掘進機截割頭傾斜角度和掘進順序的設計研究

陳先龍

（晉能控股煤業集團煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

掘進機被廣泛應用于軟、中強度巖層的隧道施工中。影響掘進機性能的參數有很多，而刀具間距、切削深度、跟蹤刀數、刀具總數、切削順序數、周截距、包繞角和傾斜角是刀具系帶考慮的基本參數。鎬按切割順序錯開排列，在切割頭或滾筒表面形成螺旋排列，避免同步加載[1-3]。此外，當沿著旋轉軸在一個平面上觀察時，位于切割頭或滾筒前部部分的工具軸逐漸傾斜到傾斜角度（α）的角落。這是為了避免工具或工具架與巖壁摩擦，也為了防止由于限制在角壁而導致鎬的動態超載。在切削頭和切削滾筒上布置的拖拽工具，根據工具軸相對于旋轉軸的方向可分為兩大類，即平行軸工具和量規工具。在平行軸工具中，相鄰鎬的軸沿著一條直線相互平行，垂直或傾斜于切割頭或滾筒的旋轉軸。零傾斜角的平行軸工具在連續采煤機和滾筒采煤機上隨處可見，而斜軸工具在掘進機上非常常見[4-5]。一般情況下，刀具過載通常發生在刀頭最前端的最后一量具即截角鎬，在刀具系帶時需要注意。根據機器類型的不同，后鎬也向后傾斜以達到同樣的目的。

本文通過多次線性切割試驗，對掘進機切割頭設計中的截齒和角截齒進行了研究。對傾斜角度為20°~90°的眾多掘進機實際尺寸的切割頭分別進行了全尺寸的實驗室模擬。對每個切割頭分別進行了兩種不同順序的切割序列模擬（即從自由面開始到角點，反之亦然），并詳細討論。定義了截齒和切角截齒的最佳條件，并對截齒的順序進行了合理的比較。

1 理論分析

如果對給定的切削頭或滾筒上的每個刀具的相對切削位置進行評估，就可以更好地解釋測量參數隨傾斜角度的變化。這可以通過構建一個“切割模式”來實現。該模式是在切割頭旋轉過程中，將切割順序與每個刀尖的空間位置相結合而形成的切割橫截面的排列。刀具參數如刀具的切削位置，刀具間距的真實值和切削深度可以根據“切削周長”來評估，“切削周長”是在相同的切削順序或開始中排列的鎬的尖端的軌跡。如圖1所示，如果所有鎬的周間距和行間距都是恒定的，那么這些參數對于平行軸工具可以表示為:

式中：β為刀具軸相對于切削圓弧位置的傾角；dr為同一順序相鄰刀具間相對前進度切削深放，mm；dt為真切削深度，mm；S為同一順序相鄰工具之間的原始序列間距，mm；St為同一序列工具間的真間距，mm；n為切割序列或開始的總數；A為切割頭每轉一圈的推進量，mm；T為截割頭上的截齒總數。

對于這種安排的平行軸工具，切削周長是一條直線，這些鎬掃過的截面積是恒定的。此外，每個鎬的切割頭輪廓與切割周長之間的角度（如上頁圖1中的β）也是相同的。對于給定的刀具系帶，平行軸刀具的切削力和比能不會隨著切削順序的變化而變化。然而，這不是傾斜鎬或非平行軸工具的情況，在傾斜角度下，鎬的截面和位置變化很大。給定量規刀具的切削周長與切削頭的輪廓不一致，在不同的切削方式下產生不同的切削軌跡。對于機頭部分的最后一個鎬，當從機頭切削到機器側時，切削周長保持在切削頭輪廓的前面，而當從相反的方向切削時，則相反。換句話說，當從機頭到機器側面切割時，鎬的軌跡更長。在這種情況下，有必要分別確定每個工具位置的變化。那么，該切削模式下斜鎬或非平行軸刀具的刀具參數可以表示為:

圖1 刀具參數與平行軸刀具的切削位置

式中：α為給定工具的傾斜角，（°）；γ為給定刀具的切線與相應的切削圓弧之間的夾角，（°），對于平行軸刀具，它總是為0；S為相鄰工具之間的原始序列間距，mm；D為切割頭直徑，mm；k為跟蹤刀具的數量。

2 切角鎬模擬試驗

2.1 切角鎬模擬試驗描述

采用0.66 m儀表成型機進行了實驗室全尺寸巖石切割試驗，直線推力為50 kN。75°錐角和55°攻角是首選的切削試驗，由于機器的限制而無法承受高力量是由重型選擇更高的錐角。在整個切割試驗過程中，為了確保每一次切角鎬的狀態都是一致的，切割實驗使用的是一種細粒均質各向同性砂巖，因為調查的范圍是在相同條件下比較變量。巖樣的部分力學物理性質見表1。

表1 巖石樣品的一些機械、物理和礦物學性質

本文模擬試驗考慮的切割頭的最大直徑為0.44m，因為實驗整形機的十字頭不能超出這個值。這個直徑接近0.50 m的等效實用切割頭的直徑。每個切割頭配備了總共16個工具，這些工具以重疊的方式在兩個起點（兩個切割順序）上交錯，在每條線上配備一個工具并單一跟蹤。整個切割頭上鎬的周向間距保持恒定?？紤]到成型機的性能，切割頭每轉一圈的推進量為12 mm?！熬嗌畋取比?（對應18 mm），該研究是在相同巖石、工具和實驗條件下進行的平行軸工具。

