悬臂式掘进机现状浅析及其行走机构改进初探
悬臂式掘进机现状浅析及其行走机构改进初探
摘 要：本文结合已有的悬臂式掘进机资料，介绍了其发展现状及我国与国外的差距，并对其行走机构的改进进行初探。明确了多段式履带行走机构应用在悬臂式掘进机上的设计想法。
关键词：悬臂式掘进机；发展现状；多段式履带行走机构
中图分类号：TD421•5
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近年来悬臂式掘进机已成为我国煤矿巷道掘进的主要设备，并且使用掘进机掘进也是采掘工艺的发展方向。我国自20世纪80年代初大批引进煤炭采掘设备，经过消化吸收、提高，特别是近几年随着民营资本的进入，使我国的煤炭采掘设备有了长足的发展，基本上能满足我国现阶段煤炭采掘需求，并开始走向了国际市场。[1]特重型悬臂式掘进机的发展日新月异，在努力争取完全自主知识产权的同时，自主创新、引领发展也是设计的目标。
2009年4月，我国三一重型装备有限公司为其自主研发、设计、制造的EBZ318H全岩掘进机举行了出厂仪式暨新闻发布会。这是三一创造的又一项世界之最。这台售价过千万元、被称作“世界第一掘”的庞然大物，是目前全球截割功率最大、截割面积最大、破岩硬度最高、自身重量最重的掘进机。这标志着三一重装硬岩掘进机产品形成系列，全面替代进口的大幕已经完全拉开。梁稳根曾经说过：“在不久的将来，世界上最好的煤机不是美国制造，也不是德国制造，而是中国制造！”[2]
本文的研究内容：综合已有悬臂式掘进机资料，简述其发展现状及我国与国外的差距，并对其行走机构的改进进行初探。明确了多段式履带行走机构应用在悬臂式掘进机上的设计想法。
1. 我国悬臂式掘进机现状
目前，我国已形成年产1300余台的掘进机加工制造能力，研制生产了近30种型号的掘进机，其中重型掘进机的比例逐年增大，从整体看，基本能够满足国内市场的需求。[3]2000年以后进入快速发展阶段。目前为止，国内轻、中、重型和硬岩系列掘进机，机型有EBZ55、EBJ75、EBJ90、S100、AM - 50、EBZ110、EBZ120、EBZ132、EBZ135、S150J/H、EBJ160、S200M、EBZ230、EBZ300等十几种机型。[4]
2006年2月，由三一重装自主研发的中国首台200H型硬岩掘进机完成样机试制。标志着我国已具备重轴悬臂式重型掘进设备的研发、制造能力。EBZ200H掘进机整机性能更稳定、功率匹配更得当，有多种自主研发的技术和借鉴内外的成熟技术，代表了新一代的掘进机的发展方向。[5]2007年7月，由沈阳三一重装公司自主研发的国内第一台硬岩掘进机在山西霍州煤电集团李雅庄矿投入使用。该机属国内首创，是煤机国产化取得的又一个重大突破。三一重装瞄准国际先进水平，仅用三年多时间就自主开发了大功率硬岩掘进机、掘锚一体机、大坡度掘进机、连采机、窄机身掘进机等一批国内首创产品。世界第一台全自动掘进机的研发成功，使三一重装抢占了煤机制造技术的制高点。[6]2009年4月“世界第一掘”——三一重型装备EBZ318H掘进机揭幕。截割功率达318kW，总功率达589Kw，最大定位截割断面达39m2，均为国内最大。其截割扭矩是行业中EBZ200标准型掘进机的2.2倍，能有效截割岩石硬度f10的全岩断面，最大截割硬度可达f13，是目前国内唯一经济截割硬度达f10以上的全岩掘进机。[7]2009年10月11日，由佳煤机公司自主设计开发的中国截割功率最大、吨位最重、截割头采用横轴设计的EBH350重型掘进机，在佳煤机成功下线。EBH350型掘进机，总长13.3米、宽3.6/4米、高2.2米，机重125吨，装机总功率555kw，定位切割面积达42.2 m，最大单轴抗压强度130MPa，具有轨迹跟踪、自动切割、液晶汉字动态显示、故障自诊断及记忆等功能，是中国技术领先、功能齐全、全新智能化设计的新一代重型掘进机。该产品的成功下线，缩小了与国外掘进机技术的差距。[8]中国中煤能源集团有限公司所属石家庄煤机公司，在国内首创出掘进机自动定位截割系统，获得国家专利。[9]悬臂式特重型掘进机在我国正处于快速发展阶段。
2. 我国悬臂式掘进机与国外产品的差距及发展趋势
