閆 陽

（晉能控股煤業(yè)集團王村煤業(yè)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(gòu)機，其中，盾構(gòu)機能夠應對強度為200 MPa 的巖石，可是在實踐過程中發(fā)現(xiàn)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(xiàn)煤巖巷道賦值[1-2]。

通過對我國煤礦巷道掘進硬巖進行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(fā)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(yōu)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(chǎn)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(shù)f=10 以上的巖石。在進行截割時，合金鎬形齒往往出現(xiàn)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(gòu)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?qū)箟簭姸容^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(tǒng)的滾刀截割是以抗壓強度來破碎巖石的。刀盤在進行旋轉(zhuǎn)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(xiàn)小塊的破碎體，經(jīng)過刀刃的碾壓從而將巖石變成粉碎體，最終經(jīng)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(chǎn)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?？梢詫⒌侗P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(jié)構(gòu)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(jié)合振蕩輔助截割原理。同時在實施截割的過程中，依據(jù)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(xù)生產(chǎn)，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(jié)構(gòu)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(lián)接裝置、噴霧裝置等。通?？梢詫⒌侗P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(xiàn)動力傳輸。通常油缸可以對大盤切入角進行調(diào)節(jié)，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(diào)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(diào)整以及控制刀盤角度，因此設計出一個能夠?qū)崿F(xiàn)軸向偏移的聯(lián)接裝置，從而可以更好地實現(xiàn)截割動力的傳遞。圖2 表示相應的聯(lián)軸裝置結(jié)構(gòu)圖。其中，萬向聯(lián)軸器能夠保證兩軸不在同一軸線上而實現(xiàn)動力的傳輸。

圖2 聯(lián)結(jié)裝置圖

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

2.2 萬向聯(lián)軸器選型

2.2.1 萬向聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩T

式中：Pw為驅(qū)動功率，取260 kW；n 為萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速，取326 r/min。

將數(shù)值代入公式得：T=7 616.5 N·m。

2.2.2 傳遞轉(zhuǎn)矩Tc

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

式中：Ka為載荷性質(zhì)系數(shù)，取3.5；Tn為萬向聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩，取56 kN·m；Tp為萬向聯(lián)軸器的脈動疲勞轉(zhuǎn)矩，取56 kN·m；Tf為萬向聯(lián)軸器的交變疲勞轉(zhuǎn)矩，取28 kN·m。

經(jīng)過計算，萬向聯(lián)軸器的傳遞轉(zhuǎn)矩Tc取值為26 658 N·m。

經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，聯(lián)軸器的軸往往易出現(xiàn)磨損的現(xiàn)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)出能夠有效處理截割硬巖技術的問題。

經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，聯(lián)軸器的軸往往易出現(xiàn)磨損的現(xiàn)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。