悬臂式掘进机的发展及趋势

毛　君,吴常田,谢　苗
(辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新　123000)

摘要：介绍了国内与国外掘进机的问世、应用以及其发展现状,阐述了悬臂式掘进机技术的最新发展,强调指出应用高科技实现大功率、重型化、系列化、智能化和自动化是未来掘进机技术的发展趋势.

关键词：悬臂式掘进机;巷道;发展

作者简介:毛　君(1961-),男,教授,博士生导师.E-mail:maojun608@263.net

悬臂式掘进机(又称部分断面掘进机)广泛用于矿山井下巷道掘进、交通和水下隧道掘进以及其他工程的洞穴开掘.在全国煤矿中,巷道掘进量年均600万m,其中机掘约占400万m.金属矿、化工矿山巷道掘进量年均100万m,机掘量为零.到2025年,约有13 000～18 000万m的掘进工程量.

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60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S100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, ELMB-55,EBJ-65/48,ELMB,EMIA30,EMS-75,EL-90,EBJ-132,EBJ-160,MRH-S100-41,EBH-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已达到相当的水平;出现了重型机[1].

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EBJ型、EL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、使用进入了一个较高的水平,已跨入了国际先进行列,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EBH-132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入国际先进行列,使国产掘进机可截割抗压强度80 MPa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ELMB-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[2].

在全世界范围内,自第二次世界大战以来的几十年,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[3].

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50～400 kW,机重最轻的有十几吨,最重的可达160 t.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,日本成功地使用TM60K型掘进机掘进全岩巷引水隧道,截割抗压强度高达170～200 MPa的岩石,目前最大的WAV408型掘进机重达160 t,切割功率可达408 kW,定位切割断面面积可达87.5 m2.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.此外,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)采用机电一体化技术.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.

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[4].

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:①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.②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.③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.

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170 MPa.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200～300 kW,最高可达500 kW.而我国重型掘进机尚处于发展阶段,截割功率目前已达200 kW.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.(www.xing528.com)

(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(锚杆安装机、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.

参考文献:

[1]　掘进机械化成套设备选型手册编委会.掘进机械化成套设备选型手册[M].北京:煤炭工业出版社,1990. The Seletion Handbook Editorial Board of Driving Mechanization Equipment.The selection handbook of driving mechanization equipment [M].Beijing:Coal Industry Press,1990.

[2]　谢锡纯,李小豁.矿山机械与设备[M].徐州:中国矿业大学出版社,1999. XIE Xichun,LI Xiaohuo.The machiney and equipment of mine[M].Xuzhou:China Mining University Press,1999.

[3]　巴塞尔.掘进机[M].赵殿明译.北京:煤炭工业出版社,1980. BASEL.Roadheaders[M].ZHAO Dianming translation.Beijing:Coal Industry Press,1980.

[4]　马跃.谈我国悬臂式掘进机的发展及趋势[J].煤,2006(2):29-32. MA Yue.The development and trend of boom-type roadheaders[J].Coal,2006(2):29-32.

Advances and trends on boom-type excavators

MAO Jun,WU Chang-tian,XIE Miao
(College of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

Abstract：In thispaper,the world-wide application and development of excavators are first introduced.Then, advances of boom-type excavators are presented.Eventually,future trends are summarized in terms of high power,duty,serialization,intelligence and automation.

Key words：boom-type excavator;tunnel;advance

中图分类号：TD 421

文献标识码：A

文章编号：1672-5581(2007)02-0240-03