部分断面掘进机（横轴式）
1. 概述
巷逍掘进机是一种能够完成截割、装载、转载煤岩，并能自己行走，具有喷雾火尘等功能的巷道掘进联合机组，根据工作方式的不同可分为全断而掘进机和部分断而掘进机。前者可一次截割出所需断面，且断面形状多为圆形，主要用于工程涵洞及隧道的岩石掘进；后者一次仅能截割断而一部分，需工作机构上下左右多次摆动、移动，逐渐截割才能掘出所需断而，断而形状可以是矩形、梯形、拱形等，英中悬臂式断而掘进机在煤矿中使用很普遍。
1.1国内外的发展、现状、水平
1.1.1国外掘进机的发展概况
早在上世纪30年代，徳国、前苏联、英国、美国等就开始了煤矿巷道掘进机的研制，但巷逍觉仅仅得到较广泛工业性应用还是在第二次世界大战之后。1948年，匈牙利开始研制F系列煤巷掘进机。1949年生产的F2型掘进机，是世界上的第一台悬臂式掘进机，不过当时还未能实现悬臂式掘进机的全部功能。1951年匈牙利研制了采用履带行走机构的F4型悬臂式掘进机，这种机型除采用横轴截割方式和调动灵活的履带行走机构外，还采用了铲板和星轮装载机构，并采用了刮板运输机转运物料。这种机型已经具备了现代悬臂式掘进机的雏形。F系列掘进机是目前悬臂式横轴掘进机的原始机型。
1971年奥地利ALPINE公司在匈牙利F系列掘进机的基础上，研制了AM—50型掘进机, 并在此基础上逐步形成了AM系列掘进机。在此基础上，徳国EICK-H0FF公司自行研制出了EVA系列掘进机。1973年WESTFALIA公司成功研制了WAV—170和WAV—200型掘进机，并在此基础上发展为WAV系列型掘进机。F系列、AM系列和WAV系列掘进机均采用的是横轴截割机构。
1956年前苏联生产了首台纵轴悬臂式掘进机。1960—1964年，英国从前苏联引进，并同时开始了悬臂式掘进机的研制。1963年D0SC0公司通过改变截割头截齿配列和更换电气系统，研制岀了D0SC0系列掘进机。1968年徳国EICKH0FF公司在引进的D0SC0掘进机基础上研制开发出了EV-100型掘进机。后来徳国PAURAT公司又研制出了ET系列掘进机，使纵轴悬臂式掘进机逐步形成系列化。
经过半个多世纪的发展，目前，国外掘进机主要生产国有：英、徳、俄罗斯、奥地利、日本等国，所生产的掘进机已被广泛用于硬度低于8半煤岩的采准巷道掘进，并扩大到岩巷。重型机不移位截割断面达35~42〃，，多数机型能在纵向±16、横向8的斜坡上可靠工作，截割功率在132~300kw,机重在50-100（,切割岩石硬度f为12。部分机型截割速度已降至lm/s以下，牵引速度采用负载反馈调节，以适应不同岩石硬度；一些机型除设有后支撑外, 还在履带前后安装了卡爪式液压扎脚机构，以便在切割岩石时锚固宦位。机电一体化己成为掘进机发展趋势，新推岀的掘进机可以实现推进方向和断面监控、电动机功率自动凋肖、离机遥控操作及工况监测和故障诊断，部分掘进机实现PLC控制，实现回路循环检测。
1.1.2国内掘进机的发展概况
我国悬臂式掘进机的发展大体分为三个阶段。第一阶段是上世纪60年代初期到70年代末，这一阶段主要是已引进国外掘进机为主，在引进的同时，我们的技术人员开始尝试进行消化吸收，但研究水平较低，主要以切割煤的轻型机为主。
上世纪70年代末到90年代初为消化吸收阶段。这一阶段分别从英国、奥地利、日本、前苏联、美国、徳国、匈牙利等国家引进了16种、近200台掘进设备，对我国煤矿使用掘进机起到了推动作用。在此期间，我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐步实现了国产化。这一期间我国悬臂式掘进机的主要特点是可靠性大幅提高，已能适应我国煤矿的巷道掘进，中型掘进机型号日趋齐全。
