纵轴式掘进机的截割部结构设计

摘要

掘进机具有掘进速度快、巷道成型和稳定性好、超挖量小、利于支护、生

产安全等优点，因而在桥涵、隧道、地铁和矿井巷道掘进等工程中被广泛采用。

当前，为了提高中小型煤矿生产效率、降低劳动强度、保障安全生产提升煤矿综

合机械化水平。根据现场实际，简化、缩小并改进现有的掘进机，从而设计出一

种能够适应小型煤矿的超轻型掘进机已成为迫切需要。本文主要对纵轴式掘进机

的截割部进行结构设计，使其具有体积小，重量轻，结构简单，性能可靠等优点。

关键词：掘进机；截割部；

目录

1.国内外掘进机现状与发展趋势........................................1

1.1我国掘进机发展情况...........................................................3

1.2.国外掘进机发展情况..........................................................4

1.3我国掘进机研制存在的问题.....................................................4

1.4掘进机发展趋势...............................................................5

2.掘进机组成机构....................................................6

2.1悬臂掘进机类型................................................................6

2.2纵轴式掘进机切割机构组成.....................................................7

2.2.1切割头.....................................................................7

3.电动机的选择.....................................................9

4.减速器设计.....................................................................9

4箱体尺寸........................................................................10

5.悬臂结构设”......................................................11

参考文献.....................................................................12

1.国内外掘进机现状与发展趋势

1.1我国掘进机发展情况

我国于1962年开始掘进机的研制工作，最初是仿前苏联产品，机身轻，功率

小，性能差，未广泛应用.20世纪6。年代初期到70年代末，这一阶段主要是以引

进国外掘进机为主，也定型生产了几种机型，在引进的同时进行消化、吸收，为

我国悬臂式掘进机的第二阶段的发展打下了良好的技术基础.这一阶段掘进机的

主要特点是：使用范围越来越广，切割能力逐步提高，有切割夹岩和过断层的能

力.

20世纪70年代末到80年代末，我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐

步地实现了国产化，其典型的代表是与奥地利、日本合作生产的AM50型及S：00

型，这两种机型现已成为国内市场主导产品.其后，国产掘进机研制步伐也在加

快，我国自行设计制造了几种悬臂式掘进机，先后研制了EL-90,EBJ—132,EBJ

-160,MRH—S100—41,EB11_132,AM—50,EJ—70等机型.这一阶段悬臂式掘

进机的特点是：可靠性较高，已能适应我国煤巷掘进的需要；半煤岩巷的掘进技

术己达到相当的水平；由20世纪80年代末至今，重型机型大批出现，悬臂式掘进

机的设计与制造水平已相当先进，可以根据矿井生产的不同要求实现部分个性化

设计，这一阶段的代表机型较多，主要有EIjJ型、E1型及EBH型.这一阶段悬臂

式掘进机的特点是：设计水平较为先进，可靠性大幅提高，功能更加完善，功率

更大，一些高新技术已用于机组的自动化控制并逐步发展到全岩巷的掘进.经过

几十年的发展，我国悬臂式掘进机的设计、生产、使用进人了一个较高的水平，

已跨人了国际先进行列，可与国外的悬臂式掘进机媲美.由于纵轴式掘进机工作

中良好的截割性能，整机调用灵活和可截割不同巷道断面的优点，在铁道、公路、

桥梁、煤矿、金属矿以及隧道工程中得到广泛的应用，仅全国国有重点煤矿就有

各种类型掘进机400多台.目前.,我国悬臂掘进机技术已经跃上了一个新的台阶,

总体水平接近国外同行.取得的成绩主要有：

①相继开发出三种重型掘进机，它们是EBJ—160型，EBJ—160H型和EBHT32

型，其中EBJ—160型掘进机获国家科技进步二等奖，它的研制成功使我国的掘进

机研究与制造水平迈上了一个新台阶，标志着我国掘进机研制开发水平进人国际

先进行列，使国产掘进机可截割抗压强度80MPa的岩石，使用范围不断扩大，目

前已推广到铁路、公路、水利建设等部门，并出口俄罗斯.

