原曄

摘要： 本文介紹了采掘裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了大斷面煤巷掘進機的主要組成部分及結(jié)構(gòu)特點，對主要元部件截割頭、裝載機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、履帶行走機構(gòu)進行了設(shè)計。并對整機進行了地面試驗，表明該機截割能力強、穩(wěn)定性好、性能可靠，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調(diào)，促進我國綜掘機械化發(fā)展具有極其重要的作用。

關(guān)鍵詞： 大斷面；掘進機；截割頭；行走機構(gòu)；裝載機構(gòu)

中圖分類號：TD421.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我國煤礦采煤技術(shù)裝備與礦井配套設(shè)施得到快速發(fā)展，使礦井生產(chǎn)能力和自動化程度極大提高，神華集團一批代表我國先進采煤技術(shù)水平的特大型礦井的綜采工作面普遍采用了大功率、高自動化程度采煤裝備，使工作面單產(chǎn)不斷提高、推進速度不斷加快，采掘比例失調(diào)仍然嚴重，綜掘技術(shù)與裝備的發(fā)展滯后于綜采，采掘比例失調(diào)仍然嚴重，制約了煤礦高效、節(jié)約、自動化開采的發(fā)展?！笆晃濉币詠?，我國在煤及半煤巖巷道掘進技術(shù)與裝備方面取得了巨大的進步，但發(fā)展重點集中于半煤巖及巖巷掘進機，大采高綜放工作面設(shè)備所采用的設(shè)備大，而且生產(chǎn)過程中推進速度快，另外，還有瓦斯、通風等安全生產(chǎn)的需要，一般采準巷道的斷面都設(shè)計比較大，且為煤巷掘進，因此需要開展大采高大斷面煤巷掘進機的研究。

1 研究方法

該機的研究采用總體設(shè)計、部件重點攻關(guān)的思路實現(xiàn)。由于大斷面煤巷掘進機是由各個部分組成的有機整體，因此在研究過程中，應(yīng)首先確定掘進機的總體技術(shù)參數(shù)，在此過程中采取理論計算、國內(nèi)外同類機型對比、試驗驗證多種方式相結(jié)合的方法進行，以最大限度的實現(xiàn)其合理性，然后制定具體的設(shè)計方案。設(shè)計中采用虛擬樣機技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計方法相結(jié)合的方式，通過先進的設(shè)計分析軟件對整機及各部件裝配、性能進行分析，降低設(shè)計風險，縮短設(shè)計周期，提高物理樣機的整機性能，然后對關(guān)鍵元部件及核心技術(shù)進行各個突破，對一些重要元部件，如截割減速器、回轉(zhuǎn)機構(gòu)，穩(wěn)定支撐機構(gòu)以及智能控制系統(tǒng)等，在設(shè)計完成后，先進行計算機模擬分析，然后進行實驗室試驗，以確保其運行可靠性。

2 大斷面煤巷掘進機的研究

2.1 總體設(shè)計及結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)大斷面巷道掘進的特殊要求，結(jié)合我國煤礦井下情況，提出了掘進機的主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。然后，采用先進的三維軟件建立虛擬樣機并進行模擬分析，以合理的質(zhì)量體積比，具有最高截割功率和高截割穩(wěn)定性為優(yōu)化目標，建立動力學(xué)模型對整機進行優(yōu)化設(shè)計，確定整機設(shè)計參數(shù)。按照總體設(shè)計的要求，主要技術(shù)性能參數(shù)確定整機系統(tǒng)組成及它們之間的匹配性，各部件的結(jié)構(gòu)形式，進行必要的總體計算。

大斷面煤巷掘進機是一種集截割、裝載、運輸、行走、支護等功能于一身的綜合機組，其作業(yè)環(huán)境和條件非常惡劣，工作載荷多變，載荷的計算非常復(fù)雜。因此，在建立掘進機截割巖壁的力學(xué)模型時，對掘進機的運行工況進行了適當、合理的假設(shè)和簡化。大斷面煤巷掘進機主要由截割機構(gòu)、裝載機構(gòu)、刮板運輸機、機架和回轉(zhuǎn)機構(gòu)、左右行走機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水、護板總成等組成，如圖1所示。所有的執(zhí)行機構(gòu)都由電機、液壓泵和液壓馬達來驅(qū)動，控制系統(tǒng)采用CAN總線控制方式。

