原曄

摘要： 本文介紹了采掘裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的主要組成部分及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)主要元部件截割頭、裝載機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并對(duì)整機(jī)進(jìn)行了地面試驗(yàn)，表明該機(jī)截割能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、性能可靠，對(duì)改善我國(guó)特厚煤層綜放開(kāi)采采掘比例失調(diào)，促進(jìn)我國(guó)綜掘機(jī)械化發(fā)展具有極其重要的作用。

關(guān)鍵詞： 大斷面；掘進(jìn)機(jī)；截割頭；行走機(jī)構(gòu)；裝載機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我國(guó)煤礦采煤技術(shù)裝備與礦井配套設(shè)施得到快速發(fā)展，使礦井生產(chǎn)能力和自動(dòng)化程度極大提高，神華集團(tuán)一批代表我國(guó)先進(jìn)采煤技術(shù)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(dòng)化程度采煤裝備，使工作面單產(chǎn)不斷提高、推進(jìn)速度不斷加快，采掘比例失調(diào)仍然嚴(yán)重，綜掘技術(shù)與裝備的發(fā)展滯后于綜采，采掘比例失調(diào)仍然嚴(yán)重，制約了煤礦高效、節(jié)約、自動(dòng)化開(kāi)采的發(fā)展?！笆晃濉币詠?lái)，我國(guó)在煤及半煤巖巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備方面取得了巨大的進(jìn)步，但發(fā)展重點(diǎn)集中于半煤巖及巖巷掘進(jìn)機(jī)，大采高綜放工作面設(shè)備所采用的設(shè)備大，而且生產(chǎn)過(guò)程中推進(jìn)速度快，另外，還有瓦斯、通風(fēng)等安全生產(chǎn)的需要，一般采準(zhǔn)巷道的斷面都設(shè)計(jì)比較大，且為煤巷掘進(jìn)，因此需要開(kāi)展大采高大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的研究。

1 研究方法

該機(jī)的研究采用總體設(shè)計(jì)、部件重點(diǎn)攻關(guān)的思路實(shí)現(xiàn)。由于大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)是由各個(gè)部分組成的有機(jī)整體，因此在研究過(guò)程中，應(yīng)首先確定掘進(jìn)機(jī)的總體技術(shù)參數(shù)，在此過(guò)程中采取理論計(jì)算、國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)型對(duì)比、試驗(yàn)驗(yàn)證多種方式相結(jié)合的方法進(jìn)行，以最大限度的實(shí)現(xiàn)其合理性，然后制定具體的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的方式，通過(guò)先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析軟件對(duì)整機(jī)及各部件裝配、性能進(jìn)行分析，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高物理樣機(jī)的整機(jī)性能，然后對(duì)關(guān)鍵元部件及核心技術(shù)進(jìn)行各個(gè)突破，對(duì)一些重要元部件，如截割減速器、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定支撐機(jī)構(gòu)以及智能控制系統(tǒng)等，在設(shè)計(jì)完成后，先進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，以確保其運(yùn)行可靠性。

2 大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的研究

2.1 總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)大斷面巷道掘進(jìn)的特殊要求，結(jié)合我國(guó)煤礦井下情況，提出了掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。然后，采用先進(jìn)的三維軟件建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行模擬分析，以合理的質(zhì)量體積比，具有最高截割功率和高截割穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo)，建立動(dòng)力學(xué)模型對(duì)整機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。按照總體設(shè)計(jì)的要求，主要技術(shù)性能參數(shù)確定整機(jī)系統(tǒng)組成及它們之間的匹配性，各部件的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行必要的總體計(jì)算。

大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)是一種集截割、裝載、運(yùn)輸、行走、支護(hù)等功能于一身的綜合機(jī)組，其作業(yè)環(huán)境和條件非常惡劣，工作載荷多變，載荷的計(jì)算非常復(fù)雜。因此，在建立掘進(jìn)機(jī)截割巖壁的力學(xué)模型時(shí)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行了適當(dāng)、合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化。大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)主要由截割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、刮板運(yùn)輸機(jī)、機(jī)架和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、左右行走機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水、護(hù)板總成等組成，如圖1所示。所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都由電機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)采用CAN總線控制方式。

