掘進機不同參數截割頭截割特性的分析

呂 洋

（山西陽煤寺家莊煤業有限責任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

掘進機作為煤炭生產的關鍵設備，其主要功能是在開采前對巷道的掘進[1]。隨著煤炭開采深度的不斷增加，地質結構條件的復雜對掘進機的截割部提出了更高的要求。截割頭作為掘進機截割部直接作用于工作面的部件，其性能直接決定著掘進效率和安全性。因此，開展對掘進機截割頭截割特性研究是十分有必要的。

1 截割頭存在問題

掘進機截割頭主要承擔軸線推進和橫擺截割的任務，為了確保截割部更多的截割頭參與到截割任務中，要求截割頭截齒呈現螺旋線的排布方式[2]，如圖1 所示。

圖1 截割頭結構示意圖

如圖1 所示，截割頭主要由頭體、截齒、齒座、導料板以及噴水裝置組成。在實際應用中由于截齒安裝的角度不合理導致其單面與煤體或者巖體磨損，從而加劇了截齒的單側磨損；還存在截齒齒座與煤體或者巖體的直接接觸，導致在截割過程中產生大量的熱，加劇了對截齒的磨損。因此，應優化截齒的安裝角度、切割角度等參數對提升截割頭使用壽命。

2 截割頭結構分析

目前，我國所研發的截割頭截齒的排布方式主要分為兩種，其一為“螺旋角+圓周角”，其二為“截齒間距+圓周角”[3]。本文主要研究“螺旋角+圓周角”截齒排布方式的截割頭。

經研究可知，截齒的安裝角度是影響截割頭截割效率和截割頭使用壽命的關鍵因素。截齒的安裝角度主要分為截齒功能角和截齒工藝角。其中，截齒功能角直接關乎截割頭的截割性能；截齒工藝角僅關系著截齒的工裝和焊接[4]。本文主要研究截割頭的截割性能，故將著重研究截齒功能角，而截齒功能角包括有截割頭截齒切削角、截割頭截齒旋轉角。

因此，本文將著重展開不同截齒切削角和不同截齒旋轉角下截割頭的截割特性。

3 仿真模型的搭建

本文將基于Pro/E 軟件對截齒三維模型進行搭建。為提升仿真速度，在搭建三維模型時需做出如下假設[5]：

1）忽略截割頭上螺旋葉片、噴霧降塵裝置對截割頭截割性能的影響。

2）經分析可知，掘進機截割頭在實際掘進工作過程中，其主要動作為橫擺截割運動。因此，本次仿真僅分析截割頭橫擺運動時的截割特性。

3）對截割頭所面對的煤巖模型進行簡化，假設工作面礦石的緊密程度是一致的。

所搭建的三維模型如圖2 所示。

本次仿真分為單齒仿真和截割頭整體仿真兩項內容。其中，設定截齒以46 r/min 的速度沿著截割頭的軸向方向旋轉，仿真時長為326 ms；

圖2 單齒三維模型

4 仿真結果分析

本節探討不同切削角和旋轉角下截割頭單截齒的受力情況分析。

設定截齒的旋轉角為14°，安裝角為12°。不同切削角、旋轉角下截割頭截齒的受力情況如表1、表2 所示。

表1 不同切削角截割頭截齒受力匯總表

如表1 所示，當截齒切削角在48°、50°、52°、60°、62°以及64°時其平均截割阻力較小；平均牽引阻力幾乎維持在550 N 左右；平均側向阻力的絕對值在截齒切削角為48°、50°、58°以及64°時較小；平均截割力矩在切削角為48°、60°、62°和64°時為較小。

綜上所述，當截齒切削角在48°～52°的范圍之內時截齒所受外力較小。

經上述分析，設定截齒切削角為50°、安裝角為12°，分析不同旋轉角下截齒的受力情況。

如表2 所示，當截齒旋轉角為6°和12°時，截齒所受的平均截割阻力分別為180 N 和215 N，為兩個比較小的值；當截齒旋轉角為8°和12°時，截齒所受的平均牽引阻力有較小值；當截齒旋轉角為8°和18°時，截齒所受的平均側向阻力的絕對值有較小值；當截齒旋轉角為6°、8°、12°以及14°時，截齒所受的平均截割力矩有較小值。

表2 不同旋轉角截割頭截齒受力匯總表

綜上所述，當截齒旋轉角范圍在8°～12°之間時，截齒所承受的外力最為理想。

5 結論

掘進機作為綜掘工作面的關鍵設備，其截割效率及安全性直接決定工作面的推進速度。截齒作為掘進機截割部直接與煤體或者巖體接觸的部件，其各項參數將直接決定掘進機在截割過程中各個截齒的受力情況，進而影響著截齒的壽命和截割效率。經對截割頭截齒的受力情況進行仿真分析，得知當切削角在48°～52°的范圍之內、旋轉角范圍在8°～12°之間時截齒所受外力較小，該分析為截割頭截齒的分布奠定了扎實的理論基礎。