②完成了硬岩截齿的研究，研制出“三高”硬质合金刀头和新的截齿制造

工艺，使我国的硬岩截齿达到国际先进水平.

③对高压水射流辅助截割技术和惯性冲击辅助截割技术进行了探索和尝

试，并研制成功了EL'IB—75c型振动式掘进机，现已批量生产.

④将可编程控制器(PLC)成功应用到部分掘进机电控系统中，在电控系统的

保护插件及故障诊断等方面取得了一定的成绩。

1.2.国外掘进机发展情况

在全世界范围内，自第二次世界大战以来的儿十年，新的理论和新技术被应

用到掘进机的设计、制造和使用之中，使矿山掘进机械有了巨大的进步.劳动者

的劳动强度大大减轻，生产效率得到大幅度提高。

目前，国外掘进机的型式趋于系列化和多样化.截割头的功率50〜400KW,

机重最轻的有十几吨，最重的可达160t.国外新型掘进机均配备有完善的工况

监测和故障诊断系统，从而可早期发现故障，快速排除故障，大大减少停机时

间.有些重型掘进机还可配置自动控制系统，可以使机器的生产率提高30%左右,

还可以保证切割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当引起的尖峰负荷，从而

延长机器的使用寿命约20%.此外，一些发达国家的掘进机电控系统，除完成常

规的控制以外，还具有遥控、程控功能，增设掘进断面自动控制和掘进定向功能,

使掘进机按预定方案作业，大大提高了其自动化程度和掘进效率.总的看来，近

些年来国外悬臂式掘进机的发展与研究情况主要体现在以下几个方面：

(1)切割功率能力稳定提高,机器的可靠性高.据报道,FI本成功地使用TM60K

型掘进机掘进全岩巷引水隧道，截割抗压强度高达170—200MPa的岩石，目前最

大的WAV408型掘进机重达160t,切割功率可达408kW,定位切割断面面积可达

87.5m2.以先进的制造技术为基础，从原材料质量到零部件的加工精度都能进行

严格的控制，又有优越的国际协作条件，选购外购范围宽广，有效地保证了主机

的质量水平.止匕外，近年来广泛采用了可靠性技术，其突出表现为简化机械结构,

在齿轮传动、机械联接及液压传动方面尽量减少串联系统，有的地方以嵌装式结

构代替螺栓组结构，既简化了结构，又大大提高了整机的可靠性.

(2)配套设备多样化.为充分发挥掘进机效能，各国都十分重视综掘(掘锚一

体化)作业线配套设备的研究.为缩短支护时间，在中间稳定顶板条件下，常用

机载锚杆钻机支护；为使掘进机与支护平行作业，运用超前液压支架或自带盾牌

掩护支架.在后配套运输方面，通常采用桥式、带式转载机，后配带式输送机，

有条件时设置活动煤仓.

(3)采用机电一体叱技术.国外新型掘进机均配有完善的工况检测和故障诊

断系统，从而可以在早期发现机器故障，并快速排除故障，大大缩短了机器的停

机时间，生产率相应大幅度提高；这样还可以保证切割机构的负载平稳，避免由

于人工操作不当而引起的系统载荷，从而延长机器的使用寿命.部分新型掘进机

可实现推进方向监控、截割路线循环程序控制、切割断面轮廓尺寸监控.

(4)研究探索新的截割技术，如高压水射流掘进机的研制、冲击振动式截割

机具的研制等，

1.3我国掘进机研制存在的问题

尽管我国掘进机研制工作起步并不晚，可是在发展过程中，现有产品与国际

相比尚有很大差距，性能、规格相近的机型与国外相比晚8〜20年，机掘巷道比

重与国外平均差近20年，制造总数和装机综合技术水平仅相当于英国、德国、奥

地利20世纪80年代的水平.虽然我国掘进机发展速度很快，并且技术成熟，但随

着煤矿生产工艺的改进，高产、高效矿井的建设，它已不能满足需要，主要表现

在以下几方面；

锚杆支护的成功推广应用提高了巷道支护的可靠性，目前存在掘进、支

护不能同步作业，据统计，巷道支护约占用40%〜50%的掘进作业时间，

这就使得掘进机的开机率大大降低，不能有效提高掘进速度

现有机型偏向于中、重型，虽然有些掘进机实现了矮型化设计，但整体

尺寸仍不能有效缩减，对低矮巷道的适应性还较差.

