悬臂式重型掘进机硬岩切割
提出了悬臂式重型掘进机硬岩切割的关键技术问题，并结合EBZ300TY重型掘进机的研制开发，对所采取的技术措施进行了探讨。提出了根据用户特定地质条件进行工作参数合理匹配、刀具改进设计方向、截割头选取的类型、整机稳定性及布置、关键部件的开发和导向定位及断面监视等方案。
关键词：重型掘进机；硬岩切割；关键技术
我国悬臂式掘进机是20世纪60年代发展起来的，经近50年的研究、试验和改进，机器性能不断提高，已开发出截割功率50～220 kW，从轻型到重型的20多种型号的系列产品，在煤矿井下煤及半煤岩巷道的机械化掘进中广泛应用，基本满足了近年来我国煤炭工业快速发展的需求。随着我国 矿井规模和工作面单产的不断提高，大批千万吨级现代化矿井的建设，特别是新井建设中岩石巷道的开拓，对全岩掘进机的需求逐年增加，对其技术能力和要求也持续提高。
研制截割功率达到300 kW，机器质量超过100 t，适应巷道断面30～50 m。，截割岩石单抗压强度达到120MPa的重型硬岩掘进机，正是在不断增长的需求和掘进机技术快速进步的前提下提出的。同过去50年研制的掘进机相比，它不是简单的局部改进，也不是以往成功机型的放大或缩小，而是掘进机技术一次意义深远的多方面变革。这是因为它的一些关键技术将会推广应用到其他掘进机产品上，进而带动整个掘进机行业的技术进步。下面根据目前国内外掘进机的发展动态和开发体会，对重4型掘进机硬岩切割的关键技术进行初步探讨。
1 截割能力
硬岩切割能力是重型掘进机使用范围受限制的最主要因素，也是重型掘进机研制的核心所在，其能力高低通常有3个指标来衡量，即截齿损耗率(把／m3)、生产能力(m3／h)和截割比能耗(kw．h／m3)，其中以截齿损耗率更具决定作用。在掘进机切割硬岩时，如果岩石硬度高或者研磨性 很强导致截齿实际损耗率超过l把／m3，那么就会由于高昂的截齿消耗费用，以及经常更换截齿和机 器的振动加剧增加的维护费等与钻爆法相比变得不 经济。因此，使重型掘进机的截割能力适应硬岩切 割至关重要，为此需要对工作机构的参数选择、截割头类型和截割刀具等进行深入研究。
1．1 工作参数合理匹配与性能预测
在掘进机截割过程中，一个最重要且最基本的参数是切削厚度(截齿截割煤岩体的深度)，与被
截割岩石性质不适合的切削厚度只会降低截割效 率，增加截齿的磨损，产生更多的粉尘。在岩石截割时，为确保达到设计要求的切削厚度，这又与一系列内在相关的基本参数有关u。，如截线间距、截割牵引力、牵引速度、截割速度、截割头直径、截齿的类型及其布置等。
当前量大面广的轻型和中型掘进机主要用于煤 巷或半煤岩巷的掘进，由于煤的硬度较低，在其参数选择和匹配计算时，往往需要考虑具有一定的通用性和适应范围。与轻型和中型掘进机不同的是，重型硬岩掘进机主要用于岩石巷道的掘进，由于地质条件不尽相同，岩石的组织和构成种类繁多，结构各异，形成的力学性质千差万别。由于切割硬岩的特殊性，在进行硬岩掘进机设计时，针对用户特定地质条件的岩石性质来进行参数选择和匹配是重型硬岩掘进机正确设计的前提。在针对不同岩石类型，如强度、磨蚀性、岩石类型等进行截割试验的基础上，结合专用设计软件来进行截割工作参数的优化设计，是使硬岩掘进机达到高截割性能的必由之路。
此外，对设计参数的性能预测是掘进机成功使用的一个重要因素。根据国外研究机构的研究成
