兼用高壓水射流的掘進(jìn)機(jī)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加急處理，如能錄用，不知能否2013年7月見刊來稿日期：2013-01-18基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（編號：2012AA062102）作者簡介：李烈（1990.12-）、男、漢、碩士、研究領(lǐng)域：掘進(jìn)機(jī)截割技術(shù)。通訊地址：江蘇省徐州市泉山區(qū)中國礦業(yè)大學(xué)南湖校區(qū)機(jī)電工程學(xué)院A217李烈(收)郵編221116電話-mail：lilie.1234@163.com兼用高壓水射流的掘進(jìn)機(jī)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)李烈蔡衛(wèi)民崔玉明（中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，徐州221116）WaterSystemDesignofHigh-pressureWaterJetAssistedRoadheaderLILie,CAIWei-min,CUIYu-ming(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)[摘要]高壓水射流輔助掘進(jìn)機(jī)截割，能夠大大提高掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)能力。本設(shè)計(jì)探索了加入高壓水射流輔助截割系統(tǒng)后，掘進(jìn)機(jī)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。以EBZ75型掘進(jìn)機(jī)為例，對于水路的管路布置、水路控制圖、噴嘴布置等進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，指出了設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機(jī)；高壓水射流；管路布置；水路控制圖；關(guān)鍵技術(shù)[Abstract]Thehigh-pressurewaterjetassistedroadheadercangreatlyenhancetheabilityoftunneling.Thisarticlestudiesthedesignmethodofroadheaderequippedwithhigh-pressurewaterjetsystemandpointoutthedetaileddesignofpipingarrangementchart,waterwayschartsandnozzlearrangementchart.ItpointsoutthekeytechniquesinthedesignbasedontheEBZ75.KeyWords:Roadheader;High-pressurewaterjet;Pipinglayout;Waterwaycontrolcharts;Keytechnologies中圖分類號：T042文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A1引言 在煤巷掘進(jìn)中，對于全煤巷和軟巖巷，單獨(dú)依靠掘進(jìn)機(jī)截齒掘進(jìn)，掘進(jìn)效率高、成本低。但當(dāng)掘進(jìn)6≤f≤8的半煤巖巷道時，煤巖硬度大，單純依靠截齒截割，截割效率明顯降低，此時想要實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，只有提高掘進(jìn)機(jī)的截割功率。但提高截割功率，將導(dǎo)致一系列問題：截割電機(jī)體積增大，不便于安置；截割部發(fā)熱量上升，需改進(jìn)冷卻系統(tǒng)；截割刀具磨損加劇，更換頻率上升，經(jīng)濟(jì)性降低。這時，考慮加入高壓水射流輔助切割技術(shù)，高壓水流按壓力高低分級（見表1）。表1輔助切割壓力水分級MPa Tab.1CuttingWaterPressureClassificationMPa項(xiàng)目低壓中壓中高壓高壓超高壓水壓＜0.50.5～2020～140140～400＞400兼用高壓水射流掘進(jìn)，其基本內(nèi)容是機(jī)械刀具和高壓水流的結(jié)合，高壓水流作為輔助工具，并不取代原有的機(jī)械切割。機(jī)械刀具在煤巖上擠壓出裂紋，高壓水同時射入縫隙，促使裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大[1-3]。