国外主要以中硬岩和工程隧道为作业对象的重型、全岩巷道掘进机和掘锚机组，机重多在40~100t，部分机型机重超100t。可截割岩石硬度系数:纵轴可达f=8~10，横轴可达f=10~14，截割功率为150~300kW。掘进机适用范围在扩大；掘进断面在增加；适应坡度在提升；截割能力进一步加强；辅助功能增加、智能控制技术得以提高。[4]
我国掘进机设计开发与制造存在一些急需解决的问题：首先是产品设计理念、设计手段相对落后，无论是研究院所还是制造厂，更多重视追求应用技术，轻视基础理论的研究。其次是产品制造工艺、检测实验手段、加工设备相对落后。还有就是主要产品的核心技术并没有完全掌握，我国掘进机的开发主要是引进、跟踪仿制，缺少创新和自主的知识产权，如液压阀的核心技术靠外国公司提供。最后是产品使用寿命、可靠性相对进口产品较差，对产品的可靠性和工艺研究不够。 [1]
我国重型掘进机在岩巷掘进试验中也获得一定的成效，可在发展过程中与其它国家还有一定距离，比较集中的体现在设备的能力、可靠性和智能化方面。国外设备在使用中，机器稳定性好，故障点少，遥控技术给操作带来了方便，各显示功能也较齐全，并在岩巷掘进技术方面已进入了高可靠性和产业化阶段，均将成熟的产品较多地用于煤岩硬度f≤10的巷道、隧道掘进。我国研制的重型掘进机较多地吸收了国外产品的技术，总体设计水平有很大提高，主要表现为结构紧凑、造型简洁、重心降低，元件性能及质量有较大幅度提高，安全保护更为完善，从性价比上看，远远高于国外同类产品，代表了中国重型掘进机最新技术水平。但与国外新型掘进机相比，除总体性能参数偏低外，应用范围较窄，在基础研究方面也比较薄弱，没有完整的设计理论依据，计算机动态仿真等方面还处于起步阶段，整机遥控技术、推进方向监控、切割电机功率自动调节、截割路径循环程控、切割断面轮廓尺寸监控及工况检测和故障诊断等技术还有待进一步提高。[3]
我国悬臂式掘掘进机向重型化方向发展；矮、窄机身中型掘进机；辅助功能多的机型、主辅机一体化；通过综合、成套技术提供整体解决方案；向系列化、标准化、模块化方向发展；除了以上提及的几个方面以外，还有一些特殊的要求。另外，还有一些融入了人性化和工业造型化的设计，使掘进机操作、维护更加方便简捷。[1]
3. 悬臂式掘进机行走机构改进初探
由当今掘进机的发展现状可知，产品的推出先于标准的制定，包括硬岩掘进机的一系列的掘进机相关发明均为标准之外的设计。特重型以下的掘进机应用范围较广，且特重型掘进机是发展趋势。2009年国家行业标准的更新仍跟不上新型掘进机的设计需求。行走机构智能化、全自动掘进机等技术，我国已学得或首创。相应标准只是起到参考借鉴作用，并未强制，尤其不断研发的已知标准数值外的新产品。随着悬臂式掘进机吨位的不断加大，行走机构的不断放大，在巷道尺寸要求下，使得行走机构加大是有限度的。在掘进机早已开始质的飞跃，不再单纯放大，随着窄机身掘进机[10]等一系列的发明，行走机构也已不可以不断的放大，应有新的设计。除了采用液压步行式，多段式履带可以考虑。
目前，煤矿掘进机的行走部分使用液压马达推动履带进行整机的移动，行走和转向，这种行走装置有几点不足：第一是因履带运行必须循环，故其高度不能降至很低，顾及对地板压强的因素，其长度、宽度不能很小，所以液压马达、履带及其传动减速装置占据整机空间的比例较大，使整机体积庞大且压缩了装煤溜的过煤面积，不利于提高装煤效率，第二是液压马达结构精密复杂，对油液污染敏感，造价较高，现有掘进机体积和造价在很大程度上受其行走装置的制约，第三是履带式行走装置结构笨重复杂，安装在整机的下方，不便于拆检、维修。[11]
当今坦克注重机动性，多履带几被淘汰，而掘进机无地形问题，几乎不用考虑四履带因路况变形扭转问题，无速度及机动性、灵活性方面的要求。设计多段式履带行走机构的悬臂式掘进机，在解决承重问题的同时，加长了车身，提高稳定性，适应窄小巷道。新型特重型悬臂式掘进机车长十几米超过全长9.72米的全世界最长的坦克T-35，车重超过100吨，将赶上“鼠式”重型坦克的188吨。采用贯通式履带，单条履带的重量很可观，极大的增加了车重，同时履带的张紧力也非常大，这样行驶时带节之间连接轴的剪切应力将十分大，加速时受力很大，对应车重，履带加宽，车身加宽。很多数千吨的工程机械采用履带式设计，它们履带宽度极宽，也极厚重，车速很缓慢。履带式车辆的转向靠差速完成，转弯半径与两条履带之间的横向距离以及履带本身的宽度成正比，那么无限制的缩小横向距离和带宽而增加接地带长显然不行。转弯半径稍小一些地面对其产生的横向阻力很大。为了应对这个问题，多段式履带概念设计应运而生，但是如果采用多段式的履带设计，结构将极其复杂，也为控制带来诸多困难，实用性大大降低。四履带横列布局，控制设计很难，在低速行走的工程机械中，可采用控制更难的纵列式多履带设计。尤其在矿山悬臂式掘进机受巷道截面积的约束，还期望不断加大功率、检修快速等，多段式履带行走机构减小了部件的重量，分段检修，便于支撑拆检。在悬臂式掘进机进一步大型化的需求下，多段式履带行走机构是可以探讨的。
