關于縱軸式掘進機截割頭主要參數的研究

摘要 本文通過對縱軸式掘進機截割頭主要參數的研究確定，能夠提升縱軸式掘進機的截割效率，為掘進機截割頭設計奠定一定的基礎。

關鍵詞掘進機 截割頭 縱軸

掘進機截割頭是截割頭整體組成中非常重要的一個組成部分，截割頭設計的合理與否直接影響掘進機的整機性能，因此由此有必要對掘進機截割頭主要參數進行深入的研究。目前主要的截割頭結構形式為球頭圓錐圓柱形，這種截割頭的球頭圓錐部分利于掘進機的切割鉆進，圓柱形部分有利于截割頭臥底時浮煤的裝運。主要參數包括截割頭長度、直徑、錐角以及葉片的高度。

1.截割頭長度

截割頭長度是指截割頭沿其回轉軸方向的長度，截割頭的長度按最大外形，即截齒齒尖包絡面計算，其值的大小主要影響掘進作業循環時間。

截割頭長度的選擇主要需要考慮工作面的煤巖硬度和節理發育，當煤巖硬度較低且節理發育較好時，可以適當加長截割頭長度，以提高掘進效率；反之，則要縮短其長度。此外，縱軸式截割頭長度應略大于截深，以降低煤巖對切割臂的磨損。

2.截割頭直徑

截割頭平均直徑一般簡稱為截割頭直徑，是決定掘進機生產率的首要因素。掘進機的理論生產率可按如下公式計算：

式中QT——掘進機的理論生產率，m^3?h；

λ0——煤巖的松散比；

D——截割頭直徑，m；

L——截割頭長度，m；

vb——擺動切割速度，m?min。

由上式可知，當其他條件確定時，掘進機的生產率與截割頭直徑成正比。針對一特定工作面，采用大直徑截割頭，可減少切割循環次數，縮短切割時間，提高生產率。

式中T—截割頭轉矩，N?m；

P—切割功率，kW；

n—切割轉速，r?min；

F—切割力（平均直徑處的）。

如上式所示，切割力 與切割功率 成正比，與截割頭直徑 、切割轉速 成反比。所以與截割頭長度參數類似的，當選用的截割頭直徑過大時，會降低每個截齒的切割能力，必要時，可以通過減小截割頭直徑來提升切割力。

在設計時，可以按如下公式初算截割頭直徑：

式中 Smax—掘進機可據最大斷面面積，m^2；

k—巷道最大斷面與截割頭直徑的比值，一般取k=30～40；

截割頭直徑初步確定后，可按如下公式校核：

通常，縱軸式掘進機截割頭的直徑為600mm～900mm，一些重型掘進機可超過1000mm。

3.截割頭錐角

截割頭錐角是指截割頭錐體軸截面兩母線之間的夾角，在確定截割頭錐角時應主要考慮鉆進效果、切割工況和斷面平整度。

截割頭錐角 直接影響鉆進效果。實踐證明，對于半煤巖掘進機，θ≈35°時，既可以保證順利鉆進，也能擁有很好的破巖過斷層能力，同時能夠保證切割效率；對于巖石掘進機，30°≤θ≤35°，能夠提高鉆進效果，在擺動切割時受力更好，切割更加平穩；對于小功率煤巷（最高硬度在f4以下）掘進機，選擇6°～15°的錐角，可以在保證一定鉆進效果的前提下提高切割效率。

選擇截割頭錐角時，還要考慮錐角對頂板、兩側幫和底板的平整度的影響，由于不同巷道的切割寬度和高度不同，截割頭錐角很難適應全部巷道要求，所以一般只要求底板平整。如下圖所示，設截割頭臥底距離為0時，切割臂軸線與水平面夾角為 ，則可得出保證底板平整的條件：θ=α' 如圖1所示。

圖1 保證底板平整的條件

4.葉片的高度

葉片又稱為導板，合理地布置葉片能提高截割頭的排屑能力和切割效率。若葉片的參數和布局選擇不合理，會發生堵塞現象，甚至造成截割頭“悶車”。葉片的高度尺寸與截割頭尺寸、螺旋頭數、葉片厚度、鉆進速度和切割轉速相關，隨工況不同而變化。因此通常參照同類機型類別確定，一般取50～80mm，部分重型掘進機的葉片高度在90mm以上。

通過上述對掘進機截割頭主要參數分析研究，可以提高掘進機掘進效率，提升掘進機整機性能。

5.參考文獻

[1] 李曉豁.掘進機截割的關鍵技術研究.北京：煤炭工業出版社，2008.

作者簡介

高春芳（1978—），男，河北保定人，工程師，畢業于河北工業大學機械學院，現從事掘進機設計工作。