浅析EBZ-135型纵轴式掘进机截割头的设计参数

摘要：在掘进的机械化进程中，有关掘进机选择和使用的经济性受岩石地质参数、掘进作业条件、掘进设备本身的特点和生产能力等因素影响。由于设备的特点和采掘能力是决定掘进成本和生产效率的重要因素，所以对掘进机设计和应用中的相关问题的分析是正确选用掘进设备的基础。在掘进机的设计和使用过程中，受到关注的主要问题是：切割头类型、切割方式及掘进机的稳定性。

关键词：重型 掘进机 问题

中图分类号：U455.3+1文献标示码：A

1.引言

随着煤炭生产机械化的发展,回采率的提高,如何实现快速掘进日益成为限制煤炭高产高效的一个主要因素。上世纪50年代出现的掘进机以其灵活、高效的优点在煤炭开采领域迅速推广开来,进而扩展到许多民用建设和一些软岩隧道挖掘中来。掘进机一般用于软或中硬程度且研磨性小的岩石。然而,随着采煤机械化程度的提高和巷道断面的不断扩大,掘进机必须面对越来越硬和研磨性更强的岩石。这其中最大的挑战就是一些坚固的砂岩,它的单向抗压强度超过170 MPa且结构致密、富含石英。为了在硬度较高的岩石中使用掘进机,就需要对截割刀具和截割头设计进行深入的研究。这种机器必须具有较强的破岩能力以提高生产率、降低刀具磨损。这就需要足够的机器动力和机器质量来承受由此带来的巨大截割力,并尽可能降低机器震动。因此,发展具有高功率、大质量的重型硬岩掘进机就显得尤为迫切。重型掘进机在国外已有了很好的发展,但在国内尚处于起步发展阶段,许多问题还有待于研究解决。本文在提出重型掘进机性能限制因素的前提下,对其改进方向进行了较深入的探讨和研究。

2.EBZ-135型纵轴式掘进机截割头概述

2.1主要用途及适用范围

该机主要用于煤岩硬度≤7的煤巷、半煤岩巷及软岩的巷道、隧道掘进，能够实现连续切割、装载、运输作业。定位截割断面20m2（截割宽度5.1米,高度4.0米)，经济截割硬度≤70MPa，最大可截割硬度80MPa，纵向工作坡度≤±18°。

2.2EBZ135悬臂式掘进机执行标准

MT/T238-1991悬臂式掘进机通用技术条件

2.3EBZ135悬臂式掘进机使用环境条件：

EBZ135掘进机在下列条件下可正常工作

(1). 海拔不超过2000m;

(2). 环境温度-20℃～+40℃;

(3). 周围空气相对湿度不大于90%(+25℃);

(4). 在有瓦斯、煤尘或其他爆炸性气体环境矿井中；

(5). 与垂直面的安装斜度不超过18°；

(6). 无破坏绝缘的气体或蒸气的环境中；

(7). 无长期连续漏水的地方；

(8). 污染等级：3级

(9). 安装类别：Ⅲ类

3.切割头类型

切割头的类型包括纵轴式切割头和横轴式切割头。在掘进机的设计和使用中，由于切割头类型的选择对工程作业成本影响较大，所以争论得较为激烈的问题是如何在上述两类型切割头中进行选择，以及哪一种切割头更适用切割硬岩。

（1）纵轴式切割头。对于纵轴式掘进机，切割头的旋转轴与切割臂的轴在同一条直线上，其旋转方向与切割臂电机轴相同。在横向弧形切割和向上切割运动时，单个截齿保持在与巷道横断面相同的平面上，作摆线运动轨迹。电机的动力经减速机和主轴传到切割头，减速机一般采用减速比较大的结构紧凑的行星轮机构，典型的切割头速度为20～65r/min

（2）横轴式切割头。切割头由左右两半部构成，安装在切割臂的两侧，其旋转轴垂直于切割臂的轴线，与连续采煤机的切割动作类似。在切割臂上下运动切割时，单个截齿的运动轨迹为摆线，而当横向弧形切割时，截齿轨迹为螺旋线。马达的动力由锥齿轮和正齿轮传递，为了结构紧凑，有些掘进机行星减速器外壳安装在切割头内。比起纵轴式来说，横轴式切割头减速比较低，正齿/斜齿布置也不如行星式紧凑，切割头的两半部在切割臂的两侧分别驱动，典型的转速在45～100r/min之间，对于能力相同的机器，横轴式切割头直径较纵轴式大。

