礦用懸臂式掘進機的輕量化設計研究

渠建港

（晉能控股煤業集團雁崖煤業公司，山西 大同 037001）

1 概述

懸臂式掘進機已經不能滿足于現狀，逐漸向重量化發展了，隨著其的不斷發展，相應的，其截割功率也將會有所提高，以適應不斷重量化的發展，與此同時，其本身的重量也會有所提高。根據相關的一些數據統計，就目前而言，懸臂式掘進機的截割功率已經從最初的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，從以上數據能夠看出，無論是懸臂式掘進機的截割功率，還是其本身的質量，均會隨著其向重量化發展，而呈指數式遞增。掘進機隨著向重量化發展，其伴隨的一些問題也逐漸出現了，例如，由于掘進機較為沉重，不易拆卸，因此，在對其進行運輸、管理以及維護過程中，均會有一定的困難。相應的，由于掘進機的體重不斷的增加，那么，其與地面接觸的壓力也逐漸增加，因此，在使用掘進機過程中，將會對地面造成一定的毀壞，與此同時，由于地面的毀壞，對于掘進機也會有著一定的影響。

基于此，應當在保證懸臂式掘進機正常使用的前提下，將其的質量有所減少，對其進行一定的輕量化處理以后，既能夠保證其的功能，同時，還能夠對其制造、維修等的成本有所降低，進而能夠提升懸臂式掘進機的競爭力。

2 掘進機輕量化設計方法

只有對懸臂式掘進機重量的作用有著較為深入的了解以后，才能夠展開對其輕量化的改進。通過調研，懸臂式掘進機重量的作用如表1所示。

表1 懸臂式掘進機重量的作用

通過對懸臂式掘進機重量的研究，能夠發現，要想實現對整個懸臂式掘進機輕量化處理，可以從其主要零部件入手，通過對其零部件質量的降低，進而實現整個機身的輕量化。懸臂式掘進機主要用于煤礦的開采工作，但是，由于在其工作過程中，無論是環境還是工作狀態，均是極其嚴苛的，且要求具備一定的安全性，因此，其所采用的零部件相對笨重且復雜，相應的，增加了機器本身的重量。要想對其進行一定的輕量化處理，就可以通過現今較為先進的虛擬仿真技術、有限元分析技術等對其進行優化設計，同時，結合先進制造技術、機械材料等，對懸臂式掘進機的零部件進行優化，合理地分配材料的使用，最終降低其的質量，實現輕量化的目的。

掘進機在行走過程中，對其的接地比壓有著較為嚴苛的要求的，如果其是在較為堅硬的巖性底板上行走時，其接地比壓一般平均值均不超過0.16MPa，對于此種狀況的路面，一般理想的接地比壓，應該與履帶長度的方向保持一致，且保證均勻分布。除此之外，為了保證掘進機在正常行駛過程中，左右兩邊行走時，“步調”一致，且左右兩邊的履帶不跑偏，因此，在對其進行裝機時，注意重量的左右兩邊均衡分布。如若已經出現以上此種狀況，則需要對其進行及時的調整。據此，當在對掘進機進行輕量化處理時，可以從其零部件入手，對其零部件進行優化設計，合理布局，進而能夠實現在減輕一定質量的前提下，滿足工作需求[1]。

在利用掘進機對煤巖進行截割時，其會受到一定的阻力，此時，掘進機就會根據自身的重量、對地面的附著程度等，對該阻力進行一定的抵消。當掘進機開始對較為堅硬或較為巨大的煤巖進行截割時，就有可能會出現掘進機左右擺動的現象，進而不能夠實現對其的截割，而產生此種現象的原因則是在于掘進機與地面之間的附著力不能夠抵消其截割煤巖的阻力。當掘進機在進行工作時，其出現擺動的幅度越大，那么其產生的危害也將會越大，不僅能夠對其零部件造成傷害，還能夠對工作人員產生一定的影響[2]。影響掘進機穩定性的因素有很多種，不僅掘進機本身的重量能夠對其產生影響，同時，其截割牽引力、履帶的相關參數等，均會對其產生一定的影響。

當掘進機的截割能力保持不變時，要想實現對掘進機的輕量化處理，可以從以下幾個方面入手：對掘進機的截割力臂有所降低、加大履帶的長度，進而增加與地面的接觸面積、縮短履帶之間的距離。但是，要想實現掘進機的輕量化，還需要考慮實際情況，根據實際的工作狀況，進行具體情況，具體實施。

