懸臂式掘進機截割頭截齒的優(yōu)化與改進

薛獻超

（陽煤集團華越機械有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著近年來綜合機械化開采的不斷提高，對掘進機的工作能力要求也不斷提高，但經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當前掘進機在使用時常存在種種問題。目前，我國大多數(shù)煤礦仍然采用懸臂式掘進機在綜掘巷道內(nèi)進行生產(chǎn)工作，然而由于懸臂式掘進機的特殊結構，使得截割頭部分的截齒易受到不同程度的磨損，嚴重影響了煤礦生產(chǎn)效率[1]。本文通過建立截割頭的3D 模型與其載荷的數(shù)學模型，對截割頭的截齒部分進行分析，并給出合理有效的優(yōu)化方案，保證截割頭的正常運行。

1 截割頭和煤巖3D 模型的建立

懸臂式掘進機截割頭的主要構件分為兩部分，其中第一部分包括截割頭體（本文研究的截割頭體由圓柱段、圓錐段和球冠段三段構成）、截齒、齒座、齒套；第二部分包括螺旋葉片、噴嘴等。懸臂式掘進機截割頭的主要結構參數(shù)包括：截線間距、螺旋頭數(shù)、螺旋升角、葉片高度、葉片厚度、切削角、長度以及直徑等。截割頭的截齒由刀頭和截齒體構成，并按三頭螺旋的形式安裝在截割頭上，1—7 號截齒在圓柱段上，8—25 號截齒在圓錐段上，26—36 號截齒在球冠段上[2]。

本文建立截割頭體3D 模型，首先利用計算機模擬、分析簡化后的截割頭結構模型，然后將刀頭和截齒體看作剛性整體，不考慮刀頭或截齒體的內(nèi)部應力；由于截割頭上的噴霧系統(tǒng)由噴嘴、水孔、冷卻液等構成，該結構不影響各截齒與煤巖間的作用力和截割頭整體的受力情況，因此可忽略其結構特征。為了方便建立仿真模型，簡化后的截割頭體如圖1所示。

為了充分了解截割頭的截齒在截割時的受力情況，利用計算機模擬建立大體積3D 煤巖，并與截割頭3D 模型進行受力分析，分析橫切與鉆進兩種不同工況下的截齒受力情況，如圖2-1 與圖2-2 所示。通過對各受力截齒進行計算機模擬分析可知，懸臂式掘進機截割頭上各截齒的受力差異較大，為建立截割頭載荷的數(shù)學模型奠定了基礎。

圖1 截割頭3D 模型

圖2 不同工況截齒受力模型

2 截割頭載荷的數(shù)學模型

針對我國大多數(shù)煤礦目前常用的懸臂式掘進機，其截割頭部分主要包括齒座、截齒、水孔、噴嘴、螺旋葉片等結構。本文所研究的懸臂式掘進機采用的是鎬形截齒，該截齒在齒座中通過齒套可自由旋轉，這樣就使截齒磨損較均勻。截割頭的水孔和噴嘴可以使掘進機在生產(chǎn)過程中起到滅塵和降溫的作用。掘進機在工作時，截割頭截割煤巖的動力源由懸臂軸來傳遞。因此，在安裝與加工時就需要較高的精度。截割頭體上焊有“搭接式”結構的螺旋葉片，這樣設計可以將煤炭和巖石順利排走，并減小截割阻力。掘進機在截割煤巖時做橫切運動，此時，截齒要受到多個作用力，通過對截齒在截割方向、進給方向和側向將受到的力進行分解，得到如圖3 所示。

圖3 截割頭的基本組成

根據(jù)掘進機工作的任意時間，截齒處于某一位置時，舉升力、橫切力、縱向力和負載矩的計算公式分別：

式中：Zi為第i 個截齒的截割阻力，N；Yi為第i 個截齒的牽引阻力，N；Xi為第i 個截齒的側向力，N；φi為第i 個截齒的位置角，（°）；Ri為第i 個截齒的截割半徑，mm。