2.2 高性能截割頭的設(shè)計(jì) 首先根據(jù)不同截割對(duì)象的巖石力學(xué)性能，對(duì)每種巖石的破碎過(guò)程和破碎現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析各種巖石的破碎機(jī)理和破碎條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)將截割過(guò)程產(chǎn)生的截割阻力、截割振動(dòng)和截割粉塵等參數(shù)進(jìn)行記錄，然后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作為截割頭設(shè)計(jì)的參考，如圖2所示。通過(guò)對(duì)截割頭截齒排布理論和設(shè)計(jì)方法的研究，設(shè)計(jì)出適合于截齒排布的算法，編寫(xiě)截割頭截齒排布軟件，截割設(shè)計(jì)軟件能夠?qū)Σ煌庑屋喞慕馗铑^進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，滿足大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)用截割頭設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的截割頭截齒排布符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，就可以將這些截齒排布參數(shù)用于截割頭裝配虛擬制造系統(tǒng)。

2.3 裝載機(jī)構(gòu)的研究 裝載機(jī)構(gòu)主要由鏟板及左右對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)裝置組成，如圖3所示，通過(guò)低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)三爪星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到裝載煤巖的目的。裝運(yùn)系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力消耗和生產(chǎn)率等。裝運(yùn)系統(tǒng)的研究，從兩個(gè)方面進(jìn)行了考慮，一是對(duì)影響裝載機(jī)構(gòu)裝載效率的設(shè)計(jì)參數(shù)：轉(zhuǎn)盤(pán)大小、形狀、轉(zhuǎn)速以及鏟板傾角、插入料堆深度進(jìn)行研究、優(yōu)化；二是對(duì)裝載鏟板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制成功改向鏈輪前置的新型裝載機(jī)構(gòu)，有效解決了裝載機(jī)構(gòu)中間由于轉(zhuǎn)盤(pán)無(wú)法夠到而形成的“裝載死區(qū)”問(wèn)題，提高掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)的自裝效率。

2.4 抗沖擊、大載荷新型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研制 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要的作用是將截割機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中產(chǎn)生的交變載荷通過(guò)機(jī)架轉(zhuǎn)移到履帶行走機(jī)構(gòu)上，進(jìn)而傳遞到地面上去。因此，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)是提高其可靠性，并通過(guò)設(shè)計(jì)，降低截割機(jī)構(gòu)工作載荷對(duì)整機(jī)造成的沖擊。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要用于支承、聯(lián)接并實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)的升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)止口、高強(qiáng)度螺栓和螺柱與機(jī)架相聯(lián)。在工作時(shí)，齒輪齒條互相嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)的水平擺動(dòng)。截割機(jī)構(gòu)的升降是靠連在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的截割升降油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，齒輪齒條式新型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2.5 履帶行走機(jī)構(gòu)的研究 該履帶行走機(jī)構(gòu)具有載重大、耐沖擊強(qiáng)的特點(diǎn)，采用了支重輪結(jié)構(gòu)，以降低滑動(dòng)摩擦阻力。為了井下組裝和維護(hù)方便，履帶行走機(jī)構(gòu)與機(jī)架的聯(lián)接設(shè)計(jì)為掛鉤式，行走機(jī)構(gòu)采用履帶式，左、右對(duì)稱(chēng)布置，分別驅(qū)動(dòng)。左右履帶架通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與機(jī)架相聯(lián)。每個(gè)行走機(jī)構(gòu)均由液壓馬達(dá)提供動(dòng)力經(jīng)行走減速器→驅(qū)動(dòng)鏈輪→履帶鏈，驅(qū)動(dòng)履帶行走。為了提高履帶行走機(jī)構(gòu)的可靠性，履帶架設(shè)計(jì)為框架結(jié)構(gòu)，履帶板采用整體履帶板，并利用計(jì)算機(jī)分析軟件對(duì)履帶架、履帶板進(jìn)行了受力與變形分析。

