浅谈EBZ系列悬臂式掘进机的发展与应用
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【摘要】本文介绍了悬臂式掘进机技术的发展及应用，针对ebz系列掘进机技术的发展过程，强调指出应用高科技实现掘进机的大功率、重型化、智能化和自动化是未来掘进机技术的发展趋势。
悬臂式掘进机是煤矿掘进巷道常用设备，它的发展使得矿井巷道的掘进速度和效率大幅度提高。
EBZ系列纵轴式系列悬臂式掘进机，已在我们开滦集团公司，以及我国霍州矿务局、包头矿务局、云南东源、陕西、山西、神华等多个局、矿推广使用。根据煤矿生产对大功率采掘设备的使用需求，功率要求越来越大，切割功率从75kW、100kW到132kW、200kW、320kW等。
悬臂式掘进机其工作原理是通过截割头的旋转和悬臂（也称截割臂）的上下、左右自由摆动，带动截割头截割出所需形状的断面。
我国的悬臂式掘进机的发展主要经历了三个阶段。
第一阶段：60年代初到70年代末，这一阶段主要以引进国外掘进机为主，也定型生产了几种机型，在引进的同时进行消化、吸收，为我国悬臂式掘进机的发展打下了良好的技术基础。
第二阶段：70年代末到80年代末，这一阶段我国与国外合作生产了几种悬臂式掘进机并逐步地实现了国产化，其典型的代表是与奥地利、日本合作生产的AM50型及S100型掘进机，其后，我国自行设计制造了几种悬臂式掘进机，其典型代表是EMA-30型及EBJ-100型。这一阶段悬臂式掘进机可靠性较高，已能适应我国煤巷掘进的需要；半煤岩巷掘进技术达到相当水平，出现了重型机。
第三阶段：80年代末至今，重型机大批出现，悬臂式掘进机的设计与制造水平已相当先进，可以根据矿井生产的不同要求实现部分个性化设计，这一阶段代表机型较多，主要有EBJ型、EL型、EBH型及EBZ型等。这一阶段悬臂式掘进机的特点是：设计水平较为先进，可靠性大幅提高；功能更加完善；功率更大；一些高新技术已用于机组的自动化控制并逐步发展全岩巷的掘进。
经过三阶段的发展，我国悬臂式掘进机的设计、生产、使用进入了一个较高的水平，已跨入了国际先进行列，基本可与国外同类掘进机相媲美。
1、掘进机发展趋势
（1）重型化、大功率；随着采煤机械化程度的提高和巷道断面的不断扩大，掘进机面对越来越硬和研磨性更强的岩石，单向抗压强度超过170MPa，因此，开发研制高功率、大质量的重型硬岩掘进机尤为迫切。目前，国外许多重型掘进机截割功率达到200-300kW，最高可达500kW。越来越高的截割功率虽然可提供给截割头巨大的截割力，但使机器的振动进一步加剧，对机器的寿命和日常保养都将产生不利影响。随之而来的是机器的重量越来越大，以增加稳定性。
（2）掘、钻、锚一体化；研制集掘、钻、锚为一体的采掘锚综合机组，以实现快速掘进的同时又能打眼安装锚杆，支护顶板、侧帮，实现掘进、支护平行作业，解决掘进机利用率低的问题。因此，掘、钻、锚一体化是实现巷道快速掘进，满足高产、高效工作面发展需要的重要技术途径。
（3）喷雾降尘设备随机化；目前，掘进机大多设有内、外喷雾装置，但对呼吸性粉尘降尘效果差，喷嘴堵塞严重。因此，对现有机型设置机载降尘设备，强化外喷雾的使用效果，将会使掘进机在工作时的粉尘浓度大大降低。
（4）液压系统逐步趋于完善、可靠；早期的悬臂式掘进机的装载机构和行走的传动绝大多数采用液压方式；行走部要实现无级调速，便于调动并要有过载保护等功能以及节省安装空间的要求，而液压传动具有控制简单，易于实现自动化；操作简便省力，可以方便实现过载保护；易于实现无级调速，调速范围大；液压马达与电机相比质量轻、体积小等优点，可以满足装载、行走的要求。
（5）智能化、自动化；配置激光导向系统、计算机断面控制系统和遥控系统，以降低对操作人员的反应要求，提高生产效率和生产能力。
（6）矮型化；在加大机重、截割功率和提高截割硬度的前提下，注重发展机身较低的机型，以易于井下运输和适用于掘进中、小断面巷道。
（7）装载运输装置亦采用可伸缩型结构，保证机器的机动性和适应性。
虽然这一时期液压传动方式发展较快，但由于煤矿井下工作条件恶劣，粉尘大、空气潮湿，油脂极易被污染，对油脂污染很敏感的液压件易损坏；液压件成本高、故障诊断困难等原因而使其发展应用减缓，这一时期的电子技术的高速发展为电动发展提供了有利条件，大容量集成化、变频调速、PLC控制等一些新技术不断应用到掘进机的设计制造上，使得监控、监测的自动化程度极大提高。
2、EBZ系列掘进机技术的发展
