掘進機硬巖截割頭的優化研究

劉曉飛

（晉能控股煤業集團挖金灣煤業公司， 山西 大同 037042）

1 截割頭失效的形式及原因分析

當前我國煤炭行業處于高需求階段，井下煤層地質變得越來越復雜，掘進面巖石的硬度越來越大，需要硬度較大的截割頭來滿足工程需要。圖1 為EBZ160 掘進機的截割頭工作情況，當其工作一定時間之后，齒座出現1/4 磨損。對所截割巖石進行斷面檢測發現其硬度f 為4.6。

圖1 EBZ160 掘進機截割頭磨損圖

1.1 截割頭失效的形式

截割頭在鉆探時無力；截齒以及齒座位置出現損壞；截割時粉塵較大。

1.2 截割頭失效的原因

1.2.1 截割參數不合理

掘進機截割參數會對截齒產生直接的影響，同時影響掘進機整體的平穩性。掘進機參數包括切割深度、切割速度、進給量。假如巖石硬度較小時，則可以選擇較大的切割參數。假如巖石硬度較大時，那么可以選擇較小的參數。影響切割深度的主要因素為盤頭以及相應的截齒。進給量主要受到行走機構以及相應的前伸縮油缸影響。經過工程考察發現，巖石層硬度均勻分布，當硬度達到最高時對截割頭的進給速度進行設置且不存在最合適的參數，由此可以看出選擇合適的截割參數顯得非常重要。

1.2.2 截齒失效

當截割機對煤巖進行切割時，截齒過早或者連續截齒將對掘進機的生產效率產生嚴重的影響。截齒劃分為兩種形式：鎬形截齒和扁形截齒。當前，懸臂式掘進機選用鎬形截齒，由于其與巖石直接接觸，極易導致截齒損耗，因此必須提高其硬度以及耐磨性等[1-2]。

1.2.3 截齒受力

假如選擇的截割頭直徑比較小以及截齒數量比較少，那么當遇到復雜或者惡劣的環境，截齒受到的力將會增加，如表1 所示。同時截割頭的形狀、尺寸以及截齒排列方式等也會對掘進機的性能產生影響。

表1 單個截齒平均切割力情況表 kN

通過分析表1 可以發現，截齒單刀力受到截齒總數以及相應直徑的影響。經過觀察發現，單刀齒不能無限制地增加，主要受到截齒強度以及相應的耐用性的影響。與此同時，當單刀力過大時，其將會造成能源的消耗，以及降低工作效率。由此可以看出，在截齒經濟性的有效范圍內，根據相關參數確定合適的截割頭直徑以及相應的截齒數量，這樣不僅可以有效地優化截齒的能力，而且能夠提升截齒的工作效率。

假如在截齒選擇方面失誤，截齒不能有效地截割巖石，進而引起截齒截割失效。截齒在硬巖掘進時，其必須與巖石直接接觸，必須在硬度、耐沖擊、耐磨等方面達標。當截齒出現失效時，將會對工作效率產生嚴重的影響，出現過早或者連續截齒失效的現象，將不僅嚴重影響掘進效率，而且對截割頭產生損壞。

經過分析發現，制約截割頭截割效率的因素有截割參數的選擇、截割頭的設計、截齒的設計和選用噴霧系統等。

2 截割頭的優化措施

2.1 優化截割頭截齒的排布形式

1）計算三螺旋截齒排布軸向角。經過多次試驗，使用定心三螺旋等升角的截齒排布，將截齒的分布形式劃分為螺旋線，截齒以此間隔排列，形成對稱的截槽，進而可以有效地保證截割頭周邊達到受力平衡的效果，形成較大切屑面，降低截割能量的消耗。

2）優化最小截割半徑，這樣可以有效地防止鉆進巖柱。通常，傳統的掘進機最小直徑大于200 mm，其掘進比較困難，導致產生巖柱。對截割機進行優化處理之后，發現最小截割直徑可以達到150 mm，從而可以有效地解決定位打孔問題，防止掘進過程中，巖石對截割頭的損害。

3）對截齒安裝角度進行優化設計，進而可以達到較好的破巖目的。最大限度地優化切削力，實現較好的截齒自傳。

2.2 有效提高齒座的定位精度

在進行實驗時，通常需要在截割頭上面焊接截齒，使用人工定位的方式存在較大的誤差，從而大大降低了位置、角度以及截割間距等準確性，將嚴重影響截割頭的截割效率，如圖2 所示。

為了能夠有效地提高齒座的定位精度，通常選用截割頭齒座自動點裝、焊接系統、焊接的截割頭定位點裝等，主要包括定位機器人（其效果見圖3）、焊接機器人以及相應的定位工裝，其作用有：

1）可以使齒座對應特定位置，因此截割頭都設定有定位程序；

圖2 截割頭截齒座精準定位自動焊接裝置

圖3 截齒座采用機器人定位點裝的截割頭效果圖

2）在進行實驗時，需要將齒座標記好，通過分析截割情況可以看出，對截割齒座不理想的位置進行分析，接著對齒座的定位參數進行修改，同時再次進行實驗，直到找到齒座與截割對應的位置參數，并將其保存下來。

2.3 借助耐磨試驗臺選擇硬度合適的截齒

為了能夠對截割刀頭耐磨性以及相應的齒柄結構進行優化，構造了截齒耐磨試驗臺，進而借助耐磨實驗找到硬度合適的截齒，同時為了能夠有效地對截割頭的整體性進行驗證，進行了“試驗巖壁”。

3 改造后的硬巖截割頭應用效果

經過改造的截齒在全巖與半煤巖巷道工作時，其能夠截割巖石硬度f 的范圍為6～8，壽命比普通的截齒高出3 倍，能夠有效地提高生產效率和降低生產成本。