1 绪论1.1 课题研究背景及意义煤层顶、底板岩石之间的垂直距离称煤层厚度。按照国家有关技术政策，根据煤种、产状、开采方式和地区煤炭资源供需情况，以及地理条件规定的可采厚度下限，称最低可采厚度。达到可采厚度的煤层称可采煤层。煤层厚度分级一般分为：薄煤层，小于或等于1.3米；中厚煤层，1.33.5米；厚煤层,大于3.5米。厚度超过8米的称为特厚煤层。中型掘进机是我国目前井下用量最大的一种掘进机 中型掘进机机重小于50 t，主要用于煤岩硬度60 MPa的煤巷及半煤岩掘进，机型以EBJ一120TP、EBZ150等机型为主，与重型掘进机相比具有机身矮、重心低、结构紧凑、可靠性高、操作简单和维护方便的特点。随着我国煤炭采掘业的不断发展，中厚煤层所占比例逐年减少，地质条件复杂的薄煤层开采逐渐成为煤炭行业的主攻方向。据悉，我国重点煤矿薄煤层的产煤量几乎占总产煤量的50%，而传统的薄煤层炮掘效率一直很低，由于一般的煤矿掘进机因高度问题而无法进入，开采效率一直困扰着我国煤炭事业的发展。因此调整掘进机相关参数，充分利用矮机身掘进机体积小，重量轻，装卸方便等特点，使其适应薄煤层煤矿的工作情况。矮机身中型掘进机主要解决薄煤层中巷道快速掘进问题，其中应解决元部件可靠性、截割稳定性、行走准确性和控制系统的安全性等几个关键问题，提高国产掘进机在薄煤层的破岩能力和整机性能，这可以提升国产掘进机在我国掘进机研制领域的主导地位提高薄煤层巷道掘进的工作效率，逐步结束薄煤层掘进机依赖进口的历史。因此具有重要的意义。1.2掘进机简介掘进机是煤矿井下巷道施工的主要掘进设备，根据截割头与截割臂的结构形式，掘进机可分为两类:纵轴式掘进机和横轴式掘进机。我国于1962年开始掘进机的研制工作，最初是模仿前苏联的产品，机身轻、功率小、性能差，因而未能被广泛的应用。八十年代我国与国外公司合作制造了AM50及S100型掘进机，这两种机型现已成为国内市场的主导产品;同时，国内掘进机的研制步伐也在加快，先后研制了EBJ-132, EBJ-160, ELMB-55, EBH-132, EJ-70等各种机型。 纵轴式掘进机是一种部分断面隧道掘进机，在工作时，它的截割臂可以上下及左右自由摆动，能截割任意断面形状的隧道，并且可以前进、倒退及转向，截割下来的石碴由装碴和输送机构送到机器尾部，装到有轨小车或自卸汽车上运送到洞外，纵轴式掘进机主要由截割装置、截割臂、回转台及输送装置等组成。横轴式掘进机主要由截割头、工作臂、装碴铲板、回转台、驾驶室、中间输送机、行走机构、液压系统、电气系统和喷雾降尘系统等组成，横轴式掘进机在工作时，其截割臂可以作上下及左右摆动，由于纵轴式掘进机在工作中良好的截割性能、整机调运灵活及可截割不同巷道面等优点，故在煤矿及隧道等工程中得到了广泛的应用。掘进机实物如下图所示。 图1.1 横轴式掘进机 图1.2 纵轴式掘进机1.3国内外研究现状1.3.1国外掘进机发展现状国外先进掘进机广泛用于硬度低于f8的半煤岩采掘巷道的掘进，并扩大到岩巷。最近的重型机不移位截割断面达到35-42，多数机型能在纵向横向的斜坡上工作，截割功率300kW，机重100t以上，切割岩石硬度可达到f12。国外新推出的掘进机可以实现推进方向和断面监控、电机功率自动调节、离机遥控操作及工况监测和故障诊断等机电一体化功能，机电一体化已成为掘进机发展趋势。掘进机主机可以配套机载锚杆钻臂系统、支护系统以及除尘系统等，掘进机多功能一体化也是一种发展趋势。近10 年来，掘进机已向综合机组发展，并已显示出卓越的高产高效功能，发展日新月异。