懸臂式掘進機硬巖截割部的設計分析

閆 陽

（晉能控股煤業集團王村煤業公司， 山西 大同 037049）

引言

當前，通常硬巖截割設備包括掘進機與盾構機，其中，盾構機能夠應對強度為200 MPa 的巖石，可是在實踐過程中發現其彎曲半徑相對較大，不能靈活切割，因此在井下應用范圍相對較窄，存在較大的局限性；而掘進機外形相對較小，工作靈活性相對較好，并且可以較好地實現煤巖巷道賦值[1-2]。

通過對我國煤礦巷道掘進硬巖進行統計發現，巷道總長占到20%～30%。而我國當前絕大部分的巷道在掘進過程中，選用炮掘或者震動炮掘進機掘進，掘進效率相對較低，并且截齒損壞率相對較高。當前，部分懸臂式斷面掘進及在進行工作的過程中，往往選用多截齒配置的截割頭。從截割功能方面進行分析發現，不能較好地應對抗壓強度在80 MPa 的全巖巷道。為此，需要開發一種能夠適應全巖巷道硬巖截割的掘進機。這樣可以有效地保護煤炭資源、優化礦井的開采壽命。

1 硬巖截割形式及原理

在掘進機中，截割部是關鍵零件，其可以達到截割破碎巖石的目的。在生產的過程中，通常刀具選用合金鎬形齒，其并不能較好地應對硬度系數f=10 以上的巖石。在進行截割時，合金鎬形齒往往出現大量的損壞，并且在進行掘進時需要花費較大的成本。

從硬巖截割方面進行分析可以看出，掘進設備可以分為：盾構硬巖滾刀截割技術以及硬巖大盤截割技術。由于滾刀截割與刀盤截割之間存在一定的差異性，通常硬巖滾刀截割能夠對抗壓強度較大的巖石進行截割。而相應的硬巖刀盤截割主要運用抗拉強度將巖石破碎。通常情況下，巖石抗拉強度遠小于抗壓強度，由此可以看出刀盤截割在截割抗壓強度較大的巖石時效果不理想。

1.1 硬巖滾刀截割技術

通常情況下，刀盤截割機在工作的過程中，主要以張應力來破碎巖石。而傳統的滾刀截割是以抗壓強度來破碎巖石的。刀盤在進行旋轉的過程中，可以將巖石壓入設備中，這時盤型滾刀可以對巖石進行擠壓、剪切以及拉裂等動作。通常在刀刃的作用下出現小塊的破碎體，經過刀刃的碾壓從而將巖石變成粉碎體，最終經過碾壓而成為密實核。由于密實核可以把滾刀壓力傳輸給周邊的巖石，與此同時將會產生徑向裂紋，而相應的裂紋開始逐漸向刀刃兩邊進行逐步延伸，最終可以形成巖石碎片，從而達到破碎巖石的效果。

1.2 硬巖刀盤截割技術

以懸臂式掘進機硬巖截割為基礎，同時借助刀盤截割形式。通常可以將刀盤設置在懸臂式掘進機截割臂上，圖1 表示刀盤截割破碎巖的原理。通過觀察可以看出，在刀盤位置均勻的設置圓柱形球齒。通常刀盤刀具可以劃分為如下兩個部分：齒尖、刀盤楔面。從運動方式上可以分為：徑向切削擠壓振蕩、軸向擠壓振蕩。

圖1 刀盤截割破巖原理圖

2 硬巖截割部的結構設計

為了能夠有效地開掘硬巖巷道以及隧道，工作人員設計了硬巖掘進機設備。以刀盤式截割為基礎，工作臂選用動力截割銑削刀盤結合振蕩輔助截割原理。同時在實施截割的過程中，依據巖石硬度的不同選用與之匹配的刀具，這樣可以實驗硬巖掘進機的連續生產，從而可以解決不同硬度的巷道安全掘進問題。因此選用刀盤式截割技術的硬巖截割。

2.1 硬巖截割部的結構組成和功能特點

硬巖截割部包括刀盤、懸臂段、前耳座、后耳座、叉形架、截割電機、油缸、聯接裝置、噴霧裝置等。通常可以將刀盤設置在懸臂前方，而叉形架在于掘進機主機連接時，主要通過銷軸鉸接。叉形架工作的過程中，主要與懸臂段借助油缸以及相應的連接裝置，最終可以實現動力傳輸。通常油缸可以對大盤切入角進行調節，同時還可以傳遞截割動力于懸臂段以及刀頭。在對巖石進行截割時，可以借助油缸調整以及控制刀盤截割巖石的角度，這樣可以通過抗拉強度將巖石破碎。

在工作的過程中，需要借助油缸來調整以及控制刀盤角度，因此設計出一個能夠實現軸向偏移的聯接裝置，從而可以更好地實現截割動力的傳遞。圖2 表示相應的聯軸裝置結構圖。其中，萬向聯軸器能夠保證兩軸不在同一軸線上而實現動力的傳輸。

圖2 聯結裝置圖

萬向聯軸器能夠實現角向補償能力，從而可以實現較大的動力傳輸。為此連接裝置可以選用十字軸式萬向聯軸器，其具有如下幾個方面的特點：傳輸效率較高、傳輸平穩性相對較好、噪聲小、便于后期維修等。

2.2 萬向聯軸器選型

2.2.1 萬向聯軸器的理論轉矩T

式中：Pw為驅動功率，取260 kW；n 為萬向聯軸器轉速，取326 r/min。

將數值代入公式得：T=7 616.5 N·m。

2.2.2 傳遞轉矩Tc

另外，為了能夠保證萬向軸在工作的過程中不出現斷裂以及塑變，必須滿足下面的公式：

式中：Ka為載荷性質系數，取3.5；Tn為萬向聯軸器的公稱轉矩，取56 kN·m；Tp為萬向聯軸器的脈動疲勞轉矩，取56 kN·m；Tf為萬向聯軸器的交變疲勞轉矩，取28 kN·m。

經過計算，萬向聯軸器的傳遞轉矩Tc取值為26 658 N·m。

經過實踐發現，聯軸器的軸往往易出現磨損的現象，因此可以選用剖分式軸承，采用螺栓進行連接，這樣便于后期維護更換。

3 結語

基于懸臂式掘進機截割硬巖的主要破巖形式與具體截割原理，對懸臂式掘進機硬巖截割部的主要結構以及各連接件的功能特點進行了分析，并進行了部分關鍵零部件的選型計算，總結出能夠有效處理截割硬巖技術的問題。

經過實踐發現，聯軸器的軸往往易出現磨損的現象，因此可以選用剖分式軸承，采用螺栓進行連接，以便于后期維護更換。