矿用悬臂式掘进机的轻量化设计研究

渠建港

（晋能控股煤业集团雁崖煤业公司，山西 大同 037001）

1 概述

悬臂式掘进机已经不能满足于现状，逐渐向重量化发展了，随着其的不断发展，相应的，其截割功率也将会有所提高，以适应不断重量化的发展，与此同时，其本身的重量也会有所提高。根据相关的一些数据统计，就目前而言，悬臂式掘进机的截割功率已经从最初的160kW，逐步增加到320kW，其本身的重量，也从50t，一步一步地增加至120t 左右，从以上数据能够看出，无论是悬臂式掘进机的截割功率，还是其本身的质量，均会随着其向重量化发展，而呈指数式递增。掘进机随着向重量化发展，其伴随的一些问题也逐渐出现了，例如，由于掘进机较为沉重，不易拆卸，因此，在对其进行运输、管理以及维护过程中，均会有一定的困难。相应的，由于掘进机的体重不断的增加，那么，其与地面接触的压力也逐渐增加，因此，在使用掘进机过程中，将会对地面造成一定的毁坏，与此同时，由于地面的毁坏，对于掘进机也会有着一定的影响。

基于此，应当在保证悬臂式掘进机正常使用的前提下，将其的质量有所减少，对其进行一定的轻量化处理以后，既能够保证其的功能，同时，还能够对其制造、维修等的成本有所降低，进而能够提升悬臂式掘进机的竞争力。

2 掘进机轻量化设计方法

只有对悬臂式掘进机重量的作用有着较为深入的了解以后，才能够展开对其轻量化的改进。通过调研，悬臂式掘进机重量的作用如表1所示。

表1 悬臂式掘进机重量的作用

通过对悬臂式掘进机重量的研究，能够发现，要想实现对整个悬臂式掘进机轻量化处理，可以从其主要零部件入手，通过对其零部件质量的降低，进而实现整个机身的轻量化。悬臂式掘进机主要用于煤矿的开采工作，但是，由于在其工作过程中，无论是环境还是工作状态，均是极其严苛的，且要求具备一定的安全性，因此，其所采用的零部件相对笨重且复杂，相应的，增加了机器本身的重量。要想对其进行一定的轻量化处理，就可以通过现今较为先进的虚拟仿真技术、有限元分析技术等对其进行优化设计，同时，结合先进制造技术、机械材料等，对悬臂式掘进机的零部件进行优化，合理地分配材料的使用，最终降低其的质量，实现轻量化的目的。

掘进机在行走过程中，对其的接地比压有着较为严苛的要求的，如果其是在较为坚硬的岩性底板上行走时，其接地比压一般平均值均不超过0.16MPa，对于此种状况的路面，一般理想的接地比压，应该与履带长度的方向保持一致，且保证均匀分布。除此之外，为了保证掘进机在正常行驶过程中，左右两边行走时，“步调”一致，且左右两边的履带不跑偏，因此，在对其进行装机时，注意重量的左右两边均衡分布。如若已经出现以上此种状况，则需要对其进行及时的调整。据此，当在对掘进机进行轻量化处理时，可以从其零部件入手，对其零部件进行优化设计，合理布局，进而能够实现在减轻一定质量的前提下，满足工作需求[1]。

在利用掘进机对煤岩进行截割时，其会受到一定的阻力，此时，掘进机就会根据自身的重量、对地面的附着程度等，对该阻力进行一定的抵消。当掘进机开始对较为坚硬或较为巨大的煤岩进行截割时，就有可能会出现掘进机左右摆动的现象，进而不能够实现对其的截割，而产生此种现象的原因则是在于掘进机与地面之间的附着力不能够抵消其截割煤岩的阻力。当掘进机在进行工作时，其出现摆动的幅度越大，那么其产生的危害也将会越大，不仅能够对其零部件造成伤害，还能够对工作人员产生一定的影响[2]。影响掘进机稳定性的因素有很多种，不仅掘进机本身的重量能够对其产生影响，同时，其截割牵引力、履带的相关参数等，均会对其产生一定的影响。

当掘进机的截割能力保持不变时，要想实现对掘进机的轻量化处理，可以从以下几个方面入手：对掘进机的截割力臂有所降低、加大履带的长度，进而增加与地面的接触面积、缩短履带之间的距离。但是，要想实现掘进机的轻量化，还需要考虑实际情况，根据实际的工作状况，进行具体情况，具体实施。

