（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

縱軸式掘進機截割頭的設計

廉 浩 馮 健

（北方重工集團有限公司，遼寧 沈陽 110141）

本文介紹了縱軸式掘進機截割頭的設計原則，討論了提高截割頭截割效率的合理方案，提供了設計用的主要數(shù)據(jù)。

截割頭；設計原則；截割效率

1 概要

本文以縱軸式掘進機的截割頭為研究對象。截割頭是掘進機的關鍵部件，它直接參與對工作面的掘進工作。其設計參數(shù)較多，這些參數(shù)之間互相影響和制約，同時截割頭的設計質量的好壞決定了掘進機整機的截割性能，這對截割頭的使用壽命，以及整機的穩(wěn)定性和可靠性都有著直接的影響。

2 工作原理

掘進機的工作過程是：操縱行走機構向工作面推進，使截割頭在工作面的左下角鉆入，水平擺動油缸使截割頭橫向截割到巷道的右側。然后利用升降油缸把截割頭上升接近等于截割頭直徑的距離，并使截割頭向巷道左側截割。如此往復截割運動，截割頭就可以完成整個工作面的截割。當然掘進機的截割方式與掘進巷道斷面的大小，形狀，煤巖的分布情況有關。在截割頭截落煤巖后，由裝運機構將其裝進掘進機中間的輸送機構，再最終 裝進礦車或巷道輸送機。因此，縱向截割頭通常的截割過程可以總結為縱向鉆進、水平擺動截割和垂直擺動截割三種工作方式。

3 結構研究

3.1 影響設計的因素

如果能保證在旋轉截割的過程中，使參加截割的每個截齒都截割相同大小的煤巖，讓各截齒的受力相等、運行平穩(wěn)，并且產生的磨損也基本相同，這樣的截割頭設計是最理想的。但是有很多因素影響截割頭的設計，主要有以下幾個方面：

（1）煤巖自身的性質，主要有抗截強度、硬度、磨蝕性、堅固性系數(shù)等；

（2）截割頭的結構參數(shù)，主要有截割頭的幾何形狀、外形尺寸、截齒排列、截齒數(shù)量以及截線間距等；

（3）截割頭的工藝性參數(shù)，主要有擺動速度、截割頭轉速、切削厚度、切削深度等。

在截割頭的設計上，這些因素的影響并不是孤立的，它們之間相互關聯(lián)和制約。

3.2 結構形式

3.2.1 外形

截割頭的外形是指截割頭的幾何形狀，它是由截齒的齒尖所形成的外部輪廓，通常稱為截割頭包絡面。各截齒的齒尖位置投影到截割頭主軸平面上，將這些投影的點用線連接起來，形成了齒尖的包絡曲線，將形成的包絡曲線繞截割頭自身主軸轉動就形成了截割頭的空間曲面輪廓。

3.2.2 組成

縱軸式掘進機截割頭主要由截割頭體、截齒、截齒座、螺旋葉片、噴嘴、耐磨塊等組成。在截割頭體上焊接螺旋葉片，將截齒座按照設計要求焊接在螺旋葉片上，截齒安裝在齒座里。噴嘴的位置指向截齒齒尖方向，這有利于在截割時對工作面的滅塵。因為煤巖體具有磨蝕性，所以在截割頭體上焊接耐磨塊來進行保護。

3.2.3 尺寸參數(shù)

掘進機截割頭的尺寸參數(shù)主要包括：截割頭長度、截割頭直徑、螺旋頭數(shù)和升角等。

（1）截割頭長度

縱軸式掘進機截割頭的長度是指從截割頭頂端到底端在軸線方向上的距離。截割頭設計的過長，截齒的截割阻力增大，導致截割機構的擺動速度受到影響，截割能耗也會增加，如果截割功率不相適應會影響掘進速度。反之，截割頭長度過短時，雖然可以充分利用自由面和地壓的作用，減小截割阻力，但是截割時間會加長，截割的工作循環(huán)次數(shù)加大，使得生產效率降低。所以在截割頭長度的設計中，應予以綜合考慮。

（2）截割頭直徑

截割頭的直徑主要影響掘進機的截割力和工作循環(huán)時間。截割頭直徑過大，則切向截割力降低，當截割力降到低于煤巖的截割阻力時，截割頭就無法正常工作；而當截割頭直徑太小，截割頭切向截割力增大，但是由于掘進機截割的循環(huán)時間變長，同樣影響掘進機的掘進速度。當截割功率和截割頭轉速一定時，單個截齒的平均截割力受到截割頭直徑的影響。

截割力矩為：

平均截割力為：

平均單齒截割力為：

式中：MC—截割頭轉矩，N.m；N—截割功率，kW；n—截割頭轉速，r/ min；FC—平均截割力，N；D—截割頭平均直徑，m；F1C— 平均單齒截割力，N；Zm—工作齒數(shù)，可取總齒數(shù)的一半，個。

（3）螺旋頭數(shù)和升角

截割頭螺旋葉片的頭數(shù)和葉片升角的大小共同影響了截割頭的排屑能力。一般認為，截割頭的螺旋葉片頭數(shù)不應大于四個，因為螺旋頭數(shù)越多，截齒的布置越困難，使得結構復雜，截割頭重量也會增加，不利于截割的穩(wěn)定性。

增大螺旋升角，會影響截割頭上截齒的布置數(shù)量，單個截齒的截割力變大，但優(yōu)點是截割的煤巖塊度增大，減少粉塵的產出量；減小螺旋升角，截割頭截割時受力更好，有利截割的穩(wěn)定，但粉塵量會加大。

結語

由上可知，截割頭直徑越小，平均截割力就越大，平均單齒截割力也越大。同時要提高生產率，減少工作循環(huán)時間，應該選擇大直徑的截割頭，而且截割頭長度越長，生產率也越高，向裝運機構裝煤的效果越好。實踐證明，截割頭的合理設計直接影響著掘進機的工作效率和使用壽命，因此必須給予足夠的重視。

[1]李曉豁.掘進機縱向截割頭的運動學分析及簡化計算[J].黑龍江礦業(yè)學院學報，1998，Vol.8（No.3）：24-28.

[2]項陽，姜年朝，等.懸臂掘進機縱軸式截割頭運動學分析[J].貴州工業(yè)大學學報，1998，Vol.27（No.3）：32-38.

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