内喷雾除尘系统使用的可靠性和适应性较差，而外置机载除尘系统还比

较困难.

④使用元部件的可靠性还不高，不能适应截割硬煤岩产生的震动及井下恶

劣的工作条件.

⑤对于提高截割效率方面的设计和设备配套还不完善.⑥电子元器件的选

型面窄、电子保护插件的可靠性不高.电控技术还不能适应通用性、灵活性、

可扩展性、准确性及响应速度快速的需要.

1.4掘进机发展趋势

综观国内和国外悬臂式掘进机的发展情况，各国都在技术方面进行创新，未

来的发展趋向如下：

(1)重型化、大功率.随着采煤机械化程度的提高和巷道断面的不断扩大，

掘进机面对越来越硬和研磨性更强的岩石，单向抗压强度超过170MPa.因此，

开发研制高功率、大质量的重型硬岩掘进机尤为迫切.目前，国外许多重型掘进

机截割功率达到200300kW,最高可达500kW.而我国重型掘进机尚处于发展阶

段，截割功率目前已达200kW.越来越高的截割功率虽然可提供给截割头巨大的

截割力，但使机器的振动进一步加剧，对生产率、机器的寿命和日常保养都将产

生不利影响.随之而来的是机器的重量将越来越大，以增加稳定性.

(2)掘、钻、锚一体化.研制集掘、钻、锚为一体的采掘锚综合机组，以实

现快速掘进的同时又能打眼安装锚杆，支护顶板、侧帮，实现掘进、支护平行作

业，解决掘进机利用率低的问题.因此，掘、钻、锚一体化是实现巷道快速掘进,

满足高产、高效工作面发展需要的重要技术途径.

(3)喷雾降尘设备随机化.目前\掘进机大多设有内、外喷雾装置，但对呼

吸性粉尘降尘效果差，喷嘴堵塞严重.因此，对现有机型设置机载降尘设备，强

化外喷雾的使用效果，将会使掘进机在工作时的粉尘浓度大大降低.

(4)智能化、自动化.配置激光导向系统、计算机断面控制系统和遥控系统,

以降低对操作人员的反应要求，提高生产效率和生产能力.

(5)矮型化.在加大机重、截割功率和提高截割硬度的前提下，注重发展机

身较低的机型，以易于井下运输和适用于掘进中、小断面巷道，同时也为配置其

他辅助设备(锚杆安装外、辅助工作平台等)带来了方便.

(6)附件化.保留必要的截、装、运、行主要组成功能，将降尘、辅助支护

等装置以附件形式出现.这样，可根据需要选择装配各种附加件，给设计、制造、

使用都带来方便.

