥可以通過操縱手柄來實現(xiàn)閥芯的換向;通過電磁換向閥可以進行離機控制，同時電磁換向閥可以提供一定的動力給手動換向閥，當電磁換向閥向手動換向閥提供動力后，操縱手把，手動換向閥就可以向油缸提供大量的油液使得活塞桿伸縮而調(diào)節(jié)搖臂。
3.1 MG200/450-BWD型采煤機液壓系統(tǒng)額定壓力的確定
液壓系統(tǒng)工作壓力的選定，直接關系到整個系統(tǒng)設計的合理程度。選擇液壓系統(tǒng)的工作壓力主要考慮的是液壓系統(tǒng)的重量和經(jīng)濟性之間的平衡，在系統(tǒng)功率已確定的情況下，如果系統(tǒng)工作壓力選得過低，則液壓元件、輔助的尺寸和重量就增加，系統(tǒng)造價也相應增加；如果系統(tǒng)工作壓力高，則液壓執(zhí)行元件—液壓缸的活塞面積（或液壓馬達的排量）小、重量輕，設備結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)造價會相應的降低。同時執(zhí)行元件油腔的容積減小，體積彈性模量增大，有利于提高系統(tǒng)的響應速度。但如果系統(tǒng)的工作壓力選擇過高，則對管路、接頭和元件的強度以及對制造液壓元件、輔助的材質(zhì)、密封、制造精度等要求也會大大提高，有時反而會導致液壓設備重量和成本的增加以及系統(tǒng)效率和使用壽命的下降。同時，高壓時，內(nèi)泄漏大量，容積效率降低，系統(tǒng)發(fā)熱和溫升嚴重，系統(tǒng)功率損失增加，噪聲加大，元件壽命縮短，維護也較困難。
通常液壓系統(tǒng)執(zhí)行元件的工作壓力可以根據(jù)經(jīng)驗按照負載大小或主機的類型進行選擇，推薦的選擇方法如表4-1和4-2所示，執(zhí)行元件的回油背壓經(jīng)驗值如表4-3所示，液壓系統(tǒng)的壓力損失經(jīng)驗值如表4-4所示[23]。
表 4-1 按負載選擇執(zhí)行元件工作壓力
Tab. 4-1 Select working pressure of executive component according to the load
負載/kN
＜5
5~10
10~20
20~30
30~50
＞50
工作壓力/MPa
＜.8~1
1.5~2
2.5~3
3~4
4~5
＞5~7
表 4-2 按主機類型選擇執(zhí)行元件工作壓力
Tab. 4-2 Select working pressure of executive component according to the host type
主機類型
磨床
組合機床
龍門刨床
拉床
農(nóng)業(yè)機械
工作壓力（MPa）
≤5
3~5
2~8
8~10
10~16
主機類型
塑料機械
航空航天
液壓機、大中型工程機械、起重運輸機械
工作壓力（MPa）
6~25
21~28
20~32
表 4-3 執(zhí)行元件回油背壓
Tab. 4-3 Return oil pressure of executive component
系統(tǒng)類型
背壓/MPa
MP
///MPa
系統(tǒng)類型
背壓/MPa
簡單系統(tǒng)或輕載節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2~0.5
用補油