懸臂式掘進機切割機構的設計分析

佟 巍 樊志家 邵 帥 吉國民（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

懸臂式掘進機切割機構的設計分析

佟 巍 樊志家 邵 帥 吉國民
（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

摘 要：本文介紹了掘進機切割機構的工作原理及機構組成，對切割機構在不同位置受力進行分析對比，為選擇更適合掘進機工作的工況提供參考。

關鍵詞：懸臂式掘進機；切割機構；結構形式；受力分析

懸臂式掘進機作業工況復雜，切割機構不僅承受擺動阻力，切割阻力，還有進給阻力等，此外還受現場環境因素的影響。本文將對切割機構擺動到不同角度進行受力分析。

一、切割機構

1 切割機構工作原理

切割電機輸出力矩，通過花鍵套將力矩傳遞給切割減速機，減速機通過花鍵套將力矩傳遞給切割主軸，切割主軸通過內花鍵套把力矩傳遞到切割頭，切割頭以此方式進行旋轉切割。

伸縮式切割機構配有切割舉升油缸、切割回轉油缸和切割伸縮油缸，通過舉升油缸實現切割機構的上下方向移動，通過回轉油缸實現切割機構的左右方向移動，通過伸縮油缸實現切割頭的伸縮功能。固定式切割機構只配有舉升油缸和回轉油缸。

2 切割機構組成

切割機構由切割電機、切割減速機、伸縮部（固定式為懸臂段）、切割頭、輔助部件等組成。

二、切割機構受力分析

下面以EBHZ300型伸縮式掘進機為例進行切割機構的受力分析。

EBZ300型掘進機的工作方式包括：旋轉切割掘進，向前掘進，上、下升降掘進，左、右橫擺掘進以及以上幾種工作方式復合性掘進。

切割機構載荷的確定是為了切割力的計算。切割力的大小并不完全取決于工作載荷的大小，還與切割頭的作業位置、掘進方式和阻力的方向有關。工作點位由切割伸縮油缸、切割舉升油缸和切割回轉油缸的行程決定，行程不同對應的切割頭的工作點位不同，本文對每一種位置進行受力分析。

由三種油缸配合，使切割頭固定在不同的極限點位：

垂直懸臂段方向（切割升降油缸）：水平位置、最高位置、最低位置。水平方向（切割回轉油缸）：最左端、中間、最右端。軸向（切割伸縮油缸）：最短、最長。

1 垂直懸臂段方向切割力

切割機構受的切割力由切割升降油缸作用產生，其大小與切割機構所處的位置有關。

EBZ300掘進機切割舉升油缸的內腔直徑φ248mm，活塞桿徑φ122mm，移動行程750mm，鉸耳安裝距1668 mm。按工作壓力20MPa計算，最大推力為980 kN。

最大切割力位置的確定：切割頭受切割力如圖1所示。切割機構的重心位置處于圖中M點。

根據力平衡方程求得：

通過調整舉升油缸的行程來調整切割頭的上下位置，L3取不同值對應的Ft1，Ft2值大小不同，從而計算出Ft1，Ft2最大值。

2 切割頭水平方向擺動力

回轉油缸的參數不同對應的擺動切割力大小不同。

EBZ300懸臂式掘進機回轉油缸的內腔直徑φ220mm，活塞桿直徑φ110mm，移動行程1180 mm，安裝距1930 mm。按工作壓力20MPa計算，油缸的最大推力為758 kN。

圖2（a）為兩回轉油缸行程相同時示意圖，圖2 （b）為兩回轉油缸行程不同時示意圖。

力矩大小：M=T1L1+ T2L2

當回轉油缸行程相同，θ=0°時，回轉力矩達到最大，即最大回轉力矩發生在切割機構縱向軸線位置，此時M=946kN·m。當回轉油缸轉動后力矩值減小，所以回轉油缸行程相同時，擺動力最大。

當回轉油缸行程相同時，切割頭所處的幾個極限位置對應擺動力的大小如下：“切割頭水平”196kN，“切割頭最高點”261kN，“切割頭最低點”210kN。

3 切割進給力

掘進機切割進給力取行走牽引力和伸縮油缸的推力中較小值。

伸縮油缸的內腔直徑為φ140mm，活塞桿直徑為φ90mm，移動行程為420 mm，鉸耳安裝距為2140 mm。油缸最大推力為300 kN。行走牽引力為770 kN，所以切割進給力為300kN。

4 切割回轉力矩

切割電機功率為300 kW，切割頭轉速為46/23 r/min，切割頭回轉力矩計算公式為，取轉速較低時力矩最大值為124.6 kN·m。

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.

[2]黃日恒.懸臂式掘進機[M]. 北京：中國礦業大學出版社，1996.

中圖分類號：TD421

文獻標識碼：A