鉆頭截齒布置方法及焊裝定位裝置研究

崔玉明，蔡衛民，李 烈

CUI Yu-ming，CAI Wei-min，LI Lie

（中國礦業大學，徐州 221008）

0 引言

螺旋鉆采煤機在我國薄與極薄煤層開采方面有著巨大的市場潛力。鉆頭是螺旋鉆采煤機的關鍵部件，其設計好壞直接決定了整機工作性能，而截齒的布置又決定了鉆頭的截割性能，同時鉆頭截齒焊裝時兼顧安裝參數過多，普通人工焊裝不易控制精度且嚴重影響效率。因此，有必要對鉆頭的截齒布置方法和焊裝定位裝置進行研究。

1 鉆頭設計一般過程

螺旋鉆采煤機鉆頭（如圖1所示）的一般開發過程可用圖2所示的流程圖來表示。大致可分為設計－試制－試驗三個階段，并可進行改良循環下去[1]。

圖1 鉆頭三維模型

2 截齒布置

2.1 截齒徑向布置

鉆頭的截割功率與截齒的徑向布置密切相關。同時，截齒的徑向布置決定了各截齒的切屑面積，進而決定了各齒截割力的大小和磨損量[2]。

圖2 鉆頭一般開發流程圖

規徑齒和中心齒分別為鉆頭上具有最大和最小旋轉半徑的兩個截齒，確定了它們的徑向位置Rmax與Rmin，就可以根據等切削、等功率或等磨損等原則來確定其它截齒的的徑向位置。理論分析和應用實踐表明[3]，鉆頭最大直徑Dmax應小于煤層的厚度H的50～100mm。確定中心齒位置的原則是中心齒處于能切掉鉆頭中心煤的最靠外位置，因而中心齒的位置應由該齒的切屑厚度和煤的性質決定。但中心齒徑向位置的確定還應考慮端盤部分截齒過煤的需求以及齒座安裝空間的限制。

在進行鉆頭截齒的徑向布置時，不管是采用等切削原則還是采用等功率原則，都存在一徑向尺寸Ru。當任一截齒徑向半徑Ri≥Ru時，截齒的徑向布置按等切削或等功率原則推導出的結果進行；當Ri＜Ru時，截齒的徑向布置原則是保證截齒具有較低的截割阻力和較低的截割比能耗。

2.2 截齒周向布置

截齒周向布置，就是在垂直于鉆頭軸線的平面內，按一定的配置方式，確定各個截齒的周向位置角θ，得到截齒的周向布置圖，使得鉆頭在工作過程中具有較好的穩定性。

鉆頭截齒周向布置的一般過程如下[1]：

1）根據各截齒的徑向布置尺寸Rij，在任意垂直于鉆頭軸線的平面X′O′Y′內，以鉆頭軸線與平面 X ′O′Y ′的交點O′為圓心，以 Rij為半徑作一系列同心圓，則第i條螺旋線上的第j齒的齒尖必在平面 X ′O′Y ′上半徑為 Rij的圓上。

2）根據等距螺旋線或者變距螺旋線定位截齒[4]。確定基準螺旋線的常數a、θ0、螺旋線頭數z與每條截線上截齒數m，根據螺旋線方程在平面X′O′Y′內作出螺旋線圖形[5,6]。

3）計算出各截齒的周向位置角θij。則在X′O′Y′內，相應螺旋線與各同心圓在半徑為Rij、周向位置角為θij處的交點，即為截齒齒尖的所在位置，從而可得出截齒的周向布置圖。

