矿山机械专题-2-悬臂式掘进机的技术现状及发展趋势

悬臂式掘进机现状及发展趋势赵继云2005.110.引言•我国悬臂式掘进机的研究起步始于20世纪60年代，通过“六五”、“七五”和“八五”的技术攻关，我国的掘进机已从轻型发展到中、重型，切割对象从煤拓展到岩石，掘进机的使用范围产生了质的变化。•目前，我国悬臂式掘进机的总体水平已接近国外同类机型，但与国外相比仍有不少的差距。今后我国进行技术攻关的目标是研制高可靠性的重型掘进机和研制具有独立知识产权的连续采煤机及掘锚机组。煤矿巷道掘进与支护状况•我国煤炭开采以井工为主，煤矿巷道掘进与支护工程量浩大。2001年原国有重点煤矿掘进总进尺高达5045km，其中煤巷约4480km，占88.8%；全国256个综采工作面年耗回采巷道820km，其中综掘总进尺达650km。综掘仍是高产高效矿井回采巷道掘进的主要技术方法。•我国已研制开发和引进使用了近20种悬臂式掘进机•近年来，我国成功地开发和推广使用了煤巷锚杆支护技术，使巷道围岩地质力学性能测试技术、煤巷锚杆支护设计技术、施工机具、支护材料均得到快速发展。•随着综采生产技术的发展，百万吨综采工作面屡见不鲜，并已出现年产1000万t以上的全自动化综采工作面，使年耗回采巷道量大幅增加，从而使煤巷掘进与支护正在成为煤矿高效安全集约化生产的技术瓶颈，是当前煤炭工业亟需研究开发的重大共性关键性技术。1.国外掘进机发展概况及技术水平•自世界上第一台悬臂式掘进机于1947年在匈牙利诞生以来，已经历了半个多世纪。经过不断研究、试验、改进的掘进机，现已成为煤矿巷道掘进的主要设备。•目前世界上生产掘进机的主要国家有奥地利、英国、德国、日本，所生产的掘进机累计近5000台，机型达100余种。国外掘进机经历了四个发展阶段•第一阶段：20世纪40年代末期～60年代中期。这个阶段，掘进机从无到有，形成了集切割、装运和行走为一体的结构雏形，主要用于软煤巷道掘进，机重15t左右。代表机型有匈牙利全国矿山机械研究所的F5、乌克兰的ДК-3等。•第二阶段：60年代中期～70年代末期。这一阶段是煤巷掘进机蓬勃发展时期，煤巷掘进机下，机重20～40t左右。代表机型有英国安德森公司的RH25、奥地利阿尔卑尼公司的AM50和日本三井三池公司的MRH—100等。国外掘进机经历了四个发展阶段•第三阶段：70年代末期～80年代末期。这一阶段，半煤岩掘进机开始成熟，重型机大批涌现，煤巷掘进功能齐全，可靠性大幅度提高，机重50t左右。代表机型有英国多斯克公司的MKⅡB、LH1300，奥地利阿尔卑尼公司的AM75和德国保拉特公司的E169等。•第四阶段：80年代后期至上世纪末。这一阶段重型机机重进一步增加，一般在70t以上，切割硬度100Mpa以上；掘进机采用了新技术，功能更加完善；计算机自控装置较成熟，掘进机正向岩巷进军。国外掘进机经历了四个发展阶段•目前的掘进机已进入了机电一体化的自动控制截割的时代。•以美国、澳大利亚为代表的连续采煤机以及80年代末投入使用的掘锚机组开创了快速掘进的新途径、新纪元。•各主要生产公司有奥地利的阿尔卑尼公司、英国的多斯克公司、安德森公司、艾姆克公司、德国的沙尔扎特公司、艾柯夫公司、保拉特公司、维斯特伐利公司、日本三井三池公司和乌克兰的工厂，主要系列有AM、E、ET、STM、MRH及ПK等。国外代表机型国外中型掘进机已日趋完善，其代表机型有英国多斯克公司的LH1300型号、德国保拉特公司的E200型、奥地利阿尔卑尼公司的AM75型、日本三井三池公司的S220型等。其切割功率在132～220kw之间，机重50～70t，经济切割的岩石硬度80Mpa，近年德国在研究开发切割硬度达100Mpa的掘进机。德国保拉特公司的E169德国保拉特公司的E200型奥地利阿尔卑尼公司AM50奥地利阿尔卑尼公司AM75奥地利阿尔卑尼公司AM85日本三井三池公司S100日本三井三池公司S150J日本三井三池公司S200英国多斯克公司的MK3型英国多斯克公司LH130英国多斯克公司的MK3-1型2.