(7)装载运输装置亦采用可伸缩型结构，保证机器的机动性和适应性.液压

系统逐步趋于完善、可靠。

2.掘进机组成机构

悬臂式掘进机要实现将煤岩从矿体分离、装载运出、并实现机器本身的行走

调动和喷雾灭尘等功能。它主要由切割机构，装运机构，行走机构，转载机构，

液压机构，喷雾降尘系统和电气系统等部分组成。

I.切割头2.装栽机构3.切制大臂4.变幅油缸

5.回转台6.行走机构7.侨式运输机反皮带运愉机

图1掘进机总体结陶图

图1所示为掘进机总体结构图，其中切割头:可绕横轴旋转，其上安装有许

多硬质合金制作的截齿，当切割头旋转时，截齿依靠机身重量与煤岩石接触并挤

压，使岩石破碎脱落。切割大臂的作用是支持切割头，其中安装有大功率电机，

用以驱动切割头旋转。变幅油缸可以实现切割头的上下移动，回转台可实现切割

头的左右移动，装载机构的主要作用是将脱落的煤岩石集中装载、转用到皮带输

送机，再由皮带输送机运出工作面。

2.1悬臂掘进机类型

根据截割头与悬臂的布置方式的不同，悬臂式掘进机可以分为两类：横轴式

掘进机和纵轴式掘进机。它们的工作原理如图2.1所示[9],其中横轴式悬臂掘进

机的截割头旋转轴与悬臂轴线垂直布置，其结构如图2.2所示，这种类型的掘进

机工作时截割出的巷道侧壁一般都是不平整的，其截割头运动轨迹为空间螺旋

线，截割时在巷道两侧壁上会留卜.与截割头形状相对应的台阶，所以必须加设专

门的附属设备，或者通过控制行走机构，使截割悬臂的伸出长度可以调节，截割

出的巷道侧壁才能保持平整。纵轴式悬臂掘进机的截割头旋转轴与悬臂轴线同轴

布置，截割头运动轨迹近似于平面摆线。因此，当截割头的形状和方位与巷道断

面形状相适应时，如图2.3所示，就能够截割出平整光滑的巷道。图2.1横轴式和

纵轴式悬臂掘进机工作原理图图2.2横轴式掘进机所掘巷道侧壁情况图2.3纵轴

式掘进机所掘巷道侧壁情况

K2.1横轴式和纵轴大导，!川进机r作麻庠图

K2二修粕式加迂机所加格地ffll期M况K23纵轴R«l选机所现卷境侑嘤情况

2.2纵轴式掘进机切割机构组成

图1所示为纵轴式截割方式的切割机构，其主要由切割头，工作臂，行星减

速器，电动机，升降油缸和回转工作台等组成。

图1纵轴式掘进机切割机构

2.2.1切割头

截割头是掘进机直接用来破碎煤岩的部件，主要由微割头体、微齿座和截齿

等组成。

1.截齿的选择

截齿可分为刀形齿和镐形齿.一般来说，煤质坚硬节理和层理都不明显、

裂隙不发达的煤巷，可选用刀形齿.因其是径向安装，刀体部分要承受较大的弯

矩，刀体应具有较高的强度.对于煤质硬而脆、且含有硬夹石的煤层，宜采用镉

形齿.这种截齿强度高，耐磨，而且截剖阻力的方向近于截齿轴线方向，齿身的

弯矩小，齿的固定方式也较简单.如果设计合理，可使截齿在截剖过程中旋转，

自磨刃，保持齿尖峰利，减小截割阻力，延长截齿寿命.这种截齿在纵轴式掘进

机上使用较多.截齿的数量与截齿的截割阻力和机器工作的平稳性有关.在截割

头功率一定的条件下，截齿个数越多，每个截齿具有的截剖力就越小.因此，截

齿的数量不宜过多.但截齿个数太少又使每个截齿的截割阻力增大，需采用强度

较高的截齿，而且造成截割头载荷波动增加.为保证截割头具有较大的单齿截割

力和截割头工作的平稳性，一般纵轴式掘进机截割头的裁齿个数为20〜50,软煤

岩取低值，硬堞岩取高值.

①.取截齿数z=23。

②.牵引速度的确定牵引速度指切割臂摆动时，切割头水平或垂直运动的速度。

硬质煤岩石，取Vs=5m/nin。

③.最大切削厚度Hmax=1000Vs/nz

④.截割速度对煤岩速度在3—5m/s,MZVj=4m/s

⑤.螺旋线头数纵切割头在切硬煤岩时，如果采用单头螺旋线布齿，则要选择较

小的螺距，目的是减小但齿载荷和磨损，但被截割的岩石是细粒的，产生较多粉

尘，同时排屑也差。当采用双头时，每条螺线上课选择较大的截线间距。取螺线

头数为3.

⑥.切削角&二45°

⑦.切割头齿尖直径x长度(mm)636x620

2.截齿载荷

Fs=0.016x3.14hiRc/cos2(a/2)X2

切割头切割力F=51KN

hi各截齿深度，i切削截齿编号Rc岩石抗压强度，MPa,X岩石硬度比，X=Rc/Rt

Rt岩石抗拉强度

切割功率P=FV=FNd=51x(46/60)x636x3.14=78k\v

切削煤岩最大单向抗压强度60MPa,切削机构功率78k\v。

3.截齿的布置

截齿在截割头上的布置方式直接影响截帮头的破煤效果、受力状况、工作稳

定性、功率消耗和截割效率.对截齿布置总的要求是：单位能耗低、截齿损耗少,

截剖块率高，可吸人性粉尘少、沼气泄出量和瘴搜发火的概率小.在拟定截齿排

列方式时，需要考虑以下原则：

(1)应使每条截线上的齿数相等，同时工作的齿数基本不变.