3 地面試驗(yàn)

整機(jī)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了巖壁截割試驗(yàn)，如圖5所示，試驗(yàn)中針對(duì)掏槽、左右擺動(dòng)、上下擺動(dòng)和臥底各種工況進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)截割。在截割過(guò)程中整機(jī)表現(xiàn)出良好的截割穩(wěn)定性，截割能力強(qiáng)、截齒磨損小，試驗(yàn)中對(duì)整機(jī)的截割穩(wěn)定性、元部件振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，如圖6為橫掃工況下截割減速器的三向振動(dòng)加速度。

測(cè)試表明，截割減速器三方向振動(dòng)趨勢(shì)一致，大小相仿，最大為4g，表明截割機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)。位移參數(shù)反映了截割過(guò)程中機(jī)器的穩(wěn)定性，在截割過(guò)程中如果出現(xiàn)機(jī)器擺尾或跳動(dòng)，位移和加速度將會(huì)出現(xiàn)較大數(shù)值的突變。根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行的分析，除了調(diào)動(dòng)機(jī)器出現(xiàn)較大的位移變化外，正常作業(yè)狀態(tài)下的位移都比較小，可以判斷設(shè)備具有良好的截割穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)地面試驗(yàn)及井下工業(yè)性試驗(yàn)，表明該機(jī)技術(shù)先進(jìn)，體現(xiàn)出了截割能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、遙控操作方便、自動(dòng)化程度高、性能可靠等特點(diǎn)，對(duì)改善我國(guó)特厚煤層綜放開(kāi)采采掘比例失調(diào)，促進(jìn)我國(guó)綜掘機(jī)械化發(fā)展具有極其重要的作用，具有較高的性價(jià)比和競(jìng)爭(zhēng)力。是我國(guó)煤礦向高產(chǎn)高效集約化安全生產(chǎn)轉(zhuǎn)軌的理想掘進(jìn)設(shè)備，對(duì)促進(jìn)我國(guó)煤炭生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬昭.具有濕式除塵系統(tǒng)的巖巷掘進(jìn)機(jī)的研制[J].煤礦機(jī)械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王義亮.橫軸式掘進(jìn)機(jī)截齒排列設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械， 2013，34（4）：39-40.

[3]楊春海.掘進(jìn)機(jī)內(nèi)伸縮截割機(jī)構(gòu)的改進(jìn)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（31）.endprint

摘要： 本文介紹了采掘裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的主要組成部分及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)主要元部件截割頭、裝載機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并對(duì)整機(jī)進(jìn)行了地面試驗(yàn)，表明該機(jī)截割能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、性能可靠，對(duì)改善我國(guó)特厚煤層綜放開(kāi)采采掘比例失調(diào)，促進(jìn)我國(guó)綜掘機(jī)械化發(fā)展具有極其重要的作用。

關(guān)鍵詞： 大斷面；掘進(jìn)機(jī)；截割頭；行走機(jī)構(gòu)；裝載機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我國(guó)煤礦采煤技術(shù)裝備與礦井配套設(shè)施得到快速發(fā)展，使礦井生產(chǎn)能力和自動(dòng)化程度極大提高，神華集團(tuán)一批代表我國(guó)先進(jìn)采煤技術(shù)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(dòng)化程度采煤裝備，使工作面單產(chǎn)不斷提高、推進(jìn)速度不斷加快，采掘比例失調(diào)仍然嚴(yán)重，綜掘技術(shù)與裝備的發(fā)展滯后于綜采，采掘比例失調(diào)仍然嚴(yán)重，制約了煤礦高效、節(jié)約、自動(dòng)化開(kāi)采的發(fā)展。“十一五”以來(lái)，我國(guó)在煤及半煤巖巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備方面取得了巨大的進(jìn)步，但發(fā)展重點(diǎn)集中于半煤巖及巖巷掘進(jìn)機(jī)，大采高綜放工作面設(shè)備所采用的設(shè)備大，而且生產(chǎn)過(guò)程中推進(jìn)速度快，另外，還有瓦斯、通風(fēng)等安全生產(chǎn)的需要，一般采準(zhǔn)巷道的斷面都設(shè)計(jì)比較大，且為煤巷掘進(jìn)，因此需要開(kāi)展大采高大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的研究。

