大斷面煤巷掘進機的研制

原曄

摘要： 本文介紹了采掘裝備的發展現狀，闡述了大斷面煤巷掘進機的主要組成部分及結構特點，對主要元部件截割頭、裝載機構、回轉機構、履帶行走機構進行了設計。并對整機進行了地面試驗，表明該機截割能力強、穩定性好、性能可靠，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調，促進我國綜掘機械化發展具有極其重要的作用。

關鍵詞： 大斷面；掘進機；截割頭；行走機構；裝載機構

中圖分類號：TD421.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我國煤礦采煤技術裝備與礦井配套設施得到快速發展，使礦井生產能力和自動化程度極大提高，神華集團一批代表我國先進采煤技術水平的特大型礦井的綜采工作面普遍采用了大功率、高自動化程度采煤裝備，使工作面單產不斷提高、推進速度不斷加快，采掘比例失調仍然嚴重，綜掘技術與裝備的發展滯后于綜采，采掘比例失調仍然嚴重，制約了煤礦高效、節約、自動化開采的發展。“十一五”以來，我國在煤及半煤巖巷道掘進技術與裝備方面取得了巨大的進步，但發展重點集中于半煤巖及巖巷掘進機，大采高綜放工作面設備所采用的設備大，而且生產過程中推進速度快，另外，還有瓦斯、通風等安全生產的需要，一般采準巷道的斷面都設計比較大，且為煤巷掘進，因此需要開展大采高大斷面煤巷掘進機的研究。

1 研究方法

該機的研究采用總體設計、部件重點攻關的思路實現。由于大斷面煤巷掘進機是由各個部分組成的有機整體，因此在研究過程中，應首先確定掘進機的總體技術參數，在此過程中采取理論計算、國內外同類機型對比、試驗驗證多種方式相結合的方法進行，以最大限度的實現其合理性，然后制定具體的設計方案。設計中采用虛擬樣機技術和傳統設計方法相結合的方式，通過先進的設計分析軟件對整機及各部件裝配、性能進行分析，降低設計風險，縮短設計周期，提高物理樣機的整機性能，然后對關鍵元部件及核心技術進行各個突破，對一些重要元部件，如截割減速器、回轉機構，穩定支撐機構以及智能控制系統等，在設計完成后，先進行計算機模擬分析，然后進行實驗室試驗，以確保其運行可靠性。

2 大斷面煤巷掘進機的研究

2.1 總體設計及結構組成 根據大斷面巷道掘進的特殊要求，結合我國煤礦井下情況，提出了掘進機的主要結構和技術參數。然后，采用先進的三維軟件建立虛擬樣機并進行模擬分析，以合理的質量體積比，具有最高截割功率和高截割穩定性為優化目標，建立動力學模型對整機進行優化設計，確定整機設計參數。按照總體設計的要求，主要技術性能參數確定整機系統組成及它們之間的匹配性，各部件的結構形式，進行必要的總體計算。

大斷面煤巷掘進機是一種集截割、裝載、運輸、行走、支護等功能于一身的綜合機組，其作業環境和條件非常惡劣，工作載荷多變，載荷的計算非常復雜。因此，在建立掘進機截割巖壁的力學模型時，對掘進機的運行工況進行了適當、合理的假設和簡化。大斷面煤巷掘進機主要由截割機構、裝載機構、刮板運輸機、機架和回轉機構、左右行走機構、電氣系統、液壓系統、水、護板總成等組成，如圖1所示。所有的執行機構都由電機、液壓泵和液壓馬達來驅動，控制系統采用CAN總線控制方式。

2.2 高性能截割頭的設計 首先根據不同截割對象的巖石力學性能，對每種巖石的破碎過程和破碎現象進行試驗研究，分析各種巖石的破碎機理和破碎條件。通過實驗將截割過程產生的截割阻力、截割振動和截割粉塵等參數進行記錄，然后根據記錄的數據作為截割頭設計的參考，如圖2所示。通過對截割頭截齒排布理論和設計方法的研究，設計出適合于截齒排布的算法，編寫截割頭截齒排布軟件，截割設計軟件能夠對不同外形輪廓的截割頭進行設計計算，滿足大斷面煤巷掘進機的設計要求。當用截割頭設計軟件計算的截割頭截齒排布符合設計要求時，就可以將這些截齒排布參數用于截割頭裝配虛擬制造系統。

