EBZ260悬臂式重型岩巷综合机械化快速掘进工艺及防尘技术研究

PAGEPAGE5鉴定材料EBZ260悬臂式重型岩巷综合机械化快速掘进工艺及防尘技术研究技术报告中国煤炭科工集团太原研究院二○一一年六月目录HYPERLINK一、立项背景…………………3HYPERLINK1.1概况……………….3HYPERLINK1.2立项意义………….3HYPERLINK1.3国内外发展现状………………….4HYPERLINK1.4项目研究目标与任务…………….6HYPERLINK二、技术路线与实施方案……………7HYPERLINK三、EBZ260重型岩巷掘进机总体设计研究……….9HYPERLINK3.1岩巷掘进机合理技术参数确定和整机稳定性的研究………...10HYPERLINK3.2EBZ260岩巷掘进机整机负载试验研究……….12HYPERLINK四、截割系统研究……………………13HYPERLINK4.1高性能截齿和硬岩截割头设计研究…………...14HYPERLINK4.1.1截割头虚拟装配………………14HYPERLINK4.1.2高性能截齿的研究……………16HYPERLINK4.2冲击重载工况下截割机构的研究……………...17HYPERLINK五、装运系统研究…………………..18HYPERLINK5.1星轮装载机构合理参数的试验研究…………...20HYPERLINK5.2刮板运输机系统研究…………...21HYPERLINK六、高可靠性履带行走系统的研究………………..23HYPERLINK6.1履带行走系统主要参数研究……………………23HYPERLINK6.2履带的比压分布研究…………..23HYPERLINK6.3行走系统功率确定的研究……………………...23HYPERLINK七、低损耗、高可靠性液压系统的研究………….24HYPERLINK八、电气系统研究……………………268.1掘进机工作状态显示技术………268.2掘进机工作状态历史数据分析…………………27HYPERLINK九、掘进巷道综合除尘系统的研究…………………28HYPERLINK9.1掘进工作面综合除尘系统总体配套技术研究…………………28HYPERLINK9.2大断面控尘技术的研究…………30HYPERLINK十、性能参数与技术特点…………..32HYPERLINK10.1主要技术参数…………………..32HYPERLINK10.2主要技术特点………………….34HYPERLINK十一、样机试制……………………..35HYPERLINK11.1概况……………..35HYPERLINK11.2试制情况及关键工艺攻关……………………..36HYPERLINK11.3质量保证体系………………….39HYPERLINK十二、井下工业性试验及推广应用情况………….40HYPERLINK十三、国内外同类技术对比分析………………….41HYPERLINK十四、经济与社会效益分析………41HYPERLINK十五、总结………….42HYPERLINK15.1主要研究成果…………………..42HYPERLINK15.2技术创新点…………………….43HYPERLINK15.3推广应用前景………………….43HYPERLINK15.4存在的问题……………….44一、立项背景1.1概况 据煤炭工业协会的数据统计：我国原国有重点煤矿综采率由1975年的3.2%增加到2008年的84.15%，而综掘率仅由1980年的1.71%增加到2008年的36.85%，采掘比例失调有进一步加大趋势，这严重制约了煤矿高效、节约、自动化开采的发展，为了解决这一矛盾，近几年，各煤炭企业加大了掘进设备的投入。具不完全统计，2002年～2009年，掘进机销量由122台上升到1400余台，平均增长超过180台/年。随着我国易采的中厚煤层资源日益减少，薄煤层开采量的增加，巷道的岩石比例和硬度呈上升态势，而且，随着矿井规模和工作面单产的进一步提高，大批的千万吨现代化矿井建成投产，矿井对悬臂式掘进机的能力和要求也会持续提高。今后几年，需要大量的大断面、截割稳定性高的重型岩巷掘进机用于主巷道掘进。另外，随着我国西北大开发的深入进行，基础建设中有大量的公路、铁路等交通隧道需要开挖。交通隧道开挖的技术、工艺需要丰富与发展。根据国外的成功经验表明，重型岩巷掘进机技术在交通隧道施工中将有着广泛的应用前景。EBZ260重型岩巷掘进机可经济截割硬度≤f9、截割机构截尺采用具有高强耐磨材料，适应大、中断面半煤岩及全岩巷道的掘进；整机具有工况监视和故障诊断系统；配备机载高效湿式除尘系统，除尘效率高。1.2立项意义“十五”及“十一五”期间，尽管我国在煤及半煤岩巷道掘进技术与装备方面取得了巨大的进步，煤及半煤岩巷掘进设备形成系列化，但在岩石硬度较高的半煤岩和岩巷掘进技术与装备方面，仍与国外先进采煤国有着很大的差距。目前，我国对于岩石单向抗压强度大于80MPa半煤岩巷和全岩巷道掘进主要依靠钻爆法施工，这种方式存在效率低下、安全性差、工人劳动强度过高的问题。与此同时，我国综掘工作面普遍使用的喷雾除尘方式，由于内喷雾旋转水密封问题长期无法解决，使得内喷雾不能长期有效工作，而外喷雾也由于雾状性能较差和喷雾距离较远，其灭尘效果也不太理想，致使掘进巷道粉尘治理成为煤矿巷道掘进中的一个技术难题。本项目的另一个目标就是要研制巷道综合湿式除尘系统。该系统配备于掘进巷道中，降尘率达到95％以上，明显改善掘进工作面的空气质量，大大降低煤矿井下工人尘肺病的发病率。