大断面煤巷掘进机的研制

原晔

摘要： 本文介绍了采掘装备的发展现状，阐述了大断面煤巷掘进机的主要组成部分及结构特点，对主要元部件截割头、装载机构、回转机构、履带行走机构进行了设计。并对整机进行了地面试验，表明该机截割能力强、稳定性好、性能可靠，对改善我国特厚煤层综放开采采掘比例失调，促进我国综掘机械化发展具有极其重要的作用。

关键词： 大断面；掘进机；截割头；行走机构；装载机构

中图分类号：TD421.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我国煤矿采煤技术装备与矿井配套设施得到快速发展，使矿井生产能力和自动化程度极大提高，神华集团一批代表我国先进采煤技术水平的特大型矿井的综采工作面普遍采用了大功率、高自动化程度采煤装备，使工作面单产不断提高、推进速度不断加快，采掘比例失调仍然严重，综掘技术与装备的发展滞后于综采，采掘比例失调仍然严重，制约了煤矿高效、节约、自动化开采的发展。“十一五”以来，我国在煤及半煤岩巷道掘进技术与装备方面取得了巨大的进步，但发展重点集中于半煤岩及岩巷掘进机，大采高综放工作面设备所采用的设备大，而且生产过程中推进速度快，另外，还有瓦斯、通风等安全生产的需要，一般采准巷道的断面都设计比较大，且为煤巷掘进，因此需要开展大采高大断面煤巷掘进机的研究。

1 研究方法

该机的研究采用总体设计、部件重点攻关的思路实现。由于大断面煤巷掘进机是由各个部分组成的有机整体，因此在研究过程中，应首先确定掘进机的总体技术参数，在此过程中采取理论计算、国内外同类机型对比、试验验证多种方式相结合的方法进行，以最大限度的实现其合理性，然后制定具体的设计方案。设计中采用虚拟样机技术和传统设计方法相结合的方式，通过先进的设计分析软件对整机及各部件装配、性能进行分析，降低设计风险，缩短设计周期，提高物理样机的整机性能，然后对关键元部件及核心技术进行各个突破，对一些重要元部件，如截割减速器、回转机构，稳定支撑机构以及智能控制系统等，在设计完成后，先进行计算机模拟分析，然后进行实验室试验，以确保其运行可靠性。

2 大断面煤巷掘进机的研究

2.1 总体设计及结构组成 根据大断面巷道掘进的特殊要求，结合我国煤矿井下情况，提出了掘进机的主要结构和技术参数。然后，采用先进的三维软件建立虚拟样机并进行模拟分析，以合理的质量体积比，具有最高截割功率和高截割稳定性为优化目标，建立动力学模型对整机进行优化设计，确定整机设计参数。按照总体设计的要求，主要技术性能参数确定整机系统组成及它们之间的匹配性，各部件的结构形式，进行必要的总体计算。

大断面煤巷掘进机是一种集截割、装载、运输、行走、支护等功能于一身的综合机组，其作业环境和条件非常恶劣，工作载荷多变，载荷的计算非常复杂。因此，在建立掘进机截割岩壁的力学模型时，对掘进机的运行工况进行了适当、合理的假设和简化。大断面煤巷掘进机主要由截割机构、装载机构、刮板运输机、机架和回转机构、左右行走机构、电气系统、液压系统、水、护板总成等组成，如图1所示。所有的执行机构都由电机、液压泵和液压马达来驱动，控制系统采用CAN总线控制方式。

2.2 高性能截割头的设计 首先根据不同截割对象的岩石力学性能，对每种岩石的破碎过程和破碎现象进行试验研究，分析各种岩石的破碎机理和破碎条件。通过实验将截割过程产生的截割阻力、截割振动和截割粉尘等参数进行记录，然后根据记录的数据作为截割头设计的参考，如图2所示。通过对截割头截齿排布理论和设计方法的研究，设计出适合于截齿排布的算法，编写截割头截齿排布软件，截割设计软件能够对不同外形轮廓的截割头进行设计计算，满足大断面煤巷掘进机的设计要求。当用截割头设计软件计算的截割头截齿排布符合设计要求时，就可以将这些截齿排布参数用于截割头装配虚拟制造系统。