90年代初至今为自主研发阶段。这一阶段中型悬臂式掘进机发展日趋成熟，重型掘进机大批出现，悬臂式掘进机的设计与加工制造水平已相当先进，并且具备了根据矿井条件实现个性化设汁的能力。这一时期的代表机型主要有太原分院研制的EBJ—160、EBZ160TY和EBJ-120TP 型掘进机。这一阶段我国悬骨式掘进机的设讣水平大幅提高，各种先进的三维设计和分析软件广泛应用，机器可靠性大幅提髙，功能日趋完善，功率更大，一些先进的故障诊断和显示技术、离机遥控技术应用苴中，我国的悬臂式掘进机设讣和生产使用技术跨入了国际先进国家的行列。由煤炭科学研究总院太原分院设汁的EBZ160TY型掘进机首次采用了恒功率双速截割电动机、恒功率变量泵和比例多路换向阀的液圧系统，首次将国产掘进机的工作压力由16MPa提高到23MPa,并能可靠运行，这一机型的研制成功，标志着我国悬臂式掘进机的研制水平又迈上了一个新台阶。
我国的悬臂式掘进机发展主要受英国D0SC0、日本三井三池S系列型掘进机的影响。目前主要以纵轴悬臂式为主。同时，由于吸收了奥地利AM系列型掘进机的特点，也有部分掘进机设计为横轴截割方式。
1. 2掘进机技术的发展趋势
掘进机的发展经历了由小到大、从单一到多样化的过程，现在已形成轻型、中型、重型3个系列。掘进机正向以下几个方面发展：
（1）增强截割能力。为了实现较强的截割能力，现代掘进机截割功率不断增大，截割速度逐渐降低。现代中重型悬臂式掘进机截割功率120~300騙,个别机型达到400kw9截割头转速一般为20~50r/min,截割速度广2m/s,部分机型降低到1 m/s以下。经济截割硬度100~120Hpa,最大可达140 Mpa°
（2）提髙工作可靠性。由于地质条件复杂多变，使掘进机在工作时承受交变的冲击载荷，且磨损和腐蚀严重。而井下的环境恶劣，空间狭小，检修不便，因此要求通过完善的设计、高质量的制造及合理的使用和良好的维护来提高其可靠性。
（3）采用紧凑化设计，降低重心，提高工作稳宦性。由于掘进机悬臂过长，使得截割反力较大，不利于机器稳左工作。针对这个问题，应采用紧凑化设计，努力降低机器的重心, 并在机器的后部或两侧增设油缸稳泄装置，以提髙机器的工作稳立性。
（4）增强对各种复杂地质条件的适应性。悬臂式掘进机普遍采用履带行走装置，以减小接地比压：通过增大驱动功率，以增强牵引力和爬坡能力，从而提髙对各种底板、工况的适应性。
（5）研究新型刀具和新的截割技术。为增强截割能力、提髙刀具的使用寿命，应努力改进刀具的结构，采用新材料，研究新的破岩方法。
（6）发展自动控制技术。截割断面监视和控制技术的开发和应用。采用该技术将实现掘进工作而切割情况较直观、全而的观察和了解，并能对断而切割精度和巷道质量进行控制。基本解决了掘进机械操作人员在截割过程中离开迎头，安全、准确操纵的问题和提高巷道质量、生产效率的问题。该技术包括随设备水平姿态识別、调整；切割轨迹记录和显示：断面边界设定：断而成形控制：前进方向指示和引导；偏离方向和切割超限报警等几个方而的内容。该技术的进一步发展将实现掘进机的自动掘进。
（7）发展掘锚机组，实现快速掘进。目前，影响悬臂式掘进机掘进速度的主要因素就是支护
时间过长。掘进、支护不能同步作业，制约了巷道掘进速度，降低了掘进效率。掘锚机组是一种新型、高效、快速的掘进设备，是一种理想的作业方式，具有良好的发展前景。
2. 基本组成、工作原理与特点
2. 1掘进机主要机构
悬臂式掘进机要同时实现将煤岩从矿体分离、装载运岀、并实现机器本身的行走调动和喷雾火尘等功能。它主要由截割机构、装载机构、运输机构、机架及回转台、行走机构、液压系统、电气系统、冷却火尘系统及机器的操作控制与保护等九部分组成。
1）截割机构：主要由截割头、悬臂段、截割减速器、截割电动机组成，部分悬臂式掘进机截割部还设有叉形架，用来保护截割电动机；
2）装载机构：主要由铲板及左右对称的收集装苣组成，装载机构位于机器前端的下方, 其主要作用是将截割机构分离和破碎的物料集中装载到运输机构上去：