由上述公式可以看出，懸臂式掘進機的截割頭在破碎煤巖時，煤巖塊度的大小與截割頭的切削厚度是主要影響因素。如圖4 所示，可以明顯看出，截割時，如果截割的位置不相同，其受力也會產(chǎn)生差異，由于掘進機的截割斷面近似月牙形，掘進機在掘進巷道進行生產(chǎn)時，截齒由于受到三個力的相互作用，其截割頭主要做橫切運動，先做鉆進運動再做橫切運動，運動方式既旋轉又搖擺，以此方式循環(huán)往復進行截割。由于懸臂式掘進機的特殊結構，使得截割頭的截齒齒尖作平面擺線運動，而掘進機的截割頭在運行旋轉一周且不與煤巖接觸時，此時截齒處于間歇性截割狀態(tài)，只有當接觸煤巖時才參與截割。此外，掘進機截割頭本身的運動受其截割性能、能耗指標、掘煤效率、截割頭載荷的穩(wěn)定程度以及截齒磨損狀況的影響，有必要對截割頭的截齒進行優(yōu)化改進。

3 截割頭截齒的優(yōu)化

3.1 截割頭截線間距的優(yōu)化

圖4 截割斷面形狀

針對前文分析的懸臂式掘進機截割頭在綜掘巷道中運行時出現(xiàn)的各種問題，為了確保截割頭在生產(chǎn)中的效率和性能，避免出現(xiàn)類似磨損與振動類型的問題，需制定有效的優(yōu)化改進措施。截割頭的截線間距是衡量截割頭結構的一個重要參數(shù)，其具體是指截割煤巖的相鄰截齒的縱向距離，若間距過大，則會造成截齒的截割阻力變大，若間距過小，則會使得截割效率過低。由于懸臂式掘進機的圓柱端共有7把截齒，將其以此排列編號1—7 號。通過計算機模擬分析可知掘進機鉆進時工況較小，并根據(jù)截割頭圓柱端的長度均勻分配截線間距，將其中編號為4—5 號的截齒的間距改為24 mm，其余截齒的間距不變。圓錐段共18 把截齒，依次編號為8—25 號，該段承受截割頭大部分的載荷是截齒優(yōu)化的重點，通過數(shù)學模型可以優(yōu)化得出表1。

表1 圓柱段截齒間距優(yōu)化 mm

掘進機截割頭的球冠段與圓柱段的作用類似，同樣承受著截割頭工作時大部分的載荷，尤其是在鉆進工況時，該段的截齒先于圓柱段和圓錐段的截齒破碎煤巖，因此承受著很大的縱向力和負載扭矩[3]。因此，針對該段的11 把截齒進行優(yōu)化，依次為26—36 號截齒。綜上所述，該段的截線間距應相應減?。ㄒ姳?），在各截齒的軸向距離一定時，截齒排列緊密，在截割頭鉆進工況時，各截齒的受力減小。

表2 球冠段截線間距優(yōu)化 mm

3.2 截割頭截齒數(shù)量的優(yōu)化

通過對截割頭截線間距的優(yōu)化，使得截齒受力進一步減小，一定程度上減少了截齒的磨損，為進一步增加改進后截割頭的實用性，有必要對截割頭的截齒數(shù)量以及底座進行優(yōu)化。截割頭優(yōu)化前，截割頭的平移速度較慢，截齒的磨損速度也較快。針對上述問題，通過改變截割頭上頂頭截齒的數(shù)目，并與上述優(yōu)化調(diào)整后的截齒角度相結合進行優(yōu)化改進。首先利用計算機仿真模擬實驗，然后重新確定掘進機截割頭上截齒的數(shù)量為39 個。以該截齒數(shù)量進行實驗可知，優(yōu)化后各截齒間所受合外力差異以及所受外力的振動均大幅減小，優(yōu)化效果顯著。此外，通過改變截齒數(shù)量，在其受力條件允許的條件下，不僅加快了截割頭平移時的速度，減弱了載荷波動，而且改善了截割頭對煤層的切入水平。在改變截割頭截齒的排序與數(shù)量時，需要保持對截割頭的底座有效保護[4]，達到優(yōu)化設計的目的。

4 改進后應用效果分析

改進后的懸臂式掘進機截割頭在某礦的綜掘面進行了應用，首先相比于未改進的截割頭，其切割效率顯著提高，截齒與巖層之間的受力更均勻；不僅強化了截割頭切入時定的深度，而且有效減少了截齒的磨損程度，更加符合綜掘面復雜的生產(chǎn)環(huán)境，保證了截割的高效性和穩(wěn)定性。通過對截割頭截齒數(shù)目與截齒底座的優(yōu)化改進，截齒更換頻率相較于原先減小了一半。某礦的掘進隊通過采用優(yōu)化后的懸臂式掘進機，其生產(chǎn)速率明顯提高，掘進機的生產(chǎn)性能大幅提升，加快了綜掘工作面的生產(chǎn)，推動了煤礦的高效、高產(chǎn)，產(chǎn)生了巨大的應用價值。