2.3 装载机构的研究 装载机构主要由铲板及左右对称的驱动装置组成，如图3所示，通过低速大扭矩液压马达直接驱动三爪星轮转动，从而达到装载煤岩的目的。装运系统是掘进机的重要组成部分，其设计质量直接影响掘进机的动力消耗和生产率等。装运系统的研究，从两个方面进行了考虑，一是对影响装载机构装载效率的设计参数：转盘大小、形状、转速以及铲板倾角、插入料堆深度进行研究、优化；二是对装载铲板的结构进行了大的创新设计，研制成功改向链轮前置的新型装载机构，有效解决了装载机构中间由于转盘无法够到而形成的“装载死区”问题，提高掘进机装载机构的自装效率。

2.4 抗冲击、大载荷新型回转机构的研制 回转机构主要的作用是将截割机构工作过程中产生的交变载荷通过机架转移到履带行走机构上，进而传递到地面上去。因此，回转机构研究的重点是提高其可靠性，并通过设计，降低截割机构工作载荷对整机造成的冲击。回转机构主要用于支承、联接并实现截割机构的升降和回转运动。回转机构通过止口、高强度螺栓和螺柱与机架相联。在工作时，齿轮齿条互相啮合来实现截割机构的水平摆动。截割机构的升降是靠连在回转机构上的截割升降油缸来实现的，齿轮齿条式新型回转机构如图4所示。

2.5 履带行走机构的研究 该履带行走机构具有载重大、耐冲击强的特点，采用了支重轮结构，以降低滑动摩擦阻力。为了井下组装和维护方便，履带行走机构与机架的联接设计为挂钩式，行走机构采用履带式，左、右对称布置，分别驱动。左右履带架通过高强度螺栓与机架相联。每个行走机构均由液压马达提供动力经行走减速器→驱动链轮→履带链，驱动履带行走。为了提高履带行走机构的可靠性，履带架设计为框架结构，履带板采用整体履带板，并利用计算机分析软件对履带架、履带板进行了受力与变形分析。

3 地面试验

整机设计完成后进行了岩壁截割试验，如图5所示，试验中针对掏槽、左右摆动、上下摆动和卧底各种工况进行了长时间的循环截割。在截割过程中整机表现出良好的截割稳定性，截割能力强、截齿磨损小，试验中对整机的截割稳定性、元部件振动等参数进行了检测，如图6为横扫工况下截割减速器的三向振动加速度。

测试表明，截割减速器三方向振动趋势一致，大小相仿，最大为4g，表明截割机构工作平稳。位移参数反映了截割过程中机器的稳定性，在截割过程中如果出现机器摆尾或跳动，位移和加速度将会出现较大数值的突变。根据测试结果进行的分析，除了调动机器出现较大的位移变化外，正常作业状态下的位移都比较小，可以判断设备具有良好的截割稳定性。

4 结语

经过地面试验及井下工业性试验，表明该机技术先进，体现出了截割能力强、稳定性好、遥控操作方便、自动化程度高、性能可靠等特点，对改善我国特厚煤层综放开采采掘比例失调，促进我国综掘机械化发展具有极其重要的作用，具有较高的性价比和竞争力。是我国煤矿向高产高效集约化安全生产转轨的理想掘进设备，对促进我国煤炭生产的可持续发展有着重要的意义。

参考文献：

[1]马昭.具有湿式除尘系统的岩巷掘进机的研制[J].煤矿机械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王义亮.横轴式掘进机截齿排列设计[J].煤矿机械， 2013，34（4）：39-40.