1.3.2 国内掘进机发展现状我国煤巷高效掘进方式中最主要的方式是悬臂是掘进机与单体锚杆钻机配套作业线，也称为煤巷综合机械化掘进，在我国国有重点煤矿得到了广泛应用，主要掘进机械为悬臂式掘进机。我国掘进机研究始于20世纪60年代主要经历了引进、消化吸收和自主研制3个阶段。20世纪60年代，以30-50KW的小功率掘进机为主，研究开发和生产使用都处于试验阶段。80年代初期，我国淮南煤机厂（先重组为凯胜重工）引进了奥地利奥钢联公司AM50型掘进机，佳木斯煤机厂（先隶属于国际煤机）引进了日本三井三池制作所S-100型掘进机，通过对国外先进技术的引进，消化，吸收，推动了我国综掘机械化的发展。但当时引进的掘进机技术属于70年代的水平，设备功率小，机重轻，破岩能力低及可靠性差，仅适合在条件较好的煤巷中使用，加之国产机制造缺陷，在使用中暴露了很多问题。2O世纪90年代以来是我国掘进机的自主研发阶段，也是我国掘进机最为快速的一个阶段。这一阶段我国中型掘进机发展日趋成熟，重型掘进机大批出现，掘进机的设计及加工制造水平已比较先进，已能够独立研制截割硬度f8，机重60t左右，截割功率160220 kW 的重型掘进机，并且具备了根据矿井条件实现个性化设计的能力，形成了多个系列的产品，EBJ(Z)系列、S系列、EBZ系歹U型掘进机。经过近30年的消化吸收和自主研发，目前，我国已形成年产1000余台的掘进机加工制造能力，研制生产了20多种型号的掘进机，其截割功率从30KW到200KW，初步形成系列化产品。但还应该看到与国际先进水平相比，国内掘进机在破岩能力、适应性及可靠性方面还存在一定的差距。表1.1 国内外掘进机成熟技术对比表 项目 国外 国内l 总体参数 截割功率：300KW；装机功率：555KW； 截割功率：220KW；装机功率：350 KW； 机重：120t；截割断面：5.8m8.8m 机重：60t；截割断面：5.1m6.8m 截割机构 纵轴式、横轴式可伸缩截割机构 纵轴式可伸缩截割机构 截齿 真空热处理，喷涂强化，经济截割硬度f12 真空热处理，经济截割硬度f8 装运机构 电机、液压马达牵引；蟹爪、星轮式 液压牵引马达、星轮式 润滑方式 集中自动润滑 手工润滑，手动集中润滑 除尘方式 外喷雾加除尘系统，除尘效果好 内、外喷雾，除尘效果差 自动控制技术 全功能遥控；截割断面监视；记忆截割 故障在线监测与诊断；数据远程传输 全功能遥控1.4掘进机的发展趋势今后，掘进技术仍然会在钻爆破岩掘进、悬臂式掘进、连续采煤机、掘锚联合机组以及全断面掘进机五个方向持续发展。在硬度较低的全岩巷道和半煤岩巷道，悬臂式掘进机会得到大力发展，逐步成为主要的掘进方式；在一些条件适宜的煤巷掘进中，掘进效率最高的连续采煤机和掘锚联合机组将会得到推广应用。1.4.1国内掘进机的主要发展趋势：1）适用范围不断扩大由于掘进机截割硬度与截割断面不断加大，扩展了掘进机的适用范围。2）自动控制技术发展迅速。主要表现为：推进方向监控、全功能遥控、智能监测、预报型故障诊断、记忆截割、数据远程传输等；3）不断探索新的截割技术，尤其是全岩巷岩石截割技术的研究为了实现较强的截割能力，现代掘进机的截割功率不断增大，截割速度逐渐降低。现代中重型悬臂是掘进机截割功率120-3KW，个别机型打到400KW。截割头转速一般为20-50r/min，截割速度1-2m/s，部分机型降低到1m/s以下。经济截割强度100-120MPa，最大可达140MPa。