3 掘进机轻量化设计的几个措施

3.1 零部件结构轻量化设计

在对掘进机进行轻量化处理时，选取悬臂式掘进机作为研究的对象。悬臂式掘进机的转载机构主要由铲板部、扒爪以及驱动装置组成的，在其进行工作时，转载机构中的扒爪会将物料扒落至输送带上，之后，通过掘进机自身以及其的支撑机构，共同促使掘进机进行工作。掘进机的转载机构是位于机身的前面一部分的，目的就是为了使得掘进机自身的质心能够前移，进而与其重心能够重合，保证机身在进行工作时的稳定性，因为，如果掘进机在工作时，如果不能够将其工作质心以及自身重心进行重合时，那么将会使得掘进机自身与地面的接触压力变大，那么将会对机器自身的底板产生一定的影响，更有甚者，如果是在较为柔软或者泥泞的地面上进行工作时，那么将会有很大的概率产生“窝机”的现象。但是，相应的，如果将掘进机的配重有增加的话，那么该掘进机的质量也将会有所提升。

基于此，要想对掘进机进行轻量化的设计，那么，就可以优先对其转载机构的结构进行轻量化处理，进而间接地实现对掘进机的轻量化设计。

对目前现有的转载机构的铲板进行调研，发现，就目前的铲板，其所使用的耗材性能较差，其中所使用的耗材较厚，导致其质量有所增加，与此同时，传统的铲板其板材的布置较为密集，这也间接地加重了铲板的重量。据此，可以通过较为精准的数据计算，通过提高其所使用板材的各项性能，来实现整机的减重，如，可以使用Q460 或Q550 来代替传统的Q355 等。除了对其铲板进行设计改造之外，还可以对其销轴进行改进，可以使用一些高性能的合金材料，如40Cr、30CrMnTi等，来替换掉传统的一些耗材，如45钢等，这样就能够降低掘进机的整体的质量。有的铲板结构在进行设计时，如果没有进行工作的面积出现较多时，那么此时，掘进机在进行装载工作时，该区域并未进行有效做工，因此，需要对其进行结构上的改进，减少其无效工作面积，进而减低整个铲板的质量，最终对掘进机整体重量的降低有所成效。

传统的掘进机中转载机构的扒爪制作较为简单，且其制作的周期较短，主要是以60～80mm的钢板作为其的原材料，直接进行整体的切割即可。但是，由于传统的扒爪是直接进行切割而成的，因此，该扒爪的三只爪基本上没有做任何的加工，因此，如果用通过铸造工艺进行制作的扒爪，其在重量上将会有所降低，其降低的重量约有50%以上，因此，在生产条件允许的前提下，可以通过铸造技术对其扒爪进行制造，这样的话，就能够有效地降低整机的重量。

3.2 总体布置优化

悬臂式掘进机的整体布置结构中，沿中轴线布置的装置有：截割以及装载机构、回转支承、机架以及刮板输送机等。同时，在装载机构的上方，布置有用于升降所用的油缸；在掘进机的一侧（左侧或右侧），设置有泵站油箱，掘进机的整个布置属于前面较重，后面较轻，那么，为了能够使得整个机身趋于平衡，在对其的设计时，就可以将一些零部件在设置的时候往后摆放[3]。

由于机身出现不稳，因此，需要考虑将零部件灵活摆放，一般情况下，掘进机的截割升降油缸以及泵站油箱等均可以。其中，对于掘进机有一些较为特别的设计，如可以在回转支承的左右两侧，安装截割升降油缸，在机架的后面，安装了泵站油箱，一些其他的大型零部件也均往后安装设置了。通过以上的整体改装布置以后，对于掘进机整体的平衡有一定的提升，同时，对于该机器的整体工作效率，也有一定的提升[4]。

3.3 结构形式选定

悬臂式掘进机的切割机构的种类是多种多样的，如果按照截割炮头轴线方向的不同，就可以将其分为两种，即：纵轴式、横轴式，这两种方式最大的区别就是在于其工作的减速器设置的位置不同，像纵轴式的，其减速器被放置在中间位置，有1个炮头，其质心在中间位置，而横轴式的，其减速器位于前端位置，有2 个炮头，其质心处在机器的前端[5]。除此之外，这两者的运作机理也不一样，纵轴式采用的是铣削式切割，横轴式则采用的是钻削式切割，且二者在工作过程中，有一定的差别。因此，在对其进行设计时，需要确保截割的长宽高，之后对其的回转支承进行后移，以提高其工作的效率，降低其工作时机械的摆动性。

4 结语

悬臂式掘进机在煤岩工作过程中是至关重要的一种设备，因此，该机器工作的稳定性是非常重要的，一定要保证该机器能够正常工作，而以往对其的设计中，只是关注整机的整体质量，在设计过程中，较为保守，只是为了能够提升以往机器的工作效率，但是，随着近年来的不断发展，以往的设计已经不能满足现在发展的要求，因此，需要对掘进机进行全新的设计，以提高掘进机的整体竞争力，而通过对掘进机进行轻量化处理以后，对提高掘进机的竞争力以及降低生产成本均具有一定的促进意义。