[3]杨春海.掘进机内伸缩截割机构的改进[J].科技情报开发与经济，2007（31）.endprint

摘要： 本文介绍了采掘装备的发展现状，阐述了大断面煤巷掘进机的主要组成部分及结构特点，对主要元部件截割头、装载机构、回转机构、履带行走机构进行了设计。并对整机进行了地面试验，表明该机截割能力强、稳定性好、性能可靠，对改善我国特厚煤层综放开采采掘比例失调，促进我国综掘机械化发展具有极其重要的作用。

关键词： 大断面；掘进机；截割头；行走机构；装载机构

中图分类号：TD421.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我国煤矿采煤技术装备与矿井配套设施得到快速发展，使矿井生产能力和自动化程度极大提高，神华集团一批代表我国先进采煤技术水平的特大型矿井的综采工作面普遍采用了大功率、高自动化程度采煤装备，使工作面单产不断提高、推进速度不断加快，采掘比例失调仍然严重，综掘技术与装备的发展滞后于综采，采掘比例失调仍然严重，制约了煤矿高效、节约、自动化开采的发展。“十一五”以来，我国在煤及半煤岩巷道掘进技术与装备方面取得了巨大的进步，但发展重点集中于半煤岩及岩巷掘进机，大采高综放工作面设备所采用的设备大，而且生产过程中推进速度快，另外，还有瓦斯、通风等安全生产的需要，一般采准巷道的断面都设计比较大，且为煤巷掘进，因此需要开展大采高大断面煤巷掘进机的研究。

1 研究方法

该机的研究采用总体设计、部件重点攻关的思路实现。由于大断面煤巷掘进机是由各个部分组成的有机整体，因此在研究过程中，应首先确定掘进机的总体技术参数，在此过程中采取理论计算、国内外同类机型对比、试验验证多种方式相结合的方法进行，以最大限度的实现其合理性，然后制定具体的设计方案。设计中采用虚拟样机技术和传统设计方法相结合的方式，通过先进的设计分析软件对整机及各部件装配、性能进行分析，降低设计风险，缩短设计周期，提高物理样机的整机性能，然后对关键元部件及核心技术进行各个突破，对一些重要元部件，如截割减速器、回转机构，稳定支撑机构以及智能控制系统等，在设计完成后，先进行计算机模拟分析，然后进行实验室试验，以确保其运行可靠性。

2 大断面煤巷掘进机的研究

2.1 总体设计及结构组成 根据大断面巷道掘进的特殊要求，结合我国煤矿井下情况，提出了掘进机的主要结构和技术参数。然后，采用先进的三维软件建立虚拟样机并进行模拟分析，以合理的质量体积比，具有最高截割功率和高截割稳定性为优化目标，建立动力学模型对整机进行优化设计，确定整机设计参数。按照总体设计的要求，主要技术性能参数确定整机系统组成及它们之间的匹配性，各部件的结构形式，进行必要的总体计算。

大断面煤巷掘进机是一种集截割、装载、运输、行走、支护等功能于一身的综合机组，其作业环境和条件非常恶劣，工作载荷多变，载荷的计算非常复杂。因此，在建立掘进机截割岩壁的力学模型时，对掘进机的运行工况进行了适当、合理的假设和简化。大断面煤巷掘进机主要由截割机构、装载机构、刮板运输机、机架和回转机构、左右行走机构、电气系统、液压系统、水、护板总成等组成，如图1所示。所有的执行机构都由电机、液压泵和液压马达来驱动，控制系统采用CAN总线控制方式。

2.2 高性能截割头的设计 首先根据不同截割对象的岩石力学性能，对每种岩石的破碎过程和破碎现象进行试验研究，分析各种岩石的破碎机理和破碎条件。通过实验将截割过程产生的截割阻力、截割振动和截割粉尘等参数进行记录，然后根据记录的数据作为截割头设计的参考，如图2所示。通过对截割头截齿排布理论和设计方法的研究，设计出适合于截齿排布的算法，编写截割头截齿排布软件，截割设计软件能够对不同外形轮廓的截割头进行设计计算，满足大断面煤巷掘进机的设计要求。当用截割头设计软件计算的截割头截齿排布符合设计要求时，就可以将这些截齿排布参数用于截割头装配虚拟制造系统。

