在液壓系統設計部分，基本上確定各零部件的液壓使用原理及引數計算。這裡分析計算了截
割部、行走機構、裝運機構、中間運輸機等載荷分析。馬達部分的確定：裝載部的星輪機構
馬達、行走機構的驅動馬達、中間運輸機的驅動馬達等。油缸部分的確定：升降油缸、迴轉
油缸、伸縮油缸、履帶行走機構的張緊油缸、剷板部的升舉油缸的計算設計。
液壓缸的結構設計部分，進行了伸縮油缸的機構設計計算，並繪製零件圖。也進行了泵站的
引數計算確定和液壓系統的計算，評估液壓系統性能。
最後進行掘進機的透過性分析與穩定性分析。
關鍵詞：縱軸式掘進機；總體方案設計；液壓系統設計
中圖分類號：TH
1 引言
1.1 當前國內外掘進機研究水平的狀況
近年來，隨著中國煤炭行業的快速發展，與之唇齒相依的煤機行業也日益受到重視。在
煤炭行業綱領性檔案《關於促進煤炭工業健康發展的若干意見》中，在全國煤炭工業科學技
術大會上以及國家發改委出臺的煤炭行業結構調整政策中，都涉及到發展大型煤炭井下綜合
採煤裝置等內容。
掘進和回採是煤礦生產的重要生產環節，國家的方針是：採掘並重，掘進先行。煤礦巷
道的快速掘進是煤礦保證礦井高產穩產的關鍵技術措施。採掘技術及其裝備水平直接關係到
煤礦生產的能力和安全。高效機械化掘進與支護技術是保證礦井實現高產高效的必要條件，
也是巷道掘進技術的發展方向。隨著綜採技術的發展，國內已出現了年產幾百萬噸級、甚至
千萬噸級超級工作面，使年消耗回採巷道數量大幅度增加，從而使巷道掘進成為了煤礦高效
集約化生產的共性及關鍵性技術。
中國煤巷高效掘進方式中最主要的方式是懸臂式掘進機與單體錨杆鑽機配套作業線，也
稱為煤巷綜合機械化掘進，在中國國有重點煤礦得到了廣泛應用，主要掘進機械為懸臂式掘
進機。
中國煤巷懸臂式掘進機的研製和應用始於20 世紀60 年代，以30～50kW 的小功率掘進
機為主，研究開發和生產使用都處於試驗階段。80 年代初期，中國淮南煤機廠（現重組為
凱盛重工）引進了奧地利奧鋼聯公司AM50 型掘進機、佳木斯煤機廠（現隸屬於國際煤機）
引進了日本三井三池製作所S-100 型掘進機，透過對國外先進技術的引進、消化、吸收，推
動了中國綜掘機械化的發展。但當時引進的掘進機技術屬於70 年代的水平，裝置功率小、
機重輕、破巖能力低及可靠性差，僅適合在條件較好的煤巷中使用，加之中國產機制造缺陷，
在使用中暴露了很多問題。國內進一步加強對引進機型的消化吸收工作，積極研製開發了適
閤中國地質條件和生產工藝的綜合機械化掘進裝備。經過近30 年的消化吸收和自主研發，
- 2 -
目前，中國已形成年產1000 餘臺的掘進機加工製造能力，研製生產了20 多種型號的掘進機，
其截割功率從30kW 到200kW ，初步形成系列化產品，尤其是近年來，中國相繼開發了以
EBJ-120TP 型掘進機為代表的替代機型，在整體技術性能方面達到了國際先進水平。基本能
夠滿足國內半煤巖掘進機市場的需求，半煤巖掘進機以中型和重型機為主，能截割岩石硬度
為f＝6～8，截割功率在120kW 以上，機重在35t 以上。煤礦現用主流半煤巖巷懸臂式掘進
機以煤科總院太原研究院院生產的EBJ-120TP 型、EBZ160TY 型及佳木斯煤機廠生產的
S150J 型三種機型為主，佔半煤巖掘進機使用量的80％以上。
然而，國內目前巖巷施工仍以鑽爆法為主，重型懸臂式掘進機用於大斷面巖巷的掘進在
中國處於試驗階段，但國內煤炭生產逐步朝向高產、高效、安全方向發展，煤礦技術裝置正
在向重型化、大型化、強力化、大功率和機電一體化發展，新集能源股份公司、新汶礦業集
團、淮南礦業集團及平頂山煤業集團公司等企業先後引進了德國WAV300、奧地利AHM105、
英國MK3 型重型懸臂式掘進機。全巖巷重型懸臂式掘進機代表了巖巷掘進技術今後的發展
方向。
雖然三一重灌去年推出了國內第一臺EBZ200H 型硬巖掘進機，但中國產重型掘進機與國
外先進裝置的差距除總體效能引數偏低外，在基礎研究方面也比較薄弱，適合中國煤礦地質
條件的截割、裝運及行走部載荷譜沒有建立，沒有完整的設計理論依據，計算機動態模擬等
方面還處於空白；在元部件可靠性、控制技術、在截割方式、除塵系統等核心技術方面有較
大差距。
1.2 本設計的主要研究內容
本論文的研究內容有：根據給定的設計要求和目的，按照中國煤炭行業標準和行業設計
規範，進行縱軸式掘進機的總體方案設計與液壓系統設計。
主要有以下幾個方面：
a. 按行業標準MT138—1995《懸臂式掘進機的型式與引數》，MT238.3—2006《懸臂