2.3 裝載機構的研究 裝載機構主要由鏟板及左右對稱的驅動裝置組成，如圖3所示，通過低速大扭矩液壓馬達直接驅動三爪星輪轉動，從而達到裝載煤巖的目的。裝運系統是掘進機的重要組成部分，其設計質量直接影響掘進機的動力消耗和生產率等。裝運系統的研究，從兩個方面進行了考慮，一是對影響裝載機構裝載效率的設計參數：轉盤大小、形狀、轉速以及鏟板傾角、插入料堆深度進行研究、優化；二是對裝載鏟板的結構進行了大的創新設計，研制成功改向鏈輪前置的新型裝載機構，有效解決了裝載機構中間由于轉盤無法夠到而形成的“裝載死區”問題，提高掘進機裝載機構的自裝效率。

2.4 抗沖擊、大載荷新型回轉機構的研制 回轉機構主要的作用是將截割機構工作過程中產生的交變載荷通過機架轉移到履帶行走機構上，進而傳遞到地面上去。因此，回轉機構研究的重點是提高其可靠性，并通過設計，降低截割機構工作載荷對整機造成的沖擊。回轉機構主要用于支承、聯接并實現截割機構的升降和回轉運動。回轉機構通過止口、高強度螺栓和螺柱與機架相聯。在工作時，齒輪齒條互相嚙合來實現截割機構的水平擺動。截割機構的升降是靠連在回轉機構上的截割升降油缸來實現的，齒輪齒條式新型回轉機構如圖4所示。

2.5 履帶行走機構的研究 該履帶行走機構具有載重大、耐沖擊強的特點，采用了支重輪結構，以降低滑動摩擦阻力。為了井下組裝和維護方便，履帶行走機構與機架的聯接設計為掛鉤式，行走機構采用履帶式，左、右對稱布置，分別驅動。左右履帶架通過高強度螺栓與機架相聯。每個行走機構均由液壓馬達提供動力經行走減速器→驅動鏈輪→履帶鏈，驅動履帶行走。為了提高履帶行走機構的可靠性，履帶架設計為框架結構，履帶板采用整體履帶板，并利用計算機分析軟件對履帶架、履帶板進行了受力與變形分析。

3 地面試驗

整機設計完成后進行了巖壁截割試驗，如圖5所示，試驗中針對掏槽、左右擺動、上下擺動和臥底各種工況進行了長時間的循環截割。在截割過程中整機表現出良好的截割穩定性，截割能力強、截齒磨損小，試驗中對整機的截割穩定性、元部件振動等參數進行了檢測，如圖6為橫掃工況下截割減速器的三向振動加速度。

測試表明，截割減速器三方向振動趨勢一致，大小相仿，最大為4g，表明截割機構工作平穩。位移參數反映了截割過程中機器的穩定性，在截割過程中如果出現機器擺尾或跳動，位移和加速度將會出現較大數值的突變。根據測試結果進行的分析，除了調動機器出現較大的位移變化外，正常作業狀態下的位移都比較小，可以判斷設備具有良好的截割穩定性。

4 結語

經過地面試驗及井下工業性試驗，表明該機技術先進，體現出了截割能力強、穩定性好、遙控操作方便、自動化程度高、性能可靠等特點，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調，促進我國綜掘機械化發展具有極其重要的作用，具有較高的性價比和競爭力。是我國煤礦向高產高效集約化安全生產轉軌的理想掘進設備，對促進我國煤炭生產的可持續發展有著重要的意義。

參考文獻：

[1]馬昭.具有濕式除塵系統的巖巷掘進機的研制[J].煤礦機械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王義亮.橫軸式掘進機截齒排列設計[J].煤礦機械， 2013，34（4）：39-40.

