兩種懸臂式掘進機截割性能對比分析

兩種懸臂式掘進機截割性能對比分析

懸臂式掘進機現(xiàn)代懸臂式挖掘機有兩種分類方法。其中之一是根據(jù)其目的分類，將巖重粉巖硬度f.4處的稱為千鳥挖掘機，將巖重粉巖硬度f.4處的稱為半巖挖掘機，將巖重粉巖硬度f.8處的稱為巖巷挖掘機。其次，根據(jù)工作中破煤巖的類型，分為軸式開挖機和式開挖機?，F(xiàn)在世界上使用的懸臂式掘進機,其結(jié)構(gòu)型式都屬于這兩類,如圖1所示?，F(xiàn)分別從以下幾個不同的方面對縱軸式掘進機和橫軸式掘進機進行對比分析研究。1切割器根據(jù)截割頭旋轉(zhuǎn)軸線與懸臂軸線相互關(guān)系的不同,截割頭布置方式可分為橫軸式和縱軸式兩種,其傳動減速箱的傳動方式也不相同。1.1減速箱傳動的確定截割頭旋轉(zhuǎn)軸線與懸臂軸線互相垂直。橫軸式截割頭形狀多為2個左右對稱布置的半球狀滾筒,齒座沿滾筒表面按一定截線距沿螺旋線排列。截割頭旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動時,截齒齒尖做空間螺旋運動。截割頭工作時,破碎煤巖開截時比較省力,碎落的煤巖也容易排出。由于橫軸式截割頭旋轉(zhuǎn)軸線與懸臂軸線相互垂直,故減速箱傳動系統(tǒng)中需要一級圓錐齒輪傳動,減速箱輸出軸兩端與截割頭聯(lián)接。懸臂式橫軸掘進機截割部的布置形式,目前有兩種形式,一種以奧鋼聯(lián)為代表,減速集中在截割頭,減速機采用錐齒-行星傳動,截割頭連接伸縮部,伸縮部連接截割電機。另一種以DBT為代表,截割部整體位移或固定,截割臂不伸縮,截割頭動力通過直齒輪傳遞,減速機采用錐齒-直齒傳動,依次為截割頭通過過渡連接與減速機相連,減速機為整體外殼,輸入端為錐齒輪與截割電機相連。1.2掘進機的排列截割頭的旋轉(zhuǎn)軸線與懸臂軸線重合。縱軸式截割頭一般采用截錐形狀,旋轉(zhuǎn)時截齒齒尖做平面擺線運動。采用這種布置方式,截割出的巷道,頂?shù)装灞容^平整,開挖巷道水溝也方便;減速箱排列比較方便,不需圓錐齒輪改變傳動方向。國產(chǎn)掘進機目前以縱軸式為主,生產(chǎn)廠家很多,以三一重裝和IMM所屬的佳木斯煤機市場占有率最高。其減速箱可采用2級2K一H行星輪減速,減速箱傳動級數(shù)少,傳動比大,結(jié)構(gòu)緊湊,質(zhì)量較輕,但行星齒輪傳動要比圓柱齒輪傳動在加工工藝和裝配方面要求較高。2擺動力方向的影響由圖1可知,縱軸式和橫軸式掘進機的主截割運動都是截割頭的旋轉(zhuǎn)和截割臂的水平擺動或垂直擺動的合成運動。當(dāng)截割臂水平擺動時,兩類掘進機的截齒都作復(fù)合運動,但其運動軌跡不同:縱軸式截割頭截齒運動軌跡近似平面擺線,橫軸式截割頭截齒運動軌跡為空間螺旋線。縱軸式和橫軸式工作過程有所不同,兩類截割頭的截削力Fs、進給力FA和擺動力FH的方向各異。受截割機構(gòu)功率限制,截入煤巖的阻力和保持截齒截削狀態(tài)所需的力產(chǎn)生進給力,其大小與截削力相關(guān),進給力方向并不都與擺動力方向一致。在水平擺動過程中,縱軸式截割頭的擺動力方向與截齒截削力和進給力構(gòu)成的截削平面相平行,類似橫軸式截割頭掏槽工況,同樣橫軸式截割頭在擺動截割時,擺動力方向與截割平面垂直,類似縱軸式截割頭掏槽工況。如果擺動力方向平行于截割平面,進給力與截割頭的擺動力則呈線性關(guān)系,擺動力過大,截齒摩擦增大。當(dāng)截削力不能滿足截削需要時,截割頭就會被卡住。如果擺動力過小,截齒則無法截入煤巖足夠深度,從而無法保持截齒正常的截削狀態(tài),只能在煤巖表面截削,產(chǎn)生粉塵,磨損加劇。如果擺動力方向垂直于截割平面,這時,擺動力不作用在進給力方向上,進給力與截削力更為密切,它與擺動力的關(guān)系是線性關(guān)系。在機器設(shè)計時,要充分考慮進給力對機器穩(wěn)定性的影響?？v軸式截割頭的進給力使掘進機產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩,橫軸式截割頭的進給力使掘進機產(chǎn)生向后推力。3切割方法3.1截割巷道斷面使用縱軸式截割頭時,推進方向與切線力方向近似成直角,所以能以較小的力進行掏槽,此時推進力來自截割臂伸縮機構(gòu)或行走機構(gòu)(截割臂不伸縮)。掏槽適應(yīng)于巷道斷面任意位置。當(dāng)巖石較硬時,懸臂位置與巷道水平時受力狀態(tài)最好,在一個工作循環(huán)中,最大掏槽深度為截割頭長度。使用橫軸式截割頭時,推進方向與截線力方向幾乎一致,由于是兩個截割頭同時工作,因而需用較大力進行掏槽截割,掏槽進給力同樣來自截割臂伸縮機構(gòu)或行走機構(gòu)(截割臂不伸縮)。