敞开式全断面掘进机的优化设计

1.分类

敞开式全断面掘进机有两种基本形式：单水平支承靴式（图3−23）和双水平支承靴式（图3−24）。

图3−23 单水平支承靴式掘进机示意

1—掘进刀盘；2—拱顶护盾；3—驱动组件；4—主梁；5—出渣输送机；6—后支承；7—撑靴；8—推进千斤顶；9—侧护盾；10—前支承；11—刀盘支承

图3−24 双水平支承靴掘进机示意

1—掘进刀盘；2—拱顶护盾；3—轴承外壳；4—前水平撑靴；5—后水平撑靴；6—齿轮箱；7—出渣输送机；8—驱动电动机；9—星形变速箱；10—后下支承；11—扭矩筒；12—推进千斤顶；13—主机架；14—前下支承

2.敞开式全断面掘进机的构造

其主要构造包括刀盘、控制系统、支承和推进系统，以及后部配套设备。

1）刀盘

刀盘是用来安装刀具、由钢板焊接的结构件，是掘进机中几何尺寸最大、单件重量最大的部件。因此它是装拆掘进机时起重设备和运输设备选择的主要依据。刀盘与大轴承转动组件通过专用大直径、高强度螺栓连接，如图3−25所示。

图3−25 刀盘

（1）刀盘的功能。

①按一定的规则设计安装刀具。

②岩石被刀具破碎后，由刀盘的铲斗铲起，落入胶带输送机的溜渣槽向机后排出。

③阻止破岩后的粉尘无序溢向洞后。

④必要时施工人员可以通过刀盘，进入掘进机刀盘前观察掌子面。

（2）刀盘上的主要构件。根据刀盘的功能，掘进机刀盘上有如下构件：

①按一定顺序排列焊在刀盘上用以安装刀具的刀座。

②目前均采用刀盘背面换刀工艺，因此刀具背面除了焊有刀具序号外，还在相关位置上焊有便于吊装刀具的吊耳。

③大直径刀盘还必须焊有人可以爬上爬下检查的踩脚点和把手点。

④必要时刀盘正面适当位置焊有导渣板，引导岩渣导入铲斗。

⑤刀盘四周布置有相应数量的铲斗，铲斗唇口上装有可更换的铲齿或铲渣板。

⑥刀盘正面布置有喷水孔。必要时喷水孔上装配有防护罩，其作用是既保护喷嘴不被粉尘堵塞或不被岩渣砸坏，又能便于清洗以保证喷水雾的连续实现。

⑦刀盘上配置有人孔通道。在掘进时，人孔通道用盖板封盖；停机时，封盖可向刀盘后面开启，便于人员和物件通过。

⑧刀盘正面焊有耐磨材料，以免刀盘长时间在岩石中运转磨损。

⑨刀盘背面必须有与大轴承回转件相连接的精加工部分及其螺孔位。

⑩刀盘背面有安装水管的位置，切该位置不易被岩渣撞击水管。

（3）刀盘的结构形式。按外形刀盘的形式可以分成如下三种：

①中锥形：这种形式借鉴早期的石油钻机。

②球面形：这种形式适用于小直径掘进机，直接借用大型锅炉容器的端盖制成。

③平面圆角形：这种形式的刀盘中部为平面，边缘圆角过渡。这种形式的刀盘制作工艺较简单，安装刀具较方便，也便于掘进时刀盘对中和稳定，是目前掘进机刀盘最佳又最普遍的结构形式。

2）刀具

刀具是全断面巷道掘进机破碎岩石的工具，是掘进机主要研究的关键部件和易损件。经过几十年的工程实践，目前公认为盘形单刃滚刀是最佳刀具。

（1）刀具的发展历史。掘进机的刀具是由石油钻机的牙轮钻演变而来的。从结构形式上经历了牙轮钻、球齿钻、双刃滚刀，发展到现在的单刃滚刀。

刀圈的形状由不同刀尖角的宽形劈刀发展到现在的窄形滚刀。

刀具的直径发展阶段为φ280 mm →φ300 mm →φ350 mm →φ400 mm →φ432 mm →φ482 mm→φ432 mm。这是兼顾了刀具轴承承载能力、延长刀具使用寿命、利于更换刀具的刀具自重等因素的综合结果。