果㈨，可根据一定的预测方程式对截齿损耗率和 截割生产能力进行预测。将所截割岩石的单向抗压强度、截割功率、掘进机重量、截割头直径等参数作为标准化参数。
得出的结论是在截割硬度达到120MPa时截齿消耗率达到较经济的水平。
1．2刀具改进设计
近50年来，科研人员为了提高掘进机截割岩石的能力做了大量的试验研究，比如增加机器的重
量，设计坚固的机架，增大截割功率等。试验表明，制约硬岩掘进的主要因素仍是截齿，由于截齿 性能的好坏、寿命的长短直接影响掘进机的经济性，因此就需要对截割刀具进行深入研究。
目前，在掘进机上大量使用的带锥形合金头的镐形截齿，由于其所具有的自刃性、耐冲击性而得到了肯定，在各种掘进机上被广泛使用并趋于标准化。另外，通过采用新的焊接技术、增大合金头直径和提高截齿根部抗磨性等方法，较大改善了镐形截齿的耐用性。尽管对镐形截齿进行了深入研究，制造工艺也有了极大的改善，但仍然无法经济地用于研磨性较强的硬岩挖掘。这是由于当镐形截齿工作时与岩石的接触面积大，在磨损较高的阶段齿尖变钝时，会产生负的后角，大的磨损平面挤压岩石并产生大量的岩粉，工作时需较大的比能，截割效率很低，如果镐形截齿停止旋转，那么其截割性能恶化速度还会加剧。
应该改善刀具的外形设计，使通过刀具转移给岩石的力和能量达到最大值。最近研制的新型刀具，有美国科罗拉多矿业大学地质机械研究院研制的圆盘截割刀具口0，还有澳大利亚时代矿业服务公司开发的锒形合金头截齿。前一种刀具通过旋转截割用于硬岩切割，由于刀具的外形尺寸大而掘进机截割头尺寸小使用受到限制；后一种刀具具有截割比能耗稳定，刀具使用中锐利程度一直保持不变，粉尘少、震动小、块度大的特点，是硬岩掘进机较理想的选择，并具有广阔的使用前景。
1.3截割头类型
截割头的设计通常满足以下要求：刀具消耗小，受力均匀，稳定性好，截割效率高。要实现这
些要求，主要的设计准则就是每个刀具在截割头旋转一周时能够切下相同的物料。实践表明，在掘进机的横、纵轴2种型式的截割头中，横轴掘进机更适合硬岩切割M。]。这是由于横轴截割头截割断面小，同时参加截割的截齿数量少，在机器允许最大工作阻力相同时，就可以采用较大的单刀力；横轴截割头截线间距小，可以采用较小的截深，单齿截割阻力就较小，因此横轴式比纵轴式的截割硬度高；横轴式前进开切时，由于截割力和牵引力都位于与悬臂轴线相平行的平面内，可以充分利用机器的重量，截割稳定性好，且截齿的受力和排屑效果都较纵轴式好。
2 工作稳定性和整机的布置
稳定性是评价掘进机性能的一项重要指标，直接影响着截割性能和机器的可靠性。影响掘进机稳定性的因素有很多，如截割头的载荷、整机布置的均衡、接地面积、机身高度、机架和悬臂等主要构件的重量及刚度、截割头型式等等。
重型掘进机主要是为切割硬岩而设计，它的主要特点是机器重量大，功率大。大的机器质量可以为截割提供更加稳固的工作平台，有效降低机器的震动，但同时也带来整机均衡布置难，机器的接地比压大的问题，如何使整机布置均衡，重心位置合理是重型机设计的一项难点。重型掘进机重量超过了100 t，虽然采用横轴式截割机构具有良好的工作稳定性，但截割机构的重量大，使整机重心靠前，致使履带前部接地比压过大，需要对机架以及行走底盘的布置采取特殊手段，一方面调整机架和履带架的结构设计，合理配重，并增加其强度和刚度，另一方面在参数匹配要求范围内，尽量增大履带接地面积以降低接地比压。