本项目的研究对提高我国综合机械化掘进技术与装备进步将起到积极的推动作用，可大幅缩短国内高端掘进机研制技术与国外先进水平的差距，对提高我国综掘机械化程度，缩短建井周期，降低施工费用，改善施工条件，提高劳动生产效率，缓解采掘比例失调，起到明显的促进作用，本项目研究的关键技术是我国煤矿向高效集约化安全生产转轨的理想掘进设备，对促进我国煤炭生产的可持续发展有着重要的意义。同时，该设备的加工制造，为社会提供了就业机会，其经济和社会效益显著。1.3国内外发展现状1)国外第一台悬臂式掘进机自上世纪40年代在匈牙利研制成功以来，经过50多年的长足发展，日趋完善。目前，国外掘进机主要生产国，如英、德、奥地利等国，所研制的掘进机已广泛用于硬度低于f8半煤岩的采准巷道掘进，并扩大到岩巷。重型机不移位截割断面达35～42㎡，多数机型能在纵向±16°、横向8°的斜坡上可靠工作，截割功率在132～300kW，机重在50～100t，截割岩石硬度达到f12。部分机型截割速度已降至1m/s以下，牵引速度采用负载反馈调节，以适应不同岩石硬度。机电一体化已成为掘进机发展趋势，新推出的掘进机可以实现推进方向和断面的监控、电机功率自动调节、离机遥控操作及工况监测和故障诊断，新机型全部实现PLC控制，实现了回路循环检测。为充分发挥掘进机的效能，各国都非常重视综掘作业线的配套问题，在稳定顶板条件下，常用锚杆钻机支护，提高支护效率；为使掘进机与支护平行作业，多年以来，世界主要产煤国一直在探索、研究，使掘进机与锚杆钻机合二为一，在掘进机上装设锚杆钻机，用一台设备来完成巷道掘进的落、装煤及锚杆打眼、安装功能，从而出现了机载锚杆钻机以及掘锚机组；在后配套方面，通常采用桥式转载机，后配带式输送机，实现连续作业。为改善工人在岩巷掘进时的工作环境，掘进机配套机载除尘系统也成为未来岩巷掘进发展的方向。2)国内我国掘进机研究始于上世纪60年代，主要经历了引进、消化吸收和自主研制三个阶段。经过40余年的发展，我国已经建立《悬臂式掘进机通用技术条件》等完备的掘进机整机及零部件的标准体系。“十五”后期至“十一五”期间，我国中型掘进机发展日趋成熟，重型掘进机大批出现，掘进机的设计与加工制造水平已比较先进，已能够独立研制截割硬度≤80MPa，机重在60t左右，截割功率160～220kW的重型掘进机，并且具备了根据矿井条件实现个性化设计的能力，形成了多个系列的产品，主要有煤科总院太原研究院研制的EBJ(Z)系列、佳木斯煤机厂生产的S、EBZ系列、三一重装生产的EBZ系列型掘进机。“十一五”期间，我国煤机制造企业加大了科研投入，围绕重型岩巷掘进机技术、掘进机自动控制技术、掘进巷道综合除尘技术以及掘进机多功能一体化技术展开了科技攻关。国家也在相关方面加大了引导、扶持力度，推动了掘进机研制水平的提高，总体参数接近或达到了国外先进水平，新型研制的掘进增加机载湿式除尘系统，并且具有了离机遥控、截割断面监视和故障诊断等功能。但是，与国际先进水平相比，国内掘进机在破岩能力、适应性及可靠性方面还存在一定的差距，主要表现在如下几个方面：（1）破岩能力不足截割岩石硬度超过80MPa时，截割振动加大，截齿损耗率急剧增加。（2）自动控制技术水平落后遥控装置完全依赖进口，断面监视系统作用有限，而且可靠性差，尚不具自动截割和记忆截割的功能，故障诊断只能实现被动检测，而且功能较为单一，检测数据无法实现远程传输。（3）元部件可靠性差在截割全岩巷道时，由于机器振动较大，元部件损坏严重，经济性迅速下降。在巷道综合除尘技术方面，国内相关技术水平也比较落后。虽然目前采取了内外喷雾等防尘措施，但粉尘问题依然十分严峻，对掘进工作面的防尘技术和设备有着迫切的需求。从除尘效果看，采用长压短抽的通风除尘系统方式，即长距离送风到掘进作业点，除尘器在掘进作业点与掘进压入式通风配套使用，形成短距离抽风的除尘系统效果最好。该技术中，只有采用有效的控尘措施，才能保证除尘设备有效收尘，并且使高收尘效率和高除尘效率有机结合，达到有效降低机掘工作面粉尘浓度的目的。1.4项目研究目标与任务本项目主要是研究全岩巷道的综合机械化快速掘进工艺及防尘技术，重点解决≤90MPa全岩巷道岩石破碎及岩粉污染的技术难题，并研制核心装备重型全岩巷掘进机和巷道综合除尘系统。主要任务指标：1）主要装备的技术指标研制出全岩巷重型悬臂式掘进机1台和机载湿式除尘系统。该全岩巷重型掘进机和巷道综合除尘系统在岩巷中配备综掘作业线，三个月（90个工作日）平均月进尺达到120m掘进机主要技术参数机重：110t截割功率：260kW总功率：426kW截割煤岩硬度：≤90MPa定位最大可掘高度；5定位最大可掘宽度：6供电电压：1140V2）制定重型掘进机企业标准，并为行业标准修订提供依据。二、技术路线与实施方案本项目采用总体设计、部件重点攻关的思路实现。设计中采用虚拟样机技术和传统设计方法相结合的方式，利用Solidworks、Ansys、Adams等软件的辅助设计与分析功能，在样机研制过程中对整机及各元部件性能进行分析，降低设计风险，缩短设计周期，提高物理样机的整机性能。技术路线：调研→方案研究及审查→建立虚拟样机并进行分析→施工图纸设计及工艺审查→关键元部件攻关→样机制造→整机组装、调试→出厂验收、性能检测→井下工业性试验→定型设计→完成小批量生产工艺准备→项目验收或鉴定。