[3]楊春海.掘進機內伸縮截割機構的改進[J].科技情報開發與經濟，2007（31）.endprint

摘要： 本文介紹了采掘裝備的發展現狀，闡述了大斷面煤巷掘進機的主要組成部分及結構特點，對主要元部件截割頭、裝載機構、回轉機構、履帶行走機構進行了設計。并對整機進行了地面試驗，表明該機截割能力強、穩定性好、性能可靠，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調，促進我國綜掘機械化發展具有極其重要的作用。

關鍵詞： 大斷面；掘進機；截割頭；行走機構；裝載機構

中圖分類號：TD421.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我國煤礦采煤技術裝備與礦井配套設施得到快速發展，使礦井生產能力和自動化程度極大提高，神華集團一批代表我國先進采煤技術水平的特大型礦井的綜采工作面普遍采用了大功率、高自動化程度采煤裝備，使工作面單產不斷提高、推進速度不斷加快，采掘比例失調仍然嚴重，綜掘技術與裝備的發展滯后于綜采，采掘比例失調仍然嚴重，制約了煤礦高效、節約、自動化開采的發展。“十一五”以來，我國在煤及半煤巖巷道掘進技術與裝備方面取得了巨大的進步，但發展重點集中于半煤巖及巖巷掘進機，大采高綜放工作面設備所采用的設備大，而且生產過程中推進速度快，另外，還有瓦斯、通風等安全生產的需要，一般采準巷道的斷面都設計比較大，且為煤巷掘進，因此需要開展大采高大斷面煤巷掘進機的研究。

1 研究方法

該機的研究采用總體設計、部件重點攻關的思路實現。由于大斷面煤巷掘進機是由各個部分組成的有機整體，因此在研究過程中，應首先確定掘進機的總體技術參數，在此過程中采取理論計算、國內外同類機型對比、試驗驗證多種方式相結合的方法進行，以最大限度的實現其合理性，然后制定具體的設計方案。設計中采用虛擬樣機技術和傳統設計方法相結合的方式，通過先進的設計分析軟件對整機及各部件裝配、性能進行分析，降低設計風險，縮短設計周期，提高物理樣機的整機性能，然后對關鍵元部件及核心技術進行各個突破，對一些重要元部件，如截割減速器、回轉機構，穩定支撐機構以及智能控制系統等，在設計完成后，先進行計算機模擬分析，然后進行實驗室試驗，以確保其運行可靠性。

2 大斷面煤巷掘進機的研究

2.1 總體設計及結構組成 根據大斷面巷道掘進的特殊要求，結合我國煤礦井下情況，提出了掘進機的主要結構和技術參數。然后，采用先進的三維軟件建立虛擬樣機并進行模擬分析，以合理的質量體積比，具有最高截割功率和高截割穩定性為優化目標，建立動力學模型對整機進行優化設計，確定整機設計參數。按照總體設計的要求，主要技術性能參數確定整機系統組成及它們之間的匹配性，各部件的結構形式，進行必要的總體計算。

大斷面煤巷掘進機是一種集截割、裝載、運輸、行走、支護等功能于一身的綜合機組，其作業環境和條件非常惡劣，工作載荷多變，載荷的計算非常復雜。因此，在建立掘進機截割巖壁的力學模型時，對掘進機的運行工況進行了適當、合理的假設和簡化。大斷面煤巷掘進機主要由截割機構、裝載機構、刮板運輸機、機架和回轉機構、左右行走機構、電氣系統、液壓系統、水、護板總成等組成，如圖1所示。所有的執行機構都由電機、液壓泵和液壓馬達來驅動，控制系統采用CAN總線控制方式。

2.2 高性能截割頭的設計 首先根據不同截割對象的巖石力學性能，對每種巖石的破碎過程和破碎現象進行試驗研究，分析各種巖石的破碎機理和破碎條件。通過實驗將截割過程產生的截割阻力、截割振動和截割粉塵等參數進行記錄，然后根據記錄的數據作為截割頭設計的參考，如圖2所示。通過對截割頭截齒排布理論和設計方法的研究，設計出適合于截齒排布的算法，編寫截割頭截齒排布軟件，截割設計軟件能夠對不同外形輪廓的截割頭進行設計計算，滿足大斷面煤巷掘進機的設計要求。當用截割頭設計軟件計算的截割頭截齒排布符合設計要求時，就可以將這些截齒排布參數用于截割頭裝配虛擬制造系統。

