縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計

廉 浩 馮 健

（北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

本文介紹了縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計原則，討論了提高截割頭截割效率的合理方案，提供了設(shè)計用的主要數(shù)據(jù)。

截割頭；設(shè)計原則；截割效率

1 概要

本文以縱軸式掘進(jìn)機(jī)的截割頭為研究對象。截割頭是掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件，它直接參與對工作面的掘進(jìn)工作。其設(shè)計參數(shù)較多，這些參數(shù)之間互相影響和制約，同時截割頭的設(shè)計質(zhì)量的好壞決定了掘進(jìn)機(jī)整機(jī)的截割性能，這對截割頭的使用壽命，以及整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性都有著直接的影響。

2 工作原理

掘進(jìn)機(jī)的工作過程是：操縱行走機(jī)構(gòu)向工作面推進(jìn)，使截割頭在工作面的左下角鉆入，水平擺動油缸使截割頭橫向截割到巷道的右側(cè)。然后利用升降油缸把截割頭上升接近等于截割頭直徑的距離，并使截割頭向巷道左側(cè)截割。如此往復(fù)截割運動，截割頭就可以完成整個工作面的截割。當(dāng)然掘進(jìn)機(jī)的截割方式與掘進(jìn)巷道斷面的大小，形狀，煤巖的分布情況有關(guān)。在截割頭截落煤巖后，由裝運機(jī)構(gòu)將其裝進(jìn)掘進(jìn)機(jī)中間的輸送機(jī)構(gòu)，再最終 裝進(jìn)礦車或巷道輸送機(jī)。因此，縱向截割頭通常的截割過程可以總結(jié)為縱向鉆進(jìn)、水平擺動截割和垂直擺動截割三種工作方式。

3 結(jié)構(gòu)研究

3.1 影響設(shè)計的因素

如果能保證在旋轉(zhuǎn)截割的過程中，使參加截割的每個截齒都截割相同大小的煤巖，讓各截齒的受力相等、運行平穩(wěn)，并且產(chǎn)生的磨損也基本相同，這樣的截割頭設(shè)計是最理想的。但是有很多因素影響截割頭的設(shè)計，主要有以下幾個方面：

（1）煤巖自身的性質(zhì)，主要有抗截強度、硬度、磨蝕性、堅固性系數(shù)等；

（2）截割頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要有截割頭的幾何形狀、外形尺寸、截齒排列、截齒數(shù)量以及截線間距等；

（3）截割頭的工藝性參數(shù)，主要有擺動速度、截割頭轉(zhuǎn)速、切削厚度、切削深度等。

在截割頭的設(shè)計上，這些因素的影響并不是孤立的，它們之間相互關(guān)聯(lián)和制約。

3.2 結(jié)構(gòu)形式

3.2.1 外形

截割頭的外形是指截割頭的幾何形狀，它是由截齒的齒尖所形成的外部輪廓，通常稱為截割頭包絡(luò)面。各截齒的齒尖位置投影到截割頭主軸平面上，將這些投影的點用線連接起來，形成了齒尖的包絡(luò)曲線，將形成的包絡(luò)曲線繞截割頭自身主軸轉(zhuǎn)動就形成了截割頭的空間曲面輪廓。

3.2.2 組成

縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭主要由截割頭體、截齒、截齒座、螺旋葉片、噴嘴、耐磨塊等組成。在截割頭體上焊接螺旋葉片，將截齒座按照設(shè)計要求焊接在螺旋葉片上，截齒安裝在齒座里。噴嘴的位置指向截齒齒尖方向，這有利于在截割時對工作面的滅塵。因為煤巖體具有磨蝕性，所以在截割頭體上焊接耐磨塊來進(jìn)行保護(hù)。

3.2.3 尺寸參數(shù)

掘進(jìn)機(jī)截割頭的尺寸參數(shù)主要包括：截割頭長度、截割頭直徑、螺旋頭數(shù)和升角等。

（1）截割頭長度

縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的長度是指從截割頭頂端到底端在軸線方向上的距離。截割頭設(shè)計的過長，截齒的截割阻力增大，導(dǎo)致截割機(jī)構(gòu)的擺動速度受到影響，截割能耗也會增加，如果截割功率不相適應(yīng)會影響掘進(jìn)速度。反之，截割頭長度過短時，雖然可以充分利用自由面和地壓的作用，減小截割阻力，但是截割時間會加長，截割的工作循環(huán)次數(shù)加大，使得生產(chǎn)效率降低。所以在截割頭長度的設(shè)計中，應(yīng)予以綜合考慮。

（2）截割頭直徑

截割頭的直徑主要影響掘進(jìn)機(jī)的截割力和工作循環(huán)時間。截割頭直徑過大，則切向截割力降低，當(dāng)截割力降到低于煤巖的截割阻力時，截割頭就無法正常工作；而當(dāng)截割頭直徑太小，截割頭切向截割力增大，但是由于掘進(jìn)機(jī)截割的循環(huán)時間變長，同樣影響掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度。當(dāng)截割功率和截割頭轉(zhuǎn)速一定時，單個截齒的平均截割力受到截割頭直徑的影響。

截割力矩為：

平均截割力為：

平均單齒截割力為：

式中：MC—截割頭轉(zhuǎn)矩，N.m；N—截割功率，kW；n—截割頭轉(zhuǎn)速，r/ min；FC—平均截割力，N；D—截割頭平均直徑，m；F1C— 平均單齒截割力，N；Zm—工作齒數(shù)，可取總齒數(shù)的一半，個。

（3）螺旋頭數(shù)和升角

截割頭螺旋葉片的頭數(shù)和葉片升角的大小共同影響了截割頭的排屑能力。一般認(rèn)為，截割頭的螺旋葉片頭數(shù)不應(yīng)大于四個，因為螺旋頭數(shù)越多，截齒的布置越困難，使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，截割頭重量也會增加，不利于截割的穩(wěn)定性。

增大螺旋升角，會影響截割頭上截齒的布置數(shù)量，單個截齒的截割力變大，但優(yōu)點是截割的煤巖塊度增大，減少粉塵的產(chǎn)出量；減小螺旋升角，截割頭截割時受力更好，有利截割的穩(wěn)定，但粉塵量會加大。

結(jié)語

由上可知，截割頭直徑越小，平均截割力就越大，平均單齒截割力也越大。同時要提高生產(chǎn)率，減少工作循環(huán)時間，應(yīng)該選擇大直徑的截割頭，而且截割頭長度越長，生產(chǎn)率也越高，向裝運機(jī)構(gòu)裝煤的效果越好。實踐證明，截割頭的合理設(shè)計直接影響著掘進(jìn)機(jī)的工作效率和使用壽命，因此必須給予足夠的重視。

[1]李曉豁.掘進(jìn)機(jī)縱向截割頭的運動學(xué)分析及簡化計算[J].黑龍江礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1998，Vol.8（No.3）：24-28.

[2]項陽，姜年朝，等.懸臂掘進(jìn)機(jī)縱軸式截割頭運動學(xué)分析[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998，Vol.27（No.3）：32-38.

[3]李貴軒，李曉豁，劉蘊章.掘進(jìn)機(jī)械設(shè)計[M].阜新：阜新礦業(yè)學(xué)院，1992.

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