礦用懸臂式掘進(jìn)機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)研究

渠建港

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)雁崖煤業(yè)公司，山西 大同 037001）

1 概述

懸臂式掘進(jìn)機(jī)已經(jīng)不能滿足于現(xiàn)狀，逐漸向重量化發(fā)展了，隨著其的不斷發(fā)展，相應(yīng)的，其截割功率也將會(huì)有所提高，以適應(yīng)不斷重量化的發(fā)展，與此同時(shí)，其本身的重量也會(huì)有所提高。根據(jù)相關(guān)的一些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，就目前而言，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割功率已經(jīng)從最初的160kW，逐步增加到320kW，其本身的重量，也從50t，一步一步地增加至120t 左右，從以上數(shù)據(jù)能夠看出，無(wú)論是懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割功率，還是其本身的質(zhì)量，均會(huì)隨著其向重量化發(fā)展，而呈指數(shù)式遞增。掘進(jìn)機(jī)隨著向重量化發(fā)展，其伴隨的一些問(wèn)題也逐漸出現(xiàn)了，例如，由于掘進(jìn)機(jī)較為沉重，不易拆卸，因此，在對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸、管理以及維護(hù)過(guò)程中，均會(huì)有一定的困難。相應(yīng)的，由于掘進(jìn)機(jī)的體重不斷的增加，那么，其與地面接觸的壓力也逐漸增加，因此，在使用掘進(jìn)機(jī)過(guò)程中，將會(huì)對(duì)地面造成一定的毀壞，與此同時(shí)，由于地面的毀壞，對(duì)于掘進(jìn)機(jī)也會(huì)有著一定的影響。

基于此，應(yīng)當(dāng)在保證懸臂式掘進(jìn)機(jī)正常使用的前提下，將其的質(zhì)量有所減少，對(duì)其進(jìn)行一定的輕量化處理以后，既能夠保證其的功能，同時(shí)，還能夠?qū)ζ渲圃臁⒕S修等的成本有所降低，進(jìn)而能夠提升懸臂式掘進(jìn)機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力。

2 掘進(jìn)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)方法

只有對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)重量的作用有著較為深入的了解以后，才能夠展開對(duì)其輕量化的改進(jìn)。通過(guò)調(diào)研，懸臂式掘進(jìn)機(jī)重量的作用如表1所示。

表1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)重量的作用

通過(guò)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)重量的研究，能夠發(fā)現(xiàn)，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)懸臂式掘進(jìn)機(jī)輕量化處理，可以從其主要零部件入手，通過(guò)對(duì)其零部件質(zhì)量的降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)身的輕量化。懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要用于煤礦的開采工作，但是，由于在其工作過(guò)程中，無(wú)論是環(huán)境還是工作狀態(tài)，均是極其嚴(yán)苛的，且要求具備一定的安全性，因此，其所采用的零部件相對(duì)笨重且復(fù)雜，相應(yīng)的，增加了機(jī)器本身的重量。要想對(duì)其進(jìn)行一定的輕量化處理，就可以通過(guò)現(xiàn)今較為先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)、有限元分析技術(shù)等對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)，結(jié)合先進(jìn)制造技術(shù)、機(jī)械材料等，對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的零部件進(jìn)行優(yōu)化，合理地分配材料的使用，最終降低其的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化的目的。

掘進(jìn)機(jī)在行走過(guò)程中，對(duì)其的接地比壓有著較為嚴(yán)苛的要求的，如果其是在較為堅(jiān)硬的巖性底板上行走時(shí)，其接地比壓一般平均值均不超過(guò)0.16MPa，對(duì)于此種狀況的路面，一般理想的接地比壓，應(yīng)該與履帶長(zhǎng)度的方向保持一致，且保證均勻分布。除此之外，為了保證掘進(jìn)機(jī)在正常行駛過(guò)程中，左右兩邊行走時(shí)，“步調(diào)”一致，且左右兩邊的履帶不跑偏，因此，在對(duì)其進(jìn)行裝機(jī)時(shí)，注意重量的左右兩邊均衡分布。如若已經(jīng)出現(xiàn)以上此種狀況，則需要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整。據(jù)此，當(dāng)在對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行輕量化處理時(shí)，可以從其零部件入手，對(duì)其零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理布局，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)在減輕一定質(zhì)量的前提下，滿足工作需求[1]。

