懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒排列優(yōu)化研究

摘 要：為了提升掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用效果，在對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭外形輪廓分析基礎(chǔ)上，對(duì)比2條、3條螺旋線下截割齒輪排布情況及對(duì)截割頭性能影響，隨后對(duì)2種不同螺旋線情況下的截割齒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用Solidworks軟件對(duì)優(yōu)選后的截割齒輪排布進(jìn)行建模分析，結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的截割齒排布更有利于截割頭切割煤巖，提升懸臂式掘進(jìn)機(jī)性能。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)機(jī)；截割頭；螺旋線；截割齒

近年來(lái)，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷前進(jìn)，懸臂式掘進(jìn)方面研究取得快速發(fā)展，在礦井的煤巷、半煤巖巷中得到廣泛應(yīng)用，大幅提升了礦井巷道掘進(jìn)效率[1-3]。與煤巷、半煤巖巷相比，巖巷掘進(jìn)機(jī)受到掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭破巖能力、粉塵以及刀具等制約，發(fā)展相對(duì)遲緩。巖巷掘進(jìn)機(jī)截割頭作為關(guān)鍵部件，直接影響到掘進(jìn)機(jī)的整體性能[4]。因此，文中對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭截割齒輪排列進(jìn)行優(yōu)化，以期能提升掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。

1 外形輪廓

掘進(jìn)機(jī)截割頭的外形既要與掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)相適應(yīng)，又要顧及到巷道掘進(jìn)斷面以及截割齒輪排布難易程度，是截割頭的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[5-6]。文中具體以山西某礦正在使用的國(guó)產(chǎn)某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)截割頭設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則進(jìn)行分析。使用的該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)截割頭外形為圓錐、圓柱以及球形結(jié)合體的縱軸式設(shè)計(jì)，既可以滿足搖擺、掘進(jìn)工況需要，也可以使得掘進(jìn)的巷道外輪廓較平整。

2 螺旋線設(shè)計(jì)

為了分析螺旋線數(shù)量及旋升角及對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭性能影響，將兩個(gè)外形相同的截割頭分別布置2條螺旋線（截割頭A）、3條螺旋線（截割頭B），對(duì)于螺旋線相同的截割頭，若改變螺旋線旋升角，則螺旋線間的間距在各個(gè)特征段會(huì)有較大差異。以3條螺旋線截割頭B為例，若螺旋線旋升角設(shè)計(jì)均為14°，則螺旋線的間距從247mm縮小至21mm，在圓錐段及圓柱段的間距變化更為明顯，繞行角度（圓周段）之和可以達(dá)到930°，特別是在截割頭的端部，螺旋線間的間距非常小，這樣的螺旋線布置方式不利于對(duì)截割齒布置，若將截割頭B螺旋線旋升角改用變升角式，沿著截割頭軸向方向上，旋升從11.5°漸變?cè)黾又?5.8°，則螺旋線的間距從240mm逐漸縮小至63mm，在截割頭頂端繞行角度（圓周段）之和可以為660°。這種螺旋線旋升角的布置方式有利于截割頭在截割巖體過(guò)程中形成塊度均衡的巖塊，同時(shí)截割頭在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，螺旋線間間距比固定式螺旋上升角減少約13%，降低截割頭掘巖過(guò)程中的磨耗。

3 截割線間距設(shè)計(jì)

為了比對(duì)兩種截割線布置方式排布特征，在截割線上等間距2.5mm增加排布截割齒輪，截割線的排布間距分別為20mm、22.5mm、25mm、27.5mm進(jìn)行截割齒布置對(duì)于截割頭A，兩條截割線，截割齒輪均衡的分布在2條對(duì)稱的截割線上，具體不同段的截割齒分如表1所示。對(duì)于2條螺旋線的截割頭A，應(yīng)優(yōu)選截割線間距為22.5mm以及25mm，對(duì)截割頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是螺旋線間距為22.5mm時(shí)，截割齒在圓周方向上分布不均衡，可能會(huì)導(dǎo)致截割頭受力出現(xiàn)周期性變化，引起設(shè)備共振，從而給掘進(jìn)機(jī)帶來(lái)危害，因此，應(yīng)選用的截割線間距為25mm。

4 截割頭模擬分析

截割頭破巖時(shí)打擊較在49°～50°間，齒座安裝角在45°，轉(zhuǎn)角選擇為8°，當(dāng)齒座干涉時(shí)進(jìn)行小范圍調(diào)整。采用Solidworks軟件對(duì)截割頭A、截割頭B裝配圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖2所示。

從圖2中可以看出，2中截割頭出輪均是在截割線上均衡排布，截割頭A上的螺旋線間距設(shè)定為280mm，截割頭B上的螺旋線間距設(shè)定為240mm。因此，截割頭A相對(duì)比截割頭B更具有更大的容巖能力。在截割頭的圓柱段以及與圓錐段均采用等間距布置，在截割頭端頭的圓球段，截割線間距逐漸降低，未出現(xiàn)齒輪的干涉問(wèn)題。截割頭A截割線起始處圓周角為180°，在截割頭上旋轉(zhuǎn)2.5周之后，終止位置處的圓周角為146°，1#截割螺旋線重疊度為2.41，同理截割頭的2號(hào)截割螺旋線重合度為2.51，截割頭截割螺旋線平均重合度為2.46；截割頭B上1#、2#、3#截割螺旋線的重合度分別為1.69、1.73、1.80，3條截割螺旋線平均的重合度是1.74。上述兩種截割頭截割齒輪在圓周方向上排布均衡，在同一角度范圍內(nèi)。截割齒輪數(shù)量沒(méi)有明顯變化，表明截割齒輪的排距較為合理。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)方式進(jìn)行闡述，并分別對(duì)比截割頭2條截割螺旋線、3調(diào)節(jié)個(gè)螺旋線下的齒輪排布方式，最終選定截割齒輪2條截割螺旋線條件下的最優(yōu)截割齒輪排布方式，以及3條截割螺旋線下的截割齒輪排布方式，并對(duì)上述2中齒輪排布方式進(jìn)行對(duì)比分析。研究成果為掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

穆海旺（1988- ），男，山西孝義人，2013年7月畢業(yè)于山西大同大學(xué)，煤炭工程學(xué)院，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)，本科，現(xiàn)為助理工程師。