式掘進機|第3 部分|通用技術條件》，結合工作要求和設計目的，確定掘進機的總體型式和
總體引數；
b. 分析整個工作部件的工作原理，給出機械傳動系統圖和繪製整體配置圖；
c. 為實現工作要求，進行了整體液壓系統原理設計，形成本掘進機的液壓系統原理圖；
d. 對截割部、行走機構、裝載機構、中間運輸機構進行載荷分析，確定各部分的載荷，
為進行液壓系統各執行元件的設計提供依據。這裡透過計算確定了8 個馬達和11 個油缸的
主要引數；
e. 重點選取伸縮油缸進行詳細的結構設計，確定缸筒壁厚度，缸體外徑，進出口佈置，
工作行程，平底缸蓋厚度，活塞寬度，最小導向長度，缸體長度等，並進行了強度，剛度和
穩定性校核；
f. 進行液壓系統引數計算，由各回路的流量、工作壓力，完成液壓系統引數計算，確定
泵站的主要技術引數，確定6 個小系統所需要的6 個泵及其各自的功率，並綜合確定泵站電
機的功率引數。同時，由6 個小系統的總體最大流量，確定油箱容積。進行液壓系統的效能
驗算，確定整個系統的效率、產生的熱量和溫升，以評估系統的優越。並做了液壓缸的工作
速度驗算，保證系統工作的順利進行。
g. 按照規範進行了掘進機的透過性與穩定性分析。
- 3 -
2 掘進機總體設計與液壓系統設計的理論基礎與設計規範
2.1 掘進機型式的基本引數要求
根據MT238.3—2006《懸臂式掘進機|第3 部分|通用技術條件》，確定掘進機型式的基
本引數。
表2-1 掘進機型式的基本引數[1]
Tab.2-1 Table of the basic parameters of roadheader models
機型
技術引數 單位
特輕 輕 中 重 超重
切割煤巖最大
單向抗拉強度 MPa ≤ 40 ≤ 50 ≤ 60 ≤ 80 ≤ 100
煤,m3 / min 0.6 0.8 — — —
生產能力 煤夾
矸,m3 / min
0.35 0.4 0.5 0.6 0.6
切割機構功率 kW ≤ 55 ≤ 75 90～132 > 150 > 200
適應工作最大
坡度(絕對值)
不小於
(·) ±16 ±16 ±16 ±16 ±16
可掘巷道斷面 ㎡ 5～12 6～16 7～20 8～28 10～32
機重(不包括轉
載機)
T ≤ 20 ≤ 25 ≤ 50 ≤ 80 > 80
2.2 掘進機的截割頭載荷計算公式
截齒截割岩石的阻力產生了截割力, 其值與被切削的岩石有關, 也與截齒的形狀和切深
有關。這些引數大多透過假巖壁截割試驗取得, 所需截割力的近似計算按式(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(截齒截割煤巖體的深度) , mm;
z σ —岩石的抗拉強度, MPa;
c β —截齒的刀具角, °;
K —岩石的脆性係數, D z K = σ /σ , 其中D σ 為岩石的抗壓強度。在K 取值
為10 左右時，本公式準確性比較高。
2.3 縱軸式掘進機的截割頭每個截齒的最大切割厚度計算公式
對於縱軸式掘進機截割頭,每個截齒的最大切削厚度可由式(2-2)計算求得:
h V n m c b 0 = / [2] (2-2)
式中： b V —截割頭牽引速度(或擺動速度),mm/ min ；
0 n —截割頭的轉速, r / min ；
m—在一條截線上的截齒數。
- 4 -
2.4 工況分析及載荷計算公式
對於液壓缸，外負載為：
c f i F = F + F + F [3] (2-3)
式中： F —工作負載；
f F —摩擦負載；
i F —慣性負載。
對於液壓馬達，外負載為：
n f i M = M + M + M [3] (2-4)
式中： M —工作負載扭矩；
f M —摩擦阻力矩；
i M —慣性力矩。
3 縱軸式掘進機總體設計
懸臂式掘進機主要由截割、行走、裝運、裝載四大機構和液壓、水路、電氣三大系統組
成，並透過主體部將各執行機構有機的組合於一體。總體方案設計主要是進行掘進機的選型
和總體引數的確定。根據任務書的要求，按行業標準MT138—1995《懸臂式掘進機的型式
與引數》，MT238.3—2006《懸臂式掘進機|第3 部分|通用技術條件》選定機型類別為重型
掘進機。按照行業的設計規範和使用的情況，確定各部件的驅動方式和連線結構。這裡除了
截割頭使用電機驅動外，其餘的都採用液壓驅動。
本掘進機的總體設計，主要包括以下內容：
1、據設計任務書選擇機型及各部件結構型式。
2、定整機的主要技術性能引數，包括尺寸引數、重量引數、運動引數和技術經濟指標。