3）运输机构：主要由机前部、机后部、驱动装置、刮板链、张紧装置、脱链器和改向轮等组成，运输机构可采用低速大扭矩液压马达直接驱动（或用电动机经减速器驱动），刮板链条的张紧通过在运输机尾部的张紧油缸来实现：
4）机架和回转台：机架是整个机器的计架，承受着来自截割、行走和装载的各种载荷; 回转台主要用于实现切割机构的升降和回转运动，通过大型回转轴承止口和髙强度螺栓支承、联接，是回转台座落在机架上：
5）行疋机构：现代掘进机多采用履带式行走机构。传统的履带行走机构通常由“四轮一带”即：驱动轮、改向轮、支重轮和托链轮四轮以及履带组成。但为了降低行泄机构的高度，也有用耐磨框架代替支重轮和托链轮的：
6）液压系统：主要由泵站、控制阀组、油缸、驱动马达及辅助液压元件组成，为掘进机提供压力油，驱动和控制各油缸及马达，是机器实现相应的动作，并进行液压保护；
7）电气系统：向机器提供动力，驱动和控制机器中的所有电动机、电控装置、照明装置等，并可实现电气保护；
8）除尘系统：由内外喷雾装置组成，用以向工作面喷雾，除去截割时产生的粉尘，还有冷却截割电动机和液压系统的功能。
2. 2掘进机工作原理
部分断面掘进机具有截割、装载转运煤（岩）和调动行走等功能。工作时，截割机构的截割头输出的扭矩和升降或回转液圧缸的推、拉力共同转化为截齿的截割力并施于煤（岩）壁上，将煤（岩）从煤层或围岩的基体上破落。同时，装载机构不断地将破落下的煤（岩）装入中间刮板输送机转运至机后卸载。依靠臂杆带动截割头上、下、左、右，依次截割完巷道的全断而之后，开动行走机构前进，在进行下一个循环的截割。机上还装有内、外喷雾装置（或吸尘器），以减少空气中粉尘浓度。各个机构的动作和各个系统的控制均由司机在机器的操纵台上操纵。
2. 3掘进机总体结构特点
横轴式掘进机的截割头轴线与悬臂轴线相垂直，工作时先进行掏槽截割，掏槽进给力来自行走机构，最大掏槽深度为截割头直径的2/3。掏槽时，截割头需做短幅摆动，以截割位于两个截割头中间部分的煤岩，因而操作较为复杂。掏槽可在工作而的上部或下部进行，但截割硬岩时应尽可能在工作而上部掏槽。
横摆截割时，截齿齿尖的运动轨迹近似为空间螺旋线。截割力的方向近乎沿着悬臂的轴线，进给力的方向和截割力的方向近乎一致，与摆动方向近乎垂直，摆动力不作用在进给方向上，
进给力主要取决于截割力，所以，掏槽截割时所需要的进给力较大，横摆时需要的进给力较小。由于进给力来自于行走履带，使得行疋机构需要较大的驱动力。且需频繁开动，磨损加剧。
虽然截割反力使机器产生向后的推力和作用在截割头上向上的分力，但可被较大的机重所平衡，因而不会产生倾覆力矩，机器工作时的稳定性较好。
横轴式截割头的形状近似为双半球形，不易切岀光滑轮屎的巷道，也不能利用截割头开水沟和挖柱窝。横轴式截割头上多安装镐形截齿，齿尖的运动方向和煤的下落方向相同，易将切下的煤岩推到铲板上及时装载运走，装载效率髙、截齿数较多，且不被煤岩体所包埋，因而产尘量较多。
3 ?总体方案设计
3.1动力元件选择
动力机又称原动机，是机械设备中的驱动部分。在进行机械系统设计时，选用何种形式的动力机，主要应从如下几个方面加以考虑：
（1）分析工作机械的负载特性，包括英载荷性质、工作制、作业环境、结构布置等：（2）分析动力机本身的机械特性，以便选择与工作机械相匹配的动力机：
（3）动力机容量计算，通常是指计算动力机功率的大小：
（4）进行经济性分析，包括能源的供应、使用和维修费用、动力机购置费用等；
（5）作业环境的要求。
针对掘进机而言，考虑掘进机工作时负载特性，会产生交变载荷，结构布苣复杂，所需动力机容量较大，因此各部分应独立驱动。再从经济性和作业环境考虑，应选电动机或液压马达为宜。
