對掘進機截割頭的設(shè)計改進分析

李云艷

摘 要：掘進機的截割頭作為整個掘進機性能最為關(guān)鍵的部分，其與掘進機的工作效率有著至關(guān)重要的聯(lián)系。也正因如此，做好掘進機截割頭的設(shè)計改進工作，使掘進機的截割頭性能得到根本的改善則具有十分重要的現(xiàn)實意義。該文筆者即結(jié)合個人多年從事掘進機截割頭的設(shè)計工作的實踐經(jīng)驗，通過仿真和驗算，提出對掘進機截割頭的設(shè)計改進方案，以期達到更好的使用效果。

關(guān)鍵詞：掘進機 截割頭 設(shè)計改進

中圖分類號：TM21 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（b）-0073-02

眾所周知，在掘進機截割頭的運行過程中極易出現(xiàn)磨損現(xiàn)象，不僅降低了掘進機的整體工作效率，也對截割頭的正常使用造成了一定的影響。也正因如此，近些年來掘進機設(shè)計研究人員紛紛加強了對截割頭設(shè)計改進的研究工作。以下筆者即從掘進機截割頭存在的問題入手進行粗淺地探討，并提出掘進機截割頭的設(shè)計改進建議以及設(shè)計改進后所取得了效果，以期為廣大同行在今后的設(shè)計改進工作中提供有益的參考。

1 掘進機截割頭所存在的問題

要想做好掘進機截割頭的設(shè)計改進工作，就必須結(jié)合掘進機截割頭的實際應(yīng)用情況，從而分析出其在日常運行過程中存在的問題，進而為設(shè)計改進方案提供有力的依據(jù)。而根據(jù)筆者對大量掘進機的實際施工作業(yè)情況分析，清楚地發(fā)現(xiàn)目前絕大多數(shù)掘進機的截割頭在施工作業(yè)之中都存在以下幾點問題：第一，掘進機的截割頭具有偏磨現(xiàn)象，截齒更換過于頻繁且磨損較為嚴重，有時甚至還需要為截齒補焊相對應(yīng)的齒座；第二，掘進機截割頭的尾部磨損速度較快，必須對其進行定期維護處理；第三，掘進機截割頭的切入性能往往較差，極易造成掘進機的過載停機問題；第四，掘進機截割頭在截割時煤巖呈粉狀剝落，且截割效率低下。

2 對掘進機截割頭的分析與驗算

該文取樣某型號掘進機截割頭，并對其進行分析與驗算，該截割頭的具體參數(shù)為：電動機功率160/110 kW；傳輸效率為90%；轉(zhuǎn)速為46/23 r/min；扭矩29.9/37.4 kN·m；直徑1140 mm；長度965 mm；截齒數(shù)量48個。

而如若此時我們利用掘進機截割頭設(shè)計的計算機輔助設(shè)計程序，將截割巖石以及掘進機的相關(guān)參數(shù)進行輸入，那么就可以根據(jù)實際的工況條件、掘進機截割頭截齒排列研究，對截割頭進行仿真分析與驗算。如圖1、圖2所示，當巖層的實際接觸壓強達到300 MPa時，在一個周期內(nèi)截割頭的負載扭矩進刀為33 mm，此時的截割頭呈現(xiàn)出完全切入狀態(tài)，扭矩值為58.1 kN·m，大大地超過了掘進機截割電機能夠承受的截割頭扭矩。而當巖層的接觸壓強達到800 MPa時，則扭矩進刀15 mm，截割頭也是完全切入，此時的扭矩值為85.0 kN·m，此數(shù)值是掘進機截割電機額定功率提供扭矩的2.27倍。因此，結(jié)合上述分析，我們可以看到，掘進機截割頭的負載所具備的不均衡性會隨著掘進機截割頭在巖層中進尺的增加，而相應(yīng)降低，我們以此為基礎(chǔ)編制圖3，以便更加直觀地展示該情況。

3 對掘進機截割頭的設(shè)計改進建議

結(jié)合上文掘進機截割頭運行中存在的問題與分析、驗算結(jié)果，筆者建議從以下幾個方面入手，對掘進機截割頭進行設(shè)計改進。

第一，根據(jù)上文筆者在掘進機截割頭不同巖層條件下的計算機模擬仿真實驗結(jié)構(gòu)，筆者建議要想提高掘進機截割頭的使用效率與掘進機的整體工作效率，應(yīng)該進一步更改截齒的排列方式以及截齒的部分角度值，從而進一步降低截齒在實際運行中所受到的磨損，提高截割效率的同時，使其分布更為均勻。