3、按照總體設計的效能要求，確定整機系統的組成及它們之間的匹配性以及各個部件
的主要技術引數。
4、進行必要的總體計算，並繪製傳動系統圖和總體配置圖。
切割頭採用圓錐形式，按行業標準MT477-1996《YBU 系列掘進機用隔爆型三相非同步電
動機》選取截割電機，減速機採用二級行星減速器。內伸縮式結構緊湊、尺寸小、伸縮靈活
方便，因此採用內伸縮式截割頭。耙裝部機構採用弧形三齒星輪式，有左右兩個，對稱佈置。
的形式。行走機構採用履帶式，驅動方式由液壓馬達驅動，可在底板不平或者鬆軟的條件下
工作。採用噴霧式除塵，綜合使用內噴霧形式和外噴霧形式。
掘進機的總體引數，是指主要效能引數，它表示了掘進機特性的指標。掘進機的總體參
數有：機重、外形尺寸、可掘斷面、生產率、截深、擺動速度、切割力等。
確定的主要引數如表3-1：
- 5 -
表3-1 主要技術引數
Tab.3-1 main technical parameters
總體引數
總體長度 總體寬度 總體高度 總重 臥底深度
8.7 m 2.8 m 1.8 m 45 t 200 mm
爬坡能力 截割硬度
±16° ≤60 Mpa
截割範圍
高度 寬度 面積
4.5 m 5.6 m 22.6 ㎡
截割部
截割頭形狀 截割頭轉速 截割頭伸縮量 隔爆型三相電動機噴霧
圓錐臺形 46 r/min 550 mm
YBUD2-132-4 隔
爆，水冷方式，1 臺
內、外噴霧方式
水平迴轉角 上擺角 下襬角
33° 32° 28°
剷板部
裝載形式 裝載寬度 星輪轉速 裝載能力 剷板臥底
三齒星輪式 2.8 m 28 r/min 230m3 /h 300 mm
剷板抬起
340 mm
刮板輸送機
運輸形式 溜槽寬度 鏈速 龍門高度 張緊形式
雙邊鏈刮板式 540 mm 0.90 m/s 360 mm 油缸張緊
行走部
形式 履頻寬度 制動方式 接地比壓 行走速度
履帶式 450 mm 摩擦離合器制動 0.14 MPa 0-5/10m/min
接地長度 張緊形式
3.3 m 油缸張緊
- 6 -
在本總體方案設計的最後，給出了本掘進機的傳動系統圖和總體配置圖。
確定的掘進機的傳動系統圖如圖3-1：
7 8 9 10 11 12
19 17 18
1 2 3 4 5 6
13
16
14
15
圖3-1 掘進機的傳動系統
Fig.3-1 The drive system of roadheader
1—內齒輪 2—中心輪 3—二級中心輪 4—行星輪 5—電動機 6、7—圓錐齒輪 8—鏈輪
9—鏈輪軸 10—內齒輪 11—二級行星減速機 12—齒輪 13—油馬達 14—齒輪 15—齒圈 16—
油馬達 17、18—渦輪蝸桿 19—星輪
4 掘進機液壓系統設計
液壓系統設計在明確基本要求的基礎上，進行工況分析，工作負載計算，擬訂液壓系統
圖。在進行各回路的設計之後，確定總體工作原理圖，再進行各回路的執行元件的設計計算。
這裡進行了截割部、行走機構、裝載部、中間運輸機構的載荷分析，詳細確定了各部分的工
成果。由此確定了各部件的驅動方式和驅動元件的引數，包括8 個馬達的技術引數和11 個
油缸的主要尺寸確定。
重點選取伸縮油缸進行詳細的結構設計，確定缸筒壁厚度，缸體外徑，進出口佈置，工
作行程，平底缸蓋厚度，活塞寬度，最小導向長度，缸體長度等，並進行了強度，剛度和穩
定性校核。
完成液壓系統引數計算，確定泵站的主要技術引數，透過計算確定6 個小系統所需要的
6 個泵及其各自的功率，並綜合確定泵站電機的功率引數。同時，由6 個小系統的總體最大
流量，確定油箱容積。
進行液壓系統的效能驗算，確定整個系統的效率、產生的熱量和溫升，以評估系統的優
越。並做了液壓缸的工作速度驗算，保證系統工作的順利進行。
本設計確定的主要液壓系統引數如表4-1。
- 7 -
表4-1 主要液壓系統引數
Tab.4-1 main hydraulic system parameters
泵站
三聯泵1 三聯泵2 系統額定壓力 油箱容量
電機額定功
率
電機工作轉
速
CBZ2063/63/32 CBZ2063/50/32 16 MPa 640 L 110 kW 1450 r/min
電機額定電壓
AC1140V
裝載迴路
馬達型號 泵型號 系統工作壓力 泵提供流量 泵工作功率
馬達額定工
作轉速
2 個NHM1200 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 28 r/min
中間運輸迴路
