懸臂式掘進(jìn)機(jī)硬巖截割部的設(shè)計(jì)分析

閆 陽

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)王村煤業(yè)公司， 山西 大同 037049）

引言

當(dāng)前，通常硬巖截割設(shè)備包括掘進(jìn)機(jī)與盾構(gòu)機(jī)，其中，盾構(gòu)機(jī)能夠應(yīng)對強(qiáng)度為200 MPa 的巖石，可是在實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)其彎曲半徑相對較大，不能靈活切割，因此在井下應(yīng)用范圍相對較窄，存在較大的局限性；而掘進(jìn)機(jī)外形相對較小，工作靈活性相對較好，并且可以較好地實(shí)現(xiàn)煤巖巷道賦值[1-2]。

通過對我國煤礦巷道掘進(jìn)硬巖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，巷道總長占到20%～30%。而我國當(dāng)前絕大部分的巷道在掘進(jìn)過程中，選用炮掘或者震動炮掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，掘進(jìn)效率相對較低，并且截齒損壞率相對較高。當(dāng)前，部分懸臂式斷面掘進(jìn)及在進(jìn)行工作的過程中，往往選用多截齒配置的截割頭。從截割功能方面進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不能較好地應(yīng)對抗壓強(qiáng)度在80 MPa 的全巖巷道。為此，需要開發(fā)一種能夠適應(yīng)全巖巷道硬巖截割的掘進(jìn)機(jī)。這樣可以有效地保護(hù)煤炭資源、優(yōu)化礦井的開采壽命。

1 硬巖截割形式及原理

在掘進(jìn)機(jī)中，截割部是關(guān)鍵零件，其可以達(dá)到截割破碎巖石的目的。在生產(chǎn)的過程中，通常刀具選用合金鎬形齒，其并不能較好地應(yīng)對硬度系數(shù)f=10 以上的巖石。在進(jìn)行截割時，合金鎬形齒往往出現(xiàn)大量的損壞，并且在進(jìn)行掘進(jìn)時需要花費(fèi)較大的成本。

從硬巖截割方面進(jìn)行分析可以看出，掘進(jìn)設(shè)備可以分為：盾構(gòu)硬巖滾刀截割技術(shù)以及硬巖大盤截割技術(shù)。由于滾刀截割與刀盤截割之間存在一定的差異性，通常硬巖滾刀截割能夠?qū)箟簭?qiáng)度較大的巖石進(jìn)行截割。而相應(yīng)的硬巖刀盤截割主要運(yùn)用抗拉強(qiáng)度將巖石破碎。通常情況下，巖石抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，由此可以看出刀盤截割在截割抗壓強(qiáng)度較大的巖石時效果不理想。

1.1 硬巖滾刀截割技術(shù)

通常情況下，刀盤截割機(jī)在工作的過程中，主要以張應(yīng)力來破碎巖石。而傳統(tǒng)的滾刀截割是以抗壓強(qiáng)度來破碎巖石的。刀盤在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的過程中，可以將巖石壓入設(shè)備中，這時盤型滾刀可以對巖石進(jìn)行擠壓、剪切以及拉裂等動作。通常在刀刃的作用下出現(xiàn)小塊的破碎體，經(jīng)過刀刃的碾壓從而將巖石變成粉碎體，最終經(jīng)過碾壓而成為密實(shí)核。由于密實(shí)核可以把滾刀壓力傳輸給周邊的巖石，與此同時將會產(chǎn)生徑向裂紋，而相應(yīng)的裂紋開始逐漸向刀刃兩邊進(jìn)行逐步延伸，最終可以形成巖石碎片，從而達(dá)到破碎巖石的效果。

1.2 硬巖刀盤截割技術(shù)

以懸臂式掘進(jìn)機(jī)硬巖截割為基礎(chǔ)，同時借助刀盤截割形式。通?？梢詫⒌侗P設(shè)置在懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割臂上，圖1 表示刀盤截割破碎巖的原理。通過觀察可以看出，在刀盤位置均勻的設(shè)置圓柱形球齒。通常刀盤刀具可以劃分為如下兩個部分：齒尖、刀盤楔面。從運(yùn)動方式上可以分為：徑向切削擠壓振蕩、軸向擠壓振蕩。