兼用高壓水射流優(yōu)點(diǎn)諸多：水流加劇了煤巖破裂，減小了刀具截割功率；水流在粉塵產(chǎn)生之初就進(jìn)入縫隙，滅塵效果好；高壓水與刀具同時截割，冷卻刀具效果明顯；水流將火花撲滅在形成初期，提高了工作安全性。2高低壓水路的管路布置EBZ75型掘進(jìn)機(jī)上原有水系統(tǒng)主要用于液壓系統(tǒng)、截割電機(jī)、截齒的冷卻和噴霧降塵。我們重點(diǎn)關(guān)注水系統(tǒng)流經(jīng)截割部的部分（見圖1），泵站提供4MPa左右的壓力水，在截割部主要用于掘進(jìn)機(jī)的截齒冷卻和內(nèi)外除塵。圖1冷卻水管路布置圖Fig.1CoolingWaterPipingArrangementChart圖2入口處局部放大圖Fig.2PartialEnlargedViewoftheEntrance通過局部放大圖（如圖2）可以看到，壓力水通過截割臂外壁進(jìn)入截割部，管路首先穿過殼體，進(jìn)而進(jìn)入擋塊，擋塊內(nèi)開有導(dǎo)水孔，壓力水通過導(dǎo)水孔進(jìn)入中心軸，通過中心軸內(nèi)的軸向中心孔進(jìn)入截割頭。其中，擋塊固定，中心軸隨截割頭回轉(zhuǎn)，中心軸和擋塊之間采用旋轉(zhuǎn)密封結(jié)構(gòu)。在截割頭處，壓力水流出中心軸中心孔，進(jìn)入水腔，水腔與噴嘴相通，源源不斷提供壓力水。兼用高壓水射流輔助破巖，水壓將達(dá)到40MPa，此時需要設(shè)計(jì)單獨(dú)的高壓水流通管路（如圖3）。圖3高壓水管路布置圖Fig.3High-pressureWaterwaysArrangementChart圖4高低壓水路局部放大圖Fig.4PartialEnlargedViewoftheHighandLowPressureWaterways通過局部放大圖（如圖4）可以看到，在低壓水路旁增設(shè)高壓水路，兩路并行流通，兩路水流之間通過密封裝置隔絕。在截割頭內(nèi)，增設(shè)高壓水腔。低壓水進(jìn)入低壓水腔，進(jìn)而供給噴嘴使用，用以輔助噴霧降塵。高壓水進(jìn)入高壓水腔，進(jìn)而供給高壓噴嘴，用以輔助破巖。3水路控制原理圖的設(shè)計(jì)掘進(jìn)機(jī)噴霧降塵需要水壓約為4MPa，高壓水射流需要水壓為40MPa。在設(shè)計(jì)中采用一套綜合水系統(tǒng)（如圖5），泵站提供高壓水，分級降壓供水。圖5高低壓水路控制原理圖Fig.5ControlSchematicsoftheHighandLowPressureWaterways泵站提供大于40MPa的高壓水，流量控制在60-80L/min，高壓水在進(jìn)入截割臂前，分成兩路，一路通過定值減壓閥減壓到4MPa，進(jìn)入截割臂，形成噴霧降塵系統(tǒng)，低壓水一部分用于截割頭內(nèi)噴霧，一部分用于截割頭外噴霧。另一路高壓水直接進(jìn)入截割臂，供給高壓腔，用于輔助破巖，形成高壓水射流系統(tǒng)。4水系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)（1）機(jī)械結(jié)構(gòu) 加入高壓水射流后，需要在工作機(jī)構(gòu)中布置高壓水管路，管路的主要部分經(jīng)過截割部的中心軸，因此中心軸設(shè)計(jì)復(fù)雜。尤其在中心軸高壓水入口處（見圖3），高低壓水路交錯設(shè)置，既要避免高低壓水路干涉，又要兼顧加工工藝性（如圖6）。圖6中心軸中心口入口處管路布置圖Fig.6WaterwaysArrangementoftheEntranceoftheCentralAxis 在截割頭內(nèi)部，高低壓水路不能串通，必須設(shè)置專門的高、低壓水腔（如圖3）。水腔內(nèi)的高、低壓水通過各自的管路進(jìn)入高、低壓噴嘴。（2）旋轉(zhuǎn)密封 截割頭相對于截割臂做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，高壓噴嘴設(shè)置在截割頭上，截齒依靠旋轉(zhuǎn)擠壓切割煤巖。高壓水的水壓高達(dá)40MPa，如果密封效果不好，高壓水泄露，一方面造成水壓降低，嚴(yán)重影響輔助切割效果，另一方面泄露的高壓水可能造成機(jī)械故障。尤其在高壓水入口處（見圖3），中心軸相對于擋塊做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，此處需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)密封設(shè)計(jì)。一些學(xué)者[4-5]對掘進(jìn)機(jī)上旋轉(zhuǎn)密封進(jìn)行了研究，但研究方向主要停留在低壓噴霧水系統(tǒng)的密封上。