縱軸式硬巖掘進機截齒安裝參數對截割性能的影響研究

宋雨， 陳世其， 趙繼云， 崔會勇

（1.徐州徐工基礎工程機械有限公司，江蘇徐州 221001；2.中國礦業大學機電工程學院，江蘇徐州 221116）

0 引言

截割頭作為縱軸式硬巖掘進機破碎巖石的關鍵部件，其消耗功率大約占掘進機全部功率的70%～80%，因此其設計質量的好壞對掘進機的截割性能、工作可靠性、使用壽命和截割經濟性起決定作用[1]。而影響截割頭性能的因素較多，設計的自由度大，如何合理地確定形狀參數，如截齒的安裝角度、截割頭的運動參數等成為截割頭設計中的難點[2]。而在截割頭運行參數和截齒布置參數確定之后，截割頭截齒齒尖點的位置、截齒形成的截割槽間距和截齒截割巖石的厚度隨之確定，截齒安裝參數則直接關系到截割頭上的截齒能否順利地切入巖體并進行巖石截割，以及截割巖石形成的截割槽的形狀[3]。

截齒安裝參數包括截齒安裝倒角ηi、破巖角α和偏轉角β。由于截齒的安裝倒角與截割頭體錐角相關且互為補角，故本文將重點研究截齒破巖角α和偏轉角β對截割性能的影響。

1 截割頭的受力分析與仿真模型的建立

1.1 截割頭的受力分析

截割頭所受載荷是指截割頭上參與截割巖石的全部截齒受力的合成。截割頭工作包括縱向鉆進、水平擺動、垂直擺動三個運動過程，在整個運動過程中均伴隨著截割頭的自轉。縱軸式截割頭力學模型如圖1所示。

取截割頭上截齒i齒尖點M為例，截齒受到截割阻力Fzi（切向力）、牽引阻力Fri（徑向力）、側向阻力Fxi，沿X、Y、Z坐標軸線方向的分力為：

式中：φi為截齒安裝位置角，φi=ωt；ω為截割頭旋轉角速度。

圖1 截割頭力學模型

由式（1）可得單個截齒沿X、Y、Z軸線方向的受力，進而對所有截齒受力沿X、Y、Z軸線方向進行合成，可得到截割頭受合力及轉矩Mt為：

式中：nj為參與截割截齒數；Ri為截齒齒尖到截割頭中心線距離。

1.2 仿真模型的建立

LS-DYNA是目前較為通用的顯式非線性有限元分析軟件，可以實現現實世界中許多復雜非線性問題的數值仿真模擬。LS-DYNA以Lagrange算法為主，兼具有Euler和Arbitrary Lagrangian-Eulerian，ALE算法，同時LSDYNA采用了顯示積分算法。LS-DYNA的算法特點、豐富的材料庫和單元類型以及接觸分析類型決定了其特別適合求解截割頭截割破巖這類非線性動力學侵蝕破壞問題。LS-DYNA材料模型庫中的第111號材料（*MAT_JOHNSON_HOLMQUIST_CONCRETE）在進行巖石截割模擬試驗時其力學性質與巖石較為一致[4]。因此，本文選用LS-DYNA軟件對截割頭截割巖石過程進行數值模擬，數值模擬仿真模型，如圖2所示。

圖2 截割頭截割巖石仿真模型

2 破巖角對截割性能的影響

通過對截齒破巖角α和巖石機械物理性質的分析，取截割頭截齒破巖角α分別為35°、40°、45°、50°的四組模型進行數值模擬分析。

為保證數值模擬結果的可靠性和可對比性，截割頭截割線間距取s=25mm，螺旋升角ε=13°，截割頭轉速n=30 r/min，截割頭橫切速度vb=0.3 m/min，巖石硬度系數f=10。

通過LS-DYNA求解器LS-DYNA SOLVER進行求解計算。運用LS-DYNA后處理工具LS-REPOST進行仿真分析。

2.1 破巖角對X、Y、Z三向合力及載荷波動系數的影響

本文主要針對截割頭的橫向擺動截割工況進行設計研究。為了綜合分析截割破巖角對截割性能的影響，現將截割頭橫向截割巖石時沿X、Y、Z軸的三向力、合力以及截割頭所受合力的載荷波動系數繪制成曲線圖，如圖3所示。

圖3 不同破巖角的各軸向力、合力及波動系數

從圖3可以清晰地看到各方向力及其波動系數隨截割破巖角的變化趨勢。由于截割頭在橫向截割巖石時X方向力是截割的進給阻力和Y方向力截割的側向力是影響截齒磨損的主要因素，同時從圖中可以看出，X方向力及波動系數與截割頭所受的合力及波動系數的變化趨勢基本相同。因此在分析截割頭的受力性能時優先考慮X、Y方向的力。綜合分析可知，截割破巖角為45°時截割頭受力性能較好，其次是截割破巖角為40°時。

2.2 破巖角對截割轉矩及截割比能耗的影響

1）破巖角對截割轉矩及其波動系數的影響分析。

在LS-DYNA后處理器LS-PREPOST中提取截割轉矩隨時間變化的數據值，將截割轉矩均值和波動系數繪制成對應的折線圖，如圖4所示。從圖中可以看出截割轉矩均值隨破巖角的增大而呈現出增大的趨勢，破巖角為40°時截割轉矩均值僅比破巖角為35°時增大了1%，但其波動系數在此時取得最小值。因此，破巖角為40°時截割橫向截割巖石時截割轉矩均值性能較好。

