懸臂式掘進機截割頭截齒的優化與改進

薛獻超

（陽煤集團華越機械有限公司， 山西 陽泉 045000）

引言

隨著近年來綜合機械化開采的不斷提高，對掘進機的工作能力要求也不斷提高，但經過現場調研，發現當前掘進機在使用時常存在種種問題。目前，我國大多數煤礦仍然采用懸臂式掘進機在綜掘巷道內進行生產工作，然而由于懸臂式掘進機的特殊結構，使得截割頭部分的截齒易受到不同程度的磨損，嚴重影響了煤礦生產效率[1]。本文通過建立截割頭的3D 模型與其載荷的數學模型，對截割頭的截齒部分進行分析，并給出合理有效的優化方案，保證截割頭的正常運行。

1 截割頭和煤巖3D 模型的建立

懸臂式掘進機截割頭的主要構件分為兩部分，其中第一部分包括截割頭體（本文研究的截割頭體由圓柱段、圓錐段和球冠段三段構成）、截齒、齒座、齒套；第二部分包括螺旋葉片、噴嘴等。懸臂式掘進機截割頭的主要結構參數包括：截線間距、螺旋頭數、螺旋升角、葉片高度、葉片厚度、切削角、長度以及直徑等。截割頭的截齒由刀頭和截齒體構成，并按三頭螺旋的形式安裝在截割頭上，1—7 號截齒在圓柱段上，8—25 號截齒在圓錐段上，26—36 號截齒在球冠段上[2]。

本文建立截割頭體3D 模型，首先利用計算機模擬、分析簡化后的截割頭結構模型，然后將刀頭和截齒體看作剛性整體，不考慮刀頭或截齒體的內部應力；由于截割頭上的噴霧系統由噴嘴、水孔、冷卻液等構成，該結構不影響各截齒與煤巖間的作用力和截割頭整體的受力情況，因此可忽略其結構特征。為了方便建立仿真模型，簡化后的截割頭體如圖1所示。

為了充分了解截割頭的截齒在截割時的受力情況，利用計算機模擬建立大體積3D 煤巖，并與截割頭3D 模型進行受力分析，分析橫切與鉆進兩種不同工況下的截齒受力情況，如圖2-1 與圖2-2 所示。通過對各受力截齒進行計算機模擬分析可知，懸臂式掘進機截割頭上各截齒的受力差異較大，為建立截割頭載荷的數學模型奠定了基礎。

圖1 截割頭3D 模型

圖2 不同工況截齒受力模型

2 截割頭載荷的數學模型

針對我國大多數煤礦目前常用的懸臂式掘進機，其截割頭部分主要包括齒座、截齒、水孔、噴嘴、螺旋葉片等結構。本文所研究的懸臂式掘進機采用的是鎬形截齒，該截齒在齒座中通過齒套可自由旋轉，這樣就使截齒磨損較均勻。截割頭的水孔和噴嘴可以使掘進機在生產過程中起到滅塵和降溫的作用。掘進機在工作時，截割頭截割煤巖的動力源由懸臂軸來傳遞。因此，在安裝與加工時就需要較高的精度。截割頭體上焊有“搭接式”結構的螺旋葉片，這樣設計可以將煤炭和巖石順利排走，并減小截割阻力。掘進機在截割煤巖時做橫切運動，此時，截齒要受到多個作用力，通過對截齒在截割方向、進給方向和側向將受到的力進行分解，得到如圖3 所示。

圖3 截割頭的基本組成

根據掘進機工作的任意時間，截齒處于某一位置時，舉升力、橫切力、縱向力和負載矩的計算公式分別：

式中：Zi為第i 個截齒的截割阻力，N；Yi為第i 個截齒的牽引阻力，N；Xi為第i 個截齒的側向力，N；φi為第i 個截齒的位置角，（°）；Ri為第i 個截齒的截割半徑，mm。