4.切割方式

通常情况下，岩石的抗压强度要比抗拉强度或剪切强度大得多，其比值通常是10：1，因此，应尽可能利用其抗拉和剪切强度，在实践中意味着岩石应该切崩出来，而不是挤压切割，沿阻力越小的方向切割，能耗越小。当切割层状岩层时，沿分层方向切割比垂直于分层面切割的能耗明显要小。在许多情况下，分层面是水平的，有利于横向弧形的切割方式。在硬岩中，纵轴式掘进机可以充分利用沿岩层强度较弱的方向进行切割的有利因素，使其能在中硬以上岩层作业中顺利切割，这是利用了岩石较低的拉伸强度和剪切强度的缘故。在切割硬岩过程中，一个最重要且最基本的要求是使切割刀具有一个合理的截深，过低的或不合适的截齿的切割量，只会引起过多磨擦，增加截齿的损耗，产生更多的粉尘。为保证适当的截齿给进量，则须最大限度地提高截齿的切割力，而这又与一系列内在相关的基本因素如截齿线速度、切割头直径、同时接触岩石的截齿数和产生的最大扭矩等有关。适当的给进量还要求机器稳定性能好，切割臂具备一定的圆弧方向和向上方向的力量，以保持切割头上的刀具切进岩石，防止切割头摇摆。对于横轴式切割头，无论是向上还是向下切割，两个切割头同时与岩层相接触，与纵轴式切割头相比，同时切割岩石的齿数较多，因此每个截齿只具备较低的切割力。如果岩层较硬，将横向切割掘进机切割方式改变成螺旋推进式的切割方式会更有效，以便增加每个截齿的切割力。但是在这种情况下，只有1个切割头在工作，后部的1个切割头在前部切割头凿开的区域滚耙，有效的切割功率只被前部切割头利用，后部的切割头滚耙浪费能量，产生灰尘，磨损截齿。而纵轴切割头则可以更有效的摆线方式切进。当画弧形切割时，横轴式切割头也只有前部切割头发挥切割功能的作用。而纵轴切割头可以任意方向运动，左右摆动，向上、向下或对角线方向，十分灵活，并且可以选择在阻力最小的方向进行切割，且总是以摆线切割轨迹。由于纵轴式切割头可在各个方向有效切割，即水平、垂直或对角线方向，所以适用于坚硬、有断层或倾斜岩层的掘进作业。无论岩层的方向如何，都可能进行选择性地挖掘。

总之，横轴切割头在软岩中效率较高，因为此时截齿切割力不是那么重要。然而，在硬岩中则不然，根据经验，必须使用直径较小，截齿切割力较大的纵轴式切割头。

5.硬岩切割中的稳定性

为降低扭矩，减少造成齿轮箱和机械零件破坏，都必须进行平衡设计。近年来的计算机辅助设计大大降低了切割头的振动，从而也改进了切割性能，降低了截齿消耗，提高了机器的稳定性。所有的巷道掘进机在垂直方向上切割时，其稳定性都有赖于机器的重量。向下切割时，其支点是后部稳定装置；向上切割时，则是装岩集爪盘的前沿。理论上说，上下切割应比横向画弧形式切割稳定得多，然而实际上只有软岩条件下这一理论才能成立。在中硬岩中，机器的这一优势不存在，因为机器此时无法进行有效切割。纵轴式重型掘进机的切割臂上安装的都是双速齿轮箱，因此有高低2种速度。低速用于切割较硬的岩石，此时由于齿轮速度低，所以截齿切割力较大，切割马达的能量经过传动装置得以增大。当掘进机进行上下切割而且作用力又较大时，机器不稳定情况更严重。通过综合考虑机器的重量分布、支点位置、切割臂结构因素后，可最大限度地提高机器的稳定性。

综上所述，在重型掘进机选型过程中，应根据具体的地质条件选择合适的机型，确保可以进行有效采掘和机器的稳定。通常在岩石硬度较高的情况下，应选择纵轴式掘进机，而在软岩中应选择横轴式掘进机，以发挥不同机型的优势。

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