2.3 装载机构的研究 装载机构主要由铲板及左右对称的驱动装置组成，如图3所示，通过低速大扭矩液压马达直接驱动三爪星轮转动，从而达到装载煤岩的目的。装运系统是掘进机的重要组成部分，其设计质量直接影响掘进机的动力消耗和生产率等。装运系统的研究，从两个方面进行了考虑，一是对影响装载机构装载效率的设计参数：转盘大小、形状、转速以及铲板倾角、插入料堆深度进行研究、优化；二是对装载铲板的结构进行了大的创新设计，研制成功改向链轮前置的新型装载机构，有效解决了装载机构中间由于转盘无法够到而形成的“装载死区”问题，提高掘进机装载机构的自装效率。

2.4 抗冲击、大载荷新型回转机构的研制 回转机构主要的作用是将截割机构工作过程中产生的交变载荷通过机架转移到履带行走机构上，进而传递到地面上去。因此，回转机构研究的重点是提高其可靠性，并通过设计，降低截割机构工作载荷对整机造成的冲击。回转机构主要用于支承、联接并实现截割机构的升降和回转运动。回转机构通过止口、高强度螺栓和螺柱与机架相联。在工作时，齿轮齿条互相啮合来实现截割机构的水平摆动。截割机构的升降是靠连在回转机构上的截割升降油缸来实现的，齿轮齿条式新型回转机构如图4所示。

2.5 履带行走机构的研究 该履带行走机构具有载重大、耐冲击强的特点，采用了支重轮结构，以降低滑动摩擦阻力。为了井下组装和维护方便，履带行走机构与机架的联接设计为挂钩式，行走机构采用履带式，左、右对称布置，分别驱动。左右履带架通过高强度螺栓与机架相联。每个行走机构均由液压马达提供动力经行走减速器→驱动链轮→履带链，驱动履带行走。为了提高履带行走机构的可靠性，履带架设计为框架结构，履带板采用整体履带板，并利用计算机分析软件对履带架、履带板进行了受力与变形分析。

3 地面试验

整机设计完成后进行了岩壁截割试验，如图5所示，试验中针对掏槽、左右摆动、上下摆动和卧底各种工况进行了长时间的循环截割。在截割过程中整机表现出良好的截割稳定性，截割能力强、截齿磨损小，试验中对整机的截割稳定性、元部件振动等参数进行了检测，如图6为横扫工况下截割减速器的三向振动加速度。

测试表明，截割减速器三方向振动趋势一致，大小相仿，最大为4g，表明截割机构工作平稳。位移参数反映了截割过程中机器的稳定性，在截割过程中如果出现机器摆尾或跳动，位移和加速度将会出现较大数值的突变。根据测试结果进行的分析，除了调动机器出现较大的位移变化外，正常作业状态下的位移都比较小，可以判断设备具有良好的截割稳定性。

4 结语

经过地面试验及井下工业性试验，表明该机技术先进，体现出了截割能力强、稳定性好、遥控操作方便、自动化程度高、性能可靠等特点，对改善我国特厚煤层综放开采采掘比例失调，促进我国综掘机械化发展具有极其重要的作用，具有较高的性价比和竞争力。是我国煤矿向高产高效集约化安全生产转轨的理想掘进设备，对促进我国煤炭生产的可持续发展有着重要的意义。

参考文献：

[1]马昭.具有湿式除尘系统的岩巷掘进机的研制[J].煤矿机械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王义亮.横轴式掘进机截齿排列设计[J].煤矿机械， 2013，34（4）：39-40.

