懸臂式掘進機的設(shè)計與應(yīng)用

高明祥 邱國慶 屈晨曦

【摘? 要】掘進機是應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域中，用來開鑿地下渠道的機器。自19世紀70年代英國生產(chǎn)出第一臺掘進機之后，掘進機在工業(yè)史上發(fā)揮了巨大的作用，為了不斷適應(yīng)越來越復(fù)雜的現(xiàn)實情況，滿足不同條件下不同環(huán)境中的開鑿需求，掘進機的設(shè)計和生產(chǎn)也在不斷的創(chuàng)新和發(fā)展。懸臂式掘進機是掘進機中較為常見和主要使用的一種，在國內(nèi)外的不同工業(yè)環(huán)境中不斷更新和發(fā)展。面對越來越復(fù)雜和困難的開鑿條件，懸臂式掘進機的設(shè)計難度越來越大，因此，要根據(jù)不同環(huán)境和不同條件的要求，設(shè)計更加科學(xué)合理，高效節(jié)能的懸臂式掘進機。

【關(guān)鍵詞】掘進機;懸臂式掘進機;開發(fā)設(shè)計

引言

掘進機是工業(yè)領(lǐng)域中的一種開鑿類型機器，自19世紀70年代第一臺掘進機設(shè)計生產(chǎn)后，掘進機被廣泛應(yīng)用到各種工業(yè)開采、開鑿項目中。掘進機從最初的以媒巷為主要工作對象，到后來應(yīng)用到各種工程作業(yè)中，為了適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境和需求，掘進機也發(fā)展出不同種類，懸臂式掘進機是其中較為常見也是主要使用的一種掘進機，20世紀30年代開發(fā)生產(chǎn)了第一臺掘進機，并應(yīng)用到采礦行業(yè)中，在之后的發(fā)展中，有70多種不同的機型，而本文就將聚焦于懸臂式掘進機的設(shè)計方向和應(yīng)用情況，對未來的設(shè)計方向提出建議。

一、懸臂式掘進機簡介

（一）懸臂式掘進機

在19世紀70年代，為了更好的進行煤炭的開采工作，英國人設(shè)計生產(chǎn)了第一臺掘進機，掘進機的設(shè)計主要是為了進行地下巷道的開鑿工作，現(xiàn)實的工程環(huán)境要求掘進機的要針對不同的環(huán)境條件，不同的施工對象設(shè)計不同的掘進機類型，懸臂式掘進機就是應(yīng)用較為廣泛的一種。現(xiàn)在的懸臂式掘進機是將機械、電氣、液壓及自動化控制等多種技術(shù)集于一體的施工器械，通常應(yīng)用在煤礦巷道、水下隧道等等工程中洞穴的開掘，有利于工程項目的開展，特別是過去限制于開鑿機器的落后，對于很多復(fù)雜路況以及堅硬度較高的土質(zhì)、巖石等難以攻克的工程項目，在懸臂式掘進機的設(shè)計和應(yīng)用后，對整個機械制造業(yè)都是標志性的進步，而對于很多工業(yè)行業(yè)而言，有助于產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進步。

（二）適用條件及概況

一般來說，為了適應(yīng)不同情境下的開鑿情境，需要不同類型的懸臂式掘進機。在井下巷道的施工作業(yè)中，懸臂式掘進機通常使用在10-30平方米的斷面井下巷道，比如媒巷、半煤巖巷、軟巖巷道或者隧道的掘進作業(yè)。就現(xiàn)有的掘進機設(shè)計程度而言，經(jīng)濟切割硬度最大為80兆帕，對于較松散的地質(zhì)條件下可以達到90兆帕，適應(yīng)的坡度范圍是-18度到18度之間，主要的施工作業(yè)包括切割、裝載以及運輸。

在懸臂式掘進機的設(shè)計中，應(yīng)該注意對結(jié)構(gòu)等各個方面的要求。對于掘進機整體而言，要注意機體的穩(wěn)定性，盡可能降低重心，減少偏側(cè)的設(shè)計，第二，保證機體的強度和硬度，但是與此同時也要盡可能將機體做的尺寸較小、重量更輕，更適合復(fù)雜情況的開鑿。第三，各個部件之間的位置科學(xué)合理，盡可能保證在組裝、維修、拆卸過程中都能簡潔、方便且不易相互影響。第四，對于動力系統(tǒng)的設(shè)計，要盡可能簡短、直接，傳遞過程中盡可能用更少的路徑和空間實現(xiàn)高效的傳遞。懸臂式掘進機主要應(yīng)具備三個功能：截割、裝運、行走，為了實現(xiàn)這3個功能，掘進機需配備3個系統(tǒng)，包括液壓系統(tǒng)、噴霧冷卻系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)。對掘進機的設(shè)計和創(chuàng)新，主要就是對不同功能的創(chuàng)新，比如對截割功能的創(chuàng)新，需要對切割頭和回轉(zhuǎn)機構(gòu)進行創(chuàng)新和提升。因此，針對不同情況和不同條件下的實地施工要求，對懸臂式掘進機的不同部件進行創(chuàng)新設(shè)計，以便于滿足不同的施工需求。

