掘進機截齒定位精度對硬巖截割能力的影響

閻立哲

(西山煤電(集團)有限責任公司 西山中煤機械制造公司，山西　太原　030051)

·試驗研究·

掘進機截齒定位精度對硬巖截割能力的影響

閻立哲

(西山煤電(集團)有限責任公司 西山中煤機械制造公司，山西太原030051)

摘要針對西山煤電集團東曲礦在遇到硬巖開采時，普通的掘進機截割頭截齒磨損嚴重，進尺低，嚴重影響生產效率的難題，西山中煤機械制造公司研發設計了適合于截割頭齒座自動點裝、焊接的截齒焊接機械手定位系統，保證了齒座的定位精度，提高了截齒排列的準確性，使誤差控制在1 mm以下，從工藝上保證了截齒分布均勻而且排屑效率高，使掘進機截割頭具有較強的破巖能力、良好的截齒布置、較小的截齒消耗和較高的工作效率，該系統以穩定、高效、粉塵吸收少等優勢被廣泛應用在煤礦硬巖開采中。

關鍵詞掘進機；截割頭；截齒排布；硬巖；定位工裝；機械手定位

1問題的提出

長期以來，西山煤電集團公司大部分煤礦在遇到巖石硬度系數f>5的斷面掘進時，普通的截割頭截齒磨損嚴重，進尺低，嚴重影響生產效率(實際上f>4的巖石已經可以造成截割頭截齒的嚴重破損)。2012年西山煤電東曲礦在硬質巖道開采截割時，使用的EBZ315型掘進機由于截齒定位精度不準、截割頭布齒不均勻導致排屑不暢，造成了截齒被巖泥包裹。此現象會造成：1) 破巖能力差，截割效率低。2) 截齒和齒座磨損嚴重，頻繁更換產生高昂的費用。

由此可見，掘進機截割煤巖的性能好壞主要從截割效率和截齒的壽命兩方面來評價，而影響截割效率和截齒壽命的因素主要包括：

1) 掘進機截割頭的運動參數：截割頭轉速、橫向擺動速度。

2) 截割頭形體幾何參數：直徑、長度。

3) 截齒參數：總齒數、螺旋線頭數、螺旋升角、每線齒數、截線距等。

4) 煤巖力學性能參數：煤巖硬度普氏系數、抗拉強度、抗壓強度。

綜上可以看出，同種機型的掘進機在同樣工況下，截割頭截齒的參數及其能否精確保證截齒的空間位置將直接決定截割效率和截齒壽命。因此，如何精確保證截齒的空間位置與實際工況相符的截齒排列，是掘進機截割頭能否截割硬度系數f=9的煤巖的關鍵。

2截齒定位參數的確定

針對西山煤電集團東曲礦硬質巖道開采時，普通的掘進機截割頭已不能滿足巖道開采需求，嚴重影響生產效率的難題，西山煤電集團中煤機械制造公司研發設計制造的EBZ 260掘進機硬巖截割頭，運用基于等螺旋升角的截齒排列參數化設計,簡化了設計工作,改善了排屑性能，截齒分布均勻，排屑效率高。其中選取適合的定位參數保證截線間距沿截割頭大端向前呈遞減分布,使各截齒受力均勻、磨損相當、壽命同步。

對于截齒及齒座的定位設計，有5個主要參數,即:軸距離Z、切割半徑Rg、圓周角θ、倒角β、轉角即齒座中心線與截割頭體中心的45°夾角。前4個參數通過簡便畫法顯示,見圖1.XY面上的圓周角θ及切割半徑Rg確定了齒尖的橫向位置；ZY,ZX面上的軸向距離Z確定了齒尖的縱向位置。這3個參數的交點即為齒尖點；倒角β是齒尖中心線與軸向Z的夾角,確定齒尖中心線的方向。前4個參數僅確定了齒尖的空間位置,第5個參數轉角確定了截齒座在截割頭體上的最終位置。

圖1　截齒的定位參數示意圖

3人工點裝的定位工裝

人工點裝的工裝設計，是通過對以上各參數分析,設計焊接工裝時主要通過彎板和刻度圓盤的組合應用來保證參數。EBZ 260掘進機硬巖截割頭截齒焊接的組立工裝示意圖見圖2, 平面刻度圓盤在一個圓盤上規定“0”度為基準線,各截齒的圓周角都是相對“0”基準而言的。制做彎板時, 也在截齒各參數尺寸的相應位置, 標出各截齒的代號, 以方便組立，由此來確定截齒座在截割頭體上的最終位置。

1—分度盤　2—彎板圖2　硬巖截割頭截齒焊接組立工裝示意圖

工裝焊接截齒時，人工定位并不能完全保證位置、角度、截割間距的準確性，而這些誤差最終會影響截割頭的截割效果。2012年，西山煤電集團東曲礦運煤巷道就是由于巖石硬度系數大，原有的掘進機截割頭不能滿足硬質巖道掘進開采的需求，從而達不到破巖目的,無法連續工作，穩定性能差且增加了截齒的消耗。