NHM400 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 87.2 r/min
行走迴路（左、右）
NHM175A CBZ2032 16 MPa 45.5 L/min 17.8 kW 280 r/min
裝載機馬達 水泵 系統工作壓力 串聯迴路流量泵工作功率
BM-E630 CBZ2050 16 MPa 77.64 L/min 24.4 kW 87.2 r/min
泵—缸迴路
泵型號 系統工作壓力 泵提供流量 泵工作功率
CBZ2050 16 MPa 61.63 L/min 19.3 kW
本設計確定的油缸的引數如表4-2。
表4-2 油缸的主要引數
Tab.4-2 main parameters of fuel tank
伸縮油缸1 個
油缸驅動力 杆徑 內徑 無杆腔有效面積 有杆腔有效面積 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 個
410.4 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 13.3 L/min
迴轉油缸2 個
440.9 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 8.3 L/min
履帶行走機構張緊油缸2 個
油缸驅動力 杆徑 內徑 無杆腔有效面積 有杆腔有效面積
106.7 kN 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2
剷板油缸2 個
89 kN 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2 15.5 L/min
- 8 -
伸縮油缸結構設計得出的主要引數如表4-3。
表4-3 伸縮油缸的重要引數
Tab.4-3 main parameters of extendable fuel tank
缸筒壁厚度 缸體外徑 進出口佈置行程 平底缸蓋厚度最小導向長度 缸體長度
13.5 mm 152 ㎜
螺紋連線
M33×2
550 mm 12 ㎜ 230 mm 720 ㎜
液壓系統的效能引數如表4-4。
表4-4 液壓系統的主要效能引數
Tab.4-4 the main performance parameters of hydraulic system
系統效率 系統熱量 系統溫升
0.218 68.3×103 W 14.15 oC
5 本掘進機液透過性與穩定性分析
穩定性是指掘進機在規定方向行走和工作時不發生翻倒或側滑的能力。它不僅關係到行
走和工作的安全、機器的生產率，而且還直接影響截齒、機械聯接與傳動元件、以及電氣元
件和液壓元件的壽命，是評價懸臂式掘進機使用效能的一項重要指標，只有具有良好的穩定
性，才能保證機器效能的充分發揮。本設計按照規範進行了掘進機的透過性與穩定性分析。
這是評估掘進機的綜合性能的重要指標，是最終確定本掘進機的是否可以出產的重要依據。
透過性引數如表5-1。
表5-1 透過性引數
Tab.5-1 the parameters of through performance
離地最小間隙 接地比壓 適應巷道坡度
253 mm 0.14Mpa ±16°
穩定性引數有：
（一） 靜態穩定性計算結果如表5-2。
表5-2 靜態穩定性引數
Tab.5-2 static stability parameters
極限傾翻角
上山（坡）極限傾翻角下山（坡）極限傾翻角橫向極限傾翻角
下滑臨界坡度角
40° 31° 36° 45°
（二） 動態穩定性計算結果如表5-3。
表5-3 動態穩定性引數
Tab.5-3 dynamic stability parameters
不同截割情況的穩定比
縱向截割（上下截割）
當截割頭向上截割時 當截割頭向下截割時
橫向截割（左右截割） 軸向鑽進
K = 3.8 K = 1.8 K = 2.3 K = 3.4
- 9 -
6 結語
本設計主要是根據掘進機的設計要求和用途，進行本掘進機總體方案設計和液壓系統設
計，確定掘進機型號為EBZ132，能夠滿足中低硬巖、煤層的經濟截割，切割能力較強，應
用範圍也很廣泛，不只在井下采掘作業，也可以在工程建築裡面的航道掘進。EBZ132 整機
結構緊湊，佈局合理，機重與截割功率匹配，接地比壓小，地隙大，適應性強。
在液壓系統設計部分，基本上確定各零部件的液壓使用原理及引數計算。這裡分析計算了截
割部、行走機構、裝運機構、中間運輸機等載荷分析。馬達部分的確定：裝載部的星輪機構