2.3 截齒軸向布置

理想情況下，各截齒的軸向坐標Z應由截齒包絡曲線方程 確定，從而可以確定各截齒的軸向位置和相鄰兩排截齒軸向間距（排距）。但是，當所有截齒的齒尖都位于同一平面上時，單位時間內的產煤量大幅度增加，會導致截齒的截割力增大，截齒壽命下降，同時，有可能造成排煤不暢或堵塞等問題。因此，筋板各排截齒間須存在一定的軸向間距。但排距也不宜過大，過大的排距則不能形成對煤體的完全截割，影響回采率。由于排距不僅與截齒的徑向尺寸R、周向排列θ、定位角度γ有關，而且與鉆頭的運動參數有關。因而，可以根據截齒的運動情況、徑向布置情況和保證鉆孔內不留有較大煤棱等因素，來確定筋板截齒的排距。

按照以上步驟，逐步安裝各個截齒，可以得到鉆頭的整體組裝模型，如圖3(a)和圖3(b)所示。通過該模型，可以進一步利用有限元和動力學分析軟件對布置好截齒的鉆頭進行性能分析，對實際應用起到很好的指導作用。

圖3 鉆頭安裝模型

3 鉆頭截齒焊裝裝置

鉆頭截齒焊裝時，單憑人工操作不易掌控截齒的各個安裝角度的精度，而且效率不高。因此，在實際裝配焊接過程中，截齒的空間位置可以通過一種簡單、實用、易于操作的鉆頭截齒焊裝定位裝置進行調整。

圖4 鉆頭截齒焊裝定位裝置

如圖4所示，截齒焊裝定位裝置主要由支架、周向刻度盤、周向旋轉盤、角度調整裝置1、角度調整裝置2、周向定位裝置和導向軸組成。其中，周向刻度盤、角度調整裝置1以及角度調整裝置2都裝有刻度盤，以便轉動相應的部件時可以獲得精確的齒尖坐標和截齒中心線方位角。利用截齒定位裝置調節截齒空間位置的具體步驟如下：

1）將未焊接齒座的鉆頭放在可以調整旋轉的周向旋轉盤上，利用定位螺栓將鉆頭和周向旋轉盤固定成一體，按設計說明調整周向旋轉盤以獲得精確的周向角度，然后用銷釘固定在周向刻度盤上；

2）調整軸向定位裝置，獲得合適的軸向定位；

3）轉動角度調整裝置2，精確定位角度之后，利用定位螺栓其固定在軸向定位裝置上；

4）轉動角度調整裝置1，得到精確地切削角，用銷釘固定角度調整裝置1的相對位置。將齒座對準調整好的齒尖后，所有調整都已就緒，此時可以將齒座點焊到筋板或者端盤上。

通過上述步驟，即可快速、高效、精確的齒尖位置，更加方便的焊接齒座。

4 結束語

1）總結了螺旋鉆采煤機鉆頭的設計開發流程，為鉆頭設計和截齒布置提供清晰的思路和方向；

2）以等體積或等功率切削、過煤條件及鉆孔內不留煤棱等為依據，提出了鉆頭布齒設計的一般方法和步驟，并確定了截齒徑向布置、周向布置及軸向布置的基本要求和相關參數的選取原則；

3）通過一種簡單、實用、易于操作的鉆頭截齒焊裝定位裝置對截齒齒座的空間位置進行調整，給出相應的操作步驟，提高了焊接精度和工裝效率。

[1]宋相坤.螺旋鉆采煤機鉆頭設計研究[D].徐州:中國礦業大學,2007.

[2]M P Evenden,J S Edwards. Cutting theory and coal seam assessment techniques and their application to shearer design[J].Mining Science and Technology, 1985, 2(4):253-270.

[3]劉過兵.機械化開采無人工作面的研究[J].礦業世界,1994(2):7-9.

[4]劉建風.PDC鉆頭布齒研究及其計算機輔助設計[D].成都:成都理工大學,2003.

[5]張鑫,曾慶良.掘進機截割頭多目標優化設計研究[J].煤礦機械,2005(6):1-3.

[6]E. Mustafa Eyyuboglu, Naci Bolukbasi . Effects of circumferential pick spacing on boom type roadheader cutting head performance[J].Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research,2005,20(5):418-425.