2.1项目调研1）收集相关资料，进行国内外调研包括收集岩巷综掘技术、重型岩巷掘进机和掘进巷道除尘技术与装备的相关资料，对重型岩巷掘进机、湿式除尘器等设备使用工况进行井下实际调查研究，确定研究的主要目标、走访使用单位了解产品在实际使用中的优缺点并进行立项查新。2）选取整机主参数，编写项目可行性研究报告，并组织专家审定。2.2方案设计1）对国内外先进技术与装备进行消化、吸收并创新，制定整机总体设计方案。2）根据总体设计方案，确定各部件、各系统的主要参数。3）以主机参数和各部件参数为依据，进行液压件、传动件、电气件的选型设计。2.3关键装备设计本项目关键装备的设计研究主要分为重型岩巷掘进机和巷道综合除尘系统两个研究任务。重型岩巷掘进机整机由截割机构、装载机构、刮板输送机、机架及回转机构、行走机构、液压系统、供水系统、电气系统和防护总成等几部分组成，整机除截割机构外，全部采用液压驱动。巷道综合除尘系统设计为带附壁风筒的湿式除尘系统，本项目巷道综合除尘系统主要由湿式除尘器、附壁风筒和供水系统等几部分组成。关键装备的设计按照装备的组成，分成总体设计和元部件设计多个研究小组，分工协作，总体设计负责协调各部分工作，并对关键装备的设计负总责。2.4样机试制1）关键元部件进行试验室试验；2）样机制造过程中，派专业技术人员进行技术支持，并进行全程质量跟踪，参与生产厂家的出厂检验，对于不合格件严禁上机装配。对各种液压件，包括泵、马达、油缸、阀类等元部件，都必须经过液压试验台带载检验。3）样机组装完成后，进行假岩壁截割试验，试验完成后由掘进机检验检测中心的检验人员到现场进行整机检验，检验合格后方可出厂。2.5井下工业性试验装备取得煤安标志后进行井下工业性试验。项目组制订工业性试验规范，试验期间跟踪井下设备运行情况，对设备运行的有关参数进行测试与采集，并根据试验情况，提出样机整改意见。2.6项目验收在工业性试验完成后，项目承担单位提交项目研究报告等技术资料，交甘肃省科技厅组织鉴定、验收。三、EBZ260重型岩巷掘进机总体设计研究全岩巷综合机械化掘进研究在我国尚处于起步阶段，结合项目技术任务及研究目标要求，对重型岩巷掘进机总体设计技术、硬岩截割技术、硬块物料装运技术、自动控制技术等一些关键技术进行了重点研究。悬臂式掘进机总体设计对整机性能的优劣起着决定性的作用，并决定了各总成、系统、各部件之间的协调性、统一性和匹配性。掘进机的总体设计，主要包括以下几方面的内容：1）根据任务目标选择机型及各部件的结构形式；2）确定整机主要技术性能参数；3）按照总体设计的要求，确定整机系统组成及它们之间的匹配性；4）进行必要的总体计算。在总体设计过程中，整机主要技术性能参数的确定难度最大，也最为重要，整机主要技术性能参数一旦确定，设备使用性能的好坏也就随之确定。由于缺乏超重型岩巷掘进机的研究经验，整机合理技术参数的确定以及整机稳定性的研究就成为总体设计的一个关键内容，为此课题组对此进行了专项研究。1-截割机构2-装载机构3-刮板输送机4-机架和回转机构5-左行走机构6-右行走机构7-电气系统8-液压系统9-水系统10-护板总成图1EBZ260型全岩巷掘进机3.1岩巷掘进机合理技术参数确定和整机稳定性的研究针对国内岩巷掘进机研制技术相对薄弱的现状，课题组重点对国外先进的岩巷掘进技术和具有代表性的岩巷掘进机AHM105、MK3等装备进行了调研，并根据岩巷掘进的特殊要求，结合我国煤矿井下情况，提出了岩巷掘进机的主要结构和技术参数，然后，采用SolidWorks等三维软件建立虚拟样机并进行模拟分析，以合理的质量体积比，具有最高切割功率和高切割稳定性为优化目标，建立动力学模型对整机进行优化设计，确定整机设计参数。全岩巷掘进机是一种集截割、装载、转运、行走、降尘等功能于一身的综合机组，其作业环境和条件极其恶劣，工作载荷随机多变，载荷的计算非常复杂。从理论上讲，掘进机的力学模型应是一个无限个自由度的系统，但实际计算这样的系统是不可能的。因此，在建立全岩巷掘进机截割岩壁的力学模型时，我们对掘进机的运行工况进行了适当、合理的假设和简化。全岩巷掘进机力学模型基本假设如下：岩壁的单向抗压强度恒定；掘进机各部分简化为集中质量m1、m2、m3……mn；各部分之间通过无质量的弹性元件连接；各部分之间的阻尼为粘性阻尼；掘进机运行正常，无引发掘进机振动的故障。图2全岩巷掘进机的简化振动模型掘进机动力学系统可以看作是完整系统，应用完整系统分析力学的知识，即Lagrange方程，可以建立掘进机截割时的运动微分方程，从而较精确的描述掘进机的动力学行为。考虑粘性阻力，引入Rayleigh耗散函数D，则Lagrange方程为：（s＝1，2，……，n）若引入势能函数U(qs)，那么可以进一步写成如下形式：（s＝1，2，……，n）根据以上形式的Lagrange方程，推导出了掘进机截割岩壁时的运动微分方程：（，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，，）（n＝1，2，……，9）从研究的结果上看，当截割头质量不变，机体质量减少时，对机体的振动影响不大，但对截割头的振动影响强烈，截割头振动剧烈。反之增加机体重量，截割头的振动减小。为此，项目组利用配重等方式，对整机结构进行了优化，力求重量合理，动力传递路线简短、效率高，重心位置低、动态稳定性好。重心计算公式如下：,,式中G：为整机重量、、、：各部件、组件重量以及其在X、Y、Z轴上的坐标。3.2EBZ260岩巷掘进机整机负载试验研究2010年10月，EBZ260型全岩巷掘进机在太原研究院假岩壁截割试验区进行了假岩壁截割试验，试验中项目组对整机的截割稳定性、元部件振动等参数进行了检测，检测结果显示机器设计合理，重心稳定机器震动小，截割能力达到设计要求。