4）多功能一体化即掘进机主机集成机载锚钻系统、机载临时支护系统、机载除尘系统等通过多功能集成达到提高单机成巷速度和安全生产的目标：5） 工作可靠性不断提高 由于地质条件复杂多变，使掘进进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、合理的使用和良好的维护来提高其可靠性。6）掘进装备的综合配套能力进一步加强7）研究试验手段更趋完善1.4.2国内掘进机急需解决的关键技术1）要积极开展掘进机的基础试验和研究建立适合我国煤矿地质条件的截割载荷谱形成完整的设计依据并在此基础上开展动力学仿真分析计算提高掘进机的可靠性和寿命。2）要以掘进机基础元件为重点，要解决好的特重型、大功率、快速掘进等核心技术研发工作，实现轴承、密封、电器元件、液压元部件等基础件长寿命提高掘进机的经济切割硬度以及全功能遥控、智能监测、预报型故障诊断、断面监视、记忆截割、数据远程传输等机电一体化功能。 3）要积极开展机载锚杆钻臂系统、临时支护系统以及除尘系统的多功能集成技术研究通过多功能的集成达到提高单机成巷速度和安全生产的目标。4）要开展复杂条件下的巷道综合除尘系统的研究。改变传统的喷雾除尘方式。显著改善掘进巷道的作业环境，维护工人的身心健康。2.总体方案设计悬臂式掘进机主要由截割、行走、装运、装载、四大机构和液压、水路、电气三大系统组成，并通过主体部将各执行机构有机的组合于一体。总体方案设计主要是进行掘进机的选型和总体参数的确定。2.1 总体参数的确定2.1.1机器外形尺寸及机型设计 掘进机的发展方向是定型化、系列化、并向“大断面”、“高硬度”发展，掘进机的性能、外形、结构和重量应能很好地适应煤岩的性质和巷道的尺寸。根据任务书的要求，按行业标准MT1381995悬臂式掘进机的型式与参数，MT238.3-2006悬臂式掘进机|第3部分|通用技术条件选定机型类别。要考虑的掘进机用途有：煤矿井下巷道的掘进、其他行业的工程作业，要考虑掘进机的工作条件：切割煤层巷、半煤层巷，煤岩的单向抗压强度(或普氏系数f值)及岩石的腐蚀系数。特轻、轻型掘进机以掘进煤巷为主，它的特点应突出经济、灵活、方便，在截割巷道断面尺寸方面有较大的适应性。中型掘进机以掘进半煤岩巷道为主，在截割岩石硬度方面适应性较强，但机器设计不宜过于笨重和庞大，在使用时有较大的覆盖面。重型掘进机是具有更高切割能力的掘进机，应用范围更加广泛。1）机型的选定 根据掘进机的用途，是用于煤矿井下巷道的掘进还是用于其他行业的工程作业，掘进机的工作条件是用于截割煤巷还是半煤岩巷，煤岩的单向抗压强度(或普氏系数f值)及岩石的磨蚀系数。同时应对照行标MT138-1995悬臂式掘进机的型式与参数，按其截割煤岩的最大单向抗压强度，选定机型的类别。悬臂式掘进机分类悬臂式掘进机根据其工作原理、结构和用途的不同有多种分类方法，常见的有以下几种：（1）根据经济截割岩石硬度的不同分类：1.煤巷掘进机：经济截割岩石硬度f5；2.半煤岩掘进机：经济截割岩石硬度6f8；3.岩巷掘进机：经济截割岩石硬度f9。（2）根据适用巷道断面大小的不同分类1.小断面掘进机：适用巷道断面7；2.中断面掘进机：适用巷道断面720；3.大断面掘进机：适用巷道断面20。（3）根据整机重量的不同分类 1.轻型掘进机：整机质量20t；2.中型掘进机：整机质量2060t；3.重型掘进机：整机质量60t。（4）根据工作机构的运动形式不同分类可分为纵轴式和横轴式、摆动式和摇臂式。（5）根据截割机构的不同分类可分为截链式、截盘式、滚筒式和钻削式。（6）根据破碎原理的不同分类可分为截割式、冲击镐式、滚压式和高压水射流失。（7）根据传动方式的不同分类1.机械传动掘进机：除液压缸外全部采用机械传动；2.液压传动掘进机：除截割