由上述公式可以看出，懸臂式掘進機的截割頭在破碎煤巖時，煤巖塊度的大小與截割頭的切削厚度是主要影響因素。如圖4 所示，可以明顯看出，截割時，如果截割的位置不相同，其受力也會產生差異，由于掘進機的截割斷面近似月牙形，掘進機在掘進巷道進行生產時，截齒由于受到三個力的相互作用，其截割頭主要做橫切運動，先做鉆進運動再做橫切運動，運動方式既旋轉又搖擺，以此方式循環往復進行截割。由于懸臂式掘進機的特殊結構，使得截割頭的截齒齒尖作平面擺線運動，而掘進機的截割頭在運行旋轉一周且不與煤巖接觸時，此時截齒處于間歇性截割狀態，只有當接觸煤巖時才參與截割。此外，掘進機截割頭本身的運動受其截割性能、能耗指標、掘煤效率、截割頭載荷的穩定程度以及截齒磨損狀況的影響，有必要對截割頭的截齒進行優化改進。

3 截割頭截齒的優化

3.1 截割頭截線間距的優化

圖4 截割斷面形狀

針對前文分析的懸臂式掘進機截割頭在綜掘巷道中運行時出現的各種問題，為了確保截割頭在生產中的效率和性能，避免出現類似磨損與振動類型的問題，需制定有效的優化改進措施。截割頭的截線間距是衡量截割頭結構的一個重要參數，其具體是指截割煤巖的相鄰截齒的縱向距離，若間距過大，則會造成截齒的截割阻力變大，若間距過小，則會使得截割效率過低。由于懸臂式掘進機的圓柱端共有7把截齒，將其以此排列編號1—7 號。通過計算機模擬分析可知掘進機鉆進時工況較小，并根據截割頭圓柱端的長度均勻分配截線間距，將其中編號為4—5 號的截齒的間距改為24 mm，其余截齒的間距不變。圓錐段共18 把截齒，依次編號為8—25 號，該段承受截割頭大部分的載荷是截齒優化的重點，通過數學模型可以優化得出表1。

表1 圓柱段截齒間距優化 mm

掘進機截割頭的球冠段與圓柱段的作用類似，同樣承受著截割頭工作時大部分的載荷，尤其是在鉆進工況時，該段的截齒先于圓柱段和圓錐段的截齒破碎煤巖，因此承受著很大的縱向力和負載扭矩[3]。因此，針對該段的11 把截齒進行優化，依次為26—36 號截齒。綜上所述，該段的截線間距應相應減?。ㄒ姳?），在各截齒的軸向距離一定時，截齒排列緊密，在截割頭鉆進工況時，各截齒的受力減小。

表2 球冠段截線間距優化 mm

3.2 截割頭截齒數量的優化

通過對截割頭截線間距的優化，使得截齒受力進一步減小，一定程度上減少了截齒的磨損，為進一步增加改進后截割頭的實用性，有必要對截割頭的截齒數量以及底座進行優化。截割頭優化前，截割頭的平移速度較慢，截齒的磨損速度也較快。針對上述問題，通過改變截割頭上頂頭截齒的數目，并與上述優化調整后的截齒角度相結合進行優化改進。首先利用計算機仿真模擬實驗，然后重新確定掘進機截割頭上截齒的數量為39 個。以該截齒數量進行實驗可知，優化后各截齒間所受合外力差異以及所受外力的振動均大幅減小，優化效果顯著。此外，通過改變截齒數量，在其受力條件允許的條件下，不僅加快了截割頭平移時的速度，減弱了載荷波動，而且改善了截割頭對煤層的切入水平。在改變截割頭截齒的排序與數量時，需要保持對截割頭的底座有效保護[4]，達到優化設計的目的。

4 改進后應用效果分析

改進后的懸臂式掘進機截割頭在某礦的綜掘面進行了應用，首先相比于未改進的截割頭，其切割效率顯著提高，截齒與巖層之間的受力更均勻；不僅強化了截割頭切入時定的深度，而且有效減少了截齒的磨損程度，更加符合綜掘面復雜的生產環境，保證了截割的高效性和穩定性。通過對截割頭截齒數目與截齒底座的優化改進，截齒更換頻率相較于原先減小了一半。某礦的掘進隊通過采用優化后的懸臂式掘進機，其生產速率明顯提高，掘進機的生產性能大幅提升，加快了綜掘工作面的生產，推動了煤礦的高效、高產，產生了巨大的應用價值。