四、截割系统研究截割系统是掘进机的工作机构，也是掘进机设计的核心部分，本项目全岩巷掘进机主要由叉形架、截割电机、截割减速器、截割头、悬臂段等元部件组成。1-切割头、2-悬臂段、3-加长段、4-二级行星减速器、5-切割电机、6-叉形架图3EBZ260型掘进机截割机构本项目研制的EBZ260型岩巷掘进机采用刀具切割破碎岩石，按照矿岩破落原理，其截割方式为铣削原理。掘进机在进行作业时通常是掏槽钻进和摆动截割两种方式。无论哪种方式截齿切割岩石时，在其截割头截齿的每个齿尖上的切削方向上有切割力Fs，它的作用是把岩石破碎（或挤碎）；轴向有牵引力Fa，它的作用是使截齿保持切入岩体的切割状态。截割过程受许多因素的影响，但最主要的是必须能有效地截割煤岩，为此应考虑影响截割性能的下列关系：截割力和牵引力；截割速度和牵引速度；推进力及其速度；切屑厚度及截线间距；截割头结构尺寸；截齿的类型及其布置方式等。这些参数必须应满足被截割岩石的性质要求，如果参数选择不当，则会降低掘进机的截割效率，甚至不能有效截割煤岩。为此，本项目截割系统主要进行以下几个方面的研究。图4截齿切割力和牵引力4.1高性能截齿和硬岩截割头设计研究4.1.1截割头虚拟装配截割头是掘进机的主要部件，其设计参数直接影响整机性能，截割头的设计参数包括：形体几何参数、截齿排列参数、运动学参数等。要将诸多参数合理匹配，采用传统的设计方法是难以实现的。根据设计理论实现截割头的虚拟设计较好地解决这一难题。图5截割头空间包络面图6截割头体上螺旋线齿尖包络曲线并非一种曲线构成，而是几段不同曲线的组合，相应包络面的形式根多，截齿齿尖在包络面上的排列也存在一定规律。考虑到截割时排屑的顺畅性以及截割头受力的均匀性及稳定性，截齿主要沿着几条等升角螺旋线分布。如图4所示，定义截割头体上螺旋线在M点的切线t与z轴方向夹角的余角为该点的螺旋升角。则M点在母线L上的位置矢量为：将，带入上式，对上式求导可以得：根据点积公式有由以上公式可得：（1）令（1）式中得为常量，方程两边对积分，便可得到等升角螺旋线的方程。将抛物线绕z轴旋转得旋转抛物面为（2）将式（2）中得第3个方程两边对求导得，带入（1）式整理并积分得：（3）式（2）、（3）联立，即可得等升角抛面螺旋线方程：（4）令x、y、z是的函数，便可实现计算机绘制抛面螺旋线。在根据整机设计参数，通过截深确定截距，配合合理的打击角，实现了截割头的虚拟装配。4.1.2高性能截齿的研究项目组重点对截齿的随即载荷进行了研究。统计分析表明，截齿的截割阻力和牵引阻力服从伽马分布。由于该分布的特征所限，我们目前还无法解决给定函数的伽马分布随机过程的模拟问题。经过分析比较，选用单参数的瑞利分布来代替伽马分布。那么，在瞬时的中心值将由下式确定。（5）此时，作为随机过程的截割阻力为（6）在截割非均匀岩壁时，截齿的截割阻力、牵引阻力和侧向阻力的平均值分别为：（7）在截割非均匀岩壁时，截齿的最大峰值负荷通常发生在与硬质包裹体相遇时，其负荷大小在很大程度上取决于截齿与所截包裹体的取向。中心截割时最大，边缘截割时次之，剥落时最小。另外，本项目对各种类型的截齿进行了对比试验，通过比较，确定了最佳的截齿形式，并通过采用新的焊接技术，在截齿磨损程度较高的齿尖部位堆焊耐磨材料的方法，大大改善了镐形截齿的耐用性，克服了截齿在磨损较高的齿尖变钝时产生负的后角，较大的磨损平面挤压岩石并产生大量的岩粉的情况，使截齿截割比能耗稳定，使用中锐利程度一直保持不变，截割中粉尘少、震动小。图7参与试验的各种类型的截齿针对国内硬岩截齿与截割头设计水平较低的现状，为确保项目的成功实施，项目组一方面开展了广泛的国际交流，与具有硬岩截割技术国际领先水平的专业公司签订了技术合作协议，进行了联合攻关；另一方面通过吸收国外先进技术，结合自身截割头设计理论，研制成功具有自主知识产权的横轴式硬岩截割头，通过在井下的使用表明，自主研制的硬岩截割头在使用性能上达到了国外同类产品的技术水平。4.2冲击重载工况下截割机构的研究切割部为二级行星齿轮传动。行星减速器结构如图8所示。EBZ260型掘进机纵轴式切割部由260/200kW的交流双速水冷电动机输入动力，轴套传至二级行星减速器，经悬臂段，将动力传给切割头，通过切割头的旋转和履带推进实现钻进运动，通过切割头的旋转和升降以及回转台水平回摆实现径向切割，从而达到破碎煤岩的目的。在掘进机的工作过程中，切割电机可以提供高、低不同的两种切割速度。由于，EBZ260型掘进机纵轴式切割电机低速工作时速度降低一半，而额定功率由260kW降低到200kW，所以，低速时速度低，输出扭矩大，适合于硬岩切割；高速时速度高，输出扭矩小，适合于软岩及煤岩切割。两种切割方式可以根据实际情况方便切换，从而大大的提高了掘进机的切割效率。图8EBZ260型掘进机纵轴式切割部二级行星减速器整个切割部通过叉形架的两个耳以及两个销轴铰接于回转台上。借助安装于切割部和回转台之间的两个升降油缸，以及安装于回转台的两个回转油缸，来实现整个切割部的升、降和回转运动，由此切割出任意形状的断面。五、装运系统研究装运系统由装载机构和刮板运输机两部份组成，装载机构主要由铲板及左右对称的驱动装置组成，通过低速大扭矩液压马达直接驱动三爪星轮转动，从而达到装载煤岩的目的。刮板输送机采用边双链刮板，主要由机前部、中机架、机后部、驱动装置、边双链刮板、张紧装置等组成。