懸臂式掘進機的設計與應用

高明祥 邱國慶 屈晨曦

【摘? 要】掘進機是應用在工業領域中，用來開鑿地下渠道的機器。自19世紀70年代英國生產出第一臺掘進機之后，掘進機在工業史上發揮了巨大的作用，為了不斷適應越來越復雜的現實情況，滿足不同條件下不同環境中的開鑿需求，掘進機的設計和生產也在不斷的創新和發展。懸臂式掘進機是掘進機中較為常見和主要使用的一種，在國內外的不同工業環境中不斷更新和發展。面對越來越復雜和困難的開鑿條件，懸臂式掘進機的設計難度越來越大，因此，要根據不同環境和不同條件的要求，設計更加科學合理，高效節能的懸臂式掘進機。

【關鍵詞】掘進機;懸臂式掘進機;開發設計

引言

掘進機是工業領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計生產后，掘進機被廣泛應用到各種工業開采、開鑿項目中。掘進機從最初的以媒巷為主要工作對象，到后來應用到各種工程作業中，為了適應不同的作業環境和需求，掘進機也發展出不同種類，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年代開發生產了第一臺掘進機，并應用到采礦行業中，在之后的發展中，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計方向和應用情況，對未來的設計方向提出建議。

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，英國人設計生產了第一臺掘進機，掘進機的設計主要是為了進行地下巷道的開鑿工作，現實的工程環境要求掘進機的要針對不同的環境條件，不同的施工對象設計不同的掘進機類型，懸臂式掘進機就是應用較為廣泛的一種。現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集于一體的施工器械，通常應用在煤礦巷道、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，對于很多復雜路況以及堅硬度較高的土質、巖石等難以攻克的工程項目，在懸臂式掘進機的設計和應用后，對整個機械制造業都是標志性的進步，而對于很多工業行業而言，有助于產業的發展和進步。

（二）適用條件及概況

一般來說，為了適應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。就現有的掘進機設計程度而言，經濟切割硬度最大為80兆帕，對于較松散的地質條件下可以達到90兆帕，適應的坡度范圍是-18度到18度之間，主要的施工作業包括切割、裝載以及運輸。

在懸臂式掘進機的設計中，應該注意對結構等各個方面的要求。對于掘進機整體而言，要注意機體的穩定性，盡可能降低重心，減少偏側的設計，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，更適合復雜情況的開鑿。第三，各個部件之間的位置科學合理，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，對于動力系統的設計，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高效的傳遞。懸臂式掘進機主要應具備三個功能：截割、裝運、行走，為了實現這3個功能，掘進機需配備3個系統，包括液壓系統、噴霧冷卻系統以及電力系統。對掘進機的設計和創新，主要就是對不同功能的創新，比如對截割功能的創新，需要對切割頭和回轉機構進行創新和提升。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新設計，以便于滿足不同的施工需求。

二、懸臂式掘進機的發展歷程及現狀

（一）國外懸臂式掘進機的發展

19世紀70年代英國設計制造出第一臺掘進機，20世紀30年代美國設計制造了第一臺懸臂式掘進機，掘進機逐漸應用到了工業領域的各個開鑿項目中去，并且在世界各地廣泛應用，英國、前蘇聯、美國、德國等國在上個世紀就已經設計生產出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。到后期的發展過程中，掘進機被應用到其他領域的開鑿中，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，以及較堅硬的地質種類，因此在切割頭等部件方面進行了創新性研發，現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計創新中，將主要從以下幾個方面進行：第一，擴大掘進機的應用環境、應用條件。第二，增大掘進的斷面面積，適應難度更高的開鑿項目。第三，適應坡度更大的施工環境。第四，繼續增強掘進機的截割能力，可以開鑿硬度更高的巖石種類。

（二）國內懸臂式掘進機的發展

1965年，我國設計生產了第一臺掘進機，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的先進掘進機，與此同時，國家開始注重工業生產技術的發展，引進掘進機的相關重要技術，鼓勵自主設計、研制掘進機。到20世紀90年代，我國的掘進機技術有了長足的發展，根據我國的開鑿要求及不同的地質環境，研發設計了十幾種不同類型的掘進機，可以適應多種環境，針對不同的工作對象滿足工作需求。

三、懸臂式掘進機設計方向

（一）解決巖石掘進困難

就我國而言，掘進機的應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發展快速，覆蓋面積越來越廣，與此同時，面臨的工作環境越來越復雜，工作對象也越來越困難。我國現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，未來的掘進機設計要關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）適應多種掘進環境

隨著掘進機應用范圍的擴大，掘進機未來的研發設計要適應更多的作業環境。比如工程項目、鐵路隧道、公路隧道等等不同的工作環境，對于很多非煤礦山等較為復雜地質條件也要適應。

（三）增加多種輔助功能

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

四、結語

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

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（作者單位：三一重型裝備有限公司）