1 研究方法

該機(jī)的研究采用總體設(shè)計(jì)、部件重點(diǎn)攻關(guān)的思路實(shí)現(xiàn)。由于大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)是由各個(gè)部分組成的有機(jī)整體，因此在研究過(guò)程中，應(yīng)首先確定掘進(jìn)機(jī)的總體技術(shù)參數(shù)，在此過(guò)程中采取理論計(jì)算、國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)型對(duì)比、試驗(yàn)驗(yàn)證多種方式相結(jié)合的方法進(jìn)行，以最大限度的實(shí)現(xiàn)其合理性，然后制定具體的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的方式，通過(guò)先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析軟件對(duì)整機(jī)及各部件裝配、性能進(jìn)行分析，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高物理樣機(jī)的整機(jī)性能，然后對(duì)關(guān)鍵元部件及核心技術(shù)進(jìn)行各個(gè)突破，對(duì)一些重要元部件，如截割減速器、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定支撐機(jī)構(gòu)以及智能控制系統(tǒng)等，在設(shè)計(jì)完成后，先進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，以確保其運(yùn)行可靠性。

2 大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的研究

2.1 總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)大斷面巷道掘進(jìn)的特殊要求，結(jié)合我國(guó)煤礦井下情況，提出了掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。然后，采用先進(jìn)的三維軟件建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行模擬分析，以合理的質(zhì)量體積比，具有最高截割功率和高截割穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo)，建立動(dòng)力學(xué)模型對(duì)整機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。按照總體設(shè)計(jì)的要求，主要技術(shù)性能參數(shù)確定整機(jī)系統(tǒng)組成及它們之間的匹配性，各部件的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行必要的總體計(jì)算。

大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)是一種集截割、裝載、運(yùn)輸、行走、支護(hù)等功能于一身的綜合機(jī)組，其作業(yè)環(huán)境和條件非常惡劣，工作載荷多變，載荷的計(jì)算非常復(fù)雜。因此，在建立掘進(jìn)機(jī)截割巖壁的力學(xué)模型時(shí)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行了適當(dāng)、合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化。大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)主要由截割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、刮板運(yùn)輸機(jī)、機(jī)架和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、左右行走機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水、護(hù)板總成等組成，如圖1所示。所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都由電機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)采用CAN總線控制方式。

2.2 高性能截割頭的設(shè)計(jì) 首先根據(jù)不同截割對(duì)象的巖石力學(xué)性能，對(duì)每種巖石的破碎過(guò)程和破碎現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析各種巖石的破碎機(jī)理和破碎條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)將截割過(guò)程產(chǎn)生的截割阻力、截割振動(dòng)和截割粉塵等參數(shù)進(jìn)行記錄，然后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作為截割頭設(shè)計(jì)的參考，如圖2所示。通過(guò)對(duì)截割頭截齒排布理論和設(shè)計(jì)方法的研究，設(shè)計(jì)出適合于截齒排布的算法，編寫(xiě)截割頭截齒排布軟件，截割設(shè)計(jì)軟件能夠?qū)Σ煌庑屋喞慕馗铑^進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，滿足大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)用截割頭設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的截割頭截齒排布符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，就可以將這些截齒排布參數(shù)用于截割頭裝配虛擬制造系統(tǒng)。

2.3 裝載機(jī)構(gòu)的研究 裝載機(jī)構(gòu)主要由鏟板及左右對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)裝置組成，如圖3所示，通過(guò)低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)三爪星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到裝載煤巖的目的。裝運(yùn)系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力消耗和生產(chǎn)率等。裝運(yùn)系統(tǒng)的研究，從兩個(gè)方面進(jìn)行了考慮，一是對(duì)影響裝載機(jī)構(gòu)裝載效率的設(shè)計(jì)參數(shù)：轉(zhuǎn)盤(pán)大小、形狀、轉(zhuǎn)速以及鏟板傾角、插入料堆深度進(jìn)行研究、優(yōu)化；二是對(duì)裝載鏟板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制成功改向鏈輪前置的新型裝載機(jī)構(gòu)，有效解決了裝載機(jī)構(gòu)中間由于轉(zhuǎn)盤(pán)無(wú)法夠到而形成的“裝載死區(qū)”問(wèn)題，提高掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)的自裝效率。