[3]杨春海.掘进机内伸缩截割机构的改进[J].科技情报开发与经济，2007（31）.endprint

摘要： 本文介绍了采掘装备的发展现状，阐述了大断面煤巷掘进机的主要组成部分及结构特点，对主要元部件截割头、装载机构、回转机构、履带行走机构进行了设计。并对整机进行了地面试验，表明该机截割能力强、稳定性好、性能可靠，对改善我国特厚煤层综放开采采掘比例失调，促进我国综掘机械化发展具有极其重要的作用。

关键词： 大断面；掘进机；截割头；行走机构；装载机构

中图分类号：TD421.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）05-0036-02

0 引言

近些年，我国煤矿采煤技术装备与矿井配套设施得到快速发展，使矿井生产能力和自动化程度极大提高，神华集团一批代表我国先进采煤技术水平的特大型矿井的综采工作面普遍采用了大功率、高自动化程度采煤装备，使工作面单产不断提高、推进速度不断加快，采掘比例失调仍然严重，综掘技术与装备的发展滞后于综采，采掘比例失调仍然严重，制约了煤矿高效、节约、自动化开采的发展。“十一五”以来，我国在煤及半煤岩巷道掘进技术与装备方面取得了巨大的进步，但发展重点集中于半煤岩及岩巷掘进机，大采高综放工作面设备所采用的设备大，而且生产过程中推进速度快，另外，还有瓦斯、通风等安全生产的需要，一般采准巷道的断面都设计比较大，且为煤巷掘进，因此需要开展大采高大断面煤巷掘进机的研究。

1 研究方法

该机的研究采用总体设计、部件重点攻关的思路实现。由于大断面煤巷掘进机是由各个部分组成的有机整体，因此在研究过程中，应首先确定掘进机的总体技术参数，在此过程中采取理论计算、国内外同类机型对比、试验验证多种方式相结合的方法进行，以最大限度的实现其合理性，然后制定具体的设计方案。设计中采用虚拟样机技术和传统设计方法相结合的方式，通过先进的设计分析软件对整机及各部件装配、性能进行分析，降低设计风险，缩短设计周期，提高物理样机的整机性能，然后对关键元部件及核心技术进行各个突破，对一些重要元部件，如截割减速器、回转机构，稳定支撑机构以及智能控制系统等，在设计完成后，先进行计算机模拟分析，然后进行实验室试验，以确保其运行可靠性。

2 大断面煤巷掘进机的研究

2.1 总体设计及结构组成 根据大断面巷道掘进的特殊要求，结合我国煤矿井下情况，提出了掘进机的主要结构和技术参数。然后，采用先进的三维软件建立虚拟样机并进行模拟分析，以合理的质量体积比，具有最高截割功率和高截割稳定性为优化目标，建立动力学模型对整机进行优化设计，确定整机设计参数。按照总体设计的要求，主要技术性能参数确定整机系统组成及它们之间的匹配性，各部件的结构形式，进行必要的总体计算。

大断面煤巷掘进机是一种集截割、装载、运输、行走、支护等功能于一身的综合机组，其作业环境和条件非常恶劣，工作载荷多变，载荷的计算非常复杂。因此，在建立掘进机截割岩壁的力学模型时，对掘进机的运行工况进行了适当、合理的假设和简化。大断面煤巷掘进机主要由截割机构、装载机构、刮板运输机、机架和回转机构、左右行走机构、电气系统、液压系统、水、护板总成等组成，如图1所示。所有的执行机构都由电机、液压泵和液压马达来驱动，控制系统采用CAN总线控制方式。

2.2 高性能截割头的设计 首先根据不同截割对象的岩石力学性能，对每种岩石的破碎过程和破碎现象进行试验研究，分析各种岩石的破碎机理和破碎条件。通过实验将截割过程产生的截割阻力、截割振动和截割粉尘等参数进行记录，然后根据记录的数据作为截割头设计的参考，如图2所示。通过对截割头截齿排布理论和设计方法的研究，设计出适合于截齿排布的算法，编写截割头截齿排布软件，截割设计软件能够对不同外形轮廓的截割头进行设计计算，满足大断面煤巷掘进机的设计要求。当用截割头设计软件计算的截割头截齿排布符合设计要求时，就可以将这些截齿排布参数用于截割头装配虚拟制造系统。