為了獲得從0°~90°的大傾斜角范圍，考慮了半球形切割頭與圓柱體相結合。在相同的機器和操作條件下，測量工具和切角鎬的傾斜度是唯一的變量。因此，在整個模擬試驗過程中，與刀具、巖石類型和操作條件有關的所有參數均保持不變。然后，構建全尺寸模擬試驗的切割頭，如圖2所示。沿切削頭旋轉軸觀察從A1點到J2點的整個切削頭周邊，平均除以線間距值（18 mm），對應一個扇形4.63°，以確定刀具軸的角度位置。然后，通過保持每個切割頭的圓周長度相等，得到了9個不同角截鎬的切割頭。例如，切割頭1的外圍開始于點A1，結束于點A2，這是切割頭的角截鎬，同樣，它開始于J1，結束于第9個頭的J2。模擬試驗必須在兩組中進行，因為整形機的十字頭允許最大傾斜角52°。首先模擬所有的切割頭從機器側面到切角的過程，然后分別模擬從機器側面到切角的過程。值得注意的是，這樣的實驗是非常繁瑣和耗時的，因為必須進行無數次非儀器切割，直到儀器切割達到穩定的切割狀態，重復4次。

圖2 模擬的切割頭

2.2 試驗分析

當從機器側到機頭進行切削時，測量的量規工具的切削力和法向力均在較低的傾斜角處緩慢減小，然后在較高的傾斜角處突然減小（見下頁圖3）。當傾角達到67°左右時，其衰減幅度遠大于量規工具，在此傾斜角后，其衰減幅度趨于相同。隨著傾斜角度的增加，產量不斷下降。量具比能在傾斜67°左右時穩定增加，在傾斜67°左右后陡然上升。截角齒的比能急劇下降，至67°傾斜角附近達到最低點，之后立即急劇上升。值得注意的是，切角鎬開始作為量規工具，特別是在67°傾斜角度和之前，因為工具的力、屈服和比能值幾乎與量規鎬相同。當從機頭向機器側切割時，量規工具的刀具力和比能在大約65°傾斜角處表現出更高的值，然后在更高傾斜角處與相反方向的刀具力和比能趨于相似。在產量上沒有明顯的差異，這表明量規工具在兩種切削模式下掃描了相同的截面。此外，除了測量到的最低傾斜角下的切削力外，截齒的切削順序沒有顯著差異。在平坦的巖石表面上開槽獲得的平均漏鋼角為67.5°。

圖3 量規工具與切角鎬在傾斜角度下的切削力變化

將比能最小的67°傾角作為截齒的參考點；這意味著在此值之前或之后的任何傾斜角度下，切割動作都是低效的。這種情況可能是由點攻擊工具或帶脊形底座的重型徑向鎬的切削作用造成的。在垂直于切割方向的垂直平面上，鎬將在與巖石接觸處的軸線位置形成一個V形槽。在正常情況下，當切割不局限于任何一側時，工具軸是將V形槽平分成兩等份的對稱線。這個V形區域的頂角稱為半漏出角θ。無論工具的位置如何，它總是充分發揮其潛力，沿著其軸線創造出相等的兩半。

當傾斜角度小于67°時，由于其一側被限制在角壁內，工具無法形成對稱的半V形槽，因此工具力更大。在67°傾斜角度下，工具有效地利用其全部潛力形成具有預期漏出角度的槽，這可能是比能量在該值附近觸底的原因。傾斜67°角后，就不再是切角工具了，因為它具有上述量具的特點。結果表明，在給定的刀具和切削條件下，在平坦巖石表面上進行無松動的切槽時，刀具的最佳傾斜角對應于刀具的半漏角。

2.3 試驗實際意義

研究表明，平行軸刀具的刀力和比能不隨切削順序的變化而變化，而量規刀具則相反。軸向式切割頭直徑較大，為了滿足裝載要求，同時也便于堆垛時對被切割物料的清理，一般從機頭開始切割。然而，對于橫式切割頭來說，這在一定程度上可能是不必要的，因為切割可以從任意一側開始。在實踐中，在制造階段，由于有限的區域，通常很難將工具夾放置在切削頭鼻部的預定位置。刀架重疊是這一問題中經常出現的一個重要問題。以前對軸向式掘進機進行的地下試驗表明，位于掘進機頭最前端的鎬和工具架非常容易損壞，因此，在使用這種類型的工具時應格外小心。

在地下槽式掘進作業中廣泛使用的連續式掘進機上安裝的間隙環刀是典型的量具，許多制造商通常從機頭側進行切割。間隙環刀的切削順序也可以設置為從機側開始。在最后一個導葉鎬和鄰近的量規工具之間要非常小心地保持適當的相互作用。經過改進后，在間隙環處的工具架壽命是之前設計的三倍。實際研究表明，間隙環刀的刀架壽命在切削順序向機械側改變時有所提高。

3 結論

在實驗條件和本研究所描述的參數范圍內，角截齒的最佳傾斜角近似等于巖石材料的半破斷角。如果切角鎬不在這個最佳傾斜角度位置，則會產生更高的比能。為提高切削效率，增加刀架保護，方便切削頭的制造工藝，將規鎬和角鎬的最大傾斜角設置在巖石材料的半漏角處可能是有益的。當將切削順序設置為從給定切削頭的頭端進行切削時，在傾斜角度低于最佳傾斜角值時，測量工具的截齒力會更高。平行軸工具，如采煤機滾筒上的葉片鎬和切削頭的錐形或圓柱形表面上的鎬，不受切削順序的影響，即切削可以從機側或機頭側開始。