基于Pro/E 5.0軟件的截割頭設計*

宋金標，李秀芳，李 琳，孫方相，陳茂魯

(1.兗礦集團機電設備制造廠，山東 濟寧 273500;2.山東彩橋駕駛室有限公司，山東 濟寧 272073;3.山東青能動力股份有限公司，山東 濰坊 262500)

1 引言

截割頭是掘進機的工作機構，它決定著掘進機的截割性能，而截齒的損壞是截割頭失效的根本原因，其表現形式主要有磨損、丟失、崩刃以及合金頭脫落［1］。因此對截齒進行科學合理的定位是提高掘進機截割性能的關鍵技術。截割頭上截齒的空間位置是由截齒座確定的，一般來說其定位參數主要由軸間距、截割半徑、圓周角、倒角、轉角和截割角組成，合理的截齒排列參數能使截割比能耗較小，又不使截割阻力過大，同時又為截齒的強度所容許［2］。縱軸式掘進機截割頭的截齒數量在30～60個之間，且每個截齒的定位參數都不一樣，這就需要在設計時對這些定位參數進行統一控制，以便于對截割頭進行載荷計算時提取相關數據。

2 建立截割頭體模型

根據破煤理論計算出截割頭體的長度和直徑，參照截割部的結構尺寸確定截割頭體的形狀為圓錐臺形，根據整機的上下左右擺動角度計算出錐角為15°。新建零件prt1，用“插入”菜單中的“旋轉”命令做出截割頭體的三維模型。

3 截齒排布

截齒排布是決定截割頭性能的關鍵因素，其排列比較復雜，先來分析截齒的定位過程。

(1)在截割頭體上建立圓柱坐標系，先確定某一截齒齒尖A的位置，截割半徑為R軸坐標，圓周角為θ軸坐標，軸間距為Z軸坐標。

(2)確定倒角平面 做出截齒齒尖A點繞Z軸運動軌跡的切線L0，再做出平面F1，使其垂直于Z軸并且經過A點，在平面F1內做出直線L1，使之與L0的夾角為截割角(暫定為45°)。將平面F1沿切線L0旋轉α°(倒角)，即可得到倒角平面F2，如圖1所示。

圖1 倒角平面

(3)確定轉角平面 在平面F2內做經過點A且與Z軸相交的直線L2，將倒角平面F2沿直線L2旋轉β度，即可得出轉角平面F3，如圖2所示。

圖2 轉角平面

直線L1隨平面F1旋轉到平面F3得到的直線L1'就是截齒的中心軸線，加上截齒齒尖和A點重合，就可準確定位截齒了位置。轉角平面F3實際上就是截齒座的對稱面，這樣截齒座的位置也可確定。

按照上述過程建立零件prt2，做出上述點、線、面，作為骨架模型的原始模型。利用“工具”-“族表”命令，將截割半徑R、軸間距Z、圓周角θ、倒角α、轉角β、截割角γ這6個參數設為變量，然后添加45個截齒實例，分別輸入相對應的參數值，使截齒齒尖沿3條螺旋線均勻分布。

新建組件asm1，執行“元件創建”命令，選擇“骨架模型”，創建方法選擇復制自prt2，依次將第1～45個實例以骨架模型的形式裝配進來。

新建零件prt3，建立截齒的三維模型。按照截齒齒尖和骨架模型中的A點重合，中心軸線和直線L1'重合的原則，在asm1中裝入第1～45號截齒。然后裝入所有截齒座，根據實際裝配效果在prt2的族表中調整α、β等參數，以保證截齒座和截割頭體的焊接空間，建好之后的模型如圖3所示。

4 載荷計算

裝配好截齒座和截齒后可利用載荷計算軟件對所設計的截割頭進行橫擺和鉆進工況下的受力分析。提取數據時打開文件prt2，利用“工具”-“族表”命令，提取出45個截齒的定位參數，粘貼到載荷計算軟件中，并運行載荷計算程序，計算出3 s內截割功率和三向力載荷情況，根據載荷大小和功率波動情況判斷設計方案能否滿足使用要求。

5 導向板裝配

裝配導向板的功能是將截落的煤巖及時排出，以減少截割阻力，避免截割頭被煤巖堵塞。為保證最佳排屑效果，導向板全部采用螺旋葉片的制作方法，在Pro/E 5.0環境中可使用“工具”-“螺旋掃描”-“伸出項”命令［3］。由于整體加工成型難度較大，所以改為分段制作后再進行焊接，這樣在asm1中裝配時需要手動調整導向板位置和尺寸參數，以保證整條導向板盡可能光滑。

6 噴嘴座裝配

截割頭設有18個噴嘴，來實現截割頭的內噴霧功能。這些噴嘴的形式全部為液柱流型噴嘴，即線性噴嘴，可將水集中起來噴到截齒齒尖位置，不僅可將粉塵在第一時間內消除，而且還能夠對截齒起到潤滑作用。建立噴嘴座模型，將其按照設計好的位置裝配至組件asm1中，裝配時要保證噴嘴座的中心線經過截齒齒尖點，且和截齒中心線的夾角始終在55°～60°之間。

7 耐磨塊的裝配

截割頭在使用過程中發現圓柱段上的截齒座和截割頭體磨損較快，因此在截割頭體圓柱端周圈及截齒座前面需要增加耐磨塊。材料采用上海寶鋼的BHARD360鋼板，耐磨性為普通鋼板的十倍以上。在Pro/E中裝配時保證耐磨板分布的均勻性，可有效延長截割頭的使用壽命。這樣整個截割頭體模型建立就完成了，整體效果如圖4所示。

圖4 截割頭三維模型

8 結語

通過Pro/E軟件對截割頭進行三維建模，可直觀地看出截齒和截齒座排列的合理性，保證截割頭成品的導向板的光滑性，通過干涉檢查防止出現焊接時截齒座相互干涉的情況，利用其骨架模型和族表功能對截齒排列參數進行統一控制，便于產品優化和載荷計算，為其他部件的強度計算提供了準確的理論依據。

［1］ 李曉豁.掘進機截割的關鍵技術研究［M］.北京:機械工業出版社，2008.

［2］ 王啟廣，李炳文，黃嘉興.采掘機械與支護設備［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2006.

［3］ 徐建平，朱 萍，田秀霞.Pro/E產品設計案例教程［M］.北京:航空工業出版社，2010.