,截割硬巖時,掏槽盡可能在工作面上部進行,截割成水平槽,最大掏槽深度為截割頭直徑的三分之二,而且是與截割臂少量擺動配合情況完成。一般說,橫軸式截割頭下挖深度較小。3.2采用順截方式實驗室和現(xiàn)場研究表明,如果沿阻力最小方向截割,截割頭比能耗最小,截割層狀巖層時,沿層理方向截割比垂直于分層面截割,能耗明顯減少。如果層面是水平的,橫向截割最有利,如果層面是傾斜的,采用縱軸式截割,可以進行選擇性截割,先選擇軟巖截割,有了自由面后再截割硬巖。無論縱軸式還是橫軸式,其截割方式是自上而下,或自下而上,都采用順截方式最為省力。對于橫軸式掘進機,自上而下的順截是較為理想的截割方式,截割煤巖省力,提高整機穩(wěn)定性。3.3截割機參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計巷道輪廓光滑與否,與支護充填量有關(guān)。充填量大,導(dǎo)致成本增加,最終要求巷道輪廓表面光滑、尺寸準確。由于縱軸式截割頭為錐體外形,如果截割頭和懸臂的轉(zhuǎn)動點與巷道輪廓相適應(yīng),可截出光滑巷道輪廓,這主要是對小斷面巷道而言,對于大斷面巷道誤差較大。采用橫軸式截割頭,斷面成形與截割頭形狀無關(guān),完全取決于操作人員的技術(shù)狀況,可借助行走機構(gòu)實現(xiàn)光滑輪廓,但比較費時。截割頭參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計對掘進機至關(guān)重要,截割頭設(shè)計好壞是衡量掘進機截割頭性能、截齒消耗、單位比能耗和工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵。從現(xiàn)有掘進機統(tǒng)計分析,橫軸式截割頭直徑比縱軸式截割頭直徑大、齒數(shù)多、轉(zhuǎn)速高。由于橫軸式截割頭的旋轉(zhuǎn)運動垂直于截割臂軸線,而且全部質(zhì)量幾乎等于縱軸式截割頭的兩倍,加上高的旋轉(zhuǎn)速度,其“飛輪效應(yīng)”大體上是縱軸式截割頭的2-2.5倍。直接接觸煤巖,執(zhí)行破落功能的是刀具,即截齒,過去懸臂式掘進機截割頭截齒有兩種,一是扁形截齒,二是鎬形截齒。實驗證明,在硬巖的截割中,鎬形截齒的壽命比扁形截齒壽命長。以往縱軸式截割頭大都用扁形截齒,橫軸式截割頭多采用鎬形截齒。由于鎬形齒在使用中有自轉(zhuǎn)磨銳性、耐沖擊、壽命長,現(xiàn)在,縱軸式、橫軸式截割頭都普遍采用鎬形截齒。將兩類掘進機的截齒截割力比較,在中硬或硬巖的條件下,橫軸式和縱軸式截割頭均采用水平擺動截割時,橫軸式兩個截割頭中只有一個參加截割。對于單個截齒受力而言,縱軸式截割頭中有效單刀截割力稍大于橫軸式截割頭。根據(jù)英國和奧地利掘進機公司現(xiàn)場試驗,縱軸式和橫軸式的截割功率相同,當(dāng)被截割巖石的硬度相同時,橫軸式掘進機比縱軸式掘進機生產(chǎn)的能力幾乎高出一倍,當(dāng)然橫軸式截齒消耗也高一些。5截割煤巖常用的地方截割方式產(chǎn)生粉塵的影響因素由于橫軸式截割頭旋轉(zhuǎn)方向總是順時針,截下的物料容易拋到鏟板上,大部分煤巖邊截割邊裝載運走,減少了鏟板上煤巖的堆集量,提高了裝運效果。一般情況下,縱軸式截割頭破落的煤巖,向兩側(cè)堆積,需要用截割頭在下部進行輔助裝載作業(yè)。懸臂式掘進機截割煤巖必然產(chǎn)生粉塵,這是機械式破落煤巖的負效應(yīng),兩類截割頭產(chǎn)生粉塵取決于下列條件:a.被截割巖石性質(zhì)、層理結(jié)構(gòu)和濕度;b.掘進機內(nèi)外噴霧效率;c.截割頭生產(chǎn)能力、截割能力增加,粉塵量也加大;d.截齒磨損狀況。為了滅塵,同時又冷卻刀齒,避免產(chǎn)生火花,兩類掘進機截割頭都裝設(shè)有內(nèi)外噴霧,外噴霧是裝在截割臂上,內(nèi)噴霧的壓力水管是裝在截割頭內(nèi)部,分配到每個截齒噴咀?？v向截割頭實現(xiàn)內(nèi)噴霧比較容易,在截割時,所有噴咀都工作。橫軸式截割頭的旋轉(zhuǎn)方向是垂直截割臂,要求有選擇地噴霧,只有當(dāng)截齒與煤巖接觸時才噴霧,不接觸煤巖的截齒停止噴霧,否則影響司機操作。實現(xiàn)有選擇噴霧,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、故障較多。通常橫軸式截割頭轉(zhuǎn)速高、齒數(shù)多,因而產(chǎn)生粉塵量較大?？v軸式截割頭是埋在被截煤巖中工作,轉(zhuǎn)速較低,產(chǎn)生的粉塵量較少。6掘進機的優(yōu)缺點綜上所述,縱軸式、橫軸式兩類掘進機,從運動、受力、截割方式、截割性能、裝載效果、粉塵產(chǎn)生等方面進行分析比較