右副铲板体2-右转盘3-主铲板体4-改向轮组5-左副铲板体6-左转盘7-驱动装置图9EBZ260型掘进机装载部1-机前部2-机后部3-边双链刮板4-张紧装置5-驱动装置6-液压马达图10EBZ260型掘进机刮板输送机装运系统是掘进机的重要组成部分，其设计质量直接影响掘进机的工作阻力、动力消耗和生产率等。本项目着重对装运系统的装载效率、可靠性和耐磨性进行了研究。本项目EBZ260型岩巷掘进机截割能力强，给装运系统造成了很大的压力，为此，项目组对装运系统进行了专项研究。本机装运系统研究，我们对影响装载机构装载效率的设计参数进行了考虑，对转盘大小、形状、转速以及铲板倾角、插入料堆深度进行研究、优化，提高掘进机装载机构的自装效率。5.1星轮装载机构合理参数的试验研究星轮装载机构的装运能力取决于装载功率、星轮形状、星轮转速以及刮板运输机链速之间的匹配关系。选择合理的装载机构设计参数，可较大幅度的提高整机生产能力。为此，项目组进行了不同齿型、不同直径星轮在不同链速情况下的装煤试验，对星轮装载机构合理参数的选择进行了试验研究。表1装载试验统计表星轮转速的确定要考虑到星轮里侧的物料能够顺利进入输送机槽，里侧物料需要的转速较高。如果星轮转速较低，那么物料会随着星轮做圆周运动，只有当物料转速高于临界转速时，离心力才能使物料沿预想的方向运动，但是，如果转速过高，又会造成严重的甩煤现象，同时，星轮转速的确定也要考虑到星轮的形状。星轮的临界转速为：，星轮临界转速与物料所处位置及齿面切线夹角有关，在一定的转速下，轮齿各点的切线夹角与其半径有如下关系：。n＝35r/min时，星轮轮齿中心线的图形如图11所示。图11星轮的受力分析图12星轮轮齿中心线形状本项目装载系统采用等摩擦角刀形星轮，星轮转速为35r/min，链速为1.0m/s。5.2刮板运输机系统研究刮板运输机系统依靠刮板链推移输送物料在掘进机后转运机构，工作过程中，刮板链要克服很大的摩擦力，承受很大的静载荷和动载荷。刮板运输机的圆环牵引链均由合金钢制造，焊接后进行热处理，使之具有较高的强度、韧性和耐磨性能，因此对链条进行力学分析时链条被看作弹性体。课题组采用弹性波动理论和数值分析法对刮板运输机进行了动力学研究。为简化模型，刮板链被看作为理想弹性体，对刮板链进行了如下假设：1）刮板链匀质分布：2）刮板链各向同性；3）刮板链服从虎克定律。本项目刮板运输机系统属单端驱动并向上运输，如图13，当刮板运输机系统单端驱动向上运输时，1点为最小张力点：图13单端驱动向上运输边界条件：1点作为坐标原点，链条运行方向为x方向。驱动链轮处：（21）改向链轮处：（22）初始条件：刮板机的初始位移为：（23）初始速度：（启动速度；制动速度）（24）由此得刮板运输系统的动态分析数学模型（25）分析表明，当刮板链距离较短时，刮板作为弹性体的弹性特征表现的不是很明显。由于本机刮板运输系统长度为8.2米，距离很短，其弹性刮板链与刚性刮板链的特征很相似，也就是说，在运动过程中，刮板链所受的动载荷与静载荷非常接近，因此，本项目六、高可靠性履带行走系统的研究本项目行走机构采用履带式，左、右对称布置，分别驱动。左右履带架通过高强度螺栓与机架相联。每个行走机构均由液压马达提供动力经行走减速器→驱动链轮→履带链，驱动履带行走。6.1履带行走系统主要参数研究行走机构主要尺寸的确定主要靠试验和经验决定。履带接地长度的推荐范围L≤（1.6～2.2）B，履带板的宽度b用下式近似计算取标准系列：，两条履带中心距的推荐范围：B=（3.5～4.5）b。6.2履带的比压分布研究履带平均接地比压P是重要参数之一。假定掘进机中心位置与其履带接地面积形心重合，两条履带的平均接地比压均呈矩形分布，P＝G/2bL。实际上履带的重心均偏向机器的前方，这样履带的实际比压状况将视重心偏置的距离e的多少而变化。掘进机履带的接地状况可根据《材料力学》中矩形截面核心的原理来分析，求得每条履带载荷分布最大和最小值为：（27）6.3行走系统功率确定的研究履带在推进截割头截割岩壁时，如按最不利的工况考虑是在履带即将发生打滑的极限载荷计算推进所需的功率，此时每一条履带所需的最大牵引力为：（28）单边履带行走机构输入功率：（29）图14履带板应力云图图15履带板位移云图本项目研制的履带行走机构，具有载重大、耐冲击强的特点，并采用了支重轮结构，以降低滑动摩擦阻力。为了井下组装和维护方便，履带行走机构与机架的联接设计为挂钩式，为了提高履带行走机构的可靠性，履带架设计为框架结构，履带板采用军工技术的整体履带板，课题组利用计算机分析软件对履带架、履带板进行了受力分析，优化了其结构。七、低损耗、高可靠性液压系统的研究本机除截割头的旋转运动外，其余各部分均采用液压传动。液压系统主泵站由一台132kW的电动机驱动一台两联恒功率变量柱塞泵，分别向油缸回路、行走、装载、输送机回路提供压力油，主系统由三个独立的开式系统组成。另外系统还设置了有液压马达驱动的独立补油系统，避免了补油时对油箱的污染。项目组采用了AMESim计算机辅助分析软件对本机液压系统及其元件进行了动态仿真分析，主要分析掘进机在工作工程中系统的压力和流量的动态变化；系统在长时间工作时的温度变化；元件参数设置对压力与流量关系变化的影响，以及由于这些变化引起的速度及加速度的变化，特别是液压系统压力流量波动导致截割牵引速度的变化对截割能力的影响；并根据分析结果对系统进行了优化设计，主要包括散热系统与液压系统的匹配；元件参数的设置；管路的优化排布等。