2.4 抗沖擊、大載荷新型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研制 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要的作用是將截割機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中產(chǎn)生的交變載荷通過(guò)機(jī)架轉(zhuǎn)移到履帶行走機(jī)構(gòu)上，進(jìn)而傳遞到地面上去。因此，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)是提高其可靠性，并通過(guò)設(shè)計(jì)，降低截割機(jī)構(gòu)工作載荷對(duì)整機(jī)造成的沖擊?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要用于支承、聯(lián)接并實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)的升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)止口、高強(qiáng)度螺栓和螺柱與機(jī)架相聯(lián)。在工作時(shí)，齒輪齒條互相嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)的水平擺動(dòng)。截割機(jī)構(gòu)的升降是靠連在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的截割升降油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，齒輪齒條式新型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2.5 履帶行走機(jī)構(gòu)的研究 該履帶行走機(jī)構(gòu)具有載重大、耐沖擊強(qiáng)的特點(diǎn)，采用了支重輪結(jié)構(gòu)，以降低滑動(dòng)摩擦阻力。為了井下組裝和維護(hù)方便，履帶行走機(jī)構(gòu)與機(jī)架的聯(lián)接設(shè)計(jì)為掛鉤式，行走機(jī)構(gòu)采用履帶式，左、右對(duì)稱(chēng)布置，分別驅(qū)動(dòng)。左右履帶架通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與機(jī)架相聯(lián)。每個(gè)行走機(jī)構(gòu)均由液壓馬達(dá)提供動(dòng)力經(jīng)行走減速器→驅(qū)動(dòng)鏈輪→履帶鏈，驅(qū)動(dòng)履帶行走。為了提高履帶行走機(jī)構(gòu)的可靠性，履帶架設(shè)計(jì)為框架結(jié)構(gòu)，履帶板采用整體履帶板，并利用計(jì)算機(jī)分析軟件對(duì)履帶架、履帶板進(jìn)行了受力與變形分析。

3 地面試驗(yàn)

整機(jī)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了巖壁截割試驗(yàn)，如圖5所示，試驗(yàn)中針對(duì)掏槽、左右擺動(dòng)、上下擺動(dòng)和臥底各種工況進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)截割。在截割過(guò)程中整機(jī)表現(xiàn)出良好的截割穩(wěn)定性，截割能力強(qiáng)、截齒磨損小，試驗(yàn)中對(duì)整機(jī)的截割穩(wěn)定性、元部件振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，如圖6為橫掃工況下截割減速器的三向振動(dòng)加速度。

測(cè)試表明，截割減速器三方向振動(dòng)趨勢(shì)一致，大小相仿，最大為4g，表明截割機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)。位移參數(shù)反映了截割過(guò)程中機(jī)器的穩(wěn)定性，在截割過(guò)程中如果出現(xiàn)機(jī)器擺尾或跳動(dòng)，位移和加速度將會(huì)出現(xiàn)較大數(shù)值的突變。根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行的分析，除了調(diào)動(dòng)機(jī)器出現(xiàn)較大的位移變化外，正常作業(yè)狀態(tài)下的位移都比較小，可以判斷設(shè)備具有良好的截割穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)地面試驗(yàn)及井下工業(yè)性試驗(yàn)，表明該機(jī)技術(shù)先進(jìn)，體現(xiàn)出了截割能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、遙控操作方便、自動(dòng)化程度高、性能可靠等特點(diǎn)，對(duì)改善我國(guó)特厚煤層綜放開(kāi)采采掘比例失調(diào)，促進(jìn)我國(guó)綜掘機(jī)械化發(fā)展具有極其重要的作用，具有較高的性價(jià)比和競(jìng)爭(zhēng)力。是我國(guó)煤礦向高產(chǎn)高效集約化安全生產(chǎn)轉(zhuǎn)軌的理想掘進(jìn)設(shè)備，對(duì)促進(jìn)我國(guó)煤炭生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬昭.具有濕式除塵系統(tǒng)的巖巷掘進(jìn)機(jī)的研制[J].煤礦機(jī)械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王義亮.橫軸式掘進(jìn)機(jī)截齒排列設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械， 2013，34（4）：39-40.

