掘進機截割頭配套系統優化探析

左 斌

（同煤集團四老溝礦，山西大同 037001）

0 引言

通過對現有的掘進機進行研究，當綜掘巷道內部的掘進機運行時，其截割頭極易出現各種狀況的磨損，這不僅對掘進機的運行效率造成了較大影響，而且對該設備的運行造成了不良影響。作者通過到綜掘工作面對掘進機的運行狀態進行深入研究，對截割頭配套單元的設計進行分析得出，在截割煤層的過程中，其截割頭主要存在以下幾點問題：（1）截割頭所配置的截齒出現了嚴重的損壞，需要頻繁更換，對生產效率造成了影響；（2）在掘進機運行的過程中，因截割頭出現了切入問題，導致其出現過載停機的問題；（3）在工作的過程中，因截割頭尾端存在較大的振動現象，導致截割頭因受力不均勻而受到破壞。因此，在對截割頭的配套設備進行優化設計時，應當對截割過程中產生的問題進行綜合考慮，與實際運用相結合，并設計出截割頭配套體系的優化方案，確保其穩定運行[1]。

1 截割頭配套系統分析與驗算

針對現階段我國煤礦所采用的懸臂式掘進機，對其截割頭及其配套體系進行深入分析與運算。通過對某個型號的懸臂式掘進機的相關參數進行收集：電機的功率為260/110 kW，轉速是37 r/min，扭矩是37.4 kN·m；直徑與長度分別為1 036 mm和1 120 mm；截齒量為50個；傳輸的效率達到95%。借助計算機仿真模擬輔助系統來進行截割頭及其配套體系進行優化設計，同時將掘進機的各個參數進行記錄，并將巖石截割時的受力狀況進行模擬。對掘進機的運轉狀態及截齒的排列情況進行深入分析，以完成截割頭及其配套設施的優化設計[2]。當掘進機的截割頭與巷道煤層產生接觸，并出現相應的壓力時，經過實際測量得出壓力大于等于300 MPa，截割頭進行負載進刀時的扭矩為35 kN·m；當截割頭進行煤層切入的時候，其扭矩大約為59 kN·m，超過了最大的扭矩值。因此，在綜掘巷道的煤層中，若截割頭及其配套體系所處的截割部位越深入，其承受扭矩值就會越大，受損振動問題就會越嚴重，截割頭的穩定性就會越低，故障發生率就會越高[3]。

2 截割頭配套系統設計改進建議

2.1 優化截割頭直徑

首先，應當對截割頭的直徑及其所承載的扭矩進行調整，并在基于截割頭的電機扭矩為主來開展配套設備的模擬試驗，通過降低截割頭的扭矩來減少截割頭的直徑，這樣就可以對截割頭進行有效控制，如圖1所示。

當掘進機正常運行時，截割頭將會以轉速n旋轉，其回轉中心做水平運動，通過計算來進行取點，并創建相應的三維坐標模型，對截割后斷面所呈現出的形狀進行模擬[4]。如圖所示，形狀呈現為月牙狀，這是由于掘進機的截割頭直徑出現變化，導致受力出現差異，因此截割斷面也存在一定的差別。在進行優化改善之后，截割頭的直徑變為1 050 mm。

圖1 掘進機截割頭橫擺工況截割所受阻力

2.2 調整截割頭截齒排列分布

通過深入分析綜掘巷道所具有的條件，以增強掘進機的工作效率為目的，運用計算機仿真模擬的辦法，適當調整截齒的排列狀況。首先，對截割頭內部的截齒進行編號，在一定的限制范圍之內將截線的間距及周邊的間隔角進行改變，同時對部分截齒的角度進行再次設定。在進行截割的過程中，可以將配套截齒的受損狀況加以改善，從而對截割頭的截齒加以保護。在對截齒的分布狀況進行轉變的時候，應當遵循相應的原則，增強截割頭的工作效率，使改良之后的截割頭可以高效穩定運行[5]。

（1）截線間距所處的范圍為2～6 mm。

（2）周向間隔角所處的范圍為15°～60°。

（3）截割功率的限制：

Pe-Pj＞0

式中：Pe和Pj分別為截割功率的額定數值和改善之后的截割功率。

（4）截齒分布的限制：

βm＞85°

式中：βm為最內側截齒的傾斜角。

（5）截齒安裝間距的限制：

Lk＞80 mm

式中：Lk為相鄰截齒的齒尖距離。

2.3 調整截割頭截齒數量

原先所采用的掘進機的截割頭截齒的排列狀況并無法適應生產的需求，導致截割頭不具備迅速的平移速度，而截齒的損壞速度也會加快，通過優化改善，將截割頭頂部的截齒進行增加，并與改良之后的截齒角度相結合，通過開展計算機仿真模擬試驗將截齒的數量設置為39個，當接觸數得到確認之后，各個截齒之間所承受的合外力差異不斷減少，隨著時間的不斷變化，截割頭所受的外力也逐漸降低，極大緩解了截割頭的振動現象[6]。對于掘進機而言，這種調整使截割頭的平移速度不斷加快，而在對截齒的排列狀況進行優化改良時，也對截割頭切入到煤層的情況加以改善，在對截齒的排列進行轉變時，需要對切入與平移的水平加以考慮，基于受力條件的背景下進行調整，同時對截割頭的底座加以保護。

2.4 保護截割頭底座

在對截割頭的直徑、截齒的數量及角度進行改良之后，截割頭運行時的受力狀況不斷增加，使截割頭尾端的受損狀況得以改善，因此應盡可能改善截割頭尾端的磨損狀況。在對截割頭的尾端進行改良時，應當基于改良之后的截齒數來進行優化，切實保證截割頭部及尾部的性能。在選擇截割頭部及尾部的制作材料時，首先需要選擇進口合金，這種合金不僅可以使截割頭的穩定性與耐磨性得以提升，而且使截割頭底座的使用壽命得以延長，極大改善了截割頭的切入狀態。在選用合金材質的時候，應當重視煤層及巖層的地質狀況，盡量延長底座的使用時間，從而使其創造出更大的價值[7]。

3 改進后應用效果分析

將改良之后的截割頭應用于某煤礦實際生產，其應用結果如下。

（1）切割效率得到顯著提升。截割頭在改良之后可以與環境更加適應，截齒與巖層之間存在的夾角與力學特征更為相符，切入的深度也得到加強，同時截齒所具有的屬性、硬性等于所切割巖層的屬性更加吻合，最大化地降低了磨損狀況，確保了截割的穩定性。

（2）截割性能得到改善。通過對截割頭中截齒的數量、排列狀況等進行改善，使其使用壽命得到提升，并取得較好的應用效果。

（3）磨損程度得到極大改善。通過對截齒的數量及角度進行調整，使截割頭上部的截齒磨損降至最低，提高截齒的使用時間，同時在截割的過程中維持截割頭的完整性。

（4）綜合性能得到極大提升。截割頭在改良之后，其截割效率、受損狀況等均得到了改善，在對掘進機的截割頭進行優化改良之后，使煤層與截割頭配套系統的結合度更高，使截割頭所具有的性能得到極大改善。

（5）生產效率得到顯著提升。在將截割頭及其配套設施進行優化改良之后，該設施的生產性能、生產效率得到了極大提升，創造了較大的價值[8]。

4 結束語

通過對截割頭的配套設施加以優化，將配套設施的相關參數進行調整，截割頭的其他參數不加以改變，極大緩解了截割頭配套設施的振動及受損狀況，防止其出現過載停機的問題，增強掘進機的工作效率。對于新型截割頭的設計而言，改良之后的截割頭配套體系對其具有較大的參考意義。