2.3 裝載機構的研究 裝載機構主要由鏟板及左右對稱的驅動裝置組成，如圖3所示，通過低速大扭矩液壓馬達直接驅動三爪星輪轉動，從而達到裝載煤巖的目的。裝運系統是掘進機的重要組成部分，其設計質量直接影響掘進機的動力消耗和生產率等。裝運系統的研究，從兩個方面進行了考慮，一是對影響裝載機構裝載效率的設計參數：轉盤大小、形狀、轉速以及鏟板傾角、插入料堆深度進行研究、優化；二是對裝載鏟板的結構進行了大的創新設計，研制成功改向鏈輪前置的新型裝載機構，有效解決了裝載機構中間由于轉盤無法夠到而形成的“裝載死區”問題，提高掘進機裝載機構的自裝效率。

2.4 抗沖擊、大載荷新型回轉機構的研制 回轉機構主要的作用是將截割機構工作過程中產生的交變載荷通過機架轉移到履帶行走機構上，進而傳遞到地面上去。因此，回轉機構研究的重點是提高其可靠性，并通過設計，降低截割機構工作載荷對整機造成的沖擊。回轉機構主要用于支承、聯接并實現截割機構的升降和回轉運動。回轉機構通過止口、高強度螺栓和螺柱與機架相聯。在工作時，齒輪齒條互相嚙合來實現截割機構的水平擺動。截割機構的升降是靠連在回轉機構上的截割升降油缸來實現的，齒輪齒條式新型回轉機構如圖4所示。

2.5 履帶行走機構的研究 該履帶行走機構具有載重大、耐沖擊強的特點，采用了支重輪結構，以降低滑動摩擦阻力。為了井下組裝和維護方便，履帶行走機構與機架的聯接設計為掛鉤式，行走機構采用履帶式，左、右對稱布置，分別驅動。左右履帶架通過高強度螺栓與機架相聯。每個行走機構均由液壓馬達提供動力經行走減速器→驅動鏈輪→履帶鏈，驅動履帶行走。為了提高履帶行走機構的可靠性，履帶架設計為框架結構，履帶板采用整體履帶板，并利用計算機分析軟件對履帶架、履帶板進行了受力與變形分析。

3 地面試驗

整機設計完成后進行了巖壁截割試驗，如圖5所示，試驗中針對掏槽、左右擺動、上下擺動和臥底各種工況進行了長時間的循環截割。在截割過程中整機表現出良好的截割穩定性，截割能力強、截齒磨損小，試驗中對整機的截割穩定性、元部件振動等參數進行了檢測，如圖6為橫掃工況下截割減速器的三向振動加速度。

測試表明，截割減速器三方向振動趨勢一致，大小相仿，最大為4g，表明截割機構工作平穩。位移參數反映了截割過程中機器的穩定性，在截割過程中如果出現機器擺尾或跳動，位移和加速度將會出現較大數值的突變。根據測試結果進行的分析，除了調動機器出現較大的位移變化外，正常作業狀態下的位移都比較小，可以判斷設備具有良好的截割穩定性。

4 結語

經過地面試驗及井下工業性試驗，表明該機技術先進，體現出了截割能力強、穩定性好、遙控操作方便、自動化程度高、性能可靠等特點，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調，促進我國綜掘機械化發展具有極其重要的作用，具有較高的性價比和競爭力。是我國煤礦向高產高效集約化安全生產轉軌的理想掘進設備，對促進我國煤炭生產的可持續發展有著重要的意義。

參考文獻：

[1]馬昭.具有濕式除塵系統的巖巷掘進機的研制[J].煤礦機械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王義亮.橫軸式掘進機截齒排列設計[J].煤礦機械， 2013，34（4）：39-40.