馬達、行走機構的驅動馬達、中間運輸機的驅動馬達等。油缸部分的確定：升降油缸、迴轉
油缸、伸縮油缸、履帶行走機構的張緊油缸、剷板部的升舉油缸的計算設計。
液壓缸的結構設計部分，進行了伸縮油缸的機構設計計算，並繪製零件圖。也進行了泵站的
引數計算確定和液壓系統的計算，評估液壓系統性能。
最後進行掘進機的透過性分析與穩定性分析。
關鍵詞：縱軸式掘進機；總體方案設計；液壓系統設計
中圖分類號：TH
1 引言
1.1 當前國內外掘進機研究水平的狀況
近年來，隨著中國煤炭行業的快速發展，與之唇齒相依的煤機行業也日益受到重視。在
煤炭行業綱領性檔案《關於促進煤炭工業健康發展的若干意見》中，在全國煤炭工業科學技
術大會上以及國家發改委出臺的煤炭行業結構調整政策中，都涉及到發展大型煤炭井下綜合
採煤裝置等內容。
掘進和回採是煤礦生產的重要生產環節，國家的方針是：採掘並重，掘進先行。煤礦巷
道的快速掘進是煤礦保證礦井高產穩產的關鍵技術措施。採掘技術及其裝備水平直接關係到
煤礦生產的能力和安全。高效機械化掘進與支護技術是保證礦井實現高產高效的必要條件，
也是巷道掘進技術的發展方向。隨著綜採技術的發展，國內已出現了年產幾百萬噸級、甚至
千萬噸級超級工作面，使年消耗回採巷道數量大幅度增加，從而使巷道掘進成為了煤礦高效
集約化生產的共性及關鍵性技術。
中國煤巷高效掘進方式中最主要的方式是懸臂式掘進機與單體錨杆鑽機配套作業線，也
稱為煤巷綜合機械化掘進，在中國國有重點煤礦得到了廣泛應用，主要掘進機械為懸臂式掘
進機。
中國煤巷懸臂式掘進機的研製和應用始於20 世紀60 年代，以30～50kW 的小功率掘進
機為主，研究開發和生產使用都處於試驗階段。80 年代初期，中國淮南煤機廠（現重組為
凱盛重工）引進了奧地利奧鋼聯公司AM50 型掘進機、佳木斯煤機廠（現隸屬於國際煤機）
引進了日本三井三池製作所S-100 型掘進機，透過對國外先進技術的引進、消化、吸收，推
動了中國綜掘機械化的發展。但當時引進的掘進機技術屬於70 年代的水平，裝置功率小、
機重輕、破巖能力低及可靠性差，僅適合在條件較好的煤巷中使用，加之中國產機制造缺陷，
在使用中暴露了很多問題。國內進一步加強對引進機型的消化吸收工作，積極研製開發了適
閤中國地質條件和生產工藝的綜合機械化掘進裝備。經過近30 年的消化吸收和自主研發，
- 2 -
目前，中國已形成年產1000 餘臺的掘進機加工製造能力，研製生產了20 多種型號的掘進機，
其截割功率從30kW 到200kW ，初步形成系列化產品，尤其是近年來，中國相繼開發了以
EBJ-120TP 型掘進機為代表的替代機型，在整體技術性能方面達到了國際先進水平。基本能
夠滿足國內半煤巖掘進機市場的需求，半煤巖掘進機以中型和重型機為主，能截割岩石硬度
為f＝6～8，截割功率在120kW 以上，機重在35t 以上。煤礦現用主流半煤巖巷懸臂式掘進
機以煤科總院太原研究院院生產的EBJ-120TP 型、EBZ160TY 型及佳木斯煤機廠生產的
S150J 型三種機型為主，佔半煤巖掘進機使用量的80％以上。
然而，國內目前巖巷施工仍以鑽爆法為主，重型懸臂式掘進機用於大斷面巖巷的掘進在
中國處於試驗階段，但國內煤炭生產逐步朝向高產、高效、安全方向發展，煤礦技術裝置正
在向重型化、大型化、強力化、大功率和機電一體化發展，新集能源股份公司、新汶礦業集
團、淮南礦業集團及平頂山煤業集團公司等企業先後引進了德國WAV300、奧地利AHM105、
英國MK3 型重型懸臂式掘進機。全巖巷重型懸臂式掘進機代表了巖巷掘進技術今後的發展
方向。
雖然三一重灌去年推出了國內第一臺EBZ200H 型硬巖掘進機，但中國產重型掘進機與國
外先進裝置的差距除總體效能引數偏低外，在基礎研究方面也比較薄弱，適合中國煤礦地質
條件的截割、裝運及行走部載荷譜沒有建立，沒有完整的設計理論依據，計算機動態模擬等
方面還處於空白；在元部件可靠性、控制技術、在截割方式、除塵系統等核心技術方面有較
大差距。
1.2 本設計的主要研究內容
本論文的研究內容有：根據給定的設計要求和目的，按照中國煤炭行業標準和行業設計
規範，進行縱軸式掘進機的總體方案設計與液壓系統設計。
主要有以下幾個方面：
a. 按行業標準MT138—1995《懸臂式掘進機的型式與引數》，MT238.3—2006《懸臂
式掘進機|第3 部分|通用技術條件》，結合工作要求和設計目的，確定掘進機的總體型式和
總體引數；
b. 分析整個工作部件的工作原理，給出機械傳動系統圖和繪製整體配置圖；
