掘進機截割頭參數的改進設計

張雁珺

（山西鄉寧焦煤集團臺頭煤焦有限責任公司，山西 臨汾 042199）

引言

巷道掘進機是一種綜合的掘進機械，主要負責煤礦巷道的開掘工作，是煤礦建設中必不可少的重要的機械設備。在掘進機結構中，截割頭是切割煤巖、受壓推進的主要部件，對掘進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、機械結構的不穩定性等導致截割頭損耗嚴重。其中，截割頭自身設計參數的不合理是主要因素之一。由于參數設計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，影響著整個掘進工作的效率及掘進工作的經濟效益。

1 掘進機截割頭故障分析

截割頭是掘進機掘最重要的組成部分之一，由于其與煤巖直接、頻繁、高強度接觸，很容易出現故障，影響掘進工作的安全與進度。根據多年的實踐經驗，可以將掘進機截割頭的主要故障總結為以下幾類：

1）煤巖硬度變化導致截割頭過載而停止工作。掘進機的截割頭在設計之初會根據巖石硬度等地質資料確定截割頭的材料、結構參數、生產能力等。但是為了保證設計成本及適用性，會將截割頭的設計參數確定在某一范圍內，這也是工業設計的普遍行為。但是，在實際工作過程中，由于煤層的復雜性及煤巖強度的突然變化，會導致截割頭出現過載的情況，從而停止工作。

2）伸縮部內主軸損壞引起截割頭不轉。主軸磨損嚴重或者出現不規則變形，導致截割頭不能與掘進機緊密結合，導致嚴重損壞或抱死，從而發生停滯的情況。

3）減速機構零件破損引起截割頭不轉。截割頭的轉動主要依靠減速機構齒輪的帶動。減速機齒輪、軸承的故障會導致傳動過程斷鏈，故導致截割頭不轉。

4）截割電動機故障引起截割頭不轉。截割部電動機本體發生故障或者其中部分零件發生故障引起停轉現象。

2 掘進機截割頭改進設計

2.1 掘進機截割頭的主要設計參數

掘進機截割頭的設計需要考慮很多因素，包括整體宏觀參數或者局部的細節參數以及不同工況下的受力情況。這些參數不僅復雜，而且相互聯系、相互制約，因此，截割頭的設計一直是懸臂式掘進機設計的難點。通常，截割頭設計參數含義及影響如下：

1）截割頭的長度：指截割頭沿軸線方向的長度。截割頭較長會提高生產率，但是阻力和能耗較大；過短則會導致推進速度下降。

2）截割頭的直徑：指其平均直徑，通過與巷道斷面的關系影響著生產效率。直徑過大則阻力較大，速度較慢；過小則截割力大，但切割量小，時間花費大。

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

4）每線齒數：即每條截線上的截齒數量，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。間距過大，阻力較大，粉塵量較大。間距過小，阻力雖小，但由于崩落效果較差，破損量低，截割效率差。

2.2 掘進機截割頭的受力分析

掘進機截割頭的受力情況是掘進機截割頭參數設計或者優化的基本根據。根據截割頭的設計要求可知，截割頭的整個受力情況不但與其本身結構有關，也與截割頭上單個截齒的受力有關，為此，掘進機截割頭的受力分析要從單個截齒分析擴展至整個截割頭的受力分析。通過對截齒受力情況的組合，可以得出整個截割頭的受力情況，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 橫擺時截割頭受力示意圖

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

2.3 掘進機截割頭的優化

2.3.1 優化模型的選擇

掘進機截割頭的結構參數以及生產過程中的工況數據直接影響了掘進機工作的穩定性、效率、能耗等，間接影響著煤礦井下巷道等的經濟效益，因此必須對截割頭的設計參數進行優化，分析優化前后可承載載荷的變化情況，考察優化的具體效果。

2.3.2 約束條件的確定

截割頭的參數優化實質就是截割頭參數的調整甚至重新設計，因為參數必須符合國家標準，所以必須對上述的數學模型進行約束。根據實踐經驗及相關的實驗研究數據，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 優化結果分析（見表1）

根據MATLAB對數學優化模型的計算結果可以看出，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，則截割頭對煤巖的鉆進效果更好，保證了截割頭截割齒的穩定性，降低了所承載負載的平滑性。如果降低截割頭轉速，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，極大地提高生產率。從前文的評判函數來看，優化前后數據有了巨大的變化，優化后掘進機的載荷波動系數降低了21.9%，截割比能耗降低了6.5%，生產率提高了9.3%，表明了截割頭參數的合理優化能夠有效提高掘進機的工作效果。

3 應用模擬

為了考察截割頭參數優化前后效果，結合某煤礦巷道開采的實際情況對優化前后的截割頭的載荷情況進行現場應用，發現優化后截割頭載荷明波動明顯降低，見表1。在掘進機動力供應一定的情況下，優化后的截割頭力和轉矩提高，截割能力增加，保證了實際功率低于額定功率的前提下，掘進機掘進效率增大，生產率提高。總體上看，優化結果比較理想，但仍需要實際掘進工作中進行檢驗。

4 結論

在不改變煤巖硬度的前提下，應用優化改進后的截割頭，截割頭的載荷波動有明顯降低，機器的截割比能耗也有明顯降低，生產率有了很大的提高，證明此優化設計可有效地提高掘進機的工作性能。

表1 優化結果