[3]楊春海.掘進機內伸縮截割機構的改進[J].科技情報開發與經濟，2007（31）.endprint

摘要： 本文介紹了采掘裝備的發展現狀，闡述了大斷面煤巷掘進機的主要組成部分及結構特點，對主要元部件截割頭、裝載機構、回轉機構、履帶行走機構進行了設計。并對整機進行了地面試驗，表明該機截割能力強、穩定性好、性能可靠，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調，促進我國綜掘機械化發展具有極其重要的作用。

關鍵詞： 大斷面；掘進機；截割頭；行走機構；裝載機構

中圖分類號：TD421.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我國煤礦采煤技術裝備與礦井配套設施得到快速發展，使礦井生產能力和自動化程度極大提高，神華集團一批代表我國先進采煤技術水平的特大型礦井的綜采工作面普遍采用了大功率、高自動化程度采煤裝備，使工作面單產不斷提高、推進速度不斷加快，采掘比例失調仍然嚴重，綜掘技術與裝備的發展滯后于綜采，采掘比例失調仍然嚴重，制約了煤礦高效、節約、自動化開采的發展。“十一五”以來，我國在煤及半煤巖巷道掘進技術與裝備方面取得了巨大的進步，但發展重點集中于半煤巖及巖巷掘進機，大采高綜放工作面設備所采用的設備大，而且生產過程中推進速度快，另外，還有瓦斯、通風等安全生產的需要，一般采準巷道的斷面都設計比較大，且為煤巷掘進，因此需要開展大采高大斷面煤巷掘進機的研究。

1 研究方法

該機的研究采用總體設計、部件重點攻關的思路實現。由于大斷面煤巷掘進機是由各個部分組成的有機整體，因此在研究過程中，應首先確定掘進機的總體技術參數，在此過程中采取理論計算、國內外同類機型對比、試驗驗證多種方式相結合的方法進行，以最大限度的實現其合理性，然后制定具體的設計方案。設計中采用虛擬樣機技術和傳統設計方法相結合的方式，通過先進的設計分析軟件對整機及各部件裝配、性能進行分析，降低設計風險，縮短設計周期，提高物理樣機的整機性能，然后對關鍵元部件及核心技術進行各個突破，對一些重要元部件，如截割減速器、回轉機構，穩定支撐機構以及智能控制系統等，在設計完成后，先進行計算機模擬分析，然后進行實驗室試驗，以確保其運行可靠性。

2 大斷面煤巷掘進機的研究

2.1 總體設計及結構組成 根據大斷面巷道掘進的特殊要求，結合我國煤礦井下情況，提出了掘進機的主要結構和技術參數。然后，采用先進的三維軟件建立虛擬樣機并進行模擬分析，以合理的質量體積比，具有最高截割功率和高截割穩定性為優化目標，建立動力學模型對整機進行優化設計，確定整機設計參數。按照總體設計的要求，主要技術性能參數確定整機系統組成及它們之間的匹配性，各部件的結構形式，進行必要的總體計算。

大斷面煤巷掘進機是一種集截割、裝載、運輸、行走、支護等功能于一身的綜合機組，其作業環境和條件非常惡劣，工作載荷多變，載荷的計算非常復雜。因此，在建立掘進機截割巖壁的力學模型時，對掘進機的運行工況進行了適當、合理的假設和簡化。大斷面煤巷掘進機主要由截割機構、裝載機構、刮板運輸機、機架和回轉機構、左右行走機構、電氣系統、液壓系統、水、護板總成等組成，如圖1所示。所有的執行機構都由電機、液壓泵和液壓馬達來驅動，控制系統采用CAN總線控制方式。

2.2 高性能截割頭的設計 首先根據不同截割對象的巖石力學性能，對每種巖石的破碎過程和破碎現象進行試驗研究，分析各種巖石的破碎機理和破碎條件。通過實驗將截割過程產生的截割阻力、截割振動和截割粉塵等參數進行記錄，然后根據記錄的數據作為截割頭設計的參考，如圖2所示。通過對截割頭截齒排布理論和設計方法的研究，設計出適合于截齒排布的算法，編寫截割頭截齒排布軟件，截割設計軟件能夠對不同外形輪廓的截割頭進行設計計算，滿足大斷面煤巷掘進機的設計要求。當用截割頭設計軟件計算的截割頭截齒排布符合設計要求時，就可以將這些截齒排布參數用于截割頭裝配虛擬制造系統。

