掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

張雁珺

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭煤焦有限責(zé)任公司，山西 臨汾 042199）

引言

巷道掘進(jìn)機(jī)是一種綜合的掘進(jìn)機(jī)械，主要負(fù)責(zé)煤礦巷道的開(kāi)掘工作，是煤礦建設(shè)中必不可少的重要的機(jī)械設(shè)備。在掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)中，截割頭是切割煤巖、受壓推進(jìn)的主要部件，對(duì)掘進(jìn)工作的效率具有極大的影響。但是，常常由于煤巖條件的變化、機(jī)械結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性等導(dǎo)致截割頭損耗嚴(yán)重。其中，截割頭自身設(shè)計(jì)參數(shù)的不合理是主要因素之一。由于參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理或者局限性常常制約著截割頭的適用性和使用效果，影響著整個(gè)掘進(jìn)工作的效率及掘進(jìn)工作的經(jīng)濟(jì)效益。

1 掘進(jìn)機(jī)截割頭故障分析

截割頭是掘進(jìn)機(jī)掘最重要的組成部分之一，由于其與煤巖直接、頻繁、高強(qiáng)度接觸，很容易出現(xiàn)故障，影響掘進(jìn)工作的安全與進(jìn)度。根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可以將掘進(jìn)機(jī)截割頭的主要故障總結(jié)為以下幾類：

1）煤巖硬度變化導(dǎo)致截割頭過(guò)載而停止工作。掘進(jìn)機(jī)的截割頭在設(shè)計(jì)之初會(huì)根據(jù)巖石硬度等地質(zhì)資料確定截割頭的材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)、生產(chǎn)能力等。但是為了保證設(shè)計(jì)成本及適用性，會(huì)將截割頭的設(shè)計(jì)參數(shù)確定在某一范圍內(nèi)，這也是工業(yè)設(shè)計(jì)的普遍行為。但是，在實(shí)際工作過(guò)程中，由于煤層的復(fù)雜性及煤巖強(qiáng)度的突然變化，會(huì)導(dǎo)致截割頭出現(xiàn)過(guò)載的情況，從而停止工作。

2）伸縮部?jī)?nèi)主軸損壞引起截割頭不轉(zhuǎn)。主軸磨損嚴(yán)重或者出現(xiàn)不規(guī)則變形，導(dǎo)致截割頭不能與掘進(jìn)機(jī)緊密結(jié)合，導(dǎo)致嚴(yán)重?fù)p壞或抱死，從而發(fā)生停滯的情況。

3）減速機(jī)構(gòu)零件破損引起截割頭不轉(zhuǎn)。截割頭的轉(zhuǎn)動(dòng)主要依靠減速機(jī)構(gòu)齒輪的帶動(dòng)。減速機(jī)齒輪、軸承的故障會(huì)導(dǎo)致傳動(dòng)過(guò)程斷鏈，故導(dǎo)致截割頭不轉(zhuǎn)。

4）截割電動(dòng)機(jī)故障引起截割頭不轉(zhuǎn)。截割部電動(dòng)機(jī)本體發(fā)生故障或者其中部分零件發(fā)生故障引起停轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2 掘進(jìn)機(jī)截割頭改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 掘進(jìn)機(jī)截割頭的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計(jì)需要考慮很多因素，包括整體宏觀參數(shù)或者局部的細(xì)節(jié)參數(shù)以及不同工況下的受力情況。這些參數(shù)不僅復(fù)雜，而且相互聯(lián)系、相互制約，因此，截割頭的設(shè)計(jì)一直是懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。通常，截割頭設(shè)計(jì)參數(shù)含義及影響如下：

1）截割頭的長(zhǎng)度：指截割頭沿軸線方向的長(zhǎng)度。截割頭較長(zhǎng)會(huì)提高生產(chǎn)率，但是阻力和能耗較大；過(guò)短則會(huì)導(dǎo)致推進(jìn)速度下降。

2）截割頭的直徑：指其平均直徑，通過(guò)與巷道斷面的關(guān)系影響著生產(chǎn)效率。直徑過(guò)大則阻力較大，速度較慢；過(guò)小則截割力大，但切割量小，時(shí)間花費(fèi)大。