2.3 装载机构的研究 装载机构主要由铲板及左右对称的驱动装置组成，如图3所示，通过低速大扭矩液压马达直接驱动三爪星轮转动，从而达到装载煤岩的目的。装运系统是掘进机的重要组成部分，其设计质量直接影响掘进机的动力消耗和生产率等。装运系统的研究，从两个方面进行了考虑，一是对影响装载机构装载效率的设计参数：转盘大小、形状、转速以及铲板倾角、插入料堆深度进行研究、优化；二是对装载铲板的结构进行了大的创新设计，研制成功改向链轮前置的新型装载机构，有效解决了装载机构中间由于转盘无法够到而形成的“装载死区”问题，提高掘进机装载机构的自装效率。

2.4 抗冲击、大载荷新型回转机构的研制 回转机构主要的作用是将截割机构工作过程中产生的交变载荷通过机架转移到履带行走机构上，进而传递到地面上去。因此，回转机构研究的重点是提高其可靠性，并通过设计，降低截割机构工作载荷对整机造成的冲击。回转机构主要用于支承、联接并实现截割机构的升降和回转运动。回转机构通过止口、高强度螺栓和螺柱与机架相联。在工作时，齿轮齿条互相啮合来实现截割机构的水平摆动。截割机构的升降是靠连在回转机构上的截割升降油缸来实现的，齿轮齿条式新型回转机构如图4所示。

2.5 履带行走机构的研究 该履带行走机构具有载重大、耐冲击强的特点，采用了支重轮结构，以降低滑动摩擦阻力。为了井下组装和维护方便，履带行走机构与机架的联接设计为挂钩式，行走机构采用履带式，左、右对称布置，分别驱动。左右履带架通过高强度螺栓与机架相联。每个行走机构均由液压马达提供动力经行走减速器→驱动链轮→履带链，驱动履带行走。为了提高履带行走机构的可靠性，履带架设计为框架结构，履带板采用整体履带板，并利用计算机分析软件对履带架、履带板进行了受力与变形分析。

3 地面试验

整机设计完成后进行了岩壁截割试验，如图5所示，试验中针对掏槽、左右摆动、上下摆动和卧底各种工况进行了长时间的循环截割。在截割过程中整机表现出良好的截割稳定性，截割能力强、截齿磨损小，试验中对整机的截割稳定性、元部件振动等参数进行了检测，如图6为横扫工况下截割减速器的三向振动加速度。

测试表明，截割减速器三方向振动趋势一致，大小相仿，最大为4g，表明截割机构工作平稳。位移参数反映了截割过程中机器的稳定性，在截割过程中如果出现机器摆尾或跳动，位移和加速度将会出现较大数值的突变。根据测试结果进行的分析，除了调动机器出现较大的位移变化外，正常作业状态下的位移都比较小，可以判断设备具有良好的截割稳定性。

4 结语

经过地面试验及井下工业性试验，表明该机技术先进，体现出了截割能力强、稳定性好、遥控操作方便、自动化程度高、性能可靠等特点，对改善我国特厚煤层综放开采采掘比例失调，促进我国综掘机械化发展具有极其重要的作用，具有较高的性价比和竞争力。是我国煤矿向高产高效集约化安全生产转轨的理想掘进设备，对促进我国煤炭生产的可持续发展有着重要的意义。

参考文献：

[1]马昭.具有湿式除尘系统的岩巷掘进机的研制[J].煤矿机械，2013，33（1）：156-158.

[2]曹均，王义亮.横轴式掘进机截齿排列设计[J].煤矿机械， 2013，34（4）：39-40.

[3]杨春海.掘进机内伸缩截割机构的改进[J].科技情报开发与经济，2007（31）.endprint