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學院簡介

煤炭科學研究總院太原分院是按照國家科技體製改革的方針政策首批轉製的科技型企業，是原中國煤炭工業部建立的大型專業科研開發單位之一。太原分院是專門從事煤炭工業用采煤、掘進、輸送、支護等煤礦井下機電成套設備及其元部件的開發研製單位。太原分院建院近四十年來，承擔過國家和省部級科研項目３９３項，共取得國內先進水平以上的科研成果２１５項，獲得國家級、省部級獎勵８１項，批準授權的專利３０餘項 。開創了中國煤炭開采設備的十數個第一台。太原分院現有職工692人，其中研究員和教授級高工35人，高級工程師206人，現設有科技產業中心、掘進機公司、神東創新基地、機電產品開發中心等一批科研型產業體，分院還擁有4個大型試驗室和產業基地，成為以采、掘、運、支為主導、專業配套的、具有較強技術創新能力和產業化規模的新型企業。

EBJ-120TP型掘進機立項背景和目的

當前，我國煤礦由於一井一麵采煤方法的普遍采用，其開采速度大大加快，因而帶來采掘機械化比例失調的矛盾更加突出。特別是易采的中厚煤層資源日益減少，而薄煤層的開采比例逐年增加，在全部采準巷道中,半煤岩巷的比例已經達到25%，但這些巷道中的90%仍舊采用著傳統的炮掘作業，勞動強度大，安全性差。

目前，我國大部分局、礦使用的幾種主要機型多是上世紀六、七十年代設計的，這些老產品設計陳舊過時、元部件可靠性差、開機率低、維護量大，而且機重偏輕、截割功率較小、過斷層和截割岩石的能力差，僅適合在煤巷中使用,因此急待開發研製綜合性能好、適應範圍廣的新型掘進機，來解決掘進機更新換代的問題，緩解采掘比例失調的緊張局麵。

EBJ-120TP型掘進機是針對半煤岩巷、岩石硬度為≤60MPa的地質條件立項的，它研究內容的核心是提高中型機的破岩能力、工作穩定性、可靠性和效率，擴大它的適用範圍，以保證該機的先進性和實用性。

摘要

以EBJ-120TP型掘進機的設計為例介紹了CAXA三維實體設計軟件在掘進機設計中的應用，並著重介紹了CAXA三維建模對加速掘進機新產品開發、提高產品質量、降低成本所起的重要作用。

關鍵詞 CAXA三維實體設計 功能特征 設計過程 掘進機 應用

引言

掘進機是煤炭科學研究總院太原分院的主導產品。通常，由於掘進機機型龐大，結構複雜並且缺乏先進的設計手段，使得掘進機設計周期較長，一般需用半年左右或者更長的時間。EBJ-120TP型掘進機是我分院2001年開發設計的新產品，由於在設計中廣泛采用了CAD輔助設計技術，特別是首次應用了CAXA三維實體設計軟件，因而有效地縮短了設計周期，從方案設計到交付生產圖紙僅用了3個月的時間。

CAXA三維實體設計軟件簡介

CAXA三維實體設計軟件是分院於2001年引進的全中文可視化三維設計軟件。它提供從二維到三維的創新設計，幫助完成產品的概念、外觀、總體、結構和零部件設計等功能。CAXA實體設計具有友好的設計界麵（如圖1所示）和清晰簡單的操作，我們不必學習大量的抽象概念和掌握變化多端的專門技能，就可以進行設計。

CAXA實體設計軟件界麵

CAXA實體設計完成的掘進機設計效果圖

CAXA實體設計軟件中掘進機框架圖

CAXA實體設計在EBJ-120TP型掘進機設計中的應用

1.方案設計

在簽定產品開發合同後，往往需組織多次方案討論會。按以往的方式，主管工程師需準備大量的設計方案圖，並提供計算書供大家討論，經過論證、修改、再論證的多次反複，方案才能最後定稿。在EBJ-120TP型掘進機設計中，為了節省方案設計和方案匯報的周期，我們把由CAXA三維實體軟件設計的掘進機樣機模型以及開目CAD輔助設計軟件繪製的零部件二維圖形，儲存於電腦中，供方案討論調用。在現場討論會上，根據與會者的要求，我們將每一個結構、每一層裝配關係都清晰、直觀地顯示了出來，並在討論會當場作出修改後的模擬顯示，以及需增加的零件模型和裝配關係，保證了修改後結構的合理性和準確性。

2.結構設計及工程圖的繪製

EBJ-120TP型掘進機中使用了相當數量的各種標準件，在傳統的圖紙設計繪製過程中，這無疑將耗去設計者大量的精力。在應用CAXA實體設計軟件後，由於它提供豐富的標準庫（如圖2），包括螺釘、螺栓、螺母、墊圈、銷釘、鍵、滾動軸承、彈性密封件、鋼型材以及齒輪、板金的設計等,同時提供各種標準查詢、搜索和添加與預覽功能，在完成零件的三維設計後，通過布局圖輸出符合國標的二維工程圖，因而極大地方便了掘進機零部件設計過程，使設計人員可以將更多的精力用在創造性構思上。

