综掘机的设计与关键技术分析

实用文档综掘机的设计与关键技术分析中国矿大（机电工程学院机械工程及自动化）摘要：通过了解掘进机的发展历史和现状，分析综掘机设计的关键技术，以便于后续综掘机参数的确定。对综掘机的各个工作部分作简要介绍，总结各部分存在的主要问题。对掘进机截割头的优化设计作较详细的分析。了解破岩机理、优化技术与力学分析等和掘进机设计的有关知识。关键字：综掘机、截割部、破岩机理、力分析、掘锚机0综掘机综掘机又名部分断面掘进机，是一种综合掘进设备，它集切割、行走、装运、喷雾灭尘于一体，它的作业线主要由主机与后配套设备组成。主机把岩石切割破落下来，转运机构把破碎的岩渣转运至机尾部卸下，由后面的车或皮带运走，从而大大地减少工人的劳动强度，缩短劳动时间，提高掘进进尺。部分断面掘进机适用于单轴抗压强度小于60MP的煤、半煤岩、软岩水平巷道，一次只能截割部分断面，需要工作机构多次摆动，逐次截割才能掘出所需断面，其断面为矩型、拱型或梯形等，目前悬臂式掘进机在煤矿中得到广泛运用。悬臂式掘进机按未切割头的布置方式可分为纵轴式和横轴式两种，按掘进对象可分为煤巷、煤岩巷和全岩巷，按机器的驱动型式可分为电力驱（各个机构均为电力驱动）和电液驱动两种。掘进机的发展经历了从小到大，从单一到多样化、从不完善到完善的过程，已形成轻型、中型和重型系列。目前国内煤矿用机型，中型机以AM-50、S100、EBH-120、EBJ-120TP为代表，其截割功率为100～102KW，机重25～30t；重型机以EBH132（截割功率160KW、机重36t）、EBZ-160HN（截割功率160KW、机重50t）为代表，已初步形成系列，可满足国内市场要求，图1示为命名方式。图1掘进机的命名国外掘进机设备又可分为两类：一类是欧洲国家普遍使用的悬臂式掘进机，它适用范围广，掘进速度快，但掘进和支护不能同时进行；另一类是以美国和澳大利亚为代表的连续采煤机和掘锚机组，可以实现煤巷的快速掘进和支护，因此使用安全方便，便成本较高。图2为典型的悬臂式掘进机和连续采煤机。（a）悬臂式掘进机（b）连续采煤机图2典型综掘机纵观掘进机械化发展历程，19世纪70年代，英国为修建海底隧道，生产制造了第一台掘进机，美国在20世纪30年代开发了悬臂式掘进机，并应用于采矿业。我国使用巷道掘进机的历史，是从上世纪50年代初使用前苏联生产的ЛК—2M、ЛК2—1型煤巷掘进机开始的，之后又应用并仿制了ЛК—3型掘进机。我国煤巷综合机械化掘进设备的研制和应用始于20世纪60年代，相继研制出了“反修I型”，“反修Ⅱ型”和“开马”型掘进机，机重大都在10t左右，适用于岩石坚固性系数f值小于4、断面为4～9.6m2的煤巷掘进，以功率30-50KW的小型悬臂式掘进机为主。到80年代中期，我国分别从英、奥、日、苏、美、德、匈等国家引进了16种、近200台掘进设备，同时，通过消化吸收研发了适合我国煤层地质条件的综合机械化掘进设备，对我国煤矿掘进机械化发展起到了推动作用。“八五”、“九五”期间，我国开始重型掘进机的研制工作，“十五”期间进入快速发展阶段，其中EBZ、EBJ系列掘进机得到广泛应用[1]。目前，掘锚机组有代表性的机型有奥钢联的ABM12、ABM14、ABM15、ABM20、ABM30和乔伊的12BM15和12DE15等机型。国产掘锚机组已有产品下线，但尚不成熟。目前，窄机身掘进机、大坡度掘进机、适于大涌水条件等特种掘进机陆续被开发并应用。尤其是2006年沈阳三一重装开发出EBZ200H岩巷掘进机，更是开了国产悬臂式岩巷掘进机的先河。此后，佳木斯、上海创立等相继推出了EBZ230、EBZ300、EBZ220等悬臂式岩巷掘进机。