圖4 不同破巖角下的截割轉矩及波動系數

2）破巖角對截割比能耗的影響分析。

為了直觀地分析不同截割破巖角對截割比能耗的影響，以截割比能耗為縱坐標，以截割破巖角為橫坐標繪制折線圖，如圖5所示。截割比能耗隨截割破巖角的增大呈遞增的趨勢，但是增加量相對較小。破巖角為40°時僅比破巖角為35°時增加了0.2 kJ/kg，破巖角為45°時也僅比破巖角為40°時增加了1.38 kJ/kg。

圖5 不同破巖角下比能耗

2.3 破巖角對截割性能影響的分析總結

綜合對截割頭橫向截割巖石時截割破巖角對截割三向力、截割轉矩和截割比能耗的影響分析可知：1）截割破巖角為45°時具有截割頭受力性能較好，其次是截割破巖角為40°時；2）破巖角為40°，橫向截割巖石時截割轉矩均值性能較好，其次為破巖角為45°時。綜合上述分析，從減小截割頭橫切巖石進給阻力和降低截齒磨損的角度考慮，截割破巖角宜取為45°。

3 偏轉角對截割性能的影響

偏轉角是影響截割頭截割效率和截齒使用壽命的重要參數。偏轉角的存在能夠使截齒在進行巖石截割時產生一定的側向力，在側向力的作用下截齒可以在截齒座內產生自轉，有效減輕截齒的偏磨，從而延長截齒的使用壽命，降低截齒的更換頻率，提高巖巷掘進的效率，這對硬巖掘進機尤為重要。另外通過調整偏轉角的大小也可以避免截齒之間以及截齒和巖壁之間出現的相互干涉的情況。為此選取截齒偏轉角β分別為5°、10°、15°、20°的四組模型進行數值模擬分析。

3.1 偏轉角對X、Y、Z三向合力及載荷波動系數的影響

提取截割頭截齒偏轉角β為5°、10°、15°、20°的四組模型進行截割巖石數值模擬的數據，并將截割頭橫向截割巖石時沿X、Y、Z軸的三向力以及截割頭所受合力、載荷波動系數繪制成折線圖，如圖6所示。

圖6 各軸向力、合力及波動系數隨偏轉角變化

通過圖6可以清晰地看到各方向力隨偏轉角的變化趨勢基本相同，整體呈現出先減小后增大的趨勢，同時在偏轉角為10°時取得最小值。另外從圖中可以清晰地看出各向力及波動系數隨偏轉角的變化的范圍較小，這說明了偏轉角對截割頭各向受力的影響較小。綜合上文的分析可知，截齒偏轉角在10°時截割頭受力性能較好。

3.2 偏轉角對截割轉矩及截割比能耗的影響

1）偏轉角對截割轉矩及其波動系數的影響分析。

在LS-DYNA后處理器LS-PREPOST中提取截割轉矩隨時間變化數據值，將截割轉矩均值和截割轉矩波動系數隨偏轉角的變化繪制成對應的折線圖，如圖7所示。從圖中可以看出，截割轉矩均值隨偏轉角變化呈現出先減小后增大的趨勢，但轉矩均值波動幅度較小，在偏轉角為10°時截割轉矩均值最小；截割轉矩波動系數隨偏轉角變化波動范圍較小，波動系數最大值與最小值僅相差0.27。因此，偏轉角為10°時截割轉矩特性較好。

圖7 不同偏轉角下的截割轉矩及波動系數

2）偏轉角對截割比能耗的影響分析。

將四種不同偏轉角下的截割轉矩均值Mt、截割模擬的求解時間t、截割頭轉速n、截落的巖石體積V等參數代入式（2）。以截割比能耗為縱坐標，以截齒偏轉角為橫坐標繪制折線圖，如圖8所示，截割比能耗隨偏轉角的變化先降低后增大，在偏轉角為10°時取得最小值。

圖8 不同偏轉角下比能耗

3.3 偏轉角對截割性能影響的分析總結

綜合上述分析可知，偏轉角對截割頭橫向截割巖石時的截割三向力、截割轉矩和截割比能耗的影響趨勢基本相同，同時對各項指標影響的波動范圍較小，在偏轉角為10°的截割性能指標最佳。由于偏轉角對各項截割性能指標的的影響較小，偏轉角在設計中應主要考慮截齒截割形成的側向力，保證截齒的自轉特性降低截齒磨損；另外在截割頭截齒之間或截齒與巖壁之間發生干涉時，也可優先考慮通過調整偏轉角的取值來避免干涉現象。綜上所述，本文研究工況下截齒偏轉角宜取10°為佳。

4 結 語

本文重點研究了截割頭在截割堅硬巖石時截割破巖角和截齒偏轉角對截割性能的影響。

1）通過截割破巖角對截割三向力、截割轉矩和截割比能耗的影響分析研究可知，破巖角是影響截割頭受力特性的最重要的安裝參數。綜合考慮破巖角對截割載荷及載荷波動系數、截割比能耗以及截齒磨損的影響。

2）在截割頭橫向截割巖石時偏轉角對截割三向力、截割轉矩和截割比能耗等各項指標的影響的趨勢基本相同，同時對各項指標影響的波動范圍較小。因此，在截割頭設計中應主要考慮偏轉角對截齒截割的側向力的影響，保證截齒的自轉特性降低截齒磨損；另外在截割頭截齒之間或截齒座與巖壁之間發生干涉時，可優先考慮通過調整偏轉角的取值來避免干涉現象。