这些分析与优化使掘进机液压系统的设计由原来的满足功能设计进入到多方面综合设计阶段。同时，项目组对操作台采取了综合减震设计，并采用了新式密封方式，这些措施的实施极大的提高了液压系统的可靠性。图16EBZ260型掘进机液压系统原理图图17不同参数设置的平衡阀对油缸压力影响的分析八、电气系统研究电气设备由前级馈电开关、KXJ–400/1140（660）E型掘进机用矿用隔爆兼本质安全型电控箱、CXH-12/30型矿用本质安全型操作箱、XBF-36/120P隔爆型蜂鸣器、DGE12/24（36）L（A）隔爆型掘进机LED灯、BZJA2-5/127型隔爆急停按钮、掘进机断面监测系统、遥控系统、甲烷传感器以及驱动掘进机各工作机构的电动机组成。电气系统首次采用CAN总线控制系统，来实现智能运行工况监视。掘进机监测系统主要实现监视主机，数据采集器、电气系统也是本项目研究的一项重点和难点内容。8.1掘进机工作状态显示技术掘进机断面监视状态显示主要是利用各种检测设备，对掘进机电气系统、液压系统、机械系统各项参数进行采集、分析、存储、故障诊断分析。图18掘进机工作状态监视窗体8.2掘进机工作状态历史数据分析掘进机断面监视系统具有掘进机工作状态数据分析功能，该功能模块可以脱离系统单独运行。断面监视系统将掘进机工作状态数据和故障过程数据存盘，通过U盘或其他方式将历史数据导入分析软件，对掘进机运行过程及故障过程进行还原，可以通过曲线表现近期内掘进机的运行情况，还原出掘进机故障或运行参数超限的过程，分析故障。图19掘进机运行参数曲线九、掘进巷道综合除尘系统的研究本项目采用的是长压短抽的综合除尘系统，即长距离送风到掘进作业点，送风至工作面一定距离时，安装附壁风筒，通过附壁风筒将轴向压入风流改变为径向旋转风流，控制工作面粉尘向后扩散，同时，除尘器在掘进作业点进行短距离抽风，净化工作面受污染空气。该系统采用附壁风筒控尘技术和高效湿式除尘器，使其具有高收尘效率和高除尘效率，并使二者有机结合，达到理想的除尘效果。该除尘系统由除尘器、除尘风机、附壁风筒、排污泵、供水系统几部分组成。当除尘设备开动时，截割产生的粉尘将通过内置在掘进机机架内部的吸风风道进入除尘器处理，该系统采用德国CFT公司的HCN400型高效湿式除尘器，重点在总体配套、控尘技术和除尘技术方面进行了研究。9.1掘进工作面综合除尘系统总体配套技术研究该除尘系统是适合国内多数矿区井下巷道综掘时，与综掘机组和掘进压入通风配套使用组成长压短抽湿式除尘系统。该系统使用了附壁风筒和高效湿式除尘器，使之具有高收尘效率和高除尘效率，并使二者有机结合，达到了理想的除尘效果。如图20所表示，该系统的除尘部分设备是作为一个独立的部件通过螺栓集成在掘进机上的。图20机载湿式除尘系统布置图1—附壁风筒2—除尘器3—风机4—电机5—排污泵及电机除尘部分设备主要有除尘器、风机、电机、排污泵等组成。当除尘设备开动时，截割产生的粉尘将通过内置在掘进机机架内部的吸风风道进入除尘器处理，该系统采用德国CFT公司的HCN400型高效湿式除尘器，除尘器结构如图21所示。图21HCH400型除尘器结构图除尘器的除尘采用雾化、凝聚和脱水三个环节。含尘空气经过风筒进入除尘器后首先进入雾化区，与从喷嘴喷出的水雾以较高的相对速度接触，接着尘粒表面附着的气膜被冲破，尘粒被水湿润，发生激烈的凝聚，凝聚形成的含尘水滴在经过除雾垫层时大部分被捕捉、聚集，然后形成污水排出，还有一部分水滴在经过水滴分离器时通过波纹板被分离下来，以污水的形式排出。最后从水滴分离器中排出的空气是清洁空气。控尘部分是通过在巷道压入通风中间加入一控尘设备，带风门的附壁风筒，如图22所示，掘进时把风门关闭，使风流从附壁风筒侧壁流出，即将压入工作面的轴向风流改变成沿巷道的旋转风流向掘进工作面供风，在掘进机司机的前方建立起空气屏幕，控制悬浮粉尘向巷道后方扩散，使含尘气流只能沿布置在司机前方的吸尘口吸入除尘器，除尘器抽尘净化处理掘进机掘进产生的粉尘。支护时把风门打开，使风流直接吹向工作面。图22附壁风筒结构图综合除尘系统设计也是总体配套的一项关键内容，系统设计需要确定压入风量和抽出风量匹配关系，工作时压入供风口距掘进头距离，吸尘口距掘进头的距离，除尘器排放口与压入供风口距离等一系列关系，只有好的系统设计，才达到理想的除尘效果。巷道压入式通风供风量应满足如下要求：式中V：允许的最低风速S：掘进巷道断面积一般来说，压入风量必须大于抽出风量的20％～30％。若压入风量过大，除尘器抽出风量过小，相当部分粉尘将会被风流带出工作面，不能吸入除尘器中净化处理，收尘效率显著降低；若压入风量小于吸入风量，工作面将会出现循环风，不利于安全生产。除尘系统工作时，压入供风口距掘进头距离不应过大；吸尘口距掘进头的距离也要根据巷道实际大小进行设计。实践经验表明，吸尘口始终要保持在掘进机司机位置的前方，一般距掘进头2.5～4.0m9.2大断面控尘技术的研究压入式通风沿轴向往综掘工作面供风时，造成巷道中各处的风速不一，在巷道的各个断面上产生了速度差。由粘性流体力学可知，当两层流体间存在速度差时，它们之间将产生流体的剪切，从而形成旋涡。由于旋涡的加速，使流体内部发生破裂与旋转，从而携带着粉尘以极大的速度向外扩散，致使大部分含尘气流不能进入除尘器中净化，严重地影响了综掘工作面粉尘浓度的降低。图23掘进工作面风流分布示意图为了解决综掘工作面含尘气流向外扩散这个问题，课题组采用气幕控尘技术，对掘进工作面粉尘的防扩散问题进行了深入研究。