目前采用的φ432 mm 的窄形单刃滚刀已被施工实践广泛应用。

（2）刀具的分类。

由于刀具在刀盘上的安装位置不同，可以分为中心刀、正刀和边刀三类。

①中心刀。中心刀安装在刀盘中央范围内。因为刀盘中央位置较小，所以中心刀的刀体做得较薄，数把中心刀一起用楔块安装在刀盘中央部位。

②正刀。这是最常用的刀具，正刀采用统一规格，可以互换。

③边刀。边刀是布置在刀盘四周圆弧过渡处的刀具。由于刀具安装位置与刀盘有一个倾角，而边刀的刀间距也逐渐减小，从布置要求出发，边刀的特点是刀圈偏置在刀体的向外一侧，而中心刀、正刀都是正中安置在刀体上。

为了减少备件和安装方便，中心刀、正刀、边刀使用的刀圈、轴承、金属密封和固定螺栓都设计成可互换的。

（3）刀具的结构。盘形刀具由轴、端盖、金属浮动密封、轴承、刀圈、挡圈、刀体、压板、加油螺栓等部分组成，如图3−26所示。有的结构中两轴承间采用隔圈形式。其中刀圈、轴承、金属浮动密封是刀具的关键件。刀圈在均匀加热到150 ℃～2 000 ℃后热套在刀体上。

轴承均采用优质高承载能力的圆锥推力轴承，采用金属密封以确保刀体内油液保持一定的压力。以上措施均为了延长刀具的使用寿命、减少刀具损耗、缩短换刀时间和降低成本。

（4）刀具的寿命。刀具是掘进机在使用过程中用量最大的易耗品。一般开挖10 km 硬岩隧道时，刀具的使用消耗将占整机价格的30%左右。刀具的寿命又直接决定了换刀次数和换刀停机时间，一般情况下换刀时间占全部时间的10%～20%。因此刀具的使用寿命直接影响开挖成本和掘进机的作业率。

①刀具的寿命。目前使用的φ432 mm 的窄形单刃滚刀综合使用寿命见表3−4。

图3−26 盘形刀的结构

表3−4 φ432 mm 的窄形单刃滚刀综合使用寿命

②刀具的损坏形式。刀具的损坏形式分为正常磨损损坏和非正常损坏。

a.刀具的正常磨损损坏。用标准刀圈模板测定边刀刀刃磨损12.7～15 mm（1/2"～5/8"），正刀磨损，其余部分正常，则刀具属正常磨损。正常磨损占全部损坏刀具的90%以上。

b.非正常损坏。非正常损坏有如下形式：

刀圈崩裂：刀圈热处理不当，刀圈刀体紧配合过量。

刀圈相对刀体滑动：刀圈与刀体紧配合量不足，刀具在刀盘上安装不当。

刀圈磨成多角形：轴承损坏，刀具无法自转，金属浮动密封损坏，漏油。

漏油：金属浮动密封损坏或加油螺塞失效。

刀圈卷刃：刀圈热处理不当，硬度不足。

刀圈熔化：刀盘水冷却系统损坏。

挡圈断裂：挡圈哈夫处焊接强度不够。

刀具固定螺栓失落：长期更换刀具，螺纹损坏。

刀具固定螺栓断裂：固定螺栓的预紧力未调均匀。

刀体磨损：刀圈已超过极限磨损而未更换。刀体直接与洞壁接触。(https://www.xing528.com)

（5）延长刀具寿命的措施。为了延长刀具的寿命，在刀具设计中已经采用了大直径φ432 mm 刀具，在使用中还应采取如下措施：

①常规措施。

选用品牌φ432 mm 刀具，其中刀圈、轴承、金属浮动密封必须是品牌产品。

严格按照规定组装刀具，包括装配精度、温度、油质、油量、油压，严格测定油压和保压时间、刀盘回转力矩。

将刀具正确安装在刀盘上，按规定调整螺栓预紧力。

及时检查、测量刀具磨损及其他损坏情况，及时更换已损坏的刀具。

保证刀盘水系统的正常工作，做到先喷水雾，再掘进。

做好刀具的档案记录，根据记录数据及时制定相关措施。

②非常规措施。

对完整性好、抗压强度特高的岩石，掘进速度＜1.5 m/h 时，应考虑全盘更新刀具，并增设喷泡沫剂的工艺。

掘进前方遇有金属物，如钢丝网、钢管、木船钢钉、锚等时，必须先清除，后掘进。

避免在掘进前方先开掘导洞再行扩挖。因为导洞与扩挖洞交界处刀具的受力工况十分恶劣，最易损坏。

3）大轴承

（1）大轴承的作用。

承受刀盘推进时的巨大推力和倾覆力矩，并传递给刀盘支承。

承受刀盘回转时的巨大回转力矩，并将其传递给刀盘驱动系统。

连接回转的刀盘和固定的刀盘支承，实现转与不转的交接。

（2）大轴承的结构形式。目前掘进机采用的大轴承有三种结构形式：三排三列滚柱大轴承、三排四列滚柱大轴承和双列圆锥滚柱大轴承。

①三排三列滚柱大轴承。三排三列滚柱大轴承由一排一列径向滚柱、一排一列主推力滚柱和一排一列非主推力滚柱组成。由于径向滚柱和主推力滚柱分别设置，所以受力明确，承载能力较大。因主推力滚柱只有一排，一般适用于直径较小的掘进机。