[3]楊春海.掘進(jìn)機(jī)內(nèi)伸縮截割機(jī)構(gòu)的改進(jìn)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（31）.endprint

摘要： 本文介紹了采掘裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的主要組成部分及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)主要元部件截割頭、裝載機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、履帶行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。并對(duì)整機(jī)進(jìn)行了地面試驗(yàn)，表明該機(jī)截割能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、性能可靠，對(duì)改善我國(guó)特厚煤層綜放開(kāi)采采掘比例失調(diào)，促進(jìn)我國(guó)綜掘機(jī)械化發(fā)展具有極其重要的作用。

關(guān)鍵詞： 大斷面；掘進(jìn)機(jī)；截割頭；行走機(jī)構(gòu)；裝載機(jī)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TD421.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我國(guó)煤礦采煤技術(shù)裝備與礦井配套設(shè)施得到快速發(fā)展，使礦井生產(chǎn)能力和自動(dòng)化程度極大提高，神華集團(tuán)一批代表我國(guó)先進(jìn)采煤技術(shù)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(dòng)化程度采煤裝備，使工作面單產(chǎn)不斷提高、推進(jìn)速度不斷加快，采掘比例失調(diào)仍然嚴(yán)重，綜掘技術(shù)與裝備的發(fā)展滯后于綜采，采掘比例失調(diào)仍然嚴(yán)重，制約了煤礦高效、節(jié)約、自動(dòng)化開(kāi)采的發(fā)展?！笆晃濉币詠?lái)，我國(guó)在煤及半煤巖巷道掘進(jìn)技術(shù)與裝備方面取得了巨大的進(jìn)步，但發(fā)展重點(diǎn)集中于半煤巖及巖巷掘進(jìn)機(jī)，大采高綜放工作面設(shè)備所采用的設(shè)備大，而且生產(chǎn)過(guò)程中推進(jìn)速度快，另外，還有瓦斯、通風(fēng)等安全生產(chǎn)的需要，一般采準(zhǔn)巷道的斷面都設(shè)計(jì)比較大，且為煤巷掘進(jìn)，因此需要開(kāi)展大采高大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的研究。

1 研究方法

該機(jī)的研究采用總體設(shè)計(jì)、部件重點(diǎn)攻關(guān)的思路實(shí)現(xiàn)。由于大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)是由各個(gè)部分組成的有機(jī)整體，因此在研究過(guò)程中，應(yīng)首先確定掘進(jìn)機(jī)的總體技術(shù)參數(shù)，在此過(guò)程中采取理論計(jì)算、國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)型對(duì)比、試驗(yàn)驗(yàn)證多種方式相結(jié)合的方法進(jìn)行，以最大限度的實(shí)現(xiàn)其合理性，然后制定具體的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的方式，通過(guò)先進(jìn)的設(shè)計(jì)分析軟件對(duì)整機(jī)及各部件裝配、性能進(jìn)行分析，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高物理樣機(jī)的整機(jī)性能，然后對(duì)關(guān)鍵元部件及核心技術(shù)進(jìn)行各個(gè)突破，對(duì)一些重要元部件，如截割減速器、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，穩(wěn)定支撐機(jī)構(gòu)以及智能控制系統(tǒng)等，在設(shè)計(jì)完成后，先進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬分析，然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，以確保其運(yùn)行可靠性。

