高明祥 邱國(guó)慶 屈晨曦

【摘? 要】掘進(jìn)機(jī)是應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中，用來(lái)開(kāi)鑿地下渠道的機(jī)器。自19世紀(jì)70年代英國(guó)生產(chǎn)出第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)之后，掘進(jìn)機(jī)在工業(yè)史上發(fā)揮了巨大的作用，為了不斷適應(yīng)越來(lái)越復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)情況，滿(mǎn)足不同條件下不同環(huán)境中的開(kāi)鑿需求，掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)也在不斷的創(chuàng)新和發(fā)展。懸臂式掘進(jìn)機(jī)是掘進(jìn)機(jī)中較為常見(jiàn)和主要使用的一種，在國(guó)內(nèi)外的不同工業(yè)環(huán)境中不斷更新和發(fā)展。面對(duì)越來(lái)越復(fù)雜和困難的開(kāi)鑿條件，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)難度越來(lái)越大，因此，要根據(jù)不同環(huán)境和不同條件的要求，設(shè)計(jì)更加科學(xué)合理，高效節(jié)能的懸臂式掘進(jìn)機(jī)。

【關(guān)鍵詞】掘進(jìn)機(jī);懸臂式掘進(jìn)機(jī);開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

引言

掘進(jìn)機(jī)是工業(yè)領(lǐng)域中的一種開(kāi)鑿類(lèi)型機(jī)器，自19世紀(jì)70年代第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)后，掘進(jìn)機(jī)被廣泛應(yīng)用到各種工業(yè)開(kāi)采、開(kāi)鑿項(xiàng)目中。掘進(jìn)機(jī)從最初的以媒巷為主要工作對(duì)象，到后來(lái)應(yīng)用到各種工程作業(yè)中，為了適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境和需求，掘進(jìn)機(jī)也發(fā)展出不同種類(lèi)，懸臂式掘進(jìn)機(jī)是其中較為常見(jiàn)也是主要使用的一種掘進(jìn)機(jī)，20世紀(jì)30年代開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，并應(yīng)用到采礦行業(yè)中，在之后的發(fā)展中，有70多種不同的機(jī)型，而本文就將聚焦于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)方向和應(yīng)用情況，對(duì)未來(lái)的設(shè)計(jì)方向提出建議。

一、懸臂式掘進(jìn)機(jī)簡(jiǎn)介

（一）懸臂式掘進(jìn)機(jī)

在19世紀(jì)70年代，為了更好的進(jìn)行煤炭的開(kāi)采工作，英國(guó)人設(shè)計(jì)生產(chǎn)了第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)主要是為了進(jìn)行地下巷道的開(kāi)鑿工作，現(xiàn)實(shí)的工程環(huán)境要求掘進(jìn)機(jī)的要針對(duì)不同的環(huán)境條件，不同的施工對(duì)象設(shè)計(jì)不同的掘進(jìn)機(jī)類(lèi)型，懸臂式掘進(jìn)機(jī)就是應(yīng)用較為廣泛的一種?，F(xiàn)在的懸臂式掘進(jìn)機(jī)是將機(jī)械、電氣、液壓及自動(dòng)化控制等多種技術(shù)集于一體的施工器械，通常應(yīng)用在煤礦巷道、水下隧道等等工程中洞穴的開(kāi)掘，有利于工程項(xiàng)目的開(kāi)展，特別是過(guò)去限制于開(kāi)鑿機(jī)器的落后，對(duì)于很多復(fù)雜路況以及堅(jiān)硬度較高的土質(zhì)、巖石等難以攻克的工程項(xiàng)目，在懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用后，對(duì)整個(gè)機(jī)械制造業(yè)都是標(biāo)志性的進(jìn)步，而對(duì)于很多工業(yè)行業(yè)而言，有助于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步。

（二）適用條件及概況

一般來(lái)說(shuō)，為了適應(yīng)不同情境下的開(kāi)鑿情境，需要不同類(lèi)型的懸臂式掘進(jìn)機(jī)。在井下巷道的施工作業(yè)中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)通常使用在10-30平方米的斷面井下巷道，比如媒巷、半煤巖巷、軟巖巷道或者隧道的掘進(jìn)作業(yè)。就現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)程度而言，經(jīng)濟(jì)切割硬度最大為80兆帕，對(duì)于較松散的地質(zhì)條件下可以達(dá)到90兆帕，適應(yīng)的坡度范圍是-18度到18度之間，主要的施工作業(yè)包括切割、裝載以及運(yùn)輸。

在懸臂式掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該注意對(duì)結(jié)構(gòu)等各個(gè)方面的要求。對(duì)于掘進(jìn)機(jī)整體而言，要注意機(jī)體的穩(wěn)定性，盡可能降低重心，減少偏側(cè)的設(shè)計(jì)，第二，保證機(jī)體的強(qiáng)度和硬度，但是與此同時(shí)也要盡可能將機(jī)體做的尺寸較小、重量更輕，更適合復(fù)雜情況的開(kāi)鑿。第三，各個(gè)部件之間的位置科學(xué)合理，盡可能保證在組裝、維修、拆卸過(guò)程中都能簡(jiǎn)潔、方便且不易相互影響。第四，對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要盡可能簡(jiǎn)短、直接，傳遞過(guò)程中盡可能用更少的路徑和空間實(shí)現(xiàn)高效的傳遞。懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要應(yīng)具備三個(gè)功能：截割、裝運(yùn)、行走，為了實(shí)現(xiàn)這3個(gè)功能，掘進(jìn)機(jī)需配備3個(gè)系統(tǒng)，包括液壓系統(tǒng)、噴霧冷卻系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)。對(duì)掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)和創(chuàng)新，主要就是對(duì)不同功能的創(chuàng)新，比如對(duì)截割功能的創(chuàng)新，需要對(duì)切割頭和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新和提升。因此，針對(duì)不同情況和不同條件下的實(shí)地施工要求，對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的不同部件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，以便于滿(mǎn)足不同的施工需求。