圖1 刀盤截割破巖原理圖

2 硬巖截割部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了能夠有效地開掘硬巖巷道以及隧道，工作人員設(shè)計(jì)了硬巖掘進(jìn)機(jī)設(shè)備。以刀盤式截割為基礎(chǔ)，工作臂選用動力截割銑削刀盤結(jié)合振蕩輔助截割原理。同時在實(shí)施截割的過程中，依據(jù)巖石硬度的不同選用與之匹配的刀具，這樣可以實(shí)驗(yàn)硬巖掘進(jìn)機(jī)的連續(xù)生產(chǎn)，從而可以解決不同硬度的巷道安全掘進(jìn)問題。因此選用刀盤式截割技術(shù)的硬巖截割。

2.1 硬巖截割部的結(jié)構(gòu)組成和功能特點(diǎn)

硬巖截割部包括刀盤、懸臂段、前耳座、后耳座、叉形架、截割電機(jī)、油缸、聯(lián)接裝置、噴霧裝置等。通?？梢詫⒌侗P設(shè)置在懸臂前方，而叉形架在于掘進(jìn)機(jī)主機(jī)連接時，主要通過銷軸鉸接。叉形架工作的過程中，主要與懸臂段借助油缸以及相應(yīng)的連接裝置，最終可以實(shí)現(xiàn)動力傳輸。通常油缸可以對大盤切入角進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時還可以傳遞截割動力于懸臂段以及刀頭。在對巖石進(jìn)行截割時，可以借助油缸調(diào)整以及控制刀盤截割巖石的角度，這樣可以通過抗拉強(qiáng)度將巖石破碎。

在工作的過程中，需要借助油缸來調(diào)整以及控制刀盤角度，因此設(shè)計(jì)出一個能夠?qū)崿F(xiàn)軸向偏移的聯(lián)接裝置，從而可以更好地實(shí)現(xiàn)截割動力的傳遞。圖2 表示相應(yīng)的聯(lián)軸裝置結(jié)構(gòu)圖。其中，萬向聯(lián)軸器能夠保證兩軸不在同一軸線上而實(shí)現(xiàn)動力的傳輸。

圖2 聯(lián)結(jié)裝置圖

萬向聯(lián)軸器能夠?qū)崿F(xiàn)角向補(bǔ)償能力，從而可以實(shí)現(xiàn)較大的動力傳輸。為此連接裝置可以選用十字軸式萬向聯(lián)軸器，其具有如下幾個方面的特點(diǎn)：傳輸效率較高、傳輸平穩(wěn)性相對較好、噪聲小、便于后期維修等。

2.2 萬向聯(lián)軸器選型

2.2.1 萬向聯(lián)軸器的理論轉(zhuǎn)矩T

式中：Pw為驅(qū)動功率，取260 kW；n 為萬向聯(lián)軸器轉(zhuǎn)速，取326 r/min。

將數(shù)值代入公式得：T=7 616.5 N·m。

2.2.2 傳遞轉(zhuǎn)矩Tc

另外，為了能夠保證萬向軸在工作的過程中不出現(xiàn)斷裂以及塑變，必須滿足下面的公式：

式中：Ka為載荷性質(zhì)系數(shù)，取3.5；Tn為萬向聯(lián)軸器的公稱轉(zhuǎn)矩，取56 kN·m；Tp為萬向聯(lián)軸器的脈動疲勞轉(zhuǎn)矩，取56 kN·m；Tf為萬向聯(lián)軸器的交變疲勞轉(zhuǎn)矩，取28 kN·m。

經(jīng)過計(jì)算，萬向聯(lián)軸器的傳遞轉(zhuǎn)矩Tc取值為26 658 N·m。

經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，聯(lián)軸器的軸往往易出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象，因此可以選用剖分式軸承，采用螺栓進(jìn)行連接，這樣便于后期維護(hù)更換。

3 結(jié)語

基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割硬巖的主要破巖形式與具體截割原理，對懸臂式掘進(jìn)機(jī)硬巖截割部的主要結(jié)構(gòu)以及各連接件的功能特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了部分關(guān)鍵零部件的選型計(jì)算，總結(jié)出能夠有效處理截割硬巖技術(shù)的問題。

經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，聯(lián)軸器的軸往往易出現(xiàn)磨損的現(xiàn)象，因此可以選用剖分式軸承，采用螺栓進(jìn)行連接，以便于后期維護(hù)更換。