2.2 高性能截割頭的設(shè)計 首先根據(jù)不同截割對象的巖石力學(xué)性能，對每種巖石的破碎過程和破碎現(xiàn)象進行試驗研究，分析各種巖石的破碎機理和破碎條件。通過實驗將截割過程產(chǎn)生的截割阻力、截割振動和截割粉塵等參數(shù)進行記錄，然后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作為截割頭設(shè)計的參考，如圖2所示。通過對截割頭截齒排布理論和設(shè)計方法的研究，設(shè)計出適合于截齒排布的算法，編寫截割頭截齒排布軟件，截割設(shè)計軟件能夠?qū)Σ煌庑屋喞慕馗铑^進行設(shè)計計算，滿足大斷面煤巷掘進機的設(shè)計要求。當用截割頭設(shè)計軟件計算的截割頭截齒排布符合設(shè)計要求時，就可以將這些截齒排布參數(shù)用于截割頭裝配虛擬制造系統(tǒng)。

2.3 裝載機構(gòu)的研究 裝載機構(gòu)主要由鏟板及左右對稱的驅(qū)動裝置組成，如圖3所示，通過低速大扭矩液壓馬達直接驅(qū)動三爪星輪轉(zhuǎn)動，從而達到裝載煤巖的目的。裝運系統(tǒng)是掘進機的重要組成部分，其設(shè)計質(zhì)量直接影響掘進機的動力消耗和生產(chǎn)率等。裝運系統(tǒng)的研究，從兩個方面進行了考慮，一是對影響裝載機構(gòu)裝載效率的設(shè)計參數(shù)：轉(zhuǎn)盤大小、形狀、轉(zhuǎn)速以及鏟板傾角、插入料堆深度進行研究、優(yōu)化；二是對裝載鏟板的結(jié)構(gòu)進行了大的創(chuàng)新設(shè)計，研制成功改向鏈輪前置的新型裝載機構(gòu)，有效解決了裝載機構(gòu)中間由于轉(zhuǎn)盤無法夠到而形成的“裝載死區(qū)”問題，提高掘進機裝載機構(gòu)的自裝效率。

2.4 抗沖擊、大載荷新型回轉(zhuǎn)機構(gòu)的研制 回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要的作用是將截割機構(gòu)工作過程中產(chǎn)生的交變載荷通過機架轉(zhuǎn)移到履帶行走機構(gòu)上，進而傳遞到地面上去。因此，回轉(zhuǎn)機構(gòu)研究的重點是提高其可靠性，并通過設(shè)計，降低截割機構(gòu)工作載荷對整機造成的沖擊。回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要用于支承、聯(lián)接并實現(xiàn)截割機構(gòu)的升降和回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)通過止口、高強度螺栓和螺柱與機架相聯(lián)。在工作時，齒輪齒條互相嚙合來實現(xiàn)截割機構(gòu)的水平擺動。截割機構(gòu)的升降是靠連在回轉(zhuǎn)機構(gòu)上的截割升降油缸來實現(xiàn)的，齒輪齒條式新型回轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖4所示。

2.5 履帶行走機構(gòu)的研究 該履帶行走機構(gòu)具有載重大、耐沖擊強的特點，采用了支重輪結(jié)構(gòu)，以降低滑動摩擦阻力。為了井下組裝和維護方便，履帶行走機構(gòu)與機架的聯(lián)接設(shè)計為掛鉤式，行走機構(gòu)采用履帶式，左、右對稱布置，分別驅(qū)動。左右履帶架通過高強度螺栓與機架相聯(lián)。每個行走機構(gòu)均由液壓馬達提供動力經(jīng)行走減速器→驅(qū)動鏈輪→履帶鏈，驅(qū)動履帶行走。為了提高履帶行走機構(gòu)的可靠性，履帶架設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)，履帶板采用整體履帶板，并利用計算機分析軟件對履帶架、履帶板進行了受力與變形分析。

3 地面試驗

整機設(shè)計完成后進行了巖壁截割試驗，如圖5所示，試驗中針對掏槽、左右擺動、上下擺動和臥底各種工況進行了長時間的循環(huán)截割。在截割過程中整機表現(xiàn)出良好的截割穩(wěn)定性，截割能力強、截齒磨損小，試驗中對整機的截割穩(wěn)定性、元部件振動等參數(shù)進行了檢測，如圖6為橫掃工況下截割減速器的三向振動加速度。

