懸臂式掘進機截割頭截齒排列優化研究

摘 要：為了提升掘進機應用效果，在對掘進機截割頭外形輪廓分析基礎上，對比2條、3條螺旋線下截割齒輪排布情況及對截割頭性能影響，隨后對2種不同螺旋線情況下的截割齒進行優化設計，并采用Solidworks軟件對優選后的截割齒輪排布進行建模分析，結果表明，優化設計后的截割齒排布更有利于截割頭切割煤巖，提升懸臂式掘進機性能。

關鍵詞：掘進機；截割頭；螺旋線；截割齒

近年來，隨著我國科學技術的不斷前進，懸臂式掘進方面研究取得快速發展，在礦井的煤巷、半煤巖巷中得到廣泛應用，大幅提升了礦井巷道掘進效率[1-3]。與煤巷、半煤巖巷相比，巖巷掘進機受到掘進機機頭破巖能力、粉塵以及刀具等制約，發展相對遲緩。巖巷掘進機截割頭作為關鍵部件，直接影響到掘進機的整體性能[4]。因此，文中對懸臂式掘進機截割頭截割齒輪排列進行優化，以期能提升掘進機的掘進效率。

1 外形輪廓

掘進機截割頭的外形既要與掘進機結構參數、運動參數相適應，又要顧及到巷道掘進斷面以及截割齒輪排布難易程度，是截割頭的一個關鍵點[5-6]。文中具體以山西某礦正在使用的國產某型號掘進機為研究對象，對截割頭設計的一般準則進行分析。使用的該型號掘進機截割頭外形為圓錐、圓柱以及球形結合體的縱軸式設計，既可以滿足搖擺、掘進工況需要，也可以使得掘進的巷道外輪廓較平整。

2 螺旋線設計

為了分析螺旋線數量及旋升角及對掘進機截割頭性能影響，將兩個外形相同的截割頭分別布置2條螺旋線（截割頭A）、3條螺旋線（截割頭B），對于螺旋線相同的截割頭，若改變螺旋線旋升角，則螺旋線間的間距在各個特征段會有較大差異。以3條螺旋線截割頭B為例，若螺旋線旋升角設計均為14°，則螺旋線的間距從247mm縮小至21mm，在圓錐段及圓柱段的間距變化更為明顯，繞行角度（圓周段）之和可以達到930°，特別是在截割頭的端部，螺旋線間的間距非常小，這樣的螺旋線布置方式不利于對截割齒布置，若將截割頭B螺旋線旋升角改用變升角式，沿著截割頭軸向方向上，旋升從11.5°漸變增加至25.8°，則螺旋線的間距從240mm逐漸縮小至63mm，在截割頭頂端繞行角度（圓周段）之和可以為660°。這種螺旋線旋升角的布置方式有利于截割頭在截割巖體過程中形成塊度均衡的巖塊，同時截割頭在旋轉過程中，螺旋線間間距比固定式螺旋上升角減少約13%，降低截割頭掘巖過程中的磨耗。

3 截割線間距設計

為了比對兩種截割線布置方式排布特征，在截割線上等間距2.5mm增加排布截割齒輪，截割線的排布間距分別為20mm、22.5mm、25mm、27.5mm進行截割齒布置對于截割頭A，兩條截割線，截割齒輪均衡的分布在2條對稱的截割線上，具體不同段的截割齒分如表1所示。對于2條螺旋線的截割頭A，應優選截割線間距為22.5mm以及25mm，對截割頭進行設計，但是螺旋線間距為22.5mm時，截割齒在圓周方向上分布不均衡，可能會導致截割頭受力出現周期性變化，引起設備共振，從而給掘進機帶來危害，因此，應選用的截割線間距為25mm。

4 截割頭模擬分析

截割頭破巖時打擊較在49°～50°間，齒座安裝角在45°，轉角選擇為8°，當齒座干涉時進行小范圍調整。采用Solidworks軟件對截割頭A、截割頭B裝配圖進行設計，如圖2所示。

從圖2中可以看出，2中截割頭出輪均是在截割線上均衡排布，截割頭A上的螺旋線間距設定為280mm，截割頭B上的螺旋線間距設定為240mm。因此，截割頭A相對比截割頭B更具有更大的容巖能力。在截割頭的圓柱段以及與圓錐段均采用等間距布置，在截割頭端頭的圓球段，截割線間距逐漸降低，未出現齒輪的干涉問題。截割頭A截割線起始處圓周角為180°，在截割頭上旋轉2.5周之后，終止位置處的圓周角為146°，1#截割螺旋線重疊度為2.41，同理截割頭的2號截割螺旋線重合度為2.51，截割頭截割螺旋線平均重合度為2.46；截割頭B上1#、2#、3#截割螺旋線的重合度分別為1.69、1.73、1.80，3條截割螺旋線平均的重合度是1.74。上述兩種截割頭截割齒輪在圓周方向上排布均衡，在同一角度范圍內。截割齒輪數量沒有明顯變化，表明截割齒輪的排距較為合理。

5 結語

對懸臂式掘進機截割頭設計方式進行闡述，并分別對比截割頭2條截割螺旋線、3調節個螺旋線下的齒輪排布方式，最終選定截割齒輪2條截割螺旋線條件下的最優截割齒輪排布方式，以及3條截割螺旋線下的截割齒輪排布方式，并對上述2中齒輪排布方式進行對比分析。研究成果為掘進機截割頭設計提供一定的借鑒。

參考文獻：

[1]王想.鎬型截齒破巖機理及懸臂式掘進機截割性能研究[D].重慶：重慶大學，2017.

[2]閻鵬.掘進機截割頭設計及有限元仿真研究[D].秦皇島：燕山大學，2017.

[3]李旭.懸臂式掘進機關鍵結構的力學特性研究[D].北京：中國礦業大學，2017.

[4]張從亮.掘進機截割頭運動參數及截齒布置參數對其截割性能影響研究[D].太原：太原理工大學，2016.

[5]黃田.懸臂式掘進機截割頭截齒排列的優化設計[D].太原：太原理工大學，2015.

[6]王慶.縱軸掘進機截割頭計算機輔助設計研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2013.

作者簡介：

穆海旺（1988- ），男，山西孝義人，2013年7月畢業于山西大同大學，煤炭工程學院，機械設計制造及其自動化專業，本科，現為助理工程師。