3关键部件的开发设计
新的技术性能要求以及不断增加的机器重量和功率，使以往掘进机的部件已经不能完全满足机器整体要求，需要对关键部件进行试验研究。
重型掘进机截割机构重量过大，传统的回转支承无法满足回转机构的工作要求，需开发设计新型回转机构。齿轮齿条回转机构具有承载能力大、回转牵引力恒定、抗冲击振动能力强、运转平稳、结构紧凑等优点。
重型掘进机接地比压大，使得行走牵引装置效率不高，尤其是在松软、潮湿的地面上。伸缩式截割在很大程度上解决了这个问题，它可以在机器静止的情况下，充分利用机器的重力及履带牵引装置与地面的摩擦力，使截割头产生更大的推进牵引力。然而，传统的花键内伸缩和T型槽外伸缩结构，不仅结构复杂、加工困难，而且故障率比较高，因此需要针对重型掘进机截割悬臂的特点开发坚固稳定的伸缩机构。
4掘进机导向定位及断面监视
重型掘进机体积大，司机视线差，按照传统的 掘进方法去精确切割断面并确保推进方向正确是非 常困难的，常常依靠掘进机司机的经验和技术，大多数情况下需要重复切割或修补超切区域，因此操作成本很难控制。如何在最短的时问、最大切割精确度、使用最少的操作成本，是硬岩掘进机需要解决的又一个难点。
解决上述问题，通常采用掘进机自动化定位系统。这是通过使用一个高集成度计算机驱动的掘进机操作显示器来完成的，如图2所示。显示器可以 清晰标出精确的掘进机位置和方向信息；设计巷道断面的轴向投影轮廓；掘进机切割头在理想断面上的实时位置。通过使用该系统可以实现精确的断面控制；保证巷道按照设计方向推进；提高掘进机进尺；可以完成不可见部分巷道切割；自动超前测量经纬仪站点等功能。
5 辅助功能
5．1 掘进工作面综合除尘系统总体配套技术
目前湿式除尘系统在掘进巷道使用效果不佳的一个主要因素就是，除尘系统没有能和掘进机以及工作面供风系统进行有效的配套，所以掘进工作面综合除尘系统总体配套技术研究也是重型掘进机研制中的一个主要研究内容。另外，大断面控尘技术的研究及控尘装置的作用，是控制综掘工作面含尘气流向外扩散。其中的关键问题和技术难点就是附壁风筒形成附壁效应最佳风速的确定，需要对此进行深入研究。
5。2锚杆支护系统
锚杆支护是目前煤矿井下巷道支护主要支护形式，将锚杆钻臂系统与掘进机集成于一体，实现了综掘工作面锚杆孔钻进和锚杆安装的机械化作业，极大地提高锚护效率，减少辅助作业时间，有效缩 短锚护作业循环时间。另外，锚护作业自动化控制的实现，进一步提高了锚护效率并减少了作业人员数量，提高了锚护作业的安全性。
6 结 语
1)针对特定地质条件的岩石性质来进行参数选择和匹配是重型硬岩掘进机正确设计的前提。
2)采用截割比能耗稳定，锐利程度保持不变的新型锒形合金截齿，是重型硬岩掘进机较理想的
选择。
3)为了更好地适应硬岩切割，重型硬岩掘进机采用横轴式截割方式，具有生产能力大、工作稳
定性好、比能耗低的特点。
4)应根据重型掘进机的特点对各部件均衡布置，并合理配置。
5）根据中型掘进机的特点，开发坚固稳定的伸缩式截割机构和重载回转机构。
6）采用掘进机导向定位及断面监视系统，改善重型掘进机操作性能。
7）以重型掘进机为技术平台，采用还可以装备自动灭尘装置和锚杆支护系统，提高工作人员的安全性、综掘工作面效率等。
