掘进机设计

部分断面掘进机（横轴式）

1. 概述

巷逍掘进机是一种能够完成截割、装载、转载煤岩，并能自己行走，具有喷雾火尘等功能的巷道掘进联合机组，根据工作方式的不同可分为全断而掘进机和部分断而掘进机。前者可一次截割出所需断面，且断面形状多为圆形，主要用于工程涵洞及隧道的岩石掘进；后者一次仅能截割断而一部分，需工作机构上下左右多次摆动、移动，逐渐截割才能掘出所需断而，断而形状可以是矩形、梯形、拱形等，英中悬臂式断而掘进机在煤矿中使用很普遍。

1.1国内外的发展、现状、水平

1.1.1国外掘进机的发展概况

早在上世纪30年代，徳国、前苏联、英国、美国等就开始了煤矿巷道掘进机的研制，但巷逍觉仅仅得到较广泛工业性应用还是在第二次世界大战之后。1948年，匈牙利开始研制F系列煤巷掘进机。1949年生产的F2型掘进机，是世界上的第一台悬臂式掘进机，不过当时还未能实现悬臂式掘进机的全部功能。1951年匈牙利研制了采用履带行走机构的F4型悬臂式掘进机，这种机型除采用横轴截割方式和调动灵活的履带行走机构外，还采用了铲板和星轮装载机构，并采用了刮板运输机转运物料。这种机型已经具备了现代悬臂式掘进机的雏形。F系列掘进机是目前悬臂式横轴掘进机的原始机型。

1971年奥地利ALPINE公司在匈牙利F系列掘进机的基础上，研制了AM—50型掘进机, 并在此基础上逐步形成了AM系列掘进机。在此基础上，徳国EICK-H0FF公司自行研制出了EVA系列掘进机。1973年WESTFALIA公司成功研制了WAV—170和WAV—200型掘进机，并在此基础上发展为WAV系列型掘进机。F系列、AM系列和WAV系列掘进机均采用的是横轴截割机构。

1956年前苏联生产了首台纵轴悬臂式掘进机。1960—1964年，英国从前苏联引进，并同时开始了悬臂式掘进机的研制。1963年D0SC0公司通过改变截割头截齿配列和更换电气系统，研制岀了D0SC0系列掘进机。1968年徳国EICKH0FF公司在引进的D0SC0掘进机基础上研制开发出了EV-100型掘进机。后来徳国PAURAT公司又研制出了ET系列掘进机，使纵轴悬臂式掘进机逐步形成系列化。

经过半个多世纪的发展，目前，国外掘进机主要生产国有：英、徳、俄罗斯、奥地利、日本等国，所生产的掘进机已被广泛用于硬度低于8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50-100（,切割岩石硬度f为12。部分机型截割速度已降至lm/s以下，牵引速度采用负载反馈调节，以适应不同岩石硬度；一些机型除设有后支撑外, 还在履带前后安装了卡爪式液压扎脚机构，以便在切割岩石时锚固宦位。机电一体化己成为掘进机发展趋势，新推岀的掘进机可以实现推进方向和断面监控、电动机功率自动凋肖、离机遥控操作及工况监测和故障诊断，部分掘进机实现PLC控制，实现回路循环检测。

1.1.2国内掘进机的发展概况

我国悬臂式掘进机的发展大体分为三个阶段。第一阶段是上世纪60年代初期到70年代末，这一阶段主要是已引进国外掘进机为主，在引进的同时，我们的技术人员开始尝试进行消化吸收，但研究水平较低，主要以切割煤的轻型机为主。

上世纪70年代末到90年代初为消化吸收阶段。这一阶段分别从英国、奥地利、日本、前苏联、美国、徳国、匈牙利等国家引进了16种、近200台掘进设备，对我国煤矿使用掘进机起到了推动作用。在此期间，我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐步实现了国产化。这一期间我国悬臂式掘进机的主要特点是可靠性大幅提高，已能适应我国煤矿的巷道掘进，中型掘进机型号日趋齐全。

90年代初至今为自主研发阶段。这一阶段中型悬臂式掘进机发展日趋成熟，重型掘进机大批出现，悬臂式掘进机的设计与加工制造水平已相当先进，并且具备了根据矿井条件实现个性化设汁的能力。这一时期的代表机型主要有太原分院研制的EBJ—160、EBZ160TY和EBJ-120TP 型掘进机。这一阶段我国悬骨式掘进机的设讣水平大幅提高，各种先进的三维设计和分析软件广泛应用，机器可靠性大幅提髙，功能日趋完善，功率更大，一些先进的故障诊断和显示技术、离机遥控技术应用苴中，我国的悬臂式掘进机设讣和生产使用技术跨入了国际先进国家的行列。由煤炭科学研究总院太原分院设汁的EBZ160TY型掘进机首次采用了恒功率双速截割电动机、恒功率变量泵和比例多路换向阀的液圧系统，首次将国产掘进机的工作压力由16MPa提高到23MPa,并能可靠运行，这一机型的研制成功，标志着我国悬臂式掘进机的研制水平又迈上了一个新台阶。

我国的悬臂式掘进机发展主要受英国D0SC0、日本三井三池S系列型掘进机的影响。目前主要以纵轴悬臂式为主。同时，由于吸收了奥地利AM系列型掘进机的特点，也有部分掘进机设计为横轴截割方式。

1. 2掘进机技术的发展趋势

掘进机的发展经历了由小到大、从单一到多样化的过程，现在已形成轻型、中型、重型3个系列。掘进机正向以下几个方面发展：

（1）增强截割能力。为了实现较强的截割能力，现代掘进机截割功率不断增大，截割速度逐渐降低。现代中重型悬臂式掘进机截割功率120~300騙,个别机型达到400kw9截割头转速一般为20~50r/min,截割速度广2m/s,部分机型降低到1 m/s以下。经济截割硬度100~120Hpa,最大可达140 Mpa°

（2）提髙工作可靠性。由于地质条件复杂多变，使掘进机在工作时承受交变的冲击载荷，且磨损和腐蚀严重。而井下的环境恶劣，空间狭小，检修不便，因此要求通过完善的设计、高质量的制造及合理的使用和良好的维护来提高其可靠性。

（3）采用紧凑化设计，降低重心，提高工作稳宦性。由于掘进机悬臂过长，使得截割反力较大，不利于机器稳左工作。针对这个问题，应采用紧凑化设计，努力降低机器的重心, 并在机器的后部或两侧增设油缸稳泄装置，以提髙机器的工作稳立性。

（4）增强对各种复杂地质条件的适应性。悬臂式掘进机普遍采用履带行走装置，以减小接地比压：通过增大驱动功率，以增强牵引力和爬坡能力，从而提髙对各种底板、工况的适应性。

（5）研究新型刀具和新的截割技术。为增强截割能力、提髙刀具的使用寿命，应努力改进刀具的结构，采用新材料，研究新的破岩方法。

（6）发展自动控制技术。截割断面监视和控制技术的开发和应用。采用该技术将实现掘进工作而切割情况较直观、全而的观察和了解，并能对断而切割精度和巷道质量进行控制。基本解决了掘进机械操作人员在截割过程中离开迎头，安全、准确操纵的问题和提高巷道质量、生产效率的问题。该技术包括随设备水平姿态识別、调整；切割轨迹记录和显示：断面边界设定：断而成形控制：前进方向指示和引导；偏离方向和切割超限报警等几个方而的内容。该技术的进一步发展将实现掘进机的自动掘进。

（7）发展掘锚机组，实现快速掘进。目前，影响悬臂式掘进机掘进速度的主要因素就是支护