②三排四列滚柱大轴承。三排四列滚柱大轴承由一排一列径向滚柱、一排二列主推力滚柱和一排一列非主推力滚柱组成。这种结构除有径向滚柱和主推力滚柱分别设置并且受力明确的优点外，因有二排主推力滚柱，因此能承受很大推力，适合大直径硬岩掘进机使用。

③双列圆锥滚柱大轴承。双列圆锥滚柱大轴承由相对安置的二列相同的圆锥滚柱组成，在推力方向的一列圆锥滚柱同时承受轴向推力、径向力和倾覆力矩。非推力方向的一列滚柱只受径向力和倾覆力矩。双列圆锥滚柱大轴承一般适用于150 MPa 以下岩石的掘进。其优点是双列圆锥的同一性。在掘进机大修时，可将大轴承翻转180°使用，将原非主推力一侧滚柱变成主推力一侧滚柱，这样可以延长轴承的使用寿命近一倍。

（3）大轴承的寿命。目前大轴承的使用寿命一般为15 000～20 000 h。这一使用寿命是确保掘进机掘进20 km 不更换轴承的依据。平常通称掘进机一次使用寿命为20 km，就是由此而来。其他大型结构件一般使用40～60 km 也是完全可能的。

大轴承寿命的影响因素还有如下几个：

①大轴承的润滑和密封。良好的强制性稀油润滑和多道有效密封是确保大轴承寿命的必要条件之一。

②大轴承安装工艺，特别是刀盘电焊时必须控制电流不能通过大轴承，否则大轴承滚道表面因电焊电流的通过形成火花，易产生凹坑而损坏。

③大轴承都是单件生产，价格高（一般占整机造价的10%左右），按国外大轴承生产规定，允许有10%的不合格率，因此购买掘进机时买方要承担10%的风险。

（4）大轴承的定圈和动圈。

①大直径掘进机一般采用内圈固定、外圈回转配合的方式驱动系统，大轴承配内齿圈，这样有利于降低刀盘的转速。

②小直径掘进机一般采用外圈固定、内圈回转配合的方式驱动系统，大轴承配外齿圈，这样有利于刀盘驱动系统的布置。

（5）大轴承的密封。大轴承的密封分内密封（大轴承内圈处）和外密封（大轴承外圈处）两种方式。每处的密封通常由三道优质密封圈和两道隔圈组成。三道密封圈的唇口有一定的压力，压在套于刀盘支承上的耐磨钢套上。由于密封圈的直径较大，在粘制密封圈时长度余量必须严格控制。若长度过短，则粘制后直径偏小，安装后容易胀裂或减小唇口压力；若长度过长，则粘制后直径偏大，安装后容易松动（外圈）或起皱褶（内圈），从而降低密封效果，甚至失效。

由于密封圈的直径较大，在安装时应多人多点同步装入，避免扭曲和不同步使密封圈拉伸变形。

除了密封圈密封外，根据需要还可增设机械的迷宫密封。在安装时，迷宫槽内充满油脂，使用时可不断注入油脂以防粉尘和水分通过密封圈浸入大轴承。

4）刀盘驱动系统

全断面巷道掘进机刀盘驱动系统的功能是驱动刀盘用于掘进、安装调试和换刀。

（1）刀盘驱动系统的特点。

①大功率、大速比：传递功率大，一般在1 000 kW 以上；从电动机到刀盘的减速比也大，一般＞200。

②刀盘驱动系统为系列化、多套式，每套功率都在200 kW 以上。

③具有二级变速功能以满足不同硬度岩石的需要。

④具有慢速点动功能以满足换刀需要。

⑤挖掘硬岩时只能顺铲斗铲渣方向回转。

⑥驱动系统的元件要求径向尺寸小，而轴向尺寸可适当放宽。

⑦刀盘驱动系统要有能承受一定轴向荷载的能力。

（2）驱动系统的布置形式。驱动系统的布置形式有前置式和后置式两种。

①前置式。前置式驱动系统的减速箱、电动机直接连在刀盘支承上，结构紧凑。但掘进机头部比较拥挤，增加了头部重量。

②后置式。后置式驱动系统的减速箱、电动机布置在掘进机中部或后部，通过长轴与安装在刀盘支承内的小齿轮相连。这样布置有利于掘进机头部设施的操作和维修，也对掘进机整机重量的均衡布置有益，但增加了整机重量。