电动机是机械系统中最常用的动力机，与其他动力机相比，它具有较高的驱动效率，且其种类和型号较多，与工作机械连接方便，具有良好的调速、起动、制动和反向控制性能, 易于实现远距离、自动化控制，工作时无环境污染，可满足大多数机械的工作要求。但是选择电动机必须具备相应的电源，对野外工作机械及移动式机械常因没有电源而不能选用。选择电动机类型的一般原则是：在满足使用要求的前提下，交流电动机优选于直流电动机，笼型电动机优选于绕线型电动机，专用电动机优选于通用电动机，对于掘进机，其工作环境有易爆气体及尘埃较多，不能用直流电动机，应选用如YB系列隔爆型三相交流异步电动机或YA系列增安型三相交流异步电动机或YW系列无火花型三相异步电动机等。
驱动掘进机各工作机构电动机主要有切割电动机、装载电动机、油泵电动机、锚杆电动机和备用电动机。主要的电动机特征有：型号、额立功率、额左电压、额左电流、功率因素、效率等，可根据电动机的各个特征对电动机进行选择。
截割电动机采用外部水冷却，电动机上安装有温度传感器，以防止电动机温度过高，造成电动机损坏。由于是采用横轴截割头，其牵引力取决于履带行進的力量。
横轴式掘进机的装载电动机一般为两台。为了冷却电动机，专门设计了冷却水流动的水套。为了防止电动机由于负载过大，造成电动机损坏，在电动机的电子绕阻中有3个串联式的热敏元件。
刮板机的电动机与铲板电动机完全相同，都为水冷式防爆电动机。
液压马达是将液压能转换为机械能的能星转换装巻。在液压系统中，液压马达作为执行元件来使用。齿轮式、叶片式、轴向柱塞式等高速小转矩马达的共同特点是结构尺寸和转动惯量小、换向灵敏度高，使用于转矩小、转速高和换向频繁的场合。根据矿山、工程机械的
负载特点和使用要求，目前低速大扭矩马达应用较普遍。一般来说，对于低速且稳定性要求
不高、外形尺寸不受限制的场合，可以采用结构简单的单作用径向柱塞液压马达。对于要求转速范围较宽、径向尺寸较小、轴向尺寸稍大的场合，可以采用轴向柱塞液压马达。而掘进机要求传递转矩大、低速稳龙性好，所以常采用内曲线多作用径向柱塞液压马达。
现代悬臂式掘进机通常除截割头由电动机驱动外，苴余动作均由液压马达驱动。
3. 2执行元件选择
3. 2. 1截割机构的选择
截割机构主要由截割头、悬臂段、截割减速器、截割电动机组成，部分悬臂式掘进机截割部还设有叉形架，用来保护截割电动机。截割机构工作时，截割电动机通过减速器驱动截割头旋转，利用装在截割头上的截齿破碎煤岩。截割头纵向推进力由行走机构（或伸缩汕缸）提供。截割机构铁接与回转台上，并借助于安装在截割部和回转台之间的升降油缸和安装于回转台与机架之间的两个回转油缸，来实现整个截割机构的升、降和回转运动，由此截割岀任意形状的断面。
悬臂式掘进机截割机构按悬臂能否伸缩可分为伸缩和不可伸缩两种截割机构。
（1）可伸缩截割机构可借助悬臂的伸缩使截割头钻入煤壁，无需开动行走机构，就可提供恒左较大的钻进力。可伸缩截割机构有内、外伸缩两种。外伸缩悬臂的机构尺寸和重量比较大，推进阻力大，机器的稳泄性不太好。内伸缩也有两种型式，一种是花键伸缩型，这种内伸缩机构结构相对复杂，加工工艺性较差，可靠性也不太髙；列一种是电动机伸缩型，这种伸缩机构结构简单、可靠性高，但伸缩电缆及水管布置困难，且截割电动机损坏后更换困难。
（2）不可伸缩式截割机构的结构简单、尺寸小、重量轻，但掏槽时需要借助行走机构的推力使截割头钻入煤壁。因而机器需要频繁调动，对底板的破坏比较严重。另外，在钻进煤壁阻力较大时，履带容易打滑，磨损加剧。
图3-1掘进机属轴向截割外伸缩式，主要由电动机、框架、减速箱和左右截割头所组成。电动机1通过减速箱3驱动截割头4, 5旋转，利用装在截割头上的截齿破碎煤岩。截割头借助于升降、回转、伸缩汕缸使其在垂直、水平、轴线方向运动，实现一次成巷的截割运动要求。框架2由左右导轨和后悬臂组成，它同电动机、减速箱组成直线运动副，在两个伸缩油缸的作用下实现工作时的轴向进给运动。
