悬臂式掘进机的设计与应用

高明祥 邱国庆 屈晨曦

【摘  要】掘进机是应用在工业领域中，用来开凿地下渠道的机器。自19世纪70年代英国生产出第一台掘进机之后，掘进机在工业史上发挥了巨大的作用，为了不断适应越来越复杂的现实情况，满足不同条件下不同环境中的开凿需求，掘进机的设计和生产也在不断的创新和发展。悬臂式掘进机是掘进机中较为常见和主要使用的一种，在国内外的不同工业环境中不断更新和发展。面对越来越复杂和困难的开凿条件，悬臂式掘進机的设计难度越来越大，因此，要根据不同环境和不同条件的要求，设计更加科学合理，高效节能的悬臂式掘进机。

【关键词】掘进机;悬臂式掘进机;开发设计

引言

掘进机是工业领域中的一种开凿类型机器，自19世纪70年代第一台掘进机设计生产后，掘进机被广泛应用到各种工业开采、开凿项目中。掘进机从最初的以媒巷为主要工作对象，到后来应用到各种工程作业中，为了适应不同的作业环境和需求，掘进机也发展出不同种类，悬臂式掘进机是其中较为常见也是主要使用的一种掘进机，20世纪30年代开发生产了第一台掘进机，并应用到采矿行业中，在之后的发展中，有70多种不同的机型，而本文就将聚焦于悬臂式掘进机的设计方向和应用情况，对未来的设计方向提出建议。

一、悬臂式掘进机简介

（一）悬臂式掘进机

在19世纪70年代，为了更好的进行煤炭的开采工作，英国人设计生产了第一台掘进机，掘进机的设计主要是为了进行地下巷道的开凿工作，现实的工程环境要求掘进机的要针对不同的环境条件，不同的施工对象设计不同的掘进机类型，悬臂式掘进机就是应用较为广泛的一种。现在的悬臂式掘进机是将机械、电气、液压及自动化控制等多种技术集于一体的施工器械，通常应用在煤矿巷道、水下隧道等等工程中洞穴的开掘，有利于工程项目的开展，特别是过去限制于开凿机器的落后，对于很多复杂路况以及坚硬度较高的土质、岩石等难以攻克的工程项目，在悬臂式掘进机的设计和应用后，对整个机械制造业都是标志性的进步，而对于很多工业行业而言，有助于产业的发展和进步。

（二）适用条件及概况

一般来说，为了适应不同情境下的开凿情境，需要不同类型的悬臂式掘进机。在井下巷道的施工作业中，悬臂式掘进机通常使用在10-30平方米的断面井下巷道，比如媒巷、半煤岩巷、软岩巷道或者隧道的掘进作业。就现有的掘进机设计程度而言，经济切割硬度最大为80兆帕，对于较松散的地质条件下可以达到90兆帕，适应的坡度范围是-18度到18度之间，主要的施工作业包括切割、装载以及运输。

在悬臂式掘进机的设计中，应该注意对结构等各个方面的要求。对于掘进机整体而言，要注意机体的稳定性，尽可能降低重心，减少偏侧的设计，第二，保证机体的强度和硬度，但是与此同时也要尽可能将机体做的尺寸较小、重量更轻，更适合复杂情况的开凿。第三，各个部件之间的位置科学合理，尽可能保证在组装、维修、拆卸过程中都能简洁、方便且不易相互影响。第四，对于动力系统的设计，要尽可能简短、直接，传递过程中尽可能用更少的路径和空间实现高效的传递。悬臂式掘进机主要应具备三个功能：截割、装运、行走，为了实现这3个功能，掘进机需配备3个系统，包括液压系统、喷雾冷却系统以及电力系统。对掘进机的设计和创新，主要就是对不同功能的创新，比如对截割功能的创新，需要对切割头和回转机构进行创新和提升。因此，针对不同情况和不同条件下的实地施工要求，对悬臂式掘进机的不同部件进行创新设计，以便于满足不同的施工需求。

二、悬臂式掘进机的发展历程及现状

（一）国外悬臂式掘进机的发展

19世纪70年代英国设计制造出第一台掘进机，20世纪30年代美国设计制造了第一台悬臂式掘进机，掘进机逐渐应用到了工业领域的各个开凿项目中去，并且在世界各地广泛应用，英国、前苏联、美国、德国等国在上个世纪就已经设计生产出70多种不同型号的掘进机。在掘进机使用的过程中，最初的掘进机主要应用在煤矿的开采中，掘进机尺寸较大，可以开凿的岩石硬度有限，截割功率也较小。到后期的发展过程中，掘进机被应用到其他领域的开凿中，比如水下隧道、公路的山体开凿等等，主要的工作对象是岩石，以及较坚硬的地质种类，因此在切割头等部件方面进行了创新性研发，现在的掘进机可以开凿岩石的硬度较高，对于很多中度硬岩石都可以进行截割。

在未来的掘进机的设计创新中，将主要从以下几个方面进行：第一，扩大掘进机的应用环境、应用条件。第二，增大掘进的断面面积，适应难度更高的开凿项目。第三，适应坡度更大的施工环境。第四，继续增强掘进机的截割能力，可以开凿硬度更高的岩石种类。

（二）国内悬臂式掘进机的发展

1965年，我国设计生产了第一台掘进机，但是我国的研制力量有限，到20世纪80年代，对于难度较高的开凿项目都需要购买国外生产的先进掘进机，与此同时，国家开始注重工业生产技术的发展，引进掘进机的相关重要技术，鼓励自主设计、研制掘进机。到20世纪90年代，我国的掘进机技术有了长足的发展，根据我国的开凿要求及不同的地质环境，研发设计了十几种不同类型的掘进机，可以适应多种环境，针对不同的工作对象满足工作需求。

三、悬臂式掘进机设计方向

（一）解决岩石掘进困难

就我国而言，掘进机的应用越来越多的覆盖到道路的开凿工作中，近几年我国的公路建设发展快速，覆盖面积越来越广，与此同时，面临的工作环境越来越复杂，工作对象也越来越困难。我国现有的掘进机机型大多只能截割中等硬度的岩石，对于很多硬度很高的岩石束手无策，因此，未来的掘进机设计要关注对切割头等部件的提升，提高掘进机截割能力，解决高硬度岩石的掘进困难。

（二）适应多种掘进环境

随着掘进机应用范围的扩大，掘进机未来的研发设计要适应更多的作业环境。比如工程项目、铁路隧道、公路隧道等等不同的工作环境，对于很多非煤矿山等较为复杂地质条件也要适应。

（三）增加多种辅助功能

一般来说，掘进机的系统包括液压系统、喷雾冷却系统以及电力系统，主要是为了保证设备的正常运作，未来的掘进机设计应该增加其他的辅助功能，比如除尘系统，可以有效的改善作业环境;支持保护系统，保证机体外工作人员的安全。除了一些辅助系统，还可以增加现代化技术，提高掘进机的效率、安全性、环保性等等。

四、结语

悬臂式掘进机是工业开凿领域中较为关键的机械设备，对地下巷道等进行开凿的设备。自掘进机被研发设计以来，掘进机应用的范围和环境越来越广，从最初的煤矿开凿到公路、铁路等隧道的开凿，随着应用范围的扩大以及工作环境的复杂性越来越高，掘进机作业的对象也越来越复杂，未来的掘进机设计需要从各个方面进行创新和提高。

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（作者单位：三一重型装备有限公司）