c. 為實現工作要求，進行了整體液壓系統原理設計，形成本掘進機的液壓系統原理圖；
d. 對截割部、行走機構、裝載機構、中間運輸機構進行載荷分析，確定各部分的載荷，
為進行液壓系統各執行元件的設計提供依據。這裡透過計算確定了8 個馬達和11 個油缸的
主要引數；
e. 重點選取伸縮油缸進行詳細的結構設計，確定缸筒壁厚度，缸體外徑，進出口佈置，
工作行程，平底缸蓋厚度，活塞寬度，最小導向長度，缸體長度等，並進行了強度，剛度和
穩定性校核；
f. 進行液壓系統引數計算，由各回路的流量、工作壓力，完成液壓系統引數計算，確定
泵站的主要技術引數，確定6 個小系統所需要的6 個泵及其各自的功率，並綜合確定泵站電
機的功率引數。同時，由6 個小系統的總體最大流量，確定油箱容積。進行液壓系統的效能
驗算，確定整個系統的效率、產生的熱量和溫升，以評估系統的優越。並做了液壓缸的工作
速度驗算，保證系統工作的順利進行。
g. 按照規範進行了掘進機的透過性與穩定性分析。
- 3 -
2 掘進機總體設計與液壓系統設計的理論基礎與設計規範
2.1 掘進機型式的基本引數要求
根據MT238.3—2006《懸臂式掘進機|第3 部分|通用技術條件》，確定掘進機型式的基
本引數。
表2-1 掘進機型式的基本引數[1]
Tab.2-1 Table of the basic parameters of roadheader models
機型
技術引數 單位
特輕 輕 中 重 超重
切割煤巖最大
單向抗拉強度 MPa ≤ 40 ≤ 50 ≤ 60 ≤ 80 ≤ 100
煤,m3 / min 0.6 0.8 — — —
生產能力 煤夾
矸,m3 / min
0.35 0.4 0.5 0.6 0.6
切割機構功率 kW ≤ 55 ≤ 75 90～132 > 150 > 200
適應工作最大
坡度(絕對值)
不小於
(·) ±16 ±16 ±16 ±16 ±16
可掘巷道斷面 ㎡ 5～12 6～16 7～20 8～28 10～32
機重(不包括轉
載機)
T ≤ 20 ≤ 25 ≤ 50 ≤ 80 > 80
2.2 掘進機的截割頭載荷計算公式
截齒截割岩石的阻力產生了截割力, 其值與被切削的岩石有關, 也與截齒的形狀和切深
有關。這些引數大多透過假巖壁截割試驗取得, 所需截割力的近似計算按式(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(截齒截割煤巖體的深度) , mm;
z σ —岩石的抗拉強度, MPa;
c β —截齒的刀具角, °;
K —岩石的脆性係數, D z K = σ /σ , 其中D σ 為岩石的抗壓強度。在K 取值
為10 左右時，本公式準確性比較高。
2.3 縱軸式掘進機的截割頭每個截齒的最大切割厚度計算公式
對於縱軸式掘進機截割頭,每個截齒的最大切削厚度可由式(2-2)計算求得:
h V n m c b 0 = / [2] (2-2)
式中： b V —截割頭牽引速度(或擺動速度),mm/ min ；
0 n —截割頭的轉速, r / min ；
m—在一條截線上的截齒數。
- 4 -
2.4 工況分析及載荷計算公式
對於液壓缸，外負載為：
c f i F = F + F + F [3] (2-3)
式中： F —工作負載；
f F —摩擦負載；
i F —慣性負載。
對於液壓馬達，外負載為：
n f i M = M + M + M [3] (2-4)
式中： M —工作負載扭矩；
f M —摩擦阻力矩；
i M —慣性力矩。
3 縱軸式掘進機總體設計
懸臂式掘進機主要由截割、行走、裝運、裝載四大機構和液壓、水路、電氣三大系統組
成，並透過主體部將各執行機構有機的組合於一體。總體方案設計主要是進行掘進機的選型
和總體引數的確定。根據任務書的要求，按行業標準MT138—1995《懸臂式掘進機的型式
與引數》，MT238.3—2006《懸臂式掘進機|第3 部分|通用技術條件》選定機型類別為重型
掘進機。按照行業的設計規範和使用的情況，確定各部件的驅動方式和連線結構。這裡除了
截割頭使用電機驅動外，其餘的都採用液壓驅動。
本掘進機的總體設計，主要包括以下內容：
1、據設計任務書選擇機型及各部件結構型式。
2、定整機的主要技術性能引數，包括尺寸引數、重量引數、運動引數和技術經濟指標。
3、按照總體設計的效能要求，確定整機系統的組成及它們之間的匹配性以及各個部件
的主要技術引數。
4、進行必要的總體計算，並繪製傳動系統圖和總體配置圖。