測試表明，截割減速器三方向振動趨勢一致，大小相仿，最大為4g，表明截割機構(gòu)工作平穩(wěn)。位移參數(shù)反映了截割過程中機器的穩(wěn)定性，在截割過程中如果出現(xiàn)機器擺尾或跳動，位移和加速度將會出現(xiàn)較大數(shù)值的突變。根據(jù)測試結(jié)果進行的分析，除了調(diào)動機器出現(xiàn)較大的位移變化外，正常作業(yè)狀態(tài)下的位移都比較小，可以判斷設(shè)備具有良好的截割穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

經(jīng)過地面試驗及井下工業(yè)性試驗，表明該機技術(shù)先進，體現(xiàn)出了截割能力強、穩(wěn)定性好、遙控操作方便、自動化程度高、性能可靠等特點，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調(diào)，促進我國綜掘機械化發(fā)展具有極其重要的作用，具有較高的性價比和競爭力。是我國煤礦向高產(chǎn)高效集約化安全生產(chǎn)轉(zhuǎn)軌的理想掘進設(shè)備，對促進我國煤炭生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻：

[1]馬昭.具有濕式除塵系統(tǒng)的巖巷掘進機的研制[J].煤礦機械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王義亮.橫軸式掘進機截齒排列設(shè)計[J].煤礦機械， 2013，34（4）：39-40.

[3]楊春海.掘進機內(nèi)伸縮截割機構(gòu)的改進[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007（31）.endprint

摘要： 本文介紹了采掘裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了大斷面煤巷掘進機的主要組成部分及結(jié)構(gòu)特點，對主要元部件截割頭、裝載機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、履帶行走機構(gòu)進行了設(shè)計。并對整機進行了地面試驗，表明該機截割能力強、穩(wěn)定性好、性能可靠，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調(diào)，促進我國綜掘機械化發(fā)展具有極其重要的作用。

關(guān)鍵詞： 大斷面；掘進機；截割頭；行走機構(gòu)；裝載機構(gòu)

中圖分類號：TD421.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我國煤礦采煤技術(shù)裝備與礦井配套設(shè)施得到快速發(fā)展，使礦井生產(chǎn)能力和自動化程度極大提高，神華集團一批代表我國先進采煤技術(shù)水平的特大型礦井的綜采工作面普遍采用了大功率、高自動化程度采煤裝備，使工作面單產(chǎn)不斷提高、推進速度不斷加快，采掘比例失調(diào)仍然嚴重，綜掘技術(shù)與裝備的發(fā)展滯后于綜采，采掘比例失調(diào)仍然嚴重，制約了煤礦高效、節(jié)約、自動化開采的發(fā)展?！笆晃濉币詠?，我國在煤及半煤巖巷道掘進技術(shù)與裝備方面取得了巨大的進步，但發(fā)展重點集中于半煤巖及巖巷掘進機，大采高綜放工作面設(shè)備所采用的設(shè)備大，而且生產(chǎn)過程中推進速度快，另外，還有瓦斯、通風等安全生產(chǎn)的需要，一般采準巷道的斷面都設(shè)計比較大，且為煤巷掘進，因此需要開展大采高大斷面煤巷掘進機的研究。

1 研究方法

該機的研究采用總體設(shè)計、部件重點攻關(guān)的思路實現(xiàn)。由于大斷面煤巷掘進機是由各個部分組成的有機整體，因此在研究過程中，應(yīng)首先確定掘進機的總體技術(shù)參數(shù)，在此過程中采取理論計算、國內(nèi)外同類機型對比、試驗驗證多種方式相結(jié)合的方法進行，以最大限度的實現(xiàn)其合理性，然后制定具體的設(shè)計方案。設(shè)計中采用虛擬樣機技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計方法相結(jié)合的方式，通過先進的設(shè)計分析軟件對整機及各部件裝配、性能進行分析，降低設(shè)計風險，縮短設(shè)計周期，提高物理樣機的整機性能，然后對關(guān)鍵元部件及核心技術(shù)進行各個突破，對一些重要元部件，如截割減速器、回轉(zhuǎn)機構(gòu)，穩(wěn)定支撐機構(gòu)以及智能控制系統(tǒng)等，在設(shè)計完成后，先進行計算機模擬分析，然后進行實驗室試驗，以確保其運行可靠性。