二、懸臂式掘進機的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀

（一）國外懸臂式掘進機的發(fā)展

19世紀70年代英國設(shè)計制造出第一臺掘進機，20世紀30年代美國設(shè)計制造了第一臺懸臂式掘進機，掘進機逐漸應(yīng)用到了工業(yè)領(lǐng)域的各個開鑿項目中去，并且在世界各地廣泛應(yīng)用，英國、前蘇聯(lián)、美國、德國等國在上個世紀就已經(jīng)設(shè)計生產(chǎn)出70多種不同型號的掘進機。在掘進機使用的過程中，最初的掘進機主要應(yīng)用在煤礦的開采中，掘進機尺寸較大，可以開鑿的巖石硬度有限，截割功率也較小。到后期的發(fā)展過程中，掘進機被應(yīng)用到其他領(lǐng)域的開鑿中，比如水下隧道、公路的山體開鑿等等，主要的工作對象是巖石，以及較堅硬的地質(zhì)種類，因此在切割頭等部件方面進行了創(chuàng)新性研發(fā)，現(xiàn)在的掘進機可以開鑿巖石的硬度較高，對于很多中度硬巖石都可以進行截割。

在未來的掘進機的設(shè)計創(chuàng)新中，將主要從以下幾個方面進行：第一，擴大掘進機的應(yīng)用環(huán)境、應(yīng)用條件。第二，增大掘進的斷面面積，適應(yīng)難度更高的開鑿項目。第三，適應(yīng)坡度更大的施工環(huán)境。第四，繼續(xù)增強掘進機的截割能力，可以開鑿硬度更高的巖石種類。

（二）國內(nèi)懸臂式掘進機的發(fā)展

1965年，我國設(shè)計生產(chǎn)了第一臺掘進機，但是我國的研制力量有限，到20世紀80年代，對于難度較高的開鑿項目都需要購買國外生產(chǎn)的先進掘進機，與此同時，國家開始注重工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，引進掘進機的相關(guān)重要技術(shù)，鼓勵自主設(shè)計、研制掘進機。到20世紀90年代，我國的掘進機技術(shù)有了長足的發(fā)展，根據(jù)我國的開鑿要求及不同的地質(zhì)環(huán)境，研發(fā)設(shè)計了十幾種不同類型的掘進機，可以適應(yīng)多種環(huán)境，針對不同的工作對象滿足工作需求。

三、懸臂式掘進機設(shè)計方向

（一）解決巖石掘進困難

就我國而言，掘進機的應(yīng)用越來越多的覆蓋到道路的開鑿工作中，近幾年我國的公路建設(shè)發(fā)展快速，覆蓋面積越來越廣，與此同時，面臨的工作環(huán)境越來越復(fù)雜，工作對象也越來越困難。我國現(xiàn)有的掘進機機型大多只能截割中等硬度的巖石，對于很多硬度很高的巖石束手無策，因此，未來的掘進機設(shè)計要關(guān)注對切割頭等部件的提升，提高掘進機截割能力，解決高硬度巖石的掘進困難。

（二）適應(yīng)多種掘進環(huán)境

隨著掘進機應(yīng)用范圍的擴大，掘進機未來的研發(fā)設(shè)計要適應(yīng)更多的作業(yè)環(huán)境。比如工程項目、鐵路隧道、公路隧道等等不同的工作環(huán)境，對于很多非煤礦山等較為復(fù)雜地質(zhì)條件也要適應(yīng)。

（三）增加多種輔助功能

一般來說，掘進機的系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)、噴霧冷卻系統(tǒng)以及電力系統(tǒng)，主要是為了保證設(shè)備的正常運作，未來的掘進機設(shè)計應(yīng)該增加其他的輔助功能，比如除塵系統(tǒng)，可以有效的改善作業(yè)環(huán)境;支持保護系統(tǒng)，保證機體外工作人員的安全。除了一些輔助系統(tǒng)，還可以增加現(xiàn)代化技術(shù)，提高掘進機的效率、安全性、環(huán)保性等等。

四、結(jié)語

懸臂式掘進機是工業(yè)開鑿領(lǐng)域中較為關(guān)鍵的機械設(shè)備，對地下巷道等進行開鑿的設(shè)備。自掘進機被研發(fā)設(shè)計以來，掘進機應(yīng)用的范圍和環(huán)境越來越廣，從最初的煤礦開鑿到公路、鐵路等隧道的開鑿，隨著應(yīng)用范圍的擴大以及工作環(huán)境的復(fù)雜性越來越高，掘進機作業(yè)的對象也越來越復(fù)雜，未來的掘進機設(shè)計需要從各個方面進行創(chuàng)新和提高。

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（作者單位：三一重型裝備有限公司）