4. 结论
本文浅析了悬臂式掘进机的发展现状与趋势，提出了其现有行走机构的缺陷，明确了多段式履带行走机构的设计想法。特重型悬臂式掘进机的不断发展将继续使设计不断改进及重大创新，悬臂式掘进机的行走机构将会有质的飞跃。
参考文献
[1] 高承兴,刘德林.掘进机的技术现状及发展趋势[J].煤矿机械,2009.5,30(5):3-4.
[2] 三一重装硬岩掘进机形成系列全面替代进口[EB/OL].https://www.ccoalnews.com/2008mtbk/103036/119673.html,2009.11.2.
[3] 刘传军,韩冰,杨洪民.我国悬臂式重型掘进机的现状与发展趋势[J].煤炭技术,2009.11,28(11):1-2.
[4] 高春花.悬臂式掘进机开发设计方向的探讨[J].煤矿机械,2009.3,30(3):28-29.
[5] 中国首台200H型硬岩掘进机问世[EB/OL].https://www.chinajsb.cn,2006.2.20.
[6] 陆洲.三一重工推出国内首台硬岩掘进机[N].中国证券报,2007.7.4.
[7] 三一重型装备EBZ318H掘进机揭幕仪式[EB/OL].https://www.chinacrane.net/news/3/15889.shtml,2009.4.17.
[8] 中国最大截割功率EBH350型重型掘进机在佳煤机下线[EB/OL].https://www.ccoalnews.com/2008mtbk/103036/119690.html,2009.11.2.
[9] 中煤集团国内首创掘进机自动定位截割系统[EB/OL].https://www.ccoalnews.com/2008mtbk/103036/119679.html,2009.11.2.
[10] 三一重型装备有限公司.窄机身掘进机[P].中国:200710010040.4,2008.7.16.
[11] 郝忠文.掘进机的行走装置[P].中国:ZL200720035087.1,2008.3.5.
Brief Analysis of Actuality of Boom-type Road Header and Preliminary Exploration of Improvement of Its Traveling Mechanism
Chen Congfei
Mechanical Engineering College, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning (123000)
Abstract
In this paper, according to the information, the actuality of the development of the boom-type road header and the gap of overseas and domestic are introduced, and the improvement of its traveling mechanism is initially explored. The design philosophy of the adhibition of the many parts caterpillar track traveling mechanism in the boom-type road header is clarified.
Keywords: boom-type road header; actuality of development; many parts caterpillar track traveling mechanism