2 大斷面煤巷掘進機的研究

2.1 總體設(shè)計及結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)大斷面巷道掘進的特殊要求，結(jié)合我國煤礦井下情況，提出了掘進機的主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。然后，采用先進的三維軟件建立虛擬樣機并進行模擬分析，以合理的質(zhì)量體積比，具有最高截割功率和高截割穩(wěn)定性為優(yōu)化目標，建立動力學(xué)模型對整機進行優(yōu)化設(shè)計，確定整機設(shè)計參數(shù)。按照總體設(shè)計的要求，主要技術(shù)性能參數(shù)確定整機系統(tǒng)組成及它們之間的匹配性，各部件的結(jié)構(gòu)形式，進行必要的總體計算。

大斷面煤巷掘進機是一種集截割、裝載、運輸、行走、支護等功能于一身的綜合機組，其作業(yè)環(huán)境和條件非常惡劣，工作載荷多變，載荷的計算非常復(fù)雜。因此，在建立掘進機截割巖壁的力學(xué)模型時，對掘進機的運行工況進行了適當、合理的假設(shè)和簡化。大斷面煤巷掘進機主要由截割機構(gòu)、裝載機構(gòu)、刮板運輸機、機架和回轉(zhuǎn)機構(gòu)、左右行走機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水、護板總成等組成，如圖1所示。所有的執(zhí)行機構(gòu)都由電機、液壓泵和液壓馬達來驅(qū)動，控制系統(tǒng)采用CAN總線控制方式。

2.2 高性能截割頭的設(shè)計 首先根據(jù)不同截割對象的巖石力學(xué)性能，對每種巖石的破碎過程和破碎現(xiàn)象進行試驗研究，分析各種巖石的破碎機理和破碎條件。通過實驗將截割過程產(chǎn)生的截割阻力、截割振動和截割粉塵等參數(shù)進行記錄，然后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作為截割頭設(shè)計的參考，如圖2所示。通過對截割頭截齒排布理論和設(shè)計方法的研究，設(shè)計出適合于截齒排布的算法，編寫截割頭截齒排布軟件，截割設(shè)計軟件能夠?qū)Σ煌庑屋喞慕馗铑^進行設(shè)計計算，滿足大斷面煤巷掘進機的設(shè)計要求。當用截割頭設(shè)計軟件計算的截割頭截齒排布符合設(shè)計要求時，就可以將這些截齒排布參數(shù)用于截割頭裝配虛擬制造系統(tǒng)。

2.3 裝載機構(gòu)的研究 裝載機構(gòu)主要由鏟板及左右對稱的驅(qū)動裝置組成，如圖3所示，通過低速大扭矩液壓馬達直接驅(qū)動三爪星輪轉(zhuǎn)動，從而達到裝載煤巖的目的。裝運系統(tǒng)是掘進機的重要組成部分，其設(shè)計質(zhì)量直接影響掘進機的動力消耗和生產(chǎn)率等。裝運系統(tǒng)的研究，從兩個方面進行了考慮，一是對影響裝載機構(gòu)裝載效率的設(shè)計參數(shù)：轉(zhuǎn)盤大小、形狀、轉(zhuǎn)速以及鏟板傾角、插入料堆深度進行研究、優(yōu)化；二是對裝載鏟板的結(jié)構(gòu)進行了大的創(chuàng)新設(shè)計，研制成功改向鏈輪前置的新型裝載機構(gòu)，有效解決了裝載機構(gòu)中間由于轉(zhuǎn)盤無法夠到而形成的“裝載死區(qū)”問題，提高掘進機裝載機構(gòu)的自裝效率。

2.4 抗沖擊、大載荷新型回轉(zhuǎn)機構(gòu)的研制 回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要的作用是將截割機構(gòu)工作過程中產(chǎn)生的交變載荷通過機架轉(zhuǎn)移到履帶行走機構(gòu)上，進而傳遞到地面上去。因此，回轉(zhuǎn)機構(gòu)研究的重點是提高其可靠性，并通過設(shè)計，降低截割機構(gòu)工作載荷對整機造成的沖擊。回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要用于支承、聯(lián)接并實現(xiàn)截割機構(gòu)的升降和回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)通過止口、高強度螺栓和螺柱與機架相聯(lián)。在工作時，齒輪齒條互相嚙合來實現(xiàn)截割機構(gòu)的水平擺動。截割機構(gòu)的升降是靠連在回轉(zhuǎn)機構(gòu)上的截割升降油缸來實現(xiàn)的，齒輪齒條式新型回轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖4所示。