二、懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

（一）國(guó)外懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展

19世紀(jì)70年代英國(guó)設(shè)計(jì)制造出第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，20世紀(jì)30年代美國(guó)設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)懸臂式掘進(jìn)機(jī)，掘進(jìn)機(jī)逐漸應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域的各個(gè)開(kāi)鑿項(xiàng)目中去，并且在世界各地廣泛應(yīng)用，英國(guó)、前蘇聯(lián)、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)在上個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)出70多種不同型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)。在掘進(jìn)機(jī)使用的過(guò)程中，最初的掘進(jìn)機(jī)主要應(yīng)用在煤礦的開(kāi)采中，掘進(jìn)機(jī)尺寸較大，可以開(kāi)鑿的巖石硬度有限，截割功率也較小。到后期的發(fā)展過(guò)程中，掘進(jìn)機(jī)被應(yīng)用到其他領(lǐng)域的開(kāi)鑿中，比如水下隧道、公路的山體開(kāi)鑿等等，主要的工作對(duì)象是巖石，以及較堅(jiān)硬的地質(zhì)種類(lèi)，因此在切割頭等部件方面進(jìn)行了創(chuàng)新性研發(fā)，現(xiàn)在的掘進(jìn)機(jī)可以開(kāi)鑿巖石的硬度較高，對(duì)于很多中度硬巖石都可以進(jìn)行截割。

在未來(lái)的掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)創(chuàng)新中，將主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行：第一，擴(kuò)大掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用條件。第二，增大掘進(jìn)的斷面面積，適應(yīng)難度更高的開(kāi)鑿項(xiàng)目。第三，適應(yīng)坡度更大的施工環(huán)境。第四，繼續(xù)增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)的截割能力，可以開(kāi)鑿硬度更高的巖石種類(lèi)。

（二）國(guó)內(nèi)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展

1965年，我國(guó)設(shè)計(jì)生產(chǎn)了第一臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，但是我國(guó)的研制力量有限，到20世紀(jì)80年代，對(duì)于難度較高的開(kāi)鑿項(xiàng)目都需要購(gòu)買(mǎi)國(guó)外生產(chǎn)的先進(jìn)掘進(jìn)機(jī)，與此同時(shí)，國(guó)家開(kāi)始注重工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，引進(jìn)掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)重要技術(shù)，鼓勵(lì)自主設(shè)計(jì)、研制掘進(jìn)機(jī)。到20世紀(jì)90年代，我國(guó)的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，根據(jù)我國(guó)的開(kāi)鑿要求及不同的地質(zhì)環(huán)境，研發(fā)設(shè)計(jì)了十幾種不同類(lèi)型的掘進(jìn)機(jī)，可以適應(yīng)多種環(huán)境，針對(duì)不同的工作對(duì)象滿(mǎn)足工作需求。

三、懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)方向

（一）解決巖石掘進(jìn)困難

就我國(guó)而言，掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越多的覆蓋到道路的開(kāi)鑿工作中，近幾年我國(guó)的公路建設(shè)發(fā)展快速，覆蓋面積越來(lái)越廣，與此同時(shí)，面臨的工作環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，工作對(duì)象也越來(lái)越困難。我國(guó)現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)機(jī)型大多只能截割中等硬度的巖石，對(duì)于很多硬度很高的巖石束手無(wú)策，因此，未來(lái)的掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)要關(guān)注對(duì)切割頭等部件的提升，提高掘進(jìn)機(jī)截割能力，解決高硬度巖石的掘進(jìn)困難。

（二）適應(yīng)多種掘進(jìn)環(huán)境

隨著掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，掘進(jìn)機(jī)未來(lái)的研發(fā)設(shè)計(jì)要適應(yīng)更多的作業(yè)環(huán)境。比如工程項(xiàng)目、鐵路隧道、公路隧道等等不同的工作環(huán)境，對(duì)于很多非煤礦山等較為復(fù)雜地質(zhì)條件也要適應(yīng)。

（三）增加多種輔助功能

一般來(lái)說(shuō)，掘進(jìn)機(jī)的系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、噴霧冷卻系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)，主要是為了保證設(shè)備的正常運(yùn)作，未來(lái)的掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)該增加其他的輔助功能，比如除塵系統(tǒng)，可以有效的改善作業(yè)環(huán)境;支持保護(hù)系統(tǒng)，保證機(jī)體外工作人員的安全。除了一些輔助系統(tǒng)，還可以增加現(xiàn)代化技術(shù)，提高掘進(jìn)機(jī)的效率、安全性、環(huán)保性等等。

四、結(jié)語(yǔ)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是工業(yè)開(kāi)鑿領(lǐng)域中較為關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備，對(duì)地下巷道等進(jìn)行開(kāi)鑿的設(shè)備。自掘進(jìn)機(jī)被研發(fā)設(shè)計(jì)以來(lái)，掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用的范圍和環(huán)境越來(lái)越廣，從最初的煤礦開(kāi)鑿到公路、鐵路等隧道的開(kāi)鑿，隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大以及工作環(huán)境的復(fù)雜性越來(lái)越高，掘進(jìn)機(jī)作業(yè)的對(duì)象也越來(lái)越復(fù)雜，未來(lái)的掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)需要從各個(gè)方面進(jìn)行創(chuàng)新和提高。

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（作者單位：三一重型裝備有限公司）