2.1EBZ系列掘进机主要特点
EBZ系列掘进机主要由工作机构、行走机构、回转机构、装运机构、液压系统、后转载运输系统、电控系统和降尘喷雾系统组成。其主要特点为：
（1）适应性好；机器地隙大，接地比压小，可广泛用于松软底板工作面；切割头卧底量大，利于开挖柱窝和水沟。
（2）整机稳定性好；设计合理的机器重心位置，使机器工作时稳定性好，振动小。这对于提高工作效率，减少刀齿损耗，增加电器元件与液压元件的可靠性等极为有利。
（3）切割硬度高；使用更好的截齿材料，其耐磨性、心部韧性好，截齿可承载足够大的载荷。
（4）整体性好；各主要部件设计成独立的整体结构，易于拆、安装。
2.2工作机构设计
截割效率是悬臂式掘进机性能优劣的一个重要衡量参数，在掘进截割机理没有发生实质的突破时，它在很大程度上取决于截割头性能的优劣。
悬臂式掘进机的截割头最早是纵向圆锥形的，西德和奥地利发展了横向双锥形，这两种截割头的布置方式较为普遍。纵轴式截割头的优点是截割较深，截割效率高；缺点是稳定性差，装运效果差。横轴式截割头的优点是稳定性好，装载效果好；缺点是：在进刀时其截割方向几乎与其推进方向重合，所以必须给予较大的推进力，这就需要相应增加行走功率，而且截割深度最大不能超过2/3截头直径，截割深度较小，截割时的粉尘大再加上其内喷雾布置比较复杂，灭尘效果不好。
2.3行走机构设计
行走机构采用两履带分别独立驱动的方式，转向时一条履带正向，而另一条履带反向行走，实现转向运动。回转半径为两条履带中心距之半，转向占地面积小，适合井下工作环境。采用斜轴式轴向柱塞马达驱动，较之原来采用的齿轮马达驱动性能好、效率高，行走速度分为工作速度和调运速度，以满足不同需要。
制动装置是履带式行走机构必不可少的安全防护装置，制动形式由原来利用蜗轮副的自锁性能达到整机制动，采用液压控制摩擦制动器实现整机制动。其特点是：制动可靠，操作灵活，体积小，质量轻，散热性能好，并且当传递较大扭矩时，可通过增加摩擦片的数量来实现，而制动器的径向尺寸并不随之增大，所需的轴向压紧力也无需增大。
2.4液压系统的设计
早期的悬臂式掘进机的装载机构和行走的传动绝大多数采用液压方式，这是因为装载时，大块的煤和矸石卡、绊造成对装载部的冲击；行走部要实现无级调速，便于调动并要有过载保护等功能以及节省安装空间的要求，而液压传动具有控制简单，易于实现自动化；操作简便省力，可以方便实现过载保护；易于实现无级调速，调速范围大；液压马达与电机相比质量轻、体积小等优点，可以满足装载、行走的要求。
2.5电控系统的设计
早期掘进机的控制、操作回路一般都通过操作安装在隔爆型主令箱上的按钮或手把开关来控制传统的交流中间继电器电路，进而通过继电器接点来对主回路交流接触器的二次控制。随着控制技术的发展，操作回路逐渐以本安型的先导回路（包括单回路和多回路）来替代隔爆型主令箱，这也是适应各类保护传感器的应用和选型的需要，而可编程控制器（PLC）的应用更是使掘进机的控制技术和可靠性上了一个台阶。
此外，现代的掘进机电控系统，除完成常规的控制以外，还具有遥控、程控功能，增设掘进断面自动控制和掘进定向功能，使掘进机按预定方案作业，大大提高了其自动化程度和掘进效率。电控系统采用先进的集中控制和保护手段对各个电器部件进行管理，系统结构简化，故障率低。
作为主控单元，PLC可编程控制器完成电气系统各单元（截割电机、油泵电机、转载电机）的启、停以及与生产过程相关联的各种逻辑的集中控制。系统中的保护部分由电子保护器取代传统的继电器，实现油泵电机、截割电机的过热、过流、过载、缺相以及漏电闭锁等保护。电子保护电路通过电流互感器对回路实时监测，能够准确地判断相关回路的运行状态，并及时将结果反馈到主控单元PLC中，从而实现相应的电气动作。
3、结论
随着新技术的发展与应用，掘进机性能不断提高；机器的质量、尺寸和截割功率不断增大；工作机构设计、集尘系统和装载系统的逐步改进；截割头的设计更加有效合理；截割技术的发展、先进的液压系统和电控系统以及自动化和遥控系统的广泛应用，改善了掘进机的性能，提高了其使用寿命。从总体上看，掘进机技术的发展体现了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学等高新技术的综合和密集，也反映了一个国家的综合国力和科技水平。
参考文献
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