 CAXA實體設計提供了豐富的標準件庫

在EBJ-120TP型掘進機機架和裝載鏟板體等結構件等設計過程中，就引入了CAXA三維實體設計軟件的裝配設計。

圖3所示，是利用CAXA軟件設計的EBJ-120TP型掘進機機架三維模型，它直觀的將設計者的意圖反映出來，可以很方便地進行結構設計以及幹涉檢查、物性計算、零件列表等其它工作，提高了設計效率和設計質量。

圖3 EBJ-120TP型掘進機機架

圖4所示的是EBJ-120TP型掘進機裝載機構的鏟尖。以前它是鑄件，由於批量小、成本高，且工序多、生產周期較長，所以改成了焊接組件。改動過程中，由於側板設計形狀複雜，一般的設計工具設計不夠準確，采用CAXA設計，首先建立板件模型，通過修改符合設計要求後，輸出二維布局，轉換至我們熟悉的二維繪圖工具，完成準確的二維工程圖。

（a）原鑄造鏟尖                       (b) 改焊接件後CAXA簡易模型

(c) 形狀複雜的側板

圖4  CAXA在鏟尖改型設計中的應用

裝配圖冊作為一種工藝指導性文件，是對操作者進行規範化的指導性文件。運用CAXA完成具有獨立功能的部件模型，按照裝配順序，以爆炸圖方式，並標注裝配要求與工序控製以及零件的圖號和數量完成的裝配工藝書，具有規範的格式、清晰的視圖、詳細的工藝要求，給人們耳目一新的感覺。圖5是掘進機截割部懸臂段的三維爆炸模型。

圖5 掘進機截割部懸臂段裝配爆炸圖

3.快速變型設計

EBJ-120TP型掘進機主要用於煤及半煤岩巷的掘進。由於各個礦區井下地質條件不同，為滿足不同客戶的要求以及增強產品自身的適應性和競爭能力，產品的變型設計，便成為一項經常性工作。在已建立掘進機數字樣機的基礎上，根據客戶的不同要求、或修改、或增加、或刪除各種結構和零部件。基於參數化建模的CAXA三維實體設計軟件，能夠更快速、更經濟地完成所要進行的工作，它的裝配檢查，也可避免以往變型設計中容易產生的碰撞等不合理結構，使變型產品的設計更趨完美。

4.輔助產品宣傳

利用CAXA三維實體設計軟件的高級渲染功能，我們把已經設計出的EBJ-120TP型掘進機各零部件模型，輸出成具有照片級真實感的效果圖，在各煤礦現場向客戶和供貨商宣傳中進行了實際應用，起到了很好的效果，並且免去了以往利用技術圖紙進行產品描述所帶來的不便。

截齒剖切圖                                      截割頭

連接                          掘進機

EBJ-120TP型掘進機推廣應用效果

EBJ-120TP型掘進機自2002年5月鑒定以來，已推廣應用36台。先後在平頂山煤業集團、潞安礦業集團、神東煤炭有限責任公司、兗州礦業集團、汾西煤業集團、晉城王坡等煤礦使用。已累計進尺近50000米，最高日進尺35米，最高月進尺650米，曾連續切割岩石硬度為50～60MPa的全岩巷道400米，證明該機真正具備可經濟切割≤60MPa半煤岩巷能力。EBJ-120TP型掘進機因其優良的性能和高可靠性已得到用戶的一致肯定，正在逐步占領國內市場。

EBJ-120TP型掘進機經濟效益和社會效益

截止2003年10月，該項目共實現經濟效益1.935億元，其中新增利潤6819萬元，新增稅收3289.5萬元。

EBJ-120TP型掘進機是在研究國內外同類機型的基礎上研製出的新一代國產掘進機，該機的研製成功，標誌著我國綜掘機械的研究製造水平邁上了一個新台階，對提高我國綜掘機械化程度、提高勞動生產率及緩解采掘比例失調具有積極的促進作用，為我國煤礦中型斷麵煤及半煤岩巷的掘進機械化提供了理想的換代機型。

單頭掘進機產品

雙頭掘進機產品

結束語

EBJ-120TP型掘進機2002年5月通過了中國煤炭工業協會鑒定，專家一致認為：EBJ-120TP型掘進機在總體設計、適應性、可靠性上達到了同類產品的國際先進水平。它的研製成功，為我國煤礦中型斷麵煤及半煤岩巷掘進機械化提供了理想的換代機型。

CAXA三維實體設計軟件的應用，對縮短掘進機的設計周期，提高設計質量，降低成本起到了重要作用，是支持企業增強創新設計，提高市場競爭能力的強有力的手段。同時也為我分院設計人員更新設計觀念和推廣先進的工程設計手段作了有效的嚐試。