第二，根據(jù)上文筆者的演算結(jié)果顯示，減少掘進機截割頭的直徑，使其小于掘進機截割電機的額定扭矩能夠有效降低掘進機在截割過程中出現(xiàn)停機故障的次數(shù)。這是因為截割頭的實際直徑大小對掘進機的工作狀態(tài)有著至關(guān)重要的影響。所以，在截割頭的設(shè)計改進之中應(yīng)該給予重點關(guān)注與考量，仔細研究掘進機的實際工作作業(yè)方式，對掘進機截割頭的直徑進行準確計算，從而確保設(shè)計改進后的截割頭能夠始終處于高效率作業(yè)狀態(tài)之下。

第三，做好掘進機截割頭截齒的排列研究，進一步增加掘進機截割頭的頂部截齒數(shù)量，最大程度上加大截割頭的切入性能，從而降低截割頭尾部的實際磨損情況。可以說此項設(shè)計改進過程，在一定程度上存在著較大的風險，所以，在對掘進機截割頭的截齒數(shù)量進行改進設(shè)計時，必須要全面保障截割頭、尾部分的性能。

第四，在截割頭截齒的材料選用上，應(yīng)該采用進口的合金材料，且根據(jù)實驗證明，使用合金材料為截割頭的掘進機，其耐磨性能要遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料，從而進一步增強截割頭截齒的耐磨性能與實際使用壽命，加大其機械性能的優(yōu)異性。同時，還應(yīng)該根據(jù)實際的巖層情況，更改截割頭截齒形狀，從而使截割頭的截齒形狀能夠更加符合實際巖層的生產(chǎn)作業(yè)需求，也更能進一步體現(xiàn)出以合金材料為本體的截割部的最大優(yōu)勢與最佳使用價值。

第五，為了減輕在煤巖作業(yè)中對截割頭盤根處的磨損情況，我們可以增加一定數(shù)量的耐磨板在截割頭的后部。而耐磨板的實際添加數(shù)量應(yīng)該以掘進機截割頭的實際情況為準，添加的根本目的就是為了能夠進一步削弱煤層對掘進機截割頭的干擾，保護截割頭盤根的位置，有助于緩解煤層對截割頭的磨損程度，進而提高掘進機截割頭的實際使用功效，從而在最大程度上有效降低磨損率。

而在設(shè)計改進后，我們可以將截割頭的參數(shù)更改為：直徑改為1 050 mm；長度改為1 120 mm；截齒數(shù)量降低到39個。

4 對掘進機截割頭設(shè)計改進的效果分析

我們將設(shè)計改進后的掘進機截割頭進行實際的截割驗證，可以清楚地看到，設(shè)計改進后的截割頭，其截齒與齒座磨損情況較之原截割頭而言有著十分明顯的減輕，切入性能與截割效率也有大幅度提高。改進后的截割頭其截齒與截齒底座的磨損要大大小于原截割頭。而正是由于截齒耐磨性能的提高，也使得對截割頭截齒的更換頻率大大降低，從而使得掘進機擁有更加優(yōu)異的機械性能。

如若對其進行詳細分析，那么可以看到截割頭在設(shè)計改進后具備著諸多的優(yōu)勢。第一，改進后的截割頭，其截割效率被大大提高。這是因為改進后的截割頭其能夠更好地去適應(yīng)周圍巖層的環(huán)境，并且按照巖層的實際環(huán)境需求進行施工作業(yè)，進一步降低了巖層對截割頭的磨損，保證截割頭在施工作業(yè)的過程之中始終能夠處于最高效的操作狀態(tài)之下；第二，改進后的截割頭，其截割頭性能被大大提高，最為明顯的一方面就是在實際作業(yè)中，對截割頭的更換效率明顯降低了，且截割頭的實際使用周期被大大增加，與改進之前相比，截割頭的性能能提供更為優(yōu)質(zhì)的保障；第三，改進后的截割頭，大大地降低了磨損程度。通過分析，我們可以看到，改進后的截割頭其耐磨性能被大大提高，在很大程度上保證了截割頭的完整性，提高了截割頭的使用效率。

而上述對截割頭的設(shè)計改進，筆者主要是從工程應(yīng)用的角度，并且應(yīng)用仿真分析與驗證技術(shù)進行的，但并未對實際工作條件進行較為周全的考慮，如：圍巖特性、地址條件、截割速度等種種因素。因此，該文筆者在截割頭的研究方面稍顯片面。因此，僅為廣大同行作參考借鑒，并希望在未來的工作中，能夠建立適合我國煤礦地質(zhì)條件的截割載荷譜，從而為截割頭設(shè)計改進提供更為有利的依據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述，該文筆者結(jié)合個人實踐工作經(jīng)驗與相關(guān)參考文獻，就如何做好掘進機截割頭的設(shè)計改進進行了粗淺探討，旨在進一步改善掘進機截割頭的自身性能，確保掘進機截割頭的實際使用效果，延長掘進機截割頭的使用壽命，從而更好滿足掘進機工作需求，也希望通過該文筆者的粗淺闡述能夠為廣大同行在今后的設(shè)計工作中提供一些有益的參考與借鑒。

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