此外，掘支机、掘钻机、掘锚机、连续采煤机、遥控掘进机等也陆续被开发应用，为煤矿掘进机械化的发展奠定了坚实的基础。然而，要提高单进水平就必须最大限度的提高开机率、充分发挥综掘机的作用，就必须高度重视并很好地解决掘进机械化作业线的综合配套问题。掘支平行作业问题和岩巷综掘的储矸缓冲问题，是掘进机械化发展必须要面对、而目前又没有很好解决的两大技术问题。1掘进机技术1.1截割能力以往是根据截割断面的抗压强度来确定掘进机的掘进能力，现在除了考虑断面的抗压强度以外还综合考虑围岩特性，地质条件，截齿的强度和摩损率等。截割速度也是影响掘进能力和截齿寿命的重要因素，纵轴式截割头的截割速度小于横轴式的截割速度，目前掘进机的截割速度为2.5～3.5m/s，实践证明，低速截速具有截深大，装机功率高，岩屑粗，粉层少，截齿温度低，磨损量小等优点，但同时低截速也降低了掘进能力，需要专门的研究与实验来确定截割速度与掘进能力的关系。为了实现较强的截割能力，采用较大的截割功率和较低的截割速度是一种普遍选择【1】。随着能源与环保问题的提出，研究低能耗破岩技术也日益受到关注。1.2截齿设计截齿的选择主要靠经验，现在有专用的试验台来选择，在特定的岩石和地质条件下，选择最佳截齿，以达到最佳破岩效果。截齿在截割破碎岩石时，应力会转化为能量，因此研究新型式的合金刀头材料一直是截齿设计的发展方向。另外截齿的结构和几何形状也是影响截割性能的一个因素，截齿直径越大，截割硬岩的能力越强，图3为典型的截齿结构。图3典型截齿结构截齿在截割头上的排列方式对截割的性能影响很大，它决定了截齿对围岩的截割工况，截齿的仰角也对截割能力有影响，较理想的截齿转角为45到60度。截齿的转动角影响着截齿的磨损情况，设计选进的掘进机机头时每个截齿的转角都是不同的。1.3掘进机可靠性综掘机最易出现的故障部位：1、截割部。在机器的最前端，是最终的执行者，也是最易出现故障的部位。2、星轮。所有的煤渣必须先通过它运转才能完成，它也是易出现故障的部位。3、油路。它是综掘机的“血管”，只有畅通、完好的油路系统，综掘机才能正常的工作。四、电器。它是综掘机的“心脏”，是综掘机正常运转的力量源泉。现在广泛采用的可靠性技术包括简化机械结构，采用降耗技术，减少角用串联系统。经常性故障：1、为了提高进尺不论什么样的岩石都用高速切割，造成的后果就是切割部经常出现故障。2、是随意开切，有时从最硬的岩石起头切割，造成整个综掘机出现很大的振动，把机器的各部的固定螺栓抖落，切齿以及伸缩部的各油封也由此而出现坏。3、星轮使用：重负荷启动星轮用截割头收渣和清底时，注意铲板的高度，不要让截割部压住转动的星轮。2主要部分结构与设计图4总体结构2.1截割头设计截割头是掘进机用于破碎煤岩的工作装置，其几何参数、运动参数和动力参数直接决定掘进机对煤岩的适应性和掘进速度，因此，截割头的设计【3】合与否将影响掘进机的整机性能、使用寿命和经济效益。一个设计合理的截割头应满足的要求：（1）各截齿受力均匀，截割头工作平稳；（2）截割比能耗低，截割效率高；（3）截获的块率高，可吸入性粉尘量小。通过对掘进机纵向截割头的几何优化和动力学优化【5】，可以使截齿排列和截槽形状更趋合理，保证截齿受力相等、磨损均匀、寿命相当，使截割头载荷波动减小，工作更平稳。避免了因有些截齿过载早期损坏、引起相邻截齿的负担过重而造成的截割工况恶化，提高了截割头的无故障工作时间，增加了掘进机的生产率.提高了截获的块率，减少了可吸入性粉。