在利用掘進(jìn)機(jī)對(duì)煤巖進(jìn)行截割時(shí)，其會(huì)受到一定的阻力，此時(shí)，掘進(jìn)機(jī)就會(huì)根據(jù)自身的重量、對(duì)地面的附著程度等，對(duì)該阻力進(jìn)行一定的抵消。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開始對(duì)較為堅(jiān)硬或較為巨大的煤巖進(jìn)行截割時(shí)，就有可能會(huì)出現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)左右擺動(dòng)的現(xiàn)象，進(jìn)而不能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其的截割，而產(chǎn)生此種現(xiàn)象的原因則是在于掘進(jìn)機(jī)與地面之間的附著力不能夠抵消其截割煤巖的阻力。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行工作時(shí)，其出現(xiàn)擺動(dòng)的幅度越大，那么其產(chǎn)生的危害也將會(huì)越大，不僅能夠?qū)ζ淞悴考斐蓚?，還能夠?qū)ぷ魅藛T產(chǎn)生一定的影響[2]。影響掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定性的因素有很多種，不僅掘進(jìn)機(jī)本身的重量能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生影響，同時(shí)，其截割牽引力、履帶的相關(guān)參數(shù)等，均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截割能力保持不變時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的輕量化處理，可以從以下幾個(gè)方面入手：對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割力臂有所降低、加大履帶的長(zhǎng)度，進(jìn)而增加與地面的接觸面積、縮短履帶之間的距離。但是，要想實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的輕量化，還需要考慮實(shí)際情況，根據(jù)實(shí)際的工作狀況，進(jìn)行具體情況，具體實(shí)施。

3 掘進(jìn)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)的幾個(gè)措施

3.1 零部件結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

在對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行輕量化處理時(shí)，選取懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為研究的對(duì)象。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)主要由鏟板部、扒爪以及驅(qū)動(dòng)裝置組成的，在其進(jìn)行工作時(shí)，轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)中的扒爪會(huì)將物料扒落至輸送帶上，之后，通過(guò)掘進(jìn)機(jī)自身以及其的支撐機(jī)構(gòu)，共同促使掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行工作。掘進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)是位于機(jī)身的前面一部分的，目的就是為了使得掘進(jìn)機(jī)自身的質(zhì)心能夠前移，進(jìn)而與其重心能夠重合，保證機(jī)身在進(jìn)行工作時(shí)的穩(wěn)定性，因?yàn)?，如果掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)，如果不能夠?qū)⑵涔ぷ髻|(zhì)心以及自身重心進(jìn)行重合時(shí)，那么將會(huì)使得掘進(jìn)機(jī)自身與地面的接觸壓力變大，那么將會(huì)對(duì)機(jī)器自身的底板產(chǎn)生一定的影響，更有甚者，如果是在較為柔軟或者泥濘的地面上進(jìn)行工作時(shí)，那么將會(huì)有很大的概率產(chǎn)生“窩機(jī)”的現(xiàn)象。但是，相應(yīng)的，如果將掘進(jìn)機(jī)的配重有增加的話，那么該掘進(jìn)機(jī)的質(zhì)量也將會(huì)有所提升。

基于此，要想對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行輕量化的設(shè)計(jì)，那么，就可以優(yōu)先對(duì)其轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化處理，進(jìn)而間接地實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的輕量化設(shè)計(jì)。

對(duì)目前現(xiàn)有的轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)的鏟板進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)，就目前的鏟板，其所使用的耗材性能較差，其中所使用的耗材較厚，導(dǎo)致其質(zhì)量有所增加，與此同時(shí)，傳統(tǒng)的鏟板其板材的布置較為密集，這也間接地加重了鏟板的重量。據(jù)此，可以通過(guò)較為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)計(jì)算，通過(guò)提高其所使用板材的各項(xiàng)性能，來(lái)實(shí)現(xiàn)整機(jī)的減重，如，可以使用Q460 或Q550 來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Q355 等。除了對(duì)其鏟板進(jìn)行設(shè)計(jì)改造之外，還可以對(duì)其銷軸進(jìn)行改進(jìn)，可以使用一些高性能的合金材料，如40Cr、30CrMnTi等，來(lái)替換掉傳統(tǒng)的一些耗材，如45鋼等，這樣就能夠降低掘進(jìn)機(jī)的整體的質(zhì)量。有的鏟板結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果沒(méi)有進(jìn)行工作的面積出現(xiàn)較多時(shí)，那么此時(shí)，掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行裝載工作時(shí)，該區(qū)域并未進(jìn)行有效做工，因此，需要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)，減少其無(wú)效工作面積，進(jìn)而減低整個(gè)鏟板的質(zhì)量，最終對(duì)掘進(jìn)機(jī)整體重量的降低有所成效。

傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)中轉(zhuǎn)載機(jī)構(gòu)的扒爪制作較為簡(jiǎn)單，且其制作的周期較短，主要是以60～80mm的鋼板作為其的原材料，直接進(jìn)行整體的切割即可。但是，由于傳統(tǒng)的扒爪是直接進(jìn)行切割而成的，因此，該扒爪的三只爪基本上沒(méi)有做任何的加工，因此，如果用通過(guò)鑄造工藝進(jìn)行制作的扒爪，其在重量上將會(huì)有所降低，其降低的重量約有50%以上，因此，在生產(chǎn)條件允許的前提下，可以通過(guò)鑄造技術(shù)對(duì)其扒爪進(jìn)行制造，這樣的話，就能夠有效地降低整機(jī)的重量。

3.2 總體布置優(yōu)化

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的整體布置結(jié)構(gòu)中，沿中軸線布置的裝置有：截割以及裝載機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)支承、機(jī)架以及刮板輸送機(jī)等。同時(shí)，在裝載機(jī)構(gòu)的上方，布置有用于升降所用的油缸；在掘進(jìn)機(jī)的一側(cè)（左側(cè)或右側(cè)），設(shè)置有泵站油箱，掘進(jìn)機(jī)的整個(gè)布置屬于前面較重，后面較輕，那么，為了能夠使得整個(gè)機(jī)身趨于平衡，在對(duì)其的設(shè)計(jì)時(shí)，就可以將一些零部件在設(shè)置的時(shí)候往后擺放[3]。

由于機(jī)身出現(xiàn)不穩(wěn)，因此，需要考慮將零部件靈活擺放，一般情況下，掘進(jìn)機(jī)的截割升降油缸以及泵站油箱等均可以。其中，對(duì)于掘進(jìn)機(jī)有一些較為特別的設(shè)計(jì)，如可以在回轉(zhuǎn)支承的左右兩側(cè)，安裝截割升降油缸，在機(jī)架的后面，安裝了泵站油箱，一些其他的大型零部件也均往后安裝設(shè)置了。通過(guò)以上的整體改裝布置以后，對(duì)于掘進(jìn)機(jī)整體的平衡有一定的提升，同時(shí)，對(duì)于該機(jī)器的整體工作效率，也有一定的提升[4]。

3.3 結(jié)構(gòu)形式選定

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的切割機(jī)構(gòu)的種類是多種多樣的，如果按照截割炮頭軸線方向的不同，就可以將其分為兩種，即：縱軸式、橫軸式，這兩種方式最大的區(qū)別就是在于其工作的減速器設(shè)置的位置不同，像縱軸式的，其減速器被放置在中間位置，有1個(gè)炮頭，其質(zhì)心在中間位置，而橫軸式的，其減速器位于前端位置，有2 個(gè)炮頭，其質(zhì)心處在機(jī)器的前端[5]。除此之外，這兩者的運(yùn)作機(jī)理也不一樣，縱軸式采用的是銑削式切割，橫軸式則采用的是鉆削式切割，且二者在工作過(guò)程中，有一定的差別。因此，在對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要確保截割的長(zhǎng)寬高，之后對(duì)其的回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行后移，以提高其工作的效率，降低其工作時(shí)機(jī)械的擺動(dòng)性。

4 結(jié)語(yǔ)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在煤巖工作過(guò)程中是至關(guān)重要的一種設(shè)備，因此，該機(jī)器工作的穩(wěn)定性是非常重要的，一定要保證該機(jī)器能夠正常工作，而以往對(duì)其的設(shè)計(jì)中，只是關(guān)注整機(jī)的整體質(zhì)量，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，較為保守，只是為了能夠提升以往機(jī)器的工作效率，但是，隨著近年來(lái)的不斷發(fā)展，以往的設(shè)計(jì)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在發(fā)展的要求，因此，需要對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)，以提高掘進(jìn)機(jī)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，而通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行輕量化處理以后，對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)的競(jìng)爭(zhēng)力以及降低生產(chǎn)成本均具有一定的促進(jìn)意義。