切割頭採用圓錐形式，按行業標準MT477-1996《YBU 系列掘進機用隔爆型三相非同步電
動機》選取截割電機，減速機採用二級行星減速器。內伸縮式結構緊湊、尺寸小、伸縮靈活
方便，因此採用內伸縮式截割頭。耙裝部機構採用弧形三齒星輪式，有左右兩個，對稱佈置。
的形式。行走機構採用履帶式，驅動方式由液壓馬達驅動，可在底板不平或者鬆軟的條件下
工作。採用噴霧式除塵，綜合使用內噴霧形式和外噴霧形式。
掘進機的總體引數，是指主要效能引數，它表示了掘進機特性的指標。掘進機的總體參
數有：機重、外形尺寸、可掘斷面、生產率、截深、擺動速度、切割力等。
確定的主要引數如表3-1：
- 5 -
表3-1 主要技術引數
Tab.3-1 main technical parameters
總體引數
總體長度 總體寬度 總體高度 總重 臥底深度
8.7 m 2.8 m 1.8 m 45 t 200 mm
爬坡能力 截割硬度
±16° ≤60 Mpa
截割範圍
高度 寬度 面積
4.5 m 5.6 m 22.6 ㎡
截割部
截割頭形狀 截割頭轉速 截割頭伸縮量 隔爆型三相電動機噴霧
圓錐臺形 46 r/min 550 mm
YBUD2-132-4 隔
爆，水冷方式，1 臺
內、外噴霧方式
水平迴轉角 上擺角 下襬角
33° 32° 28°
剷板部
裝載形式 裝載寬度 星輪轉速 裝載能力 剷板臥底
三齒星輪式 2.8 m 28 r/min 230m3 /h 300 mm
剷板抬起
340 mm
刮板輸送機
運輸形式 溜槽寬度 鏈速 龍門高度 張緊形式
雙邊鏈刮板式 540 mm 0.90 m/s 360 mm 油缸張緊
行走部
形式 履頻寬度 制動方式 接地比壓 行走速度
履帶式 450 mm 摩擦離合器制動 0.14 MPa 0-5/10m/min
接地長度 張緊形式
3.3 m 油缸張緊
- 6 -
在本總體方案設計的最後，給出了本掘進機的傳動系統圖和總體配置圖。
確定的掘進機的傳動系統圖如圖3-1：
7 8 9 10 11 12
19 17 18
1 2 3 4 5 6
13
16
14
15
圖3-1 掘進機的傳動系統
Fig.3-1 The drive system of roadheader
1—內齒輪 2—中心輪 3—二級中心輪 4—行星輪 5—電動機 6、7—圓錐齒輪 8—鏈輪
9—鏈輪軸 10—內齒輪 11—二級行星減速機 12—齒輪 13—油馬達 14—齒輪 15—齒圈 16—
油馬達 17、18—渦輪蝸桿 19—星輪
4 掘進機液壓系統設計
液壓系統設計在明確基本要求的基礎上，進行工況分析，工作負載計算，擬訂液壓系統
圖。在進行各回路的設計之後，確定總體工作原理圖，再進行各回路的執行元件的設計計算。
這裡進行了截割部、行走機構、裝載部、中間運輸機構的載荷分析，詳細確定了各部分的工
成果。由此確定了各部件的驅動方式和驅動元件的引數，包括8 個馬達的技術引數和11 個
油缸的主要尺寸確定。
重點選取伸縮油缸進行詳細的結構設計，確定缸筒壁厚度，缸體外徑，進出口佈置，工
作行程，平底缸蓋厚度，活塞寬度，最小導向長度，缸體長度等，並進行了強度，剛度和穩
定性校核。
完成液壓系統引數計算，確定泵站的主要技術引數，透過計算確定6 個小系統所需要的
6 個泵及其各自的功率，並綜合確定泵站電機的功率引數。同時，由6 個小系統的總體最大
流量，確定油箱容積。
進行液壓系統的效能驗算，確定整個系統的效率、產生的熱量和溫升，以評估系統的優
越。並做了液壓缸的工作速度驗算，保證系統工作的順利進行。
本設計確定的主要液壓系統引數如表4-1。
- 7 -
表4-1 主要液壓系統引數
Tab.4-1 main hydraulic system parameters
泵站
三聯泵1 三聯泵2 系統額定壓力 油箱容量
電機額定功
率
電機工作轉
速
CBZ2063/63/32 CBZ2063/50/32 16 MPa 640 L 110 kW 1450 r/min
電機額定電壓
AC1140V
裝載迴路
馬達型號 泵型號 系統工作壓力 泵提供流量 泵工作功率
馬達額定工
作轉速
2 個NHM1200 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 28 r/min
中間運輸迴路
馬達型號 泵型號 系統工作壓力 泵提供流量 泵工作功率
馬達額定工
作轉速
NHM400 CBZ2063 16 MPa 77.6 L/min 24.4 kW 87.2 r/min