截齿参数包括截割头形状参数、尺寸参数、截割头的摆动速度、自转速度等;截齿的形状、尺寸、材料、齿座的形式以及截齿在截割头上的排列形式、空间角度关系等;另外还需考虑截齿的空间运动参数、截割参数、截割受力情况及截割头的整体受力情况等。这些参数往往相互联系，截割头的设计一直是掘进机设计的难点和重点。2.1.1煤岩的截割阻抗切削厚度每增加lcm，单位面积截割力所增加的量，它是一个随机变量，服从正态分布，人们用数学期望值A对其进行描述。截割阻抗在前苏联及欧洲被广泛应用，而我国主要使用普氏系数f对煤岩力学性能进行描述，可以利用相关资料中的公式对其进行统一:A=(100一150)*f(MPa)2.1.2截割机理矿岩的抗压强度最大，抗剪强度次之，抗拉强度最小。在掘进机设计过程中，应充分利用矿岩抗剪强度及抗拉强度较小的特点，特别是要尽量利用抗拉强度最小的特点来进行矿岩的截割与破碎【9】.图5截割机理2.1.3矿岩截割破碎机理第一阶段，变形阶段，如5所示。截齿与矿岩体的作用力从小到大，并且没有超过矿岩的弹性应力极限，矿岩产生局部弹性变形。第二阶段，裂纹发生阶段，所示。随着截齿的挺进，截齿与矿岩体的作用力不断增加，当拉应力超过矿岩的抗拉强度极限时，接触点附近矿岩被拉开，产生赫兹裂纹;当剪应力超过矿岩的抗剪强度极限时，接触点附近矿岩被错开，产生剪切裂纹源。第三阶段，密实核产生阶段，。剪切裂纹扩散到自由面与赫兹裂纹相交。矿岩内部已经破碎的岩粉被继续向前运动的截齿挤压形成密实的密实核，密实核内部不断聚集能量，并向包围密实核的岩石施加压力，其中一部分岩粉以最大的速度从截齿前刃面喷出，密实核体积有所减小。第四阶段，岩块崩落阶段，。随着接触的继续前移，相互作用力进一步增加，更多的岩粉形成密实核，密实核不断长大，聚集的能量也不断增加，对其包围的岩体的压力也不断增加。当压力超过一定值时，包围岩体发生块体崩落，截齿突然切进，载荷瞬时下降，完成一次跃进式截割循环。2.1.4受力分析图6受力分析图7截割部2.2.1、截割头长度【2】：掘进机采用纵轴截割头，截割头长度的大小不仅影响工作循环时间，而且还和煤岩性质有关，必须合理地选取。工作面上煤壁附近有压张效应，在压出带范围内，煤岩的抗截强度明显减弱，截割阻力和单位能耗降低，因此截割头的长度应设计在压出带尺寸范围内。对煤岩而言，在掘进过程中压张带的宽度一般为工作面高度的30%；而对于比较坚硬的岩石，压张带小于工作面高度的20%EBZ315掘进机的工况主要针对f9～f10的岩石。目前，纵轴式掘进机截割头的长度一般为500～700mm，大功率的掘进机可以适当加长。图8截割部具体结构2.2.2截割头直径[2]截割头直径通常指其平均直径，它决定着掘进的生产率和截齿的截割能力，并与巷道断面的大有关。当截割头功率和转速一定时，截割头的直径将决定截割头的切向截割力，截割头直径过大，将使切向的截割力降低，如果截割力小于截割阻力，就不能完成截割任务。相反，若截割头直径过小，虽然可以获得较大的切向截割力，但由于截割的循环时间加长，而影响掘进速度。考虑到EBZ315掘进机针对岩石巷道，截割阻力比较大，没有取太大直径，避免增大直径而降低截齿截割力，尽可能地提高掘进机的截割能力。图9截割头角度确定2.2.3截割头锥角EBZ315掘进机头体采用了圆锥圆柱形，对于纵轴式掘进机的圆锥圆柱形截割头，为了获得较为平整的巷道顶、底板或侧壁，结合悬臂长度、回转中心的位置确定截割头的锥角。如图1所示，设截割头的半锥角为θ，悬臂水平摆角为φ，上下摆角分别为α1,α2。要保证巷道的顶板、底板、两侧壁平整，应使θ=α1=α2。显然，对确定的掘进机，其截割头的半锥角是一定值。对一定形状的巷道，一般不可能同时满上述要求。因此，就难以同时获得平整的顶底板和侧壁。