(2)既保证相邻截槽间煤脊的破碎.

1.每条截割线上的截齿数Zs=7

2.截割头转速n=46r/m：n

3.截线间距对纵轴式切割头，截线距的数值在切割过程中是不变的，为了达到良

好截割效果，希望每个截齿单刀截割力大一些，所以截线间距选大一些。

S=26mm

3.电动机的选择

P«=P/n=78/0.8=97kw

为实现较强的连续过我能力，适应复杂多变的截割载荷，并利用喷雾水加强

冷却效果，目前.，悬臂式掘进机多采用防爆水冷电动机来驱动截割头。为满足悬

臂长度的需要和减少电动机的径向尺寸，可采用串联双转子电动机；为满足截割

不同煤岩的需要，避免在减速箱中变速，可采用双转速电动机。

该机型选取YBUS3-100防爆水冷式电动机。功率100kw,电压660v,电流130A,功率

因数0.86,效率98%,转速为1450r/min.

4.减速器设计

1.工况特点及要求

强冲击掘进机是通过截割头上的截齿完成截割煤岩的，当截割煤岩时.，煤岩

的反作用力使截割头承受着强大的截割阻力和冲击负荷，由于截割机构的传动为

刚性传动，这势必使截割阻力和冲击负荷毫无保留地传至齿轮、轴和轴承等传动

件上，所截剖岩石硬度越高，冲击负荷的强度就越大。离截割头越近的构件，受

到的影响尤为严重。

小体积掘进机截割的岩石硬度不断提高，为追求高的工作效率，掘进机截割

机构功率也随之加大，但截割机构的外形尺寸并没有成比例增大。在设计悬臂式

掘进机截割臂时，既要考虑其功率上的需要，又要考虑受力情况和振动的影响.因

此，其外形多设计成宝塔状，即越靠近截割头的部分，其径向尺寸越小。

综上所述，重型掘进机截割机构传动系统的工况特点为低速、重载、强冲击

及小体积，因此国内外重型掘进机的截割机构传动系统均采用行星齿轮传动。行

星减速器结构如图2所不。

2.传动比分配

总传动比i=1450/47=31.1

一级行星传动齿轮

Zl=25Z2=29Z3=85

传动比i1=1+85/25=4.4

模数m=4.5

二级行星传动齿轮

Z4=14Z5=35Z6=85

传动比i2=1+85/14=7.07

模数m=4.5

齿轮主要参数齿宽

dl=mZl=117mm117mm

d2=mZ2=130.5mm80mm

d3=mZ3=382.5mm168mm

d4=mZ4=63mm47mm

d5=mZ5=157.5mm40mm

d6=mZ6=382.5mm80mm

dal=dl+2m=2261n门df1=dl-2.5m=105.75mm

da2=d2+2m=139.5mmdf2=dl-2.5m=118.25mm

da3=d3+2m=391.5mm

da4=d4+2m=72mm

da5=d5+2m=166.5mm

da6=d6+2m=391.5mm

中心距

al=2(dl+d2)=124mm

a2=2(d4+d5)=11Omm

3.轴的直径

高速轴颈的确定

d>Aylp/n=}20*0.4=48mm

低速轴颈的确定

d>A/p7n=⑵43=156mm

4箱体尺寸

壁厚&=30mm,如图2所示。

5.悬臂结构设计

悬臂式掘进机截割机构按悬臂能否伸缩可分为伸缩和不伸缩两种截割机构。

1.不可伸缩式截割机阂的结构简单、尺寸小、重量轻，但掏槽时需要借助行走

机构的推力使截割头钻入煤壁。因而机落需要频繁调动，对底板的破坏比较

严重。另外，在钻进煤壁阻力较大时，履带容易打滑，磨损加剧。

2.可伸缩截割机构可借助悬臂的伸缩使截割头钻入煤壁，无需开动行走机沟，

就可提供恒定较大的