2.3 裝載機構的研究 裝載機構主要由鏟板及左右對稱的驅動裝置組成，如圖3所示，通過低速大扭矩液壓馬達直接驅動三爪星輪轉動，從而達到裝載煤巖的目的。裝運系統是掘進機的重要組成部分，其設計質量直接影響掘進機的動力消耗和生產率等。裝運系統的研究，從兩個方面進行了考慮，一是對影響裝載機構裝載效率的設計參數：轉盤大小、形狀、轉速以及鏟板傾角、插入料堆深度進行研究、優化；二是對裝載鏟板的結構進行了大的創新設計，研制成功改向鏈輪前置的新型裝載機構，有效解決了裝載機構中間由于轉盤無法夠到而形成的“裝載死區”問題，提高掘進機裝載機構的自裝效率。

2.4 抗沖擊、大載荷新型回轉機構的研制 回轉機構主要的作用是將截割機構工作過程中產生的交變載荷通過機架轉移到履帶行走機構上，進而傳遞到地面上去。因此，回轉機構研究的重點是提高其可靠性，并通過設計，降低截割機構工作載荷對整機造成的沖擊。回轉機構主要用于支承、聯接并實現截割機構的升降和回轉運動。回轉機構通過止口、高強度螺栓和螺柱與機架相聯。在工作時，齒輪齒條互相嚙合來實現截割機構的水平擺動。截割機構的升降是靠連在回轉機構上的截割升降油缸來實現的，齒輪齒條式新型回轉機構如圖4所示。

2.5 履帶行走機構的研究 該履帶行走機構具有載重大、耐沖擊強的特點，采用了支重輪結構，以降低滑動摩擦阻力。為了井下組裝和維護方便，履帶行走機構與機架的聯接設計為掛鉤式，行走機構采用履帶式，左、右對稱布置，分別驅動。左右履帶架通過高強度螺栓與機架相聯。每個行走機構均由液壓馬達提供動力經行走減速器→驅動鏈輪→履帶鏈，驅動履帶行走。為了提高履帶行走機構的可靠性，履帶架設計為框架結構，履帶板采用整體履帶板，并利用計算機分析軟件對履帶架、履帶板進行了受力與變形分析。

3 地面試驗

整機設計完成后進行了巖壁截割試驗，如圖5所示，試驗中針對掏槽、左右擺動、上下擺動和臥底各種工況進行了長時間的循環截割。在截割過程中整機表現出良好的截割穩定性，截割能力強、截齒磨損小，試驗中對整機的截割穩定性、元部件振動等參數進行了檢測，如圖6為橫掃工況下截割減速器的三向振動加速度。

測試表明，截割減速器三方向振動趨勢一致，大小相仿，最大為4g，表明截割機構工作平穩。位移參數反映了截割過程中機器的穩定性，在截割過程中如果出現機器擺尾或跳動，位移和加速度將會出現較大數值的突變。根據測試結果進行的分析，除了調動機器出現較大的位移變化外，正常作業狀態下的位移都比較小，可以判斷設備具有良好的截割穩定性。

4 結語

經過地面試驗及井下工業性試驗，表明該機技術先進，體現出了截割能力強、穩定性好、遙控操作方便、自動化程度高、性能可靠等特點，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調，促進我國綜掘機械化發展具有極其重要的作用，具有較高的性價比和競爭力。是我國煤礦向高產高效集約化安全生產轉軌的理想掘進設備，對促進我國煤炭生產的可持續發展有著重要的意義。

參考文獻：

[1]馬昭.具有濕式除塵系統的巖巷掘進機的研制[J].煤礦機械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王義亮.橫軸式掘進機截齒排列設計[J].煤礦機械， 2013，34（4）：39-40.

[3]楊春海.掘進機內伸縮截割機構的改進[J].科技情報開發與經濟，2007（31）.endprint