气幕是使空气以一定的风速和方向吹出而形成的隔断气帘。气幕控尘就是利用喷射气流的射流原理使污染源散发出来的粉尘与周围空气隔离，并利用除尘设备将控制在一定范围内的粉尘得到净化处理，净化后清洁风流排入巷道内。为了分析方便，假设气幕喷射温度与周围环境温度相同，射流出流到无限大空间中。根据边界层理论，紊流射流由于其横向脉动造成射流与周围介质之间不断发生质量、动量交换，带动周围介质流动，产生诱导气流，使射流的流量、横断面积都沿射流方向不断增加，其主体段轴心速度、断面流量沿射流的变化，符合如下关系：此次综合除尘系统设计使用了附壁风筒。这种附壁风筒能保证压入风量全部经旋转风道流出，形成厚且密实的风墙，并不断向综掘工作面推进，在除尘器吸入含尘气流产生轴向速度的共同作用下，便形成一股具有较高功能的螺旋线状气流，在掘进机司机工作区域的前方建立起阻挡粉尘向外扩散的空气屏幕，封锁住掘进机工作时产生的粉尘，使之经过吸尘风筒吸入除尘器中进行净化而不外流，从而提高了综掘工作面的收尘效率。十、性能参数与技术特点10.1主要技术参数1）总体机长12.机宽3.65机高2.19地隙250mm截割卧底深度25机重110t总功率426kW可经济截割煤岩硬度≤90MPa最大可掘高度5最大可掘宽度6适应巷道坡度±18°机器供电电压1140V2）截割机构截割型式纵轴截割功率260kW截齿形式镐形转速54/27r/min3）装载机构装载形式三爪星轮（液压马达驱动）装运能力320m3铲板宽度3.5星轮转速35r/min4）刮板输送机运输形式边双链刮板（液压马达驱动）槽宽67龙门高度400mm链速1m/s锚链规格22×86mm张紧形式液压张紧5）行走机构行走形式履带式(液压马达分别驱动)行走速度0～10m接地长度3.6制动形式摩擦离合器履带板宽度65张紧形式黄油缸张紧6）液压系统系统额定压力：油缸回路25MPa行走回路25MPa装载回路25MPa输送机回路25MPa系统总流量：530L泵站电动机功率132kW7）喷雾冷却系统灭尘形式喷雾、机载除尘供水压力1.5MPa流量70L冷却部件截割电动机、油箱、油泵电机8）电气系统供电电压1140V控制回路AC220V、AC36、AC127VAC110V、AC180VDC24V本安DC12.5V额定电流400总功率426kW隔爆形式隔爆兼本质安全型控制箱本质安全型9）HCN400型除尘器处理风量350m3工作面供风量要求：420～460m3/min除尘器风筒直径：φ600除尘风机功率30kW排污泵电机功率4kW总除尘效率≥95％用水量30～40L/min10.2主要技术特点该机机重110t，同样的外形尺寸，重量是国内外同级别机型的1.3倍，截割稳定性好，破岩能力强；该机创新研制了掘进机机载湿式除尘系统，合理的风道布置及参数优化匹配，使岩巷掘进综合除尘效率达到95％以上，同时降低了掘进工作面设备配套复杂程度；电气系统首次采用CAN总线控制系统，降低了电气系统复杂程度，并实现智能运行工况监视和故障诊断；司机操纵台设计以人体工学为基础，司机的操作更为舒适；采用进口耐磨环高强截齿，增加了耐磨性，降低了消耗；6.截割滚筒和装运机构采用进口耐磨设计，提高岩巷掘进可靠性.十．一、样机试制11.1概况EBZ260重型岩巷掘进机由中国煤炭科工集团太原研究院设计制造。该机为悬臂式部分断面掘进机，主要由截割机构、装载部、刮板输送机、主机架、行走部、电气系统、液压系统及、冷却喷雾系统除尘系统九大部分组成。该机共有自制专用件800余种，其中齿轮类零件40余种，液压零部件200余种，电器元部件200余种，并有其它外购件及各种标准件与之配套。该机从加工工艺性上看，整机的零部件结构具有以下三个特征：关键机械传动零部件的几何尺寸精度等级、形位公差、表面粗糙度和热处理技术要求均较高。铸钢件壁厚相对要求较薄，而且有些件的几何形状比较复杂。焊接结构件的数量比重较大，大型焊接件结构较复杂、几何尺寸大，机械性能要求高。设计中贯彻执行产品的标准化原则，元部件尽量采用了国家标准、行业标准和企业标准，11.2试制情况及关键工艺攻关11.2.1截割减速器、悬臂筒掘进机的大型铸件壁厚较薄，平均约为70mm，其中截割减速器具有型腔较多、形状较复杂、没有完整的分型面等几何特征，悬臂筒属于薄壁高筒型铸件，按正常补缩要求必须增设补衬，经理论计算增设补衬后的铸件重量将是原铸件的3倍左右，增加了铸造难度，又加大了机加工的工作量。基于对上述几种工艺难度大的典型铸件分析，在铸造工艺上采取了分散性布置多道浇口、曲折分型造型、导向销定位机箱、冒口设在铸件末端上方，细长的悬臂筒铸件还采用了特殊的浇铸方法，浇铸钢水温度严格控制限等一系列工艺措施，从而保证了这些铸件的铸造质量和尺寸精度，达到了图纸设计要求。11.2.2该机的铲板和机架体是结构较复杂和几何尺寸大的组焊件。控制焊接变形和消除焊接应力是保证焊件质量的关键，因此从工艺上采取以下措施：焊接件施焊的环境不应低于5℃呈对称形的复杂组焊件，施焊时宜采用对称同时施焊；形状复杂的组焊件，施焊时根据情况增设辅助拉筋，以减少变形；精度要求较高的厚板对焊边必须采用刨边机加工或线截割加工；组对定位精度高的组焊件应采取工艺假轴和胎模定位施焊；要求焊接性能高的组焊件应采用CO2或惰性气体保护焊；大型较复杂的组焊件焊后应及时进行消除内应力退火处理。11.2.3该机的齿轮件达40余种，包括内齿轮、锥齿轮、外齿轮和轴齿轮以及渐开线内、外花键件，为了提高轮齿强度和使用寿命，要求硬齿面的外齿轮材料全部采用优质低炭合金钢，并对材料及加工精度进行统一，这样减少了材料品种，简化并统一了工艺。