2 大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的研究

2.1 總體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)大斷面巷道掘進(jìn)的特殊要求，結(jié)合我國(guó)煤礦井下情況，提出了掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。然后，采用先進(jìn)的三維軟件建立虛擬樣機(jī)并進(jìn)行模擬分析，以合理的質(zhì)量體積比，具有最高截割功率和高截割穩(wěn)定性為優(yōu)化目標(biāo)，建立動(dòng)力學(xué)模型對(duì)整機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)。按照總體設(shè)計(jì)的要求，主要技術(shù)性能參數(shù)確定整機(jī)系統(tǒng)組成及它們之間的匹配性，各部件的結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行必要的總體計(jì)算。

大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)是一種集截割、裝載、運(yùn)輸、行走、支護(hù)等功能于一身的綜合機(jī)組，其作業(yè)環(huán)境和條件非常惡劣，工作載荷多變，載荷的計(jì)算非常復(fù)雜。因此，在建立掘進(jìn)機(jī)截割巖壁的力學(xué)模型時(shí)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行工況進(jìn)行了適當(dāng)、合理的假設(shè)和簡(jiǎn)化。大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)主要由截割機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)、刮板運(yùn)輸機(jī)、機(jī)架和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、左右行走機(jī)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水、護(hù)板總成等組成，如圖1所示。所有的執(zhí)行機(jī)構(gòu)都由電機(jī)、液壓泵和液壓馬達(dá)來(lái)驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)采用CAN總線控制方式。

2.2 高性能截割頭的設(shè)計(jì) 首先根據(jù)不同截割對(duì)象的巖石力學(xué)性能，對(duì)每種巖石的破碎過(guò)程和破碎現(xiàn)象進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析各種巖石的破碎機(jī)理和破碎條件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)將截割過(guò)程產(chǎn)生的截割阻力、截割振動(dòng)和截割粉塵等參數(shù)進(jìn)行記錄，然后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作為截割頭設(shè)計(jì)的參考，如圖2所示。通過(guò)對(duì)截割頭截齒排布理論和設(shè)計(jì)方法的研究，設(shè)計(jì)出適合于截齒排布的算法，編寫(xiě)截割頭截齒排布軟件，截割設(shè)計(jì)軟件能夠?qū)Σ煌庑屋喞慕馗铑^進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，滿足大斷面煤巷掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求。當(dāng)用截割頭設(shè)計(jì)軟件計(jì)算的截割頭截齒排布符合設(shè)計(jì)要求時(shí)，就可以將這些截齒排布參數(shù)用于截割頭裝配虛擬制造系統(tǒng)。

2.3 裝載機(jī)構(gòu)的研究 裝載機(jī)構(gòu)主要由鏟板及左右對(duì)稱(chēng)的驅(qū)動(dòng)裝置組成，如圖3所示，通過(guò)低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)三爪星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到裝載煤巖的目的。裝運(yùn)系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)力消耗和生產(chǎn)率等。裝運(yùn)系統(tǒng)的研究，從兩個(gè)方面進(jìn)行了考慮，一是對(duì)影響裝載機(jī)構(gòu)裝載效率的設(shè)計(jì)參數(shù)：轉(zhuǎn)盤(pán)大小、形狀、轉(zhuǎn)速以及鏟板傾角、插入料堆深度進(jìn)行研究、優(yōu)化；二是對(duì)裝載鏟板的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，研制成功改向鏈輪前置的新型裝載機(jī)構(gòu)，有效解決了裝載機(jī)構(gòu)中間由于轉(zhuǎn)盤(pán)無(wú)法夠到而形成的“裝載死區(qū)”問(wèn)題，提高掘進(jìn)機(jī)裝載機(jī)構(gòu)的自裝效率。

2.4 抗沖擊、大載荷新型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研制 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要的作用是將截割機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中產(chǎn)生的交變載荷通過(guò)機(jī)架轉(zhuǎn)移到履帶行走機(jī)構(gòu)上，進(jìn)而傳遞到地面上去。因此，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)研究的重點(diǎn)是提高其可靠性，并通過(guò)設(shè)計(jì)，降低截割機(jī)構(gòu)工作載荷對(duì)整機(jī)造成的沖擊?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要用于支承、聯(lián)接并實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)的升降和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過(guò)止口、高強(qiáng)度螺栓和螺柱與機(jī)架相聯(lián)。在工作時(shí)，齒輪齒條互相嚙合來(lái)實(shí)現(xiàn)截割機(jī)構(gòu)的水平擺動(dòng)。截割機(jī)構(gòu)的升降是靠連在回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的截割升降油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，齒輪齒條式新型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖4所示。