行走迴路（左、右）
馬達型號 泵型號 系統工作壓力 泵提供流量 泵工作功率
馬達額定工
作轉速
NHM175A CBZ2032 16 MPa 45.5 L/min 17.8 kW 280 r/min
裝載機馬達 水泵 系統工作壓力 串聯迴路流量泵工作功率
馬達額定工
作轉速
BM-E630 CBZ2050 16 MPa 77.64 L/min 24.4 kW 87.2 r/min
泵—缸迴路
泵型號 系統工作壓力 泵提供流量 泵工作功率
CBZ2050 16 MPa 61.63 L/min 19.3 kW
本設計確定的油缸的引數如表4-2。
表4-2 油缸的主要引數
Tab.4-2 main parameters of fuel tank
伸縮油缸1 個
油缸驅動力 杆徑 內徑 無杆腔有效面積 有杆腔有效面積 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 個
油缸驅動力 杆徑 內徑 無杆腔有效面積 有杆腔有效面積 工作最大流量
410.4 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 13.3 L/min
迴轉油缸2 個
油缸驅動力 杆徑 內徑 無杆腔有效面積 有杆腔有效面積 工作最大流量
440.9 kN 110 mm 180 mm 254 cm2 159 cm2 8.3 L/min
履帶行走機構張緊油缸2 個
油缸驅動力 杆徑 內徑 無杆腔有效面積 有杆腔有效面積
106.7 kN 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2
剷板油缸2 個
油缸驅動力 杆徑 內徑 無杆腔有效面積 有杆腔有效面積 工作最大流量
89 kN 63 mm 100 mm 78.5 cm2 47.4 cm2 15.5 L/min
- 8 -
伸縮油缸結構設計得出的主要引數如表4-3。
表4-3 伸縮油缸的重要引數
Tab.4-3 main parameters of extendable fuel tank
缸筒壁厚度 缸體外徑 進出口佈置行程 平底缸蓋厚度最小導向長度 缸體長度
13.5 mm 152 ㎜
螺紋連線
M33×2
550 mm 12 ㎜ 230 mm 720 ㎜
液壓系統的效能引數如表4-4。
表4-4 液壓系統的主要效能引數
Tab.4-4 the main performance parameters of hydraulic system
系統效率 系統熱量 系統溫升
0.218 68.3×103 W 14.15 oC
5 本掘進機液透過性與穩定性分析
穩定性是指掘進機在規定方向行走和工作時不發生翻倒或側滑的能力。它不僅關係到行
走和工作的安全、機器的生產率，而且還直接影響截齒、機械聯接與傳動元件、以及電氣元
件和液壓元件的壽命，是評價懸臂式掘進機使用效能的一項重要指標，只有具有良好的穩定
性，才能保證機器效能的充分發揮。本設計按照規範進行了掘進機的透過性與穩定性分析。
這是評估掘進機的綜合性能的重要指標，是最終確定本掘進機的是否可以出產的重要依據。
透過性引數如表5-1。
表5-1 透過性引數
Tab.5-1 the parameters of through performance
離地最小間隙 接地比壓 適應巷道坡度
253 mm 0.14Mpa ±16°
穩定性引數有：
（一） 靜態穩定性計算結果如表5-2。
表5-2 靜態穩定性引數
Tab.5-2 static stability parameters
極限傾翻角
上山（坡）極限傾翻角下山（坡）極限傾翻角橫向極限傾翻角
下滑臨界坡度角
40° 31° 36° 45°
（二） 動態穩定性計算結果如表5-3。
表5-3 動態穩定性引數
Tab.5-3 dynamic stability parameters
不同截割情況的穩定比
縱向截割（上下截割）
當截割頭向上截割時 當截割頭向下截割時
橫向截割（左右截割） 軸向鑽進
K = 3.8 K = 1.8 K = 2.3 K = 3.4
- 9 -
6 結語
本設計主要是根據掘進機的設計要求和用途，進行本掘進機總體方案設計和液壓系統設
計，確定掘進機型號為EBZ132，能夠滿足中低硬巖、煤層的經濟截割，切割能力較強，應
用範圍也很廣泛，不只在井下采掘作業，也可以在工程建築裡面的航道掘進。EBZ132 整機
結構緊湊，佈局合理，機重與截割功率匹配，接地比壓小，地隙大，適應性強。