對掘進機截割頭的設計改進研究

吳志強

(久益環球(天津)裝備制造有限公司，天津 300308)

?

對掘進機截割頭的設計改進研究

吳志強

(久益環球(天津)裝備制造有限公司，天津 300308)

本文結合個人從事掘進機截割頭設計工作的實踐經驗與相關參考文獻，剖析了掘進機截割頭在實際運行過程中存在的問題，并運用仿真、驗算方式，提出相應的改進設計方案，以期為進一步改善掘進機截割頭的使用性能、延長使用壽命，提供有益的鋪墊。

掘進機；截割頭；設計改進

掘進機在實際作業過程中其截割頭極易出現磨損問題，不僅會大大降低掘進機的整體生產能力與工作效率，還會給整個掘進機的順利運行造成巨大困擾，進而給施工企業帶來巨大的經濟損失。因此，對掘進機截割頭進行設計改進是必然趨勢。

1 掘進機截割頭在運行過程中存在的問題

據不完全數據調查分析，可以得知:在掘進機截割頭的實際運行過程中，掘進機截割頭的偏磨問題十分嚴重，以至于需要頻繁更換截齒，有時甚至還需要為截齒補焊齒座。在實際運行過程中，截割頭的尾部也是發生磨損較為嚴重的部位，所以須定期進行維護保養。目前，許多掘進機截割頭的實際切入性能較差，極易發生掘進機過載停機的問題，而且部分掘進機的截割頭在截割煤炭的過程中，呈現出粉狀剝落狀態，截割效率十分低下。只有清楚了解并掌握掘進機截割頭在運行過程中存在的問題，才能夠為后續設計改進工作提供有益的鋪墊。

2 對掘進機截割頭進行仿真分析與計算

以某掘進機的截割頭為例，對其進行仿真分析與計算。該掘進機截割頭的參數如表1所示。

表1 截割頭具體參數

可以利用相關的計算機輔助設計程序，對掘進機的截割頭進行參數計算。在計算機中輸入掘進機與截割巖石的有關參數，采用仿真分析與計算的方法，對掘進機截割頭的截齒排列情況實施研究，可以發現:當掘進機截割頭與巖層之間的接觸壓力為300 MPa時，一個周期內截割頭就會完全切入，負載扭矩進刀30 mm，扭矩值58.1 kN·m，此時的參數已經遠遠超過截割頭的實際承受扭矩。當掘進機截割頭與巖層之間的接觸壓力為800 MPa時，一個周期內的截割頭也會完全切入，扭矩進刀15 mm，扭矩值85.0 kN·m，為額定功率的2.27倍。具體情況如圖1、圖2所示。對上述兩種情況下的參數進行分析，可以得知:掘進機截割頭負載的不均衡性，會隨著掘進機截割頭在巖層之中進尺的增加而有所降低，為了更加直觀體會這一變化，筆者運用計算機輔助編制了圖3。

圖1 側切30 cm切屑圖Fig.1 30 cm chip diagram of side cut

圖2 側切15 cm切屑圖Fig.2 15 cm chip diagram of side cut

圖3 切割頭不均衡性曲線Fig.3 Cutting head unbalanced curve

3 掘進機截割頭的設計改進

結合上文應用計算機輔助模擬仿真實驗結構的分析與計算，可以得知:要想進一步提高掘進機截割頭的實際使用效率，必須要對截齒的排列方式、截齒的部分角度進行更改，進而降低在實際運行過程中截齒受到的磨損情況，使截割分布變得更加均勻。為了能夠進一步降低截割頭在實際運行過程中出現停機故障的幾率，在對截割頭進行改進設計時，應該對截割頭的實際作業情況與作業方式進行仔細地觀察、考量，盡可能降低截割頭的直徑，使其始終低于截割電機的額定扭矩。為了進一步提高掘進機截割頭的實際切入性能，并且最大限度減輕截割頭尾部所遭受的磨損情況，應該在深入研究截割頭截齒排列順序的基礎上，在保證截割頭尾部分的實際應用性能不會受到影響的前提下，對截割頭頂部的截齒數量予以適當增加。為了進一步延長截割頭的使用壽命，增強其耐磨性能，須足夠重視截割頭截齒材料的選擇，選擇耐磨性極強的合金材料。還應在掘進機的截割頭后部增加一定數量的耐磨板，從而降低在實際作業過程中截割頭盤根處所遭受到的磨損。

實施設計改進后的截割頭，其參數更改如下:直徑1 050 mm，長度1 120 mm，截齒數量39個。

4 掘進機截割頭設計改進效果驗證

對設計改進后的截割頭實施仿真分析，可以發現:截割頭設計改進后，其截割性能與截割效率有效提高，截割頭不僅能夠適應更多的巖層環境，并且在實際運行作業過程中更換截割頭的速度明顯降低，而正是截割頭實際使用壽命的提高，截割范圍的擴大，使得截割頭的性能更加優越，能夠提供更加優質的截割服務。同時，對截割頭進行設計改進后，截割頭的截割磨損程度大大降低，耐磨性能有效提高，不僅有效確保了截割頭應具有的完整性，也大大提高了截割頭的實際使用效率。筆者所提出的設計改進建議，仍存在較大片面性，并未對所有的施工條件進行周全考量，僅是希望通過筆者的闡述，為廣大同行在今后截割頭的設計改進工作上提供一定的幫助。

5 結語

正是因為掘進機截割頭的工作效率直接決定了整個掘進機的工作效率、生產能力，所以，面對如今掘進機截割頭在實際運行過程中所存在的問題，掘進機截割頭的設計人員必須要加強先進技術的引進，結合施工作業過程中存在的實際問題，總結經驗教訓，為掘進機截割頭的設計改進工作提供有力的數據支撐，從而不斷地完善掘進機截割頭的性能，切實延長掘進機截割頭的使用壽命，使其更好服務于掘進工作，獲得更大的經濟效益與社會效益。

[1] 張夢奇.截齒排布圓周角對縱軸式掘進機截割頭設計性能的影響[C]//煤礦機電一體化新技術創新與發展2012學術年會論文集，2012.

[2] 張鑫，李新平.掘進機截割頭運動參數的優化設計[C]//中國煤炭學會煤礦機電一體化專業委員會、中國電工技術學會煤礦電工專業委員會2004年學術年會論文集，2004.

[3] 李曉豁，賈凱.橫軸式掘進機截割頭載荷的模擬分析[C]//中國煤炭學會煤礦機電一體化專業委員會、中國電工技術學會煤礦電工專業委員會論文集，2008.

[4] 周游.EBZ45型掘進機截割頭參數改進設計及動態仿真分析[D].長沙:中南大學，2011.

[5] 李曉豁，劉鵬虎.部分斷面掘進機截割頭的改進設計[J].黑龍江礦業學院學報，2000，10(03):23-26.

[6] 畢濤.關于掘進機截割頭的改進設計探討[J]山東工業技術，2015，(21):1.

Research on design improvement of cutting head of boring machine

WU Zhi-qiang

(Jiuyi Global (Tianjin) Equipment Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300308, China)

This paper analyzes the problems existing in the actual operation of the cutting head of the roadheader with the practical experience and related references of the excavator cutting head design work, and uses the simulation and checking method to put forward the corresponding improvement design scheme, hoping to provide reference for further improving the cutting performance of cutting machine head and extending its service life.

Boring machine; Cutting head; Design improvement

2017-03-07

吳志強(1981-)，男，碩士，機械工程師。

TD421.5

A

1674-8646(2017)10-0014-02