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        懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒排列優(yōu)化研究

        2019-10-21 19:46:46穆海旺
        關(guān)鍵詞:螺旋線掘進(jìn)機(jī)

        摘 要:為了提升掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用效果,在對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭外形輪廓分析基礎(chǔ)上,對(duì)比2條、3條螺旋線下截割齒輪排布情況及對(duì)截割頭性能影響,隨后對(duì)2種不同螺旋線情況下的截割齒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),并采用Solidworks軟件對(duì)優(yōu)選后的截割齒輪排布進(jìn)行建模分析,結(jié)果表明,優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jìn)機(jī)性能。

        關(guān)鍵詞:掘進(jìn)機(jī);截割頭;螺旋線;截割齒

        近年來(lái),隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷前進(jìn),懸臂式掘進(jìn)方面研究取得快速發(fā)展,在礦井的煤巷、半煤巖巷中得到廣泛應(yīng)用,大幅提升了礦井巷道掘進(jìn)效率[1-3]。與煤巷、半煤巖巷相比,巖巷掘進(jìn)機(jī)受到掘進(jìn)機(jī)機(jī)頭破巖能力、粉塵以及刀具等制約,發(fā)展相對(duì)遲緩。巖巷掘進(jìn)機(jī)截割頭作為關(guān)鍵部件,直接影響到掘進(jìn)機(jī)的整體性能[4]。因此,文中對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭截割齒輪排列進(jìn)行優(yōu)化,以期能提升掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率。

        1 外形輪廓

        掘進(jìn)機(jī)截割頭的外形既要與掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)相適應(yīng),又要顧及到巷道掘進(jìn)斷面以及截割齒輪排布難易程度,是截割頭的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)[5-6]。文中具體以山西某礦正在使用的國(guó)產(chǎn)某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象,對(duì)截割頭設(shè)計(jì)的一般準(zhǔn)則進(jìn)行分析。使用的該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)截割頭外形為圓錐、圓柱以及球形結(jié)合體的縱軸式設(shè)計(jì),既可以滿足搖擺、掘進(jìn)工況需要,也可以使得掘進(jìn)的巷道外輪廓較平整。

        2 螺旋線設(shè)計(jì)

        為了分析螺旋線數(shù)量及旋升角及對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭性能影響,將兩個(gè)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(duì)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(gè)特征段會(huì)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(shè)計(jì)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(dá)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(duì)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?cè)黾又?5.8°,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(guò)程中形成塊度均衡的巖塊,同時(shí)截割頭在旋轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)程中的磨耗。

        3 截割線間距設(shè)計(jì)

        為了比對(duì)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(jìn)行截割齒布置對(duì)于截割頭A,兩條截割線,截割齒輪均衡的分布在2條對(duì)稱的截割線上,具體不同段的截割齒分如表1所示。對(duì)于2條螺旋線的截割頭A,應(yīng)優(yōu)選截割線間距為22.5mm以及25mm,對(duì)截割頭進(jìn)行設(shè)計(jì),但是螺旋線間距為22.5mm時(shí),截割齒在圓周方向上分布不均衡,可能會(huì)導(dǎo)致截割頭受力出現(xiàn)周期性變化,引起設(shè)備共振,從而給掘進(jìn)機(jī)帶來(lái)危害,因此,應(yīng)選用的截割線間距為25mm。

        4 截割頭模擬分析

        截割頭破巖時(shí)打擊較在49°~50°間,齒座安裝角在45°,轉(zhuǎn)角選擇為8°,當(dāng)齒座干涉時(shí)進(jìn)行小范圍調(diào)整。采用Solidworks軟件對(duì)截割頭A、截割頭B裝配圖進(jìn)行設(shè)計(jì),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(shè)定為280mm,截割頭B上的螺旋線間距設(shè)定為240mm。因此,截割頭A相對(duì)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(xiàn)齒輪的干涉問(wèn)題。截割頭A截割線起始處圓周角為180°,在截割頭上旋轉(zhuǎn)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(hào)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(nèi)。截割齒輪數(shù)量沒(méi)有明顯變化,表明截割齒輪的排距較為合理。

        5 結(jié)語(yǔ)

        對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)方式進(jìn)行闡述,并分別對(duì)比截割頭2條截割螺旋線、3調(diào)節(jié)個(gè)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(yōu)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(duì)上述2中齒輪排布方式進(jìn)行對(duì)比分析。研究成果為掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)提供一定的借鑒。

        參考文獻(xiàn):

        [1]王想.鎬型截齒破巖機(jī)理及懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割性能研究[D].重慶:重慶大學(xué),2017.

        [2]閻鵬.掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)及有限元仿真研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2017.

        [3]李旭.懸臂式掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究[D].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2017.

        [4]張從亮.掘進(jìn)機(jī)截割頭運(yùn)動(dòng)參數(shù)及截齒布置參數(shù)對(duì)其截割性能影響研究[D].太原:太原理工大學(xué),2016.

        [5]黃田.懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒排列的優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].太原:太原理工大學(xué),2015.

        [6]王慶.縱軸掘進(jìn)機(jī)截割頭計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

        作者簡(jiǎn)介:

        穆海旺(1988- ),男,山西孝義人,2013年7月畢業(yè)于山西大同大學(xué),煤炭工程學(xué)院,機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè),本科,現(xiàn)為助理工程師。

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