2.5 履帶行走機構(gòu)的研究 該履帶行走機構(gòu)具有載重大、耐沖擊強的特點，采用了支重輪結(jié)構(gòu)，以降低滑動摩擦阻力。為了井下組裝和維護方便，履帶行走機構(gòu)與機架的聯(lián)接設(shè)計為掛鉤式，行走機構(gòu)采用履帶式，左、右對稱布置，分別驅(qū)動。左右履帶架通過高強度螺栓與機架相聯(lián)。每個行走機構(gòu)均由液壓馬達提供動力經(jīng)行走減速器→驅(qū)動鏈輪→履帶鏈，驅(qū)動履帶行走。為了提高履帶行走機構(gòu)的可靠性，履帶架設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)，履帶板采用整體履帶板，并利用計算機分析軟件對履帶架、履帶板進行了受力與變形分析。

3 地面試驗

整機設(shè)計完成后進行了巖壁截割試驗，如圖5所示，試驗中針對掏槽、左右擺動、上下擺動和臥底各種工況進行了長時間的循環(huán)截割。在截割過程中整機表現(xiàn)出良好的截割穩(wěn)定性，截割能力強、截齒磨損小，試驗中對整機的截割穩(wěn)定性、元部件振動等參數(shù)進行了檢測，如圖6為橫掃工況下截割減速器的三向振動加速度。

測試表明，截割減速器三方向振動趨勢一致，大小相仿，最大為4g，表明截割機構(gòu)工作平穩(wěn)。位移參數(shù)反映了截割過程中機器的穩(wěn)定性，在截割過程中如果出現(xiàn)機器擺尾或跳動，位移和加速度將會出現(xiàn)較大數(shù)值的突變。根據(jù)測試結(jié)果進行的分析，除了調(diào)動機器出現(xiàn)較大的位移變化外，正常作業(yè)狀態(tài)下的位移都比較小，可以判斷設(shè)備具有良好的截割穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

經(jīng)過地面試驗及井下工業(yè)性試驗，表明該機技術(shù)先進，體現(xiàn)出了截割能力強、穩(wěn)定性好、遙控操作方便、自動化程度高、性能可靠等特點，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調(diào)，促進我國綜掘機械化發(fā)展具有極其重要的作用，具有較高的性價比和競爭力。是我國煤礦向高產(chǎn)高效集約化安全生產(chǎn)轉(zhuǎn)軌的理想掘進設(shè)備，對促進我國煤炭生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

參考文獻：

[1]馬昭.具有濕式除塵系統(tǒng)的巖巷掘進機的研制[J].煤礦機械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王義亮.橫軸式掘進機截齒排列設(shè)計[J].煤礦機械， 2013，34（4）：39-40.

[3]楊春海.掘進機內(nèi)伸縮截割機構(gòu)的改進[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007（31）.endprint

摘要： 本文介紹了采掘裝備的發(fā)展現(xiàn)狀，闡述了大斷面煤巷掘進機的主要組成部分及結(jié)構(gòu)特點，對主要元部件截割頭、裝載機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、履帶行走機構(gòu)進行了設(shè)計。并對整機進行了地面試驗，表明該機截割能力強、穩(wěn)定性好、性能可靠，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調(diào)，促進我國綜掘機械化發(fā)展具有極其重要的作用。

關(guān)鍵詞： 大斷面；掘進機；截割頭；行走機構(gòu)；裝載機構(gòu)

中圖分類號：TD421.5 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我國煤礦采煤技術(shù)裝備與礦井配套設(shè)施得到快速發(fā)展，使礦井生產(chǎn)能力和自動化程度極大提高，神華集團一批代表我國先進采煤技術(shù)水平的特大型礦井的綜采工作面普遍采用了大功率、高自動化程度采煤裝備，使工作面單產(chǎn)不斷提高、推進速度不斷加快，采掘比例失調(diào)仍然嚴重，綜掘技術(shù)與裝備的發(fā)展滯后于綜采，采掘比例失調(diào)仍然嚴重，制約了煤礦高效、節(jié)約、自動化開采的發(fā)展。“十一五”以來，我國在煤及半煤巖巷道掘進技術(shù)與裝備方面取得了巨大的進步，但發(fā)展重點集中于半煤巖及巖巷掘進機，大采高綜放工作面設(shè)備所采用的設(shè)備大，而且生產(chǎn)過程中推進速度快，另外，還有瓦斯、通風等安全生產(chǎn)的需要，一般采準巷道的斷面都設(shè)計比較大，且為煤巷掘進，因此需要開展大采高大斷面煤巷掘進機的研究。