工艺和热处理具有一定的难度，特别是几组行星传动机构中的行星轮和其心轴之间的结构限制只能排置滚柱作为滚动轴承，因此，内孔及心轴的尺寸精度、表面硬度、表面粗糙度要求均较高、硬度大，工艺上采用了渗碳淬火后低温回火，然后分粗、精磨削内孔（留研量）和齿面，最后用研棒研好内孔，经检验合格。对截割机构和行走机构传动中的行星传动装置，其内齿轮均采用中碳合金钢制造，经锻造粗加工调质后进行插齿，然后进行氮化轮齿表面，经过特殊工艺，加工完成后的内齿圈基本上无变形，从而保证了行星机构的传动精度和较高的机械效率，保证了整机的使用性能。11.2.4截割机构中的二级行星传动装置的两个行星架，具有相同的结构，均采用中碳合金钢调质处理，随后进行中心内孔和中间三个开挡缺口加工，然后在加工中心机床上加工三个行星轮轴孔，最后以三个星轮轴孔为基准精加工中心内孔，再插渐开线内花键，花键精度不低于6级。经检验均达到了图纸设计要求。11.2.51）油缸EBZ260重型岩巷掘进机的油缸全部由专业液压元件厂加工生产。缸体材料为标准无缝钢管，钢筒经精镗后进行滚压加工，精度粗糙度均达到设计要求；活塞杆精加工后，镀硬鉻，最后进行抛光。油缸施工工艺、技术要求均按行业标准《液压千斤顶技术条件》进行了耐压实验和性能检验，质量全部合格。2）液压油箱液压油箱，对油箱箱体的内壁进行了清渣、酸洗、压缩空气吹干，焊缝表面和接口清除飞边、毛刺。整体焊接完成后，用煤油做渗漏试验，油箱经检验合格。3）液压元件及管件液压系统中的主要液压元件均采用国外进口，其可靠性、容积效率和机械效率较高。液压管路全部采用进口产品，接头按国际标准制造。胶管总成按使用压力1.5倍进行了耐压实验。质量完全合格。11.2.6电气系统控制箱体，按照防爆结构要求，根据以往电控箱加工经验，选择专业加工厂家进行加工。在加工过程中，严格控制箱体变形，焊后进行退火处理；所有平面防爆面，都进行整体焊后加工，确保防爆面的光洁度和平面度。箱体出厂都经过水压试验，确保焊缝和隔爆面不失爆。整套电气系统经过了上海防爆检验站的型式试验，并且已经取得了安全标志准用证。所选用的所有电气元部件均为有安标证的产品。选择电气元器件应非常慎重，其直接关系到电气设备运行的可靠性。因此，优先选用技术工艺较为成熟的进口元件；二是注重选用经过适用验证的性能优良可靠的国产电气元器件。截割电机采用国内知名品牌，此电机在组装前进行试验，保证其可靠性和稳定性。11.2.71）总装总装分为各个部件的总装调试和系统的总装调试。总装按照《EBZ260型掘进机装配工艺流程和装配工艺卡》施行。总装要求及注意事项：参加安装、调试的技术人员，应熟悉装配图纸和技术要求，了解产品结构及装配关系；认真阅读安装规程、调试要求、检验项目、质量标准等技术条件；按照图纸明细表，对各个零部件、附件进行检查，如有碰伤、变形、性能缺陷应予以修复或更换；准备安装用工具、量具和起吊用具，准备润滑油脂。部件组装时，应将所有的安装配合面、孔等清洗修正，涂少许润滑油。根据配合种类、性质、精度等确定装配方法，严禁违规形位。螺栓、螺钉等紧固必须按图纸规定的拧紧力矩予以紧固，防松件不得有缺件或损坏现象，否则予以更换，螺栓、螺钉应按图纸要求涂防松胶。各种胶管、电缆应敷设有序、固定牢固。2）调试步骤对安装情况进行全面的检查，包括部件安装质量、管路线路是否正确、各连接螺栓是否拧紧到位、各组装是否正确牢固等等；注油，包括液压系统油箱内、减速器内、各润滑点，并检查液压油及润滑脂、油的品牌、标号及注油量是否符合要求，检查密封情况，不得有泄漏现象发生，并保证污物不会进入；调定各溢流阀压力；检查电控线路是否正确；液压系统调试；电气系统调试；各旋转件转动灵活性检验；试运行。检验动力传动系统运行情况，前进、后退、转弯等动作的灵活性、正确性。检验减速器、油缸等动作元件有无异常；试运行后，应检查各部件的紧固有无松动，检验密封情况有无漏油现象；油缸行程是否到位。遥控动作是否准确，显示系统是否正常。11.3质量保证体系零部件加工均按产品图纸、技术标准、工艺规程进行工艺、工序间的检验，对自制件和外协加工件进行检验记录，经检验合格后方可入库。部分非易损零件装配尺寸采用了配做加工，保证其配合要求。所有液压、电气元器件及标准件均采用国内外质量可靠、性能优良的产品，购进后必须进行复检，合格后方可使用，以保证整机的可靠性和耐用性。对液压元器件如电液阀、压力表、调压阀、溢流阀等进行装前调试。保证各类元件的可靠性。装配中，对于较重要的联接，均采用定力矩扳手按要求拧紧。装配过程中，对液压系统中的一些零件如油箱、阀板、接头、液压胶管均进行认真的清洗，保证系统的清洁。对液压管路及电气电缆严格按要求铺设，做到排列整齐，牢固可靠，适应工作动作的需要。涂漆表面进行细致的打磨处理，各部件涂漆颜色、牌号均按图纸要求喷涂，达到美观大方。整机总装调试完毕后，按《EBZ260超重型岩巷掘进机整机出厂检验大纲》各项目进行了检测验收，均达到了大纲中的要求。十二、井下工业性试验及推广应用情况12.1井下工业性试验在靖远煤业集团有限责任公司的大力支持下，EBZ260悬臂式重型岩巷综合机械化快速掘进工艺及防尘技术项目在靖煤集团大水头矿西二采区进行了工业性试验。EBZ260重型岩巷掘进机于2010年12月5日运至靖煤集团大水头矿，并于当日开始拆机下井，12月20日正式在西二运输大巷投入生产。所掘巷道为全岩巷掘进，巷道断面为拱形，下部矩形断面为宽540