當(dāng)水壓高于40Mpa時僅通過密封圈實(shí)現(xiàn)密封比較困難，必須將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和利用水壓結(jié)合起來才能實(shí)現(xiàn)長時間密封。（3）噴嘴設(shè)計(jì) 高壓水系統(tǒng)的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)是噴嘴，噴嘴的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布置形式對輔助截割效果有顯著影響。如今，可承受200Mpa壓力的噴嘴已經(jīng)量產(chǎn)使用，關(guān)鍵是如何合理地安排噴嘴布置形式，使高壓水發(fā)揮出最大輔助截割效果。一些學(xué)者[6-7]提出了多種噴嘴布置形式，它們有的獨(dú)立安置在滾筒上，有的安置在尺座上。本設(shè)計(jì)綜合原有設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種新的噴嘴安裝方式（見圖7）。圖7噴嘴布置方式Fig.7NozzleArrangement 設(shè)計(jì)中，每個刀具配有兩個高壓噴嘴，一個位于刀具截割軌跡的前方，稱為前置噴嘴，一個位于截割軌跡的后方，稱為后置噴嘴。其中前置噴嘴的作用是在道具切割時，及時配合刀具破巖、減小機(jī)械道具截割功率、降塵和撲滅火花；后置刀具的作用是在刀具切割后，將破碎煤巖進(jìn)一步擠壓破碎。后置噴嘴水射流方向上落煤少，阻礙小，破碎效果更加明顯，進(jìn)一步破碎后的煤巖為切割軌跡上后一截齒切割做好準(zhǔn)備。除此之外，后置噴嘴還有進(jìn)一步滅塵和撲滅火花的作用。5結(jié)語高壓水射流輔助破巖技術(shù)，在上世紀(jì)八九十年代研究較多，但由于高壓密封問題和材料問題得不到有效解決，這一技術(shù)在國內(nèi)煤礦上沒有推廣開來。近年來，易采的厚煤層逐漸減少，難采的薄煤層、半煤巖煤炭資源比例上升，使得學(xué)者開始重新思考硬煤巖快速掘進(jìn)問題。兼用高壓水射流輔助切割技術(shù)使得這一愿望成為可能，高壓水射流輔助破巖系統(tǒng)的技術(shù)重點(diǎn)，在于設(shè)計(jì)合理的水路通道、選擇合理的液壓元件、解決好高壓水密封問題、找出科學(xué)的噴嘴布置形式。兼用高壓水射流掘進(jìn)巷道，具有獨(dú)特的性能：效率高、粉塵小、無火花等。隨著科技的進(jìn)步，國家政策的引導(dǎo)，這一技術(shù)將在煤炭資源開采中發(fā)揮出巨大的作用和優(yōu)勢。參考文獻(xiàn)[1]竇春菊,蔣三在.高壓水射流在斷面掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),1998(1):2-4.(DOUChun-lan,JIANGSan-zai.High-pressurewaterjetTBMdesign[J].Coaltechnology,1998(1):2-4)[2]羅伯特J·蒂姆庫,周正行.帶水射流輔助切割的懸臂式掘進(jìn)機(jī)[J].煤礦機(jī)電,1988(6):52-54.(RobertJ?Tim,ZHOUZhen-xing.Acantileverboringmachinewithwaterjetassistedcutting[J].CollieryMechanical&Electrical,1988(6):52-54.)[3]孫家駿.國外高壓水射流技術(shù)在采掘機(jī)械中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)電,1986(4):51-54.(SUNJia-jun.Foreignpressurewaterjettechnologyinminingmachinery[J].CollieryMechanical&Electrical,1986(4):51-54.)[4]陸.掘進(jìn)機(jī)用旋轉(zhuǎn)密封裝置[J].煤礦機(jī)電,1997(4):39-53.(LU.Rotarysealingdeviceusedonroadheader[J].CollieryMechanical&Electrical,1997(4):39-53.)[5]王虹.掘進(jìn)機(jī)內(nèi)噴霧新型旋轉(zhuǎn)水封的研制[J].煤炭科學(xué)技術(shù),1998,26(6):8-11.(WANGHong.Studyonnewrotarywatersealsprayofroadheader[J].

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