3）截割頭的錐角：截割頭錐角太大時(shí)，截割頭兩端的截齒截割力相差懸殊，將造成有些截齒過(guò)載而加速損壞，而有些截齒還未被充分利用。

4）每線齒數(shù)：即每條截線上的截齒數(shù)量，它決定切屑厚度。

5）截線間距：相鄰截線之間的距離稱作截線間距。間距過(guò)大，阻力較大，粉塵量較大。間距過(guò)小，阻力雖小，但由于崩落效果較差，破損量低，截割效率差。

2.2 掘進(jìn)機(jī)截割頭的受力分析

掘進(jìn)機(jī)截割頭的受力情況是掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)設(shè)計(jì)或者優(yōu)化的基本根據(jù)。根據(jù)截割頭的設(shè)計(jì)要求可知，截割頭的整個(gè)受力情況不但與其本身結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與截割頭上單個(gè)截齒的受力有關(guān)，為此，掘進(jìn)機(jī)截割頭的受力分析要從單個(gè)截齒分析擴(kuò)展至整個(gè)截割頭的受力分析。通過(guò)對(duì)截齒受力情況的組合，可以得出整個(gè)截割頭的受力情況，如圖1所示。

圖1 截割頭整體受力示意圖

在這以橫擺為例，截割頭的受力一般分為切向力、徑向力和圓周力，如圖2所示。

圖2 橫擺時(shí)截割頭受力示意圖

式中：Fti、Fri、Fqi分別為截割頭上第 i個(gè)截齒的切向力、徑向力和圓周力；φi、βi、ri分別為第 i個(gè)截齒的位置角、安裝角和齒尖回轉(zhuǎn)半徑；m為處于截割區(qū)的截齒數(shù)。

2.3 掘進(jìn)機(jī)截割頭的優(yōu)化

2.3.1 優(yōu)化模型的選擇

掘進(jìn)機(jī)截割頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及生產(chǎn)過(guò)程中的工況數(shù)據(jù)直接影響了掘進(jìn)機(jī)工作的穩(wěn)定性、效率、能耗等，間接影響著煤礦井下巷道等的經(jīng)濟(jì)效益，因此必須對(duì)截割頭的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析優(yōu)化前后可承載載荷的變化情況，考察優(yōu)化的具體效果。

2.3.2 約束條件的確定

截割頭的參數(shù)優(yōu)化實(shí)質(zhì)就是截割頭參數(shù)的調(diào)整甚至重新設(shè)計(jì)，因?yàn)閰?shù)必須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，所以必須對(duì)上述的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行約束。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，選取以下約束條件：割頭平均直徑D為600 mm≤D≤1 000 mm；割頭半錐角θ為15°≤θ≤25°；均截線間距t為30 mm≤t≤60 mm；周向分布角δ為15°≤δ≤60°；割頭轉(zhuǎn)速速度n為20 r/min≤n≤50 r/min；橫擺速度v為0.8 m/min≤v≤1.5 m/min。

2.3.3 優(yōu)化結(jié)果分析（見(jiàn)表1）

根據(jù)MATLAB對(duì)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型的計(jì)算結(jié)果可以看出，如果在保持截割頭平均直徑和平均截線間距不變的條件下，減小錐角及周向分布角的角度，則截割頭對(duì)煤巖的鉆進(jìn)效果更好，保證了截割頭截割齒的穩(wěn)定性，降低了所承載負(fù)載的平滑性。如果降低截割頭轉(zhuǎn)速，增加橫擺速度，則可以有效提高截割頭的截割力以及切割厚度，極大地提高生產(chǎn)率。從前文的評(píng)判函數(shù)來(lái)看，優(yōu)化前后數(shù)據(jù)有了巨大的變化，優(yōu)化后掘進(jìn)機(jī)的載荷波動(dòng)系數(shù)降低了21.9%，截割比能耗降低了6.5%，生產(chǎn)率提高了9.3%，表明了截割頭參數(shù)的合理優(yōu)化能夠有效提高掘進(jìn)機(jī)的工作效果。

3 應(yīng)用模擬

為了考察截割頭參數(shù)優(yōu)化前后效果，結(jié)合某煤礦巷道開(kāi)采的實(shí)際情況對(duì)優(yōu)化前后的截割頭的載荷情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后截割頭載荷明波動(dòng)明顯降低，見(jiàn)表1。在掘進(jìn)機(jī)動(dòng)力供應(yīng)一定的情況下，優(yōu)化后的截割頭力和轉(zhuǎn)矩提高，截割能力增加，保證了實(shí)際功率低于額定功率的前提下，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率增大，生產(chǎn)率提高?？傮w上看，優(yōu)化結(jié)果比較理想，但仍需要實(shí)際掘進(jìn)工作中進(jìn)行檢驗(yàn)。

4 結(jié)論

在不改變煤巖硬度的前提下，應(yīng)用優(yōu)化改進(jìn)后的截割頭，截割頭的載荷波動(dòng)有明顯降低，機(jī)器的截割比能耗也有明顯降低，生產(chǎn)率有了很大的提高，證明此優(yōu)化設(shè)計(jì)可有效地提高掘進(jìn)機(jī)的工作性能。

表1 優(yōu)化結(jié)果