1 研究方法

該機的研究采用總體設(shè)計、部件重點攻關(guān)的思路實現(xiàn)。由于大斷面煤巷掘進機是由各個部分組成的有機整體，因此在研究過程中，應(yīng)首先確定掘進機的總體技術(shù)參數(shù)，在此過程中采取理論計算、國內(nèi)外同類機型對比、試驗驗證多種方式相結(jié)合的方法進行，以最大限度的實現(xiàn)其合理性，然后制定具體的設(shè)計方案。設(shè)計中采用虛擬樣機技術(shù)和傳統(tǒng)設(shè)計方法相結(jié)合的方式，通過先進的設(shè)計分析軟件對整機及各部件裝配、性能進行分析，降低設(shè)計風險，縮短設(shè)計周期，提高物理樣機的整機性能，然后對關(guān)鍵元部件及核心技術(shù)進行各個突破，對一些重要元部件，如截割減速器、回轉(zhuǎn)機構(gòu)，穩(wěn)定支撐機構(gòu)以及智能控制系統(tǒng)等，在設(shè)計完成后，先進行計算機模擬分析，然后進行實驗室試驗，以確保其運行可靠性。

2 大斷面煤巷掘進機的研究

2.1 總體設(shè)計及結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)大斷面巷道掘進的特殊要求，結(jié)合我國煤礦井下情況，提出了掘進機的主要結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)。然后，采用先進的三維軟件建立虛擬樣機并進行模擬分析，以合理的質(zhì)量體積比，具有最高截割功率和高截割穩(wěn)定性為優(yōu)化目標，建立動力學(xué)模型對整機進行優(yōu)化設(shè)計，確定整機設(shè)計參數(shù)。按照總體設(shè)計的要求，主要技術(shù)性能參數(shù)確定整機系統(tǒng)組成及它們之間的匹配性，各部件的結(jié)構(gòu)形式，進行必要的總體計算。

大斷面煤巷掘進機是一種集截割、裝載、運輸、行走、支護等功能于一身的綜合機組，其作業(yè)環(huán)境和條件非常惡劣，工作載荷多變，載荷的計算非常復(fù)雜。因此，在建立掘進機截割巖壁的力學(xué)模型時，對掘進機的運行工況進行了適當、合理的假設(shè)和簡化。大斷面煤巷掘進機主要由截割機構(gòu)、裝載機構(gòu)、刮板運輸機、機架和回轉(zhuǎn)機構(gòu)、左右行走機構(gòu)、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、水、護板總成等組成，如圖1所示。所有的執(zhí)行機構(gòu)都由電機、液壓泵和液壓馬達來驅(qū)動，控制系統(tǒng)采用CAN總線控制方式。

2.2 高性能截割頭的設(shè)計 首先根據(jù)不同截割對象的巖石力學(xué)性能，對每種巖石的破碎過程和破碎現(xiàn)象進行試驗研究，分析各種巖石的破碎機理和破碎條件。通過實驗將截割過程產(chǎn)生的截割阻力、截割振動和截割粉塵等參數(shù)進行記錄，然后根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)作為截割頭設(shè)計的參考，如圖2所示。通過對截割頭截齒排布理論和設(shè)計方法的研究，設(shè)計出適合于截齒排布的算法，編寫截割頭截齒排布軟件，截割設(shè)計軟件能夠?qū)Σ煌庑屋喞慕馗铑^進行設(shè)計計算，滿足大斷面煤巷掘進機的設(shè)計要求。當用截割頭設(shè)計軟件計算的截割頭截齒排布符合設(shè)計要求時，就可以將這些截齒排布參數(shù)用于截割頭裝配虛擬制造系統(tǒng)。

