悬臂式掘进机切割机构的设计分析
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摘 要：本文介绍了掘进机切割机构的工作原理及机构组成，对切割机构在不同位置受力进行分析对比，为选择更适合掘进机工作的工况提供参考。
中图分类号：TD421 文献标识码：A
悬臂式掘进机作业工况复杂，切割机构不仅承受摆动阻力，切割阻力，还有进给阻力等，此外还受现场环境因素的影响。本文将对切割机构摆动到不同角度进行受力分析。
一、切割机构
1 切割机构工作原理
切割电机输出力矩，通过花键套将力矩传递给切割减速机，减速机通过花键套将力矩传递给切割主轴，切割主轴通过内花键套把力矩传递到切割头，切割头以此方式进行旋转切割。
伸缩式切割机构配有切割举升油缸、切割回转油缸和切割伸缩油缸，通过举升油缸实现切割机构的上下方向移动，通过回转油缸实现切割机构的左右方向移动，通过伸缩油缸实现切割头的伸缩功能。固定式切割机构只配有举升油缸和回转油缸。
2 切割机构组成
切割机构由切割电机、切割减速机、伸缩部（固定式为悬臂段）、切割头、辅助部件等组成。
二、切割机构受力分析
下面以EBHZ300型伸缩式掘进机为例进行切割机构的受力分析。
EBZ300型掘进机的工作方式包括：旋转切割掘进，向前掘进，上、下升降掘进，左、右横摆掘进以及以上几种工作方式复合性掘进。
切割机构载荷的确定是为了切割力的计算。切割力的大小并不完全取决于工作载荷的大小，还与切割头的作业位置、掘进方式和阻力的方向有关。工作点位由切割伸缩油缸、切割举升油缸和切割回转油缸的行程决定，行程不同对应的切割头的工作点位不同，本文对每一种位置进行受力分析。
由三种油缸配合，使切割头固定在不同的极限点位：
垂直悬臂段方向（切割升降油缸）：水平位置、最高位置、最低位置。水平方向（切割回转油缸）：最左端、中间、最右端。轴向（切割伸缩油缸）：最短、最长。
1 垂直悬臂段方向切割力
切割机构受的切割力由切割升降油缸作用产生，其大小与切割机构所处的位置有关。
EBZ300掘进机切割举升油缸的内腔直径φ248mm，活塞杆径φ122mm，移动行程750mm，铰耳安装距1668 mm。按工作压力20MPa计算，最大推力为980 kN。
最大切割力位置的确定：切割头受切割力如图1所示。切割机构的重心位置处于图中M点。
根据力平衡方程求得：
（a）
（b）
通过调整举升油缸的行程来调整切割头的上下位置，L3取不同值对应的Ft1，Ft2值大小不同，从而计算出Ft1，Ft2最大值。
2 切割头水平方向摆动力
回转油缸的参数不同对应的摆动切割力大小不同。
EBZ300悬臂式掘进机回转油缸的内腔直径φ220mm，活塞杆直径φ110mm，移动行程1180 mm，安装距1930 mm。按工作压力20MPa计算，油缸的最大推力为758 kN。
图2（a）为两回转油缸行程相同时示意图，图2（b）为两回转油缸行程不同时示意图。
力矩大小：M=T1L1+ T2L2
当回转油缸行程相同，θ=0°时，回转力矩达到最大，即最大回转力矩发生在切割机构纵向轴线位置，此时M=946kN・m。当回转油缸转动后力矩值减小，所以回转油缸行程相同时，摆动力最大。
当回转油缸行程相同时，切割头所处的几个极限位置对应摆动力的大小如下：“切割头水平”196kN，“切割头最高点”261kN，“切割头最低点”210kN。
3 切割进给力
掘进机切割进给力取行走牵引力和伸缩油缸的推力中较小值。
伸缩油缸的内腔直径为φ140mm，活塞杆直径为φ90mm，移动行程为420 mm，铰耳安装距为2140 mm。油缸最大推力为300 kN。行走牵引力为770 kN，所以切割进给力为300kN。
4 切割回转力矩
切割电机功率为300 kW，切割头转速为46/23 r/min，切割头回转力矩计算公式为，取转速较低时力矩最大值为124.6 kN・m。
参考文献
[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2002.
[2]黄日恒.悬臂式掘进机[M]. 北京：中国矿业大学出版社，1996.