国内掘进机发展概况及技术水平•我国综掘机械化的应用始于20世纪70年代末，虽然起步较晚，发展相对缓慢，技术性、配套性较差，但综掘机械化在我国煤矿煤及半煤岩巷道的开拓中已得到了广泛的应用。•经过20多年的努力，目前我国已经具有一定水平研究开发、生产制造掘进机的能力。已经开发出了20多种型号的掘进机机型，截割功率在30～200kw之间，并已初步形成系列产品，基本满足了国内市场的需求，结束了我国煤矿掘进机一直依靠进口的局面。同时，已有了必要的试验测试手段和基本技术标准，形成了一支有一定技术能力的研制队伍，积累了较为丰富的研制经验，为我国掘进机的发展奠定了扎实的基础。国内掘进机发展概况及技术水平•目前我国掘进机的主要代表机型是AM50、S100、ELMB-75型掘进机，其中AM50和S100型掘进机约占到国产机型的80%左右。不过，它们还都为二三十年前设计的产品，功率小、机身轻，可靠性及破岩能力差，仅适合在煤巷中使用，使用范围受到很大限制。•“八五”期间，我国又相继开发出了3种重型掘进机，它们是EBJ-160、EBJ-160H和EBJ-132型掘进机，其中由煤炭科学研究总院太原分院开发的EBJ-160型掘进机获国家科技进步二等奖，达到了20世纪90年代初国际先进水平。它的研制成功，标志着我国掘进机研究制造水平和综掘机械化水平均迈上了新台阶。国内掘进机主要研究及制造单位•煤炭科学研究总院太原分院•煤炭科学研究总院上海分院•佳木斯煤矿机械有限公司•南京晨光集团有限公司•淮南煤矿机械厂我国煤巷掘进机主要技术参数AM50、S-100型掘进机•AM50、S-100型悬臂式掘进机是20世纪80年代我国以技贸合作方式引进生产的中硬煤层巷道掘进机。设备集切割、装运和行走为一体，采用了多种新结构、新技术，具备切割夹矸的能力，截割功率均为100kW，截割断面积8~18m2，机重约20t。•AM50、S-100型掘进机为纵向切割头，切割面积较小，但单刀切割力较大，能切割较硬的岩石，适应多种地质条件。这2种机型都具有体积小、质量轻，安装移设灵活等特点。后配套设备为QZP-160型转载机、SSJ-600型可伸缩带式输送机，实现国产化后已在全国累计推广200多台，投入使用以来多次突破年进万米大关。AM50、S-100型掘进机•但AM50型、S-100型悬臂式掘进机均为国外上世纪70年代的产品，设备功率小、机身轻、破岩能力低及电控装备可靠性差，仅适合在条件较好的煤或半煤岩巷道中使用。•近年来，我国相继开发了EBJ-200型、EBJ-160型、EBJ-132型、EBJ-120TP型和EBJ-110SH型悬臂式掘进机，从根本上解决了传统掘进机的技术缺陷，技术性能达到了20世纪末国际先进水平，正逐步推广应用，将逐渐取代传统的掘进机，并已取得了良好效果。EBJ-160型半煤岩巷掘进机•国家“八五”科技攻关重点项目产品，该机采用多种先进的结构设计，整体布置合理，工作可靠，具有生产能力大、切割硬度高、调动速度快、工作稳定性好、截齿消耗低等特点，其整机综合指标达到90年代初国际同类机型先进水平。•EBJ-160掘进机后配ES-800转载机和SSJ-800/240伸缩带式输送机。•EBJ-160型重型掘进机不但适用于煤和半煤岩综采工作面巷道掘进，也适用于类似条件的工程隧道掘进。目前该机已经批量生产，并出口俄罗斯，同时也在河南、四川等铁路隧道工程上推广使用。•该机1996年被国家科学技术委员会等五部委授于国家级新产品，1998年获煤炭工业科技进步一等奖，1999年获国家科技进步二等奖。EBJ-132、EBJ-120型掘进机针对AM50、S-100型掘进机在使用中暴露出的截割能力小、稳定性和工作可靠性较差的问题，我国自行研制开发了EBJ-132型、EBJ-120TP型掘进机。