2.3 裝載機構(gòu)的研究 裝載機構(gòu)主要由鏟板及左右對稱的驅(qū)動裝置組成，如圖3所示，通過低速大扭矩液壓馬達直接驅(qū)動三爪星輪轉(zhuǎn)動，從而達到裝載煤巖的目的。裝運系統(tǒng)是掘進機的重要組成部分，其設(shè)計質(zhì)量直接影響掘進機的動力消耗和生產(chǎn)率等。裝運系統(tǒng)的研究，從兩個方面進行了考慮，一是對影響裝載機構(gòu)裝載效率的設(shè)計參數(shù)：轉(zhuǎn)盤大小、形狀、轉(zhuǎn)速以及鏟板傾角、插入料堆深度進行研究、優(yōu)化；二是對裝載鏟板的結(jié)構(gòu)進行了大的創(chuàng)新設(shè)計，研制成功改向鏈輪前置的新型裝載機構(gòu)，有效解決了裝載機構(gòu)中間由于轉(zhuǎn)盤無法夠到而形成的“裝載死區(qū)”問題，提高掘進機裝載機構(gòu)的自裝效率。

2.4 抗沖擊、大載荷新型回轉(zhuǎn)機構(gòu)的研制 回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要的作用是將截割機構(gòu)工作過程中產(chǎn)生的交變載荷通過機架轉(zhuǎn)移到履帶行走機構(gòu)上，進而傳遞到地面上去。因此，回轉(zhuǎn)機構(gòu)研究的重點是提高其可靠性，并通過設(shè)計，降低截割機構(gòu)工作載荷對整機造成的沖擊?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)主要用于支承、聯(lián)接并實現(xiàn)截割機構(gòu)的升降和回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)機構(gòu)通過止口、高強度螺栓和螺柱與機架相聯(lián)。在工作時，齒輪齒條互相嚙合來實現(xiàn)截割機構(gòu)的水平擺動。截割機構(gòu)的升降是靠連在回轉(zhuǎn)機構(gòu)上的截割升降油缸來實現(xiàn)的，齒輪齒條式新型回轉(zhuǎn)機構(gòu)如圖4所示。

2.5 履帶行走機構(gòu)的研究 該履帶行走機構(gòu)具有載重大、耐沖擊強的特點，采用了支重輪結(jié)構(gòu)，以降低滑動摩擦阻力。為了井下組裝和維護方便，履帶行走機構(gòu)與機架的聯(lián)接設(shè)計為掛鉤式，行走機構(gòu)采用履帶式，左、右對稱布置，分別驅(qū)動。左右履帶架通過高強度螺栓與機架相聯(lián)。每個行走機構(gòu)均由液壓馬達提供動力經(jīng)行走減速器→驅(qū)動鏈輪→履帶鏈，驅(qū)動履帶行走。為了提高履帶行走機構(gòu)的可靠性，履帶架設(shè)計為框架結(jié)構(gòu)，履帶板采用整體履帶板，并利用計算機分析軟件對履帶架、履帶板進行了受力與變形分析。

3 地面試驗

整機設(shè)計完成后進行了巖壁截割試驗，如圖5所示，試驗中針對掏槽、左右擺動、上下擺動和臥底各種工況進行了長時間的循環(huán)截割。在截割過程中整機表現(xiàn)出良好的截割穩(wěn)定性，截割能力強、截齒磨損小，試驗中對整機的截割穩(wěn)定性、元部件振動等參數(shù)進行了檢測，如圖6為橫掃工況下截割減速器的三向振動加速度。

測試表明，截割減速器三方向振動趨勢一致，大小相仿，最大為4g，表明截割機構(gòu)工作平穩(wěn)。位移參數(shù)反映了截割過程中機器的穩(wěn)定性，在截割過程中如果出現(xiàn)機器擺尾或跳動，位移和加速度將會出現(xiàn)較大數(shù)值的突變。根據(jù)測試結(jié)果進行的分析，除了調(diào)動機器出現(xiàn)較大的位移變化外，正常作業(yè)狀態(tài)下的位移都比較小，可以判斷設(shè)備具有良好的截割穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

經(jīng)過地面試驗及井下工業(yè)性試驗，表明該機技術(shù)先進，體現(xiàn)出了截割能力強、穩(wěn)定性好、遙控操作方便、自動化程度高、性能可靠等特點，對改善我國特厚煤層綜放開采采掘比例失調(diào)，促進我國綜掘機械化發(fā)展具有極其重要的作用，具有較高的性價比和競爭力。是我國煤礦向高產(chǎn)高效集約化安全生產(chǎn)轉(zhuǎn)軌的理想掘進設(shè)備，對促進我國煤炭生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。

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