2.5 履帶行走機(jī)構(gòu)的研究 該履帶行走機(jī)構(gòu)具有載重大、耐沖擊強(qiáng)的特點(diǎn)，采用了支重輪結(jié)構(gòu)，以降低滑動(dòng)摩擦阻力。為了井下組裝和維護(hù)方便，履帶行走機(jī)構(gòu)與機(jī)架的聯(lián)接設(shè)計(jì)為掛鉤式，行走機(jī)構(gòu)采用履帶式，左、右對(duì)稱(chēng)布置，分別驅(qū)動(dòng)。左右履帶架通過(guò)高強(qiáng)度螺栓與機(jī)架相聯(lián)。每個(gè)行走機(jī)構(gòu)均由液壓馬達(dá)提供動(dòng)力經(jīng)行走減速器→驅(qū)動(dòng)鏈輪→履帶鏈，驅(qū)動(dòng)履帶行走。為了提高履帶行走機(jī)構(gòu)的可靠性，履帶架設(shè)計(jì)為框架結(jié)構(gòu)，履帶板采用整體履帶板，并利用計(jì)算機(jī)分析軟件對(duì)履帶架、履帶板進(jìn)行了受力與變形分析。

3 地面試驗(yàn)

整機(jī)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了巖壁截割試驗(yàn)，如圖5所示，試驗(yàn)中針對(duì)掏槽、左右擺動(dòng)、上下擺動(dòng)和臥底各種工況進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)截割。在截割過(guò)程中整機(jī)表現(xiàn)出良好的截割穩(wěn)定性，截割能力強(qiáng)、截齒磨損小，試驗(yàn)中對(duì)整機(jī)的截割穩(wěn)定性、元部件振動(dòng)等參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，如圖6為橫掃工況下截割減速器的三向振動(dòng)加速度。

測(cè)試表明，截割減速器三方向振動(dòng)趨勢(shì)一致，大小相仿，最大為4g，表明截割機(jī)構(gòu)工作平穩(wěn)。位移參數(shù)反映了截割過(guò)程中機(jī)器的穩(wěn)定性，在截割過(guò)程中如果出現(xiàn)機(jī)器擺尾或跳動(dòng)，位移和加速度將會(huì)出現(xiàn)較大數(shù)值的突變。根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行的分析，除了調(diào)動(dòng)機(jī)器出現(xiàn)較大的位移變化外，正常作業(yè)狀態(tài)下的位移都比較小，可以判斷設(shè)備具有良好的截割穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)地面試驗(yàn)及井下工業(yè)性試驗(yàn)，表明該機(jī)技術(shù)先進(jìn)，體現(xiàn)出了截割能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、遙控操作方便、自動(dòng)化程度高、性能可靠等特點(diǎn)，對(duì)改善我國(guó)特厚煤層綜放開(kāi)采采掘比例失調(diào)，促進(jìn)我國(guó)綜掘機(jī)械化發(fā)展具有極其重要的作用，具有較高的性價(jià)比和競(jìng)爭(zhēng)力。是我國(guó)煤礦向高產(chǎn)高效集約化安全生產(chǎn)轉(zhuǎn)軌的理想掘進(jìn)設(shè)備，對(duì)促進(jìn)我國(guó)煤炭生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬昭.具有濕式除塵系統(tǒng)的巖巷掘進(jìn)機(jī)的研制[J].煤礦機(jī)械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王義亮.橫軸式掘進(jìn)機(jī)截齒排列設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械， 2013，34（4）：39-40.

[3]楊春海.掘進(jìn)機(jī)內(nèi)伸縮截割機(jī)構(gòu)的改進(jìn)[J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2007（31）.endprint