4研發截齒焊接機械手定位系統

截割頭、截齒排列復雜，定位參數繁復，傳統的人工定位方法，只是靠人工量尺，操作繁瑣，誤差大。為滿足煤礦硬質巖道的開采需求，保證齒座的定位精度，西山中煤機械制造公司重新設計了適合截割頭齒座自動點裝、焊接的截齒焊接機械手定位系統，提高了截割效率和破巖能力。系統由定位機器人、焊接機器人、搬運工裝等3部分組成。其中，搬運工裝主要由托起截割頭的分度圓盤和圓盤下面的旋轉支架構成，分度圓盤分為16個區間，每一個區間都標有標號；定位機器人是此點裝系統的核心，其功能為抓齒定位；焊接機器人可按既定操作自動點裝、焊接。截齒焊接定位系統工作效果圖見圖3.

圖3　截齒焊接定位系統工作效果圖

該系統基于SolidWorks軟件建立截割頭模型，并使用仿真對新型35顆截齒的EBZ 260截割頭建模，正確進行零件造型創建三維模型，不僅造型美觀，而且方便修改和調整。要求所創建的零件造型結構完整，尺寸和幾何約束齊全、正確，以便于在今后的零件設計過程中，隨時可以對不合理的結構做出修改。

該焊接系統采取離線編程的辦法，使機器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標位置的獲取以及程序的調試均在一臺計算機上獨立完成。機器人離線編程系統是基于SolidWorks軟件，建立起機器人及其工作環境的模型，利用一些規劃算法，通過對圖形的控制和操作，在不使用實際機器人的情況下進行軌跡規劃，從而產生機器人程序。

使用焊接定位系統焊接時，先將截割頭置于分度盤上，而每一個截齒的圓周角分別落在其所在的區間內，每次焊接1個齒座都需將分度盤轉至定位機器人一側，按螺旋線由下至上依次焊接，見圖4.

截割頭上的每一個齒座對應一個定位程序，使每一個齒座都處于合適的位置，在試驗過程中對每個齒座做標記，在截割過程中根據截割情況，對截割不理想的截齒座位置進行分析討論，然后修改該齒座的定位程序參數，再進行截割試驗，試驗成功后對每個齒座的定位程序參數定型保存。

使用此焊接工藝有效提高了定位精度,從而提高了截割效率和破巖能力。傳統人工點裝與使用截齒焊接機械手定位系統的截割實驗數據對比見表1，圖片對比見圖5.

圖4　EBZ 260掘進機硬巖截割頭截齒排布俯視圖

表1　T260A與T260B型截割頭硬巖截割實驗對比表

圖5兩種型號的截割頭硬巖截割的圖片對比

由表1、圖5得出試驗分析結果：1) T260A前方截齒排布合理，鉆進效果較好。2) T260A出現嚴重磨損的原因是截齒人工點裝，位置與設計要求出現偏差造成盲區，導致截齒嚴重磨損。3) T260B截齒排布合理，鉆進、破巖效果較好。4) T260B截齒未出現短時嚴重磨損。

5結論

綜上所述，采用機器人自動抓取齒座的方式定位截齒，提高了截齒排列的準確性，使誤差控制在1 mm以下，從工藝上保證了截齒分布均勻，具有較高的排屑效率，實現了截齒排布合理，鉆進、破巖效果較好，良好的截齒布置、較小的截齒消耗和較高的工作穩定性，降低了硬巖截割的成本，提高了掘進機在遇到硬巖斷面時的工作效率。截齒焊接機械手定位系統以其穩定、高效、粉塵吸收少等優勢被廣泛應用在煤礦硬巖開采中，為西山煤電集團公司煤礦開采帶來了新的經濟增長點。

參考文獻

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The Influence of Heading Machine Cutting Pick Positional

Accuracy to Hard Rock Cutting Ability

YAN Lizhe

AbstractAiming at the problems that cutting pick of common heading machine cutting head wears severely, drilling footage is slow, affects the production efficiency seriously on hard rock mining in Xishan coal electricity group Dongqu coal mine. XiShanZhongmei machinery manufacturing company researches and designs the cutting pick welding manipulator positioning system which suits to cutting head toothholder automatic loading and welding. Ensures the positioning accuracy of toothholder, improves the accuracy of cutting pick arrangement, controls the error under 1 mm. Ensures the homogeneous distribution of cutting pick and efficient discharging metal scraps in the process, makes the heading machine cutting head with the strong cutting capability, well cutting pick arrangement, small cutting pick consumption and high work efficiency. The system with the advantages of stable, efficient and less dust absorption is widely used in hard rock mining of coal mines.

Key wordsHeading machine; Cutting head; The arrangement of cutting pick; Hard rock; Manipulator localization

中圖分類號：TD421.5+4

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)08-0015-03

作者簡介：閻立哲(1987—)，男，山西祁縣人，2010年畢業于中北大學，2014級太原理工大學在讀工程碩士，助理工程師，主要從事煤礦機械制造技術工作，(E-mail)421717996@qq.com

收稿日期：2015-06-19