这些新产品具有以下技术特点:•机身矮、重心低、结构紧凑、可靠性高、操作简单、维护方便，适合于中等断面巷道掘进；•采用小直径截割头，单刀力大，截齿布置合理，破岩过断层能力强，切割振动小，工作稳定性好；•星轮装载机构采用液压马达直接驱动，取消了减速器，提高了装载机构的可靠性；采用无支重轮履带行走机构，性能可靠，维护量小；•液压系统采用自动加油系统全封闭油箱，确保了油液清洁度，增加了液压系统的可靠性；EBJ-132、EBJ-120型掘进机•电气系统采用可编程序控制器(PLC)作为主控制器，保护功能强，具有工况检测和故障诊断功能“目前，EBJ-132型掘进机已推广应用20多台，EBJ-120TP型掘进机2001年通过煤炭工业协会技术鉴定后，已应用30多台，使用效果良好。•EBJ-120型掘进机荣获2003年煤炭工业协会科技进步特等奖。煤炭科学研究总院太原分院•在过去的30余年来，已研究成功了10余种型号的掘进机。近年来，太原分院在EBJ-160型掘进机的基础上，又相继开发了EBJ-200、EBJ-120、EBH/J-132、EBJ-50、EBJ-150等型号的掘进机。其中，EBJ-160型掘进机和EBJ-120TP型掘进机是国内已取得的最新阶段性成果。•EBJ-160型掘进机是国家“八五”攻关项目，于1997年通过了技术鉴定。该机主要性能指标达到了90年代初国际同类机型的先进水平，1999年获国家科技进步二等奖，1998年获煤炭工业科技进步一等奖。•EBJ-120TP型掘进机于2002年通过了中国煤炭工业协会的鉴定。其在总体设计、适应性、可靠性等方面达到了同类产品的国际先进水平，是现役中型掘进机理想的换代机型。EBJ-120TP型掘进机与国内同类机型比较的特点•整机结构紧凑、设计合理。该机克服了现役机型在结构和布局上的不足，采用主机架两侧与履带架相联接构成了整机机体，主机架还采用前后机架分体结构，方便了井下运输。•机身矮、适应性好。机身高度只有1.55m，比现机型矮200mm以上，可适合于小断面的巷道掘进；而最大切割断面与其它机型基本相同，适用范围大。•生产能力大、破岩能力强、工作稳定性好。该机生产能力大。适合于煤巷的快速掘进；截割头平均直径比同类机型减小了20%，截齿单刀力有较大提高，破岩能力强，截割振动小；同时，由于机重比同类机型重40%，且重心低，其工作稳定性优于现有机型。EBJ-120TP型掘进机与国内同类机型比较的特点•采用液压马达直接驱动装载机构。传统的掘进机装载机构一般采用电机通过锥齿轮减速器驱动耙爪，中间还有2～3级圆柱齿轮传动，结构复杂、井下维护较困难。由于其经常在水及煤泥中工作，减速器内易受污染，造成轴承、密封及齿轮等的损坏，寿命仅500h。EBJ-120TP掘进机采用了液压马达直接驱动星轮装载机构，省去了较为复杂的圆锥齿轮减速器传动机构，结构简单，工作稳定，可靠性高，减少了维护量。EBJ-120TP型掘进机与国内同类机型比较的特点•采用无支重轮履带行走机构和履带导向轮黄油缸张紧支承块锁定装置。传统的掘进机履带机构一般设有5～9个支重轮，由于其经常在煤泥中工作，支重轮的密封、轴承极度易损坏，造成其可靠性低、寿命短，维护不及时，造成支重轮经常处于不转状态。一般的履带张紧装置采用黄油缸或机械螺旋张紧履带链，履带工作时油缸不能泄压，造成油缸承受过高的压力，一般为50～70Mpa，造成其易损坏、可靠性低。EBJ-120TP型掘进机的履带行走机构采用了上述结构，取消了支重轮，履带机构工作时，张紧油缸处于泄压状态，避免了黄油缸在行走时承受过高压力，同时也改善了履带板的受力状况，提高了履带行走机构的可靠性。EBJ-120TP型掘进机与国内同类机型比较的特点•采用了PLC控制，具有电气故障显示功能。采用PLC控制技术减少了电气故障率，设置故障显示功能，可在不断电、不开盖的情况下初步判断故障的所在部位。•液压系统简单可靠。采用开式液压回路及多级过滤系统，并增设自动加油装置，以免开箱加油造成油液污染，提高液压系统的可靠性。•安全保护系统完善。主回路设有接触器主触头粘连保护、漏电闭锁保护、短路保护，各电机设有过流、过热、过载、缺相