兼用高压水射流的掘进机水系统设计

兼用高压水射流的掘进机水系统设计李 烈 蔡卫民 崔玉明（中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116）Water System Design of High-pressure Water Jet Assisted Roadheader LI Lie, CAI Wei-min, CUI Yu-ming(School of Mechanical and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China)摘 要高压水射流辅助掘进机截割，能够大大提高掘进机的掘进能力。本设计探索了加入高压水射流辅助截割系统后，掘进机水系统的设计方法。以EBZ75型掘进机为例，对于水路的管路布置、水路控制图、喷嘴布置等进行了具体设计，指出了设计中的关键技术环节。关键词：掘进机；高压水射流；管路布置；水路控制图；关键技术AbstractThe high-pressure water jet assisted roadheader can greatly enhance the ability of tunneling. This article studies the design method of roadheader equipped with high-pressure water jet system and point out the detailed design of piping arrangement chart, waterways charts and nozzle arrangement chart. It points out the key techniques in the design based on the EBZ75.Key Words: Roadheader; High-pressure water jet; Piping layout; Waterway control charts; Key technologies中图分类号：T042 文献标识码：A1引言在煤巷掘进中，对于全煤巷和软岩巷，单独依靠掘进机截齿掘进，掘进效率高、成本低。但当掘进6f8的半煤岩巷道时，煤岩硬度大，单纯依靠截齿截割，截割效率明显降低，此时想要实现快速掘进，只有提高掘进机的截割功率。但提高截割功率，将导致一系列问题：截割电机体积增大，不便于安置；截割部发热量上升，需改进冷却系统；截割刀具磨损加剧，更换频率上升，经济性降低。这时，考虑加入高压水射流辅助切割技术，高压水流按压力高低分级（见表1）。表1辅助切割压力水分级MPaTab.1 Cutting Water Pressure Classification MPa项目低压中压中高压高压超高压水压0.50.52020140 140400400兼用高压水射流掘进，其基本内容是机械刀具和高压水流的结合，高压水流作为辅助工具，并不取代原有的机械切割。机械刀具在煤岩上挤压出裂纹，高压水同时射入缝隙，促使裂纹进一步扩大1-3。兼用高压水射流优点诸多：水流加剧了煤岩破裂，减小了刀具截割功率；水流在粉尘产生之初就进入缝隙，灭尘效果好；高压水与刀具同时截割，冷却刀具效果明显；水流将火花扑灭在形成初期，提高了工作安全性。2 高低压水路的管路布置EBZ75型掘进机上原有水系统主要用于液压系统、截割电机、截齿的冷却和喷雾降尘。我们重点关注水系统流经截割部的部分（见图1），泵站提供4MPa左右的压力水，在截割部主要用于掘进机的截齿冷却和内外除尘。图1 冷却水管路布置图Fig.1 Cooling Water Piping Arrangement Chart图2 入口处局部放大图Fig.2 Partial Enlarged View of the Entrance通过局部放大图（如图2）可以看到，压力水通过截割臂外壁进入截割部，管路首先穿过壳体，进而进入挡块，挡块内开有导水孔，压力水通过导水孔进入中心轴，通过中心轴内的轴向中心孔进入截割头。其中，挡块固定，中心轴随截割头回转，中心轴和挡块之间采用旋转密封结构。在截割头处，压力水流出中心轴中心孔，进入水腔，水腔与喷嘴相通，源源不断提供压力水。兼用高压水射流辅助破岩，水压将达到40MPa，此时需要设计单独的高压水流通管路（如图3）。图3高压水管路布置图Fig.3 High-pressure Waterways Arrangement Chart 图4 高低压水路局部放大图Fig.4 Partial Enlarged View of the High and Low Pressure Waterways通过局部放大图（如图4）可以看到，在低压水路旁增设高压水路，两路并行流通，两路水流之间通过密封装置隔绝。在截割头内，增设高压水腔。低压水进入低压水腔，进而供给喷嘴使用，用以辅助喷雾降尘。高压水进入高压水腔，进而供给高压喷嘴，用以辅助破岩。3 水路控制原理图的设计掘进机喷雾降尘需要水压约为4MPa，高压水射流需要水压为40MPa。在设计中采用一套综合水系统（如图5），泵站提供高压水，分级降压供水。图5高低压水路控制原理图Fig.5 Control Schematics of the High and Low Pressure Waterways泵站提供大于40MPa的高压水，流量控制在60-80L/min，高压水在进入截割臂前，分成两路，一路通过定值减压阀减压到4MPa，进入截割臂，形成喷雾降尘系统，低压水一部分用于截割头内喷雾，一部分用于截割头外喷雾。