通常，在巷道掘进时，为便于机器的行走和支护，要求底板两侧平整。这时有θ=φ=α2。水平摆角φ取决于巷断面的宽度和回转半径的大小。为了达到较大的掘进宽度，在结构布置允许的情况下，常采用加大φ角的办法(现有掘进机的水平摆角通常为30～50°)。在此设计中也难保证θ=φ。所以使θ=α2,即获得平整的底板。根据其他已知参数，求得θ=12°。2.2.4螺旋头数和升角叶片螺旋【6】的头数及升角的大小影响截割头的排屑效果。螺旋头数越多，要保证截割顺序有规律，同时再满足截割齿数不变等要求就越困难，而且使结构复杂、截割头重量增加。试验表明螺旋头数应小于4个。单头螺旋不宜采用，特别是在较坚硬的条件，单头螺旋减小螺距，使截割的块度减少，粉尘增多，而且降低排屑能力。螺旋头数大多选2头和3头，对于中小型掘进机多采用2头螺旋叶片。EBZ315采用3头螺旋和22°升角。2.2.5截割头转速和摆动速度当功率一定时，截割头转速决定截割转矩和截割力的大小。在一定功率下，适当降低截割头转速，将使截割力矩和截割力相应增加，有利于截割较硬的煤岩。同时，还降低截割头上的动载荷，减小截齿的磨损和粉尘。通常截割头的转速为30～100r/min。因为EBZ315掘进机设计为截割硬度f≤9的岩石，所以截割头转速取值偏低。截割头的横切速度的大小决定着截割块度的大小、粉尘量的高低、掘进机生能力和截割头载荷与波动大小。应合理地确定横切速度大小。当煤岩硬度较小时，截割阻力小，可适当加大横切速度，以提高掘进速度。当煤岩较硬时，应相应地降低横切速度，以减少截割阻力和截齿损耗。为了提高EBZ315掘进机的对工况的适应范围，EBZ315掘进机横切速度可调，采用负载敏感多路换向阀和变量泵液压系统，通过控制换向阀的开口度，控制流量，控制水平回转的液压缸的动作速度来调整截割头的横切速度。从而在一定功率下获得最佳的截割效率和截割工况。2.2.6截割头截齿【7】的排列截齿在截割头上的排列方式，直接影响破碎效果、受力状况、功率消耗和截割工况。对于截齿布置的总体要求：单位能耗低、截齿损耗小、块率高、吸入性粉尘少，沼气泄出量和摩擦发光的概率小。S200M掘进机引入国内10a多，作为工作机构的截割头，一直在不断地改进，优化。结合实践，对截齿排列方式不断摸索研究，已经形成了比较成熟的理论，EBZ315整个截割头截齿排列采用一线一齿交叉排列方式，每条截线上齿数相同，同时工作的齿数基本不变。保证了工作机构的负荷均匀、工作平稳、振动小。截齿是以一个间隔一个的次序进行截割的，形成两侧接近对称的截槽,可以保证截齿两侧的受力基本平衡，切屑面积大，截割比能耗低。这种列方式有利于降低截齿的侧向力和截割比能耗。EBZ315掘进机的截割头截齿数量为41。截线距对于截割头的载荷以及掘进机工作的平稳性、截割性都有影响。因此截线距是设计截割头的关键。而对于EBZ315掘进机的截割头的外形轮廓由圆锥、过渡圆弧、圆柱组成，截齿沿其表面布置。由于其工况、受力及损坏原因都不一样。所以，截割头的截线距根据截齿处的位置分别考虑。各国对截线距的最佳值的确定进行了大量的分析研究，而且各不相同。EBZ315掘进机的工况主要是岩石巷道，硬度比较高，裂隙小、崩落角小，所以截线距也取了平均为30mm的相对较小值。截齿齿尖轴向.2.6.7矿岩特性要想研究掘进机必须要对其工作的对象要有所了解，也就是说必须先要对形成矿岩的材料、条件及经历的后期地质变化等相关地质条件进行研究。由于矿岩形成的材料、条件及经历的后期地质变化不同，不同区域的矿岩物理机械性能存在着很大的差异，矿岩并非单一均质，往往与矿岩相拌而生的是不同成分的矿渣和夹杂物。