3. 2. 2回转机构的选择
回转机构是使工作机构左右摆动和垂直升降的支撑机构，它承担工作机构截割煤岩时产生的较大载荷和倾覆力矩。其结构主要由回转臂、回转轴承和回转座组成，如图3-2所示。回转臂1与截割机构通过耳子钱接，在回转油缸的推动下，可左右摆动，实现截割头左右偏摆割
图3-2
图3-1
煤。
3. 2. 3装载机构的选择
装载机构位于机器前端的下方，其主要作用是将截割机构分离和破碎的物料集中装载到运输机构上去。装载机构主要由铲板及左右对称的收集装苣组成。根据收集装置结构的不同, 装载机构可分为刮板式装载机构、蟹爪式装载机构和星轮装载机构。
（1）刮板式装载机构形成封闭运动链，装载而宽度大，但结构复杂，效率低且装载效果差，已基本不再采用。
（2）星轮装载机构一般通过低速大扭矩液压马达直接驱动多爪星轮，达到收集物料的目的。它具有运转平稳、故障率低、结构简单、过载能力较低等特点，目前正被广泛推广应用。
装运机构和刮板输送机采用分动驱动方式，它由装载铲板、回转装置、耙爪、刮板输送机等组成，如图3-3所示。它可借助于铲板油缸的作用以升降装载铲板。装载铲板是个大平而。左右耙爪分别在低速大功率马达的驱动下作等速正反向回转，耙爪作圆周运动，从而耙装煤岩。
图3-3
（3）蟹爪式装载机构它由铲板、驱动减速箱、左右耙爪和升降油缸等组成。蟹爪式装载机构由液压马达或电动机提供动力，其作用是将切割机构破落下来的煤岩收集，通过准确设计的蟹爪运动轨迹，耙装到中间刮板运输机上，然后经后部转载设备卸载。蟹爪装载机构的主要优点是：能调整耙爪运动轨迹，将矿石准确运至中间刮板运输机；它生产效率较高：结构简单：使用可靠、耐用。但由于其结构复杂，动载荷大，故障率高，使用正逐渐减少。
3. 2. 4行走机构的选择
行疋机构既是驱动掘进机行走、调动的执行机构，又是整台掘进机的链接、支撑的基础。用于驱动悬臂式掘进机前进、后退和转弯，并能在掘进作业时使机器向前推进。悬臂式掘进机采用两条履带分別由液压马达驱动的结构形式，它由左右减速器、左右张紧装宜、左右履带架、履带、驱动轮、后支撑及导轨组成。
通过链条张紧油缸实现履带的张紧，减小了维护疑，降低了工人的劳动强度，提高了工作效率，而且维护很方便，维护量也小。
履带行龙机构由两台液马达和液压盘式制动器组成。在没有液压压力时制动器将立刻动作，掘进机就不动了，以保证掘进机可以在任何地质条件下停车制动。履带板通过油缸张紧, 有效而且可靠。
3. 3传动系统确定
传动系统是将动力机的运动和动力传递给执行机构或执行机构的中间装置。组成传动联系的一系列传动件成为传动链，所有传动链及它们之间的相互联系组成传动系统。由于掘进机的结构尺寸和传递动力较大，以及各个独立的执行机构使用都比较频繁，所以采用独立驱动形式的传动系统。其优点是传动链可简化，有利于减少传动件数目和减轻机械的重量，传动装宜的
布局、安装、调装、维修等均较方便。
3. 3. 1截割齿轮箱
掘进机的截割减速器为三级减速，第一级为圆弧锥齿轮，第二级为并列的两对斜齿轮, 两对斜齿轮齿数和模数完全相同而螺旋角相反，相当于一对人字齿轮，第三级为直齿圆柱齿轮，如图3-4所示。为了使截割头获得需要的旋转方向，并使截割头便于布巻，在第三级直齿圆柱齿轮之间增加了惰轮，使传动中心距增大。圆弧锥齿轮Z1为轴齿轮，由装在轴承杯内的三副轴承支承，左端圆柱滚子轴承和右端双列调心滚子轴承主要承受径向载荷，中间径向推力轴承主要承受轴向载荷。为了使三副轴承得到充分润滑，轴承杯上开有径向孔和轴向油槽。
图3-4
3. 3. 2装载减速器
装载机构的执行件由减速器出轴驱动。减速器主要由箱体、大圆锥齿轮、偏心转盘、小圆锥齿轮轴、轴承、浮动密封等组成，如图3-5所示。小圆锥齿轮轴4由中间刮板输送机从动链轮驱动旋转，带动大圆锥齿轮及偏心转盘旋转，使装载执行件运动，进行煤岩装载。
图3-5