以上两种布置方式在技术上都可行，各有优、缺点。

（3）驱动系统的组成。驱动系统由电动机、离合器、制动器、二级行星减速器、慢速驱动和点动电动机、长轴（后置式）、小齿轮和大齿圈组成。

①电动机。采用小直径、大功率的水冷式专用电动机，一般单台电动机的转速为1 000～1 500 r/min，驱动功率为200～450 kW。

②离合器。目前采用的离合器有液压离合器和压缩空气离合器两种。液压离合器具有传动扭矩大的优点，但离合的反应比较迟缓，容易造成多片离合片的不均匀磨损，一般用于功率要求大的掘进机上。压缩空气离合器具有离合反应快、过载保护能力强的优点，但传递扭矩较小，适用于开挖硬度＜150 MPa 岩石的掘进机。

③制动器。均采用多片式，常用液压制动器，刀盘停止回转即自动制动。只有打开制动器才能驱动刀盘。

④二级行星减速器。掘进机均采用二级行星减速器，以满足大功率、大速比的减速要求，齿轮箱采用强制液油润滑和水冷以减小其体积。

⑤长轴。在后置式驱动系统中，采用长轴并通过鼓形联轴节将齿轮减速箱和小齿轮轴相连。因长轴是回转部件，其外面还需安装保护套管，以保证安全。

⑥小齿轮。为实现大速比，小齿轮的齿数一般设为Z小= 14～17，且需进行修正加工。小齿轮必须避免单支点的悬臂结构形式而采用安装在刀盘支承上双支点形式，以确保大、小齿间的正常啮合。

⑦大齿圈。小齿轮和大齿圈的配合使掘进机刀盘驱动系统的第二级大速比减速。对于大直径掘进机，大齿圈采用内齿圈形式。这样既有利于驱动系统的布置，也有利于内齿圈齿数增多而增大减速比，从而降低刀盘转速。对于小直径掘进机大齿圈采用外齿圈形式，这样有利于驱动系统布置和刀盘转速适当加大。

⑧慢速驱动和点动电动机。为更换刀具的需要，有时要将刀具转到特定的更换位置，一般在齿轮减速箱输入端旁边置一低速液压电动机，以实现刀盘慢速驱动和点动，转速控制在1 r/min 以下。在换刀时，刀盘已离开掌子面而不与洞壁接触，此时允许刀盘正、反双向转动，以利于换刀。

5）掘进机头部机构及稳定头部装置

掘进机在掘进作业时，因岩石的不均质性，常引起头部的激烈振动。掘进机头部刀盘支承的四周连接了一圈护盾装置，这些装置起着保护机头、稳定机头的作用，必要时还辅以调向的作用。

除了上述结构，一般掘进机还有液压系统，供电系统，运输系统，通风系统，降温，防尘、供水及安全系统，隧道支护设备系统，其他辅助设施。

3.破岩机理

在掘进时切削刀盘上的滚刀沿岩石开挖面滚动，切削刀盘均匀地对每个滚刀施加压力，形成对岩面的滚动挤压，切削刀盘每转动一圈，就会贯入岩面一定深度，在滚刀刀刃与岩石接触处，岩石被挤压成粉末，从这个区域开始，裂缝向相邻的切割槽扩展，进而形成片状石渣，从而实现破岩。这种破碎方法称为挤压破碎方法，如图3−27所示。

图3−27 掘进机破岩机理示意

4.推进原理

掘进机的推进原理如图3−28所示，水平支承液压缸装在大梁的后部，通过四个推进油缸的机头架相连。工作时，先将水平支承板撑在巷道的两帮用以支承住机器后半部的重量，然后将后支承液压缸提起，再开动推进液压缸将刀盘、机头连同大梁一起推向工作面。达到推进行程后，再将后支承缸放下撑在底板上，支承住机器后半部重量，然后缩回水平支承缸的活塞杆，使水平支承板脱离岩帮。再收缩推进液压油缸，拉动水平支承缸沿大梁向前移动一个步距，即完成一个推进行程。此后不断地重复上述过程，机器即以迈步行走的方式向前推进。

图3−28 掘进机的推进原理