3 掘進機輕量化設計的幾個措施

3.1 零部件結構輕量化設計

在對掘進機進行輕量化處理時，選取懸臂式掘進機作為研究的對象。懸臂式掘進機的轉載機構主要由鏟板部、扒爪以及驅動裝置組成的，在其進行工作時，轉載機構中的扒爪會將物料扒落至輸送帶上，之后，通過掘進機自身以及其的支撐機構，共同促使掘進機進行工作。掘進機的轉載機構是位于機身的前面一部分的，目的就是為了使得掘進機自身的質心能夠前移，進而與其重心能夠重合，保證機身在進行工作時的穩定性，因為，如果掘進機在工作時，如果不能夠將其工作質心以及自身重心進行重合時，那么將會使得掘進機自身與地面的接觸壓力變大，那么將會對機器自身的底板產生一定的影響，更有甚者，如果是在較為柔軟或者泥濘的地面上進行工作時，那么將會有很大的概率產生“窩機”的現象。但是，相應的，如果將掘進機的配重有增加的話，那么該掘進機的質量也將會有所提升。

基于此，要想對掘進機進行輕量化的設計，那么，就可以優先對其轉載機構的結構進行輕量化處理，進而間接地實現對掘進機的輕量化設計。

對目前現有的轉載機構的鏟板進行調研，發現，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，導致其質量有所增加，與此同時，傳統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。據此，可以通過較為精準的數據計算，通過提高其所使用板材的各項性能，來實現整機的減重，如，可以使用Q460 或Q550 來代替傳統的Q355 等。除了對其鏟板進行設計改造之外，還可以對其銷軸進行改進，可以使用一些高性能的合金材料，如40Cr、30CrMnTi等，來替換掉傳統的一些耗材，如45鋼等，這樣就能夠降低掘進機的整體的質量。有的鏟板結構在進行設計時，如果沒有進行工作的面積出現較多時，那么此時，掘進機在進行裝載工作時，該區域并未進行有效做工，因此，需要對其進行結構上的改進，減少其無效工作面積，進而減低整個鏟板的質量，最終對掘進機整體重量的降低有所成效。

傳統的掘進機中轉載機構的扒爪制作較為簡單，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，直接進行整體的切割即可。但是，由于傳統的扒爪是直接進行切割而成的，因此，該扒爪的三只爪基本上沒有做任何的加工，因此，如果用通過鑄造工藝進行制作的扒爪，其在重量上將會有所降低，其降低的重量約有50%以上，因此，在生產條件允許的前提下，可以通過鑄造技術對其扒爪進行制造，這樣的話，就能夠有效地降低整機的重量。

3.2 總體布置優化

懸臂式掘進機的整體布置結構中，沿中軸線布置的裝置有：截割以及裝載機構、回轉支承、機架以及刮板輸送機等。同時，在裝載機構的上方，布置有用于升降所用的油缸；在掘進機的一側（左側或右側），設置有泵站油箱，掘進機的整個布置屬于前面較重，后面較輕，那么，為了能夠使得整個機身趨于平衡，在對其的設計時，就可以將一些零部件在設置的時候往后擺放[3]。

由于機身出現不穩，因此，需要考慮將零部件靈活擺放，一般情況下，掘進機的截割升降油缸以及泵站油箱等均可以。其中，對于掘進機有一些較為特別的設計，如可以在回轉支承的左右兩側，安裝截割升降油缸，在機架的后面，安裝了泵站油箱，一些其他的大型零部件也均往后安裝設置了。通過以上的整體改裝布置以后，對于掘進機整體的平衡有一定的提升，同時，對于該機器的整體工作效率，也有一定的提升[4]。

3.3 結構形式選定

懸臂式掘進機的切割機構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別就是在于其工作的減速器設置的位置不同，像縱軸式的，其減速器被放置在中間位置，有1個炮頭，其質心在中間位置，而橫軸式的，其減速器位于前端位置，有2 個炮頭，其質心處在機器的前端[5]。除此之外，這兩者的運作機理也不一樣，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，且二者在工作過程中，有一定的差別。因此，在對其進行設計時，需要確保截割的長寬高，之后對其的回轉支承進行后移，以提高其工作的效率，降低其工作時機械的擺動性。

4 結語

懸臂式掘進機在煤巖工作過程中是至關重要的一種設備，因此，該機器工作的穩定性是非常重要的，一定要保證該機器能夠正常工作，而以往對其的設計中，只是關注整機的整體質量，在設計過程中，較為保守，只是為了能夠提升以往機器的工作效率，但是，隨著近年來的不斷發展，以往的設計已經不能滿足現在發展的要求，因此，需要對掘進機進行全新的設計，以提高掘進機的整體競爭力，而通過對掘進機進行輕量化處理以后，對提高掘進機的競爭力以及降低生產成本均具有一定的促進意義。