另外，矿岩还存在层理、节理等不同的分离面，加之夹杂物的大小及分布有着很大的随机性，同时开采行为也会改变矿岩的力学环境，这些都导致矿岩的物理机械特性很难掌握，因此中外从事矿岩相关特性的研究大多是建立在实验基础上的统计分析研究，利用一些统计量指标来描述矿岩特性对开采截割行为的影响。研究矿岩的相关特性是为了更好的有针对性的研究掘进机截割头在截割不同矿岩时的截割机理和特点，以便针对在不同的地质条件下工作的掘进机截割头进行变形(专用)设计。图10铲煤板2.3.1铲板部铲板部是由主铲板、侧铲板、铲板驱动装置、从动轮装置等组成。通过两个液压马达带动弧形三齿星轮，把截割下来的物料装到第一运输机内。铲板宽度为2.9m，由主铲板、侧铲板组成，用高强度螺栓连结，铲板在油缸作用下可向上抬起342mm，向下卧底356mm。见图10。铲板驱动装置是通过同一油路下的二个控制阀各自控制一个液压马达，对弧形三齿星轮进行驱动，并能够获得均衡的流量，确保星轮在平稳一致的件下工作，提高工作效率，降低故障率。图11行走机构2.3.2行走部行走部主要由定量液压马达、减速机、履带链、张紧轮组、张紧油缸、履带架等几部分组成。定量液压马达通过减速机及驱动轮带动履带链实现行走。支重形式采用滑动摩擦式。2.3.3履带张紧机构是由张紧轮组和张紧油缸组成，履带的松紧程度是靠张紧油缸推动张紧轮组来调节的。张紧油缸为单作用形式，张紧轮伸出后靠卡板锁定。张紧油缸、卡板均在履带外测安装，方便实用，并均配有盖板以保证外形的美观。行走减速机用高强度螺栓与履带架联接。履带架采用挂钩及一个竖平键与本体相联，用12个M30高强度螺栓紧固在本体的两侧。行走部见图11。2.3.4后支承作用是减少在截割时机体的振动，提高工作稳定性并防止机体横向滑动，见图13。在后支承支架两边分别装有升降支承器，利用油缸实现支承。后支承支架用M24的高强度螺栓通过键与本体相联，后支承的后部与第二运输机联接。电控箱、泵站都固定在后支承支架上。图12后支承3掘锚机组的发展近几年,随着掘进机的大量使用,巷道在的掘进速度【10】加快,但是,锚护速度跟不上。锚护速度成为制约巷道掘进速度的瓶径。悬臂式掘进机上加装液压锚杆钻机的技术，可实现掘进与锚杆支护平行作业，为快速掘进巷道开辟了新途径。即掘进机同装载输送机同时整体向前推进截煤，同时锚杆机向项板和侧板打眼安装锚杆，随后掘进机带着锚杆机向前移动，完成一个工作循环。掘锚机的主体采用掘进机成熟的功能和结构,只将截割部和液压系统进行优化,以适应钻锚机构的联接和驱动。图13加装锚杆钻机的掘进机随着我国煤矿锚杆支护技术不断发展，应加紧掘锚机组开发研究工作。我国掘锚机组的开发研究参照国外掘锚机【12】组发展模式依然要按两方而进行。一方而研究目前普遍使用的中小型悬臂掘进机如何改造成中小型掘锚机组，提高机掘巷道的锚杆支护机械化程度，改善作业条件，如煤炭科学研究总院南京研究所研究的机载锚杆钻机就是一种很好的技术途径。在此基础上应尽快深入研究，为我国煤矿普遍使用的中小型悬臂掘进机寻找一条好的技术途径，同时也为下一步开发新型掘锚机组提供经验。另一方而积极开展研究适合我国煤矿使用的掘锚机组。从我国引进的掘锚机组使用情况看，国外掘锚机组基木上不适合我国煤矿国情，纯粹依靠引进国外掘锚机组是不行的。参考文献：[1]陶永芹.我国综掘技术及其发展研究[J].煤矿机械,2005年07期

[2]孟凡勇.EBZ315掘进机截割头设计[J]煤矿机械,20101.7.[3]李晓豁.掘进机截割的关健技术研究［M］.北京：机械工业出版社，2008.[4]李晓韶、程东案.拥进机截例头的计算机辅助设计，煤矿机械