另一路高压水直接进入截割臂，供给高压腔，用于辅助破岩，形成高压水射流系统。4 水系统设计技术要点（1）机械结构加入高压水射流后，需要在工作机构中布置高压水管路，管路的主要部分经过截割部的中心轴，因此中心轴设计复杂。尤其在中心轴高压水入口处（见图3），高低压水路交错设置，既要避免高低压水路干涉，又要兼顾加工工艺性（如图6）。图 6中心轴中心口入口处管路布置图Fig.6 Waterways Arrangement of the Entrance of the Central Axis 在截割头内部，高低压水路不能串通，必须设置专门的高、低压水腔（如图3）。水腔内的高、低压水通过各自的管路进入高、低压喷嘴。（2）旋转密封截割头相对于截割臂做回转运动，高压喷嘴设置在截割头上，截齿依靠旋转挤压切割煤岩。高压水的水压高达40MPa，如果密封效果不好，高压水泄露，一方面造成水压降低，严重影响辅助切割效果，另一方面泄露的高压水可能造成机械故障。尤其在高压水入口处（见图3），中心轴相对于挡块做回转运动，此处需要进行旋转密封设计。一些学者4-5对掘进机上旋转密封进行了研究，但研究方向主要停留在低压喷雾水系统的密封上。当水压高于40Mpa时仅通过密封圈实现密封比较困难，必须将结构设计和利用水压结合起来才能实现长时间密封。（3）喷嘴设计高压水系统的末端执行机构是喷嘴，喷嘴的结构设计和布置形式对辅助截割效果有显著影响。如今，可承受200Mpa压力的喷嘴已经量产使用，关键是如何合理地安排喷嘴布置形式，使高压水发挥出最大辅助截割效果。一些学者6-7提出了多种喷嘴布置形式，它们有的独立安置在滚筒上，有的安置在尺座上。本设计综合原有设计的优点，提出了一种新的喷嘴安装方式（见图7）。图7 喷嘴布置方式 Fig.7 Nozzle Arrangement设计中，每个刀具配有两个高压喷嘴，一个位于刀具截割轨迹的前方，称为前置喷嘴，一个位于截割轨迹的后方，称为后置喷嘴。其中前置喷嘴的作用是在道具切割时，及时配合刀具破岩、减小机械道具截割功率、降尘和扑灭火花；后置刀具的作用是在刀具切割后，将破碎煤岩进一步挤压破碎。后置喷嘴水射流方向上落煤少，阻碍小，破碎效果更加明显，进一步破碎后的煤岩为切割轨迹上后一截齿切割做好准备。除此之外，后置喷嘴还有进一步灭尘和扑灭火花的作用。5 结语高压水射流辅助破岩技术，在上世纪八九十年代研究较多，但由于高压密封问题和材料问题得不到有效解决，这一技术在国内煤矿上没有推广开来。近年来，易采的厚煤层逐渐减少，难采的薄煤层、半煤岩煤炭资源比例上升，使得学者开始重新思考硬煤岩快速掘进问题。兼用高压水射流辅助切割技术使得这一愿望成为可能，高压水射流辅助破岩系统的技术重点，在于设计合理的水路通道、选择合理的液压元件、解决好高压水密封问题、找出科学的喷嘴布置形式。兼用高压水射流掘进巷道，具有独特的性能：效率高、粉尘小、无火花等。随着科技的进步，国家政策的引导，这一技术将在煤炭资源开采中发挥出巨大的作用和优势。参考文献1 窦春菊,蒋三在. 高压水射流在断面掘进机设计中的应用J. 煤炭技术,1998(1):2-4.(DOU Chun-lan, JIANGSan-zai. High-pressure water jet TBM design J. Coal technology, 1998(1):2-4)2 罗伯特J蒂姆库,周正行. 带水射流辅助切割的悬臂式掘进机J. 煤矿机电,1988(6):52-54.(Robert J Tim, ZHOU Zhen-xing. A cantilever boring machine with water jet assisted cutting J. Colliery Mechanical & Electrical ,1988(6):52-54.)3 孙家骏. 国外高压水射流技术在采掘机械中的应用J. 煤矿机电,1986(4):51-54.(SUN Jia-jun. Foreign pressure water jet technology in mining machinery J. Colliery Mechanical & Electrical, 1986(4):51-54.)4 陆. 掘进机用旋转密封装置J. 煤矿机电,1997(4):39-53. (LU. Rotary sealing device used on roadheader J. Colliery Mechanical & Electrical, 1997(4):39-53.)5 王虹. 掘进机内喷雾新型旋转水封的研制J. 煤炭科学技术,1998,26(6):8-11.(WANG Hong. Study on new rotary water seal spray of roadheader J.Coal Science and Technology, 1998,26(6):8-11.)6 .努拉金,付国礼. 国外对掘进机水力机械破岩方法的研究J. 煤炭技术,1986(4):56-60.(. Nula, FU Guo-li. Foreign rock breaking method of boring machineJ. Coal technology,1986(4):56-60.)7 孟国庆. 英国RH25型掘进机的高压水射流系统J. 煤矿机电,1985(5):50-52.(MENG Guo-qing. British RH-25 roadheader high-pressure water jet system J. Colliery Mechanical & Electrical ,1985(5):50-5.