黃云峰

（山西潞安集團(tuán)和順一緣煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 晉中 032700）

引言

截割頭作為掘進(jìn)機(jī)的重要?jiǎng)恿Σ考?，在煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)中用于煤巖切割，切割作用的主要部位是截割頭外端的截齒，操作人員需要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及要求在截割頭上安裝截齒，之后才能根據(jù)相關(guān)參數(shù)啟動(dòng)截割頭對(duì)煤巖開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)切割。在整個(gè)切割過(guò)程中，整個(gè)截割頭都要承受隨之而來(lái)的切割阻力及交變應(yīng)力，由此產(chǎn)生的各種不利因素，會(huì)對(duì)截割頭的工作及性能帶來(lái)不利影響，給截割頭的制作設(shè)計(jì)帶來(lái)一定困難。截割頭所能承受的載荷與其形狀尺寸、排列方式和對(duì)應(yīng)的煤巖特征具有相關(guān)性，同時(shí)與截割頭作業(yè)參數(shù)關(guān)聯(lián)。如此，需要對(duì)各種截割頭性能影響因素進(jìn)行綜合分析后，才能設(shè)計(jì)出既能夠滿足截割工作需求，又能夠保證截割性能的截割頭。

1 EBZ-260 型掘進(jìn)機(jī)截割頭的結(jié)構(gòu)分析

截割頭結(jié)構(gòu)設(shè)置主要分為七個(gè)部分，分別是齒座、截齒、齒套、頭體、螺旋式葉片、筋板、噴水座等部分。截割頭整體設(shè)計(jì)為鑄造件，其表面使用螺旋線焊接技術(shù)將齒座和葉片連接，將噴嘴安裝在噴嘴座上，要求按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)將其固定于截割頭體上，并要保證與頭體上的噴嘴相通，在螺旋線上鄰近的齒座之間設(shè)置筋板，以便增加齒座抗沖擊的能力，要求葉片高度要比截齒尖的高度低，以便快速排掉切落下來(lái)的煤巖，這樣可以減少截割動(dòng)作的阻力。截割頭性能和結(jié)構(gòu)主要通過(guò)直徑、長(zhǎng)度、錐角、截齒最大伸長(zhǎng)度、螺旋葉片升角、頭數(shù)、厚度及高度等參數(shù)表現(xiàn)出來(lái)[1]。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 截割頭構(gòu)造圖

截割頭可以以一點(diǎn)為基準(zhǔn)上下擺動(dòng)、縱向運(yùn)動(dòng)，也可以按照自身軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，截割頭自身頭體輪廓曲線不只有一種，而是由幾段主要的曲線共同組成，其輪廓形狀通常包括球冠形輪廓、圓錐球冠輪廓、圓柱圓錐球冠輪廓、圓柱球冠輪廓等四種形狀。截割頭整體為回轉(zhuǎn)體輪廓，這種結(jié)構(gòu)可以使截割力按照回轉(zhuǎn)體的母線方向完成切割，即使截割頭出現(xiàn)擺動(dòng)，其頭體反應(yīng)也會(huì)被有效降低。據(jù)相關(guān)資料分析認(rèn)為，圓柱圓錐球冠形截割頭在進(jìn)行煤炭截割時(shí)性能最佳。

2 掘進(jìn)機(jī)EBZ-260 型截割頭的主要數(shù)據(jù)參數(shù)

掘進(jìn)機(jī)截割頭的截齒需要按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排列和安裝。這部分?jǐn)?shù)據(jù)關(guān)系到截割頭使用壽命及性能。據(jù)相關(guān)資料可知，截割頭參數(shù)主要包括五個(gè)方面。

1）截齒的包絡(luò)線半徑，其定義為截割頭上所有截齒的齒尖點(diǎn)聯(lián)結(jié)而成的擬合曲面，對(duì)于該點(diǎn)運(yùn)行參數(shù)、軌跡、速度等方面內(nèi)容會(huì)在后面加以論述，在此不做贅述[2]。

2）導(dǎo)程λ。在截割頭上安裝截齒需要遵照螺旋線運(yùn)行形式設(shè)置安裝，其中部分截割頭的上面裝置兩根螺旋線，部分裝置3 根。

3）截齒的分布角。截齒分布在螺旋線上，兩個(gè)鄰近截齒間相隔的角度叫做分布角，是用來(lái)對(duì)截齒進(jìn)行調(diào)整使用的，其作用是使截割操作更加有序。若截齒分布角太小則會(huì)導(dǎo)致截割效率降低，若該角度過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致頭體與截割物發(fā)生摩擦。

4）截齒數(shù)及分布的位置。截割頭的截齒數(shù)量與分布位置關(guān)系著掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)效率，同時(shí)也決定著截落的巖石能不能順暢排出，合理的分布也能降低額外的擠壓和磨損，減少功率的消耗，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率的進(jìn)一步提高。這部分參數(shù)需要通過(guò)試驗(yàn)加以確定，單純性進(jìn)行理論研究比較困難，本論文采用理論與實(shí)際相結(jié)合的辦法對(duì)截齒的分布及數(shù)量加以確定。

5）截齒的沖擊角占。當(dāng)截齒開(kāi)始接觸煤巖時(shí)，首先以沖擊角方向切入，要保證此時(shí)的截割力最大，截割輸出功率最高[3]。同時(shí)，在截割時(shí)還需要進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這樣才能保證截齒在工作中均勻的受力，使其擁有更長(zhǎng)的使用壽命。

3 掘進(jìn)機(jī)EBZ-260 型截割頭相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征研究

掘進(jìn)機(jī)在井下作業(yè)過(guò)程中主要的動(dòng)作包括：頭體回轉(zhuǎn)、截割臂上下左右擺動(dòng)、截割臂向巷道方向進(jìn)給等。按照截割的具體動(dòng)作內(nèi)容可分為縱向推進(jìn)掏槽、水平方向左右擺動(dòng)橫向截割煤層、上下垂直方向截割煤層等三種方式。截割頭進(jìn)行工作時(shí)，首先沿巷道縱向進(jìn)行割煤，當(dāng)進(jìn)行到一定的深度后，截割臂將進(jìn)行橫線左右運(yùn)動(dòng)割煤，當(dāng)左右割煤完成后，截割臂再進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)割煤，隨后割頭再進(jìn)行橫向左右割煤，至此一個(gè)工作循環(huán)完成，掘進(jìn)機(jī)按照指令向前運(yùn)動(dòng)至下一工位，進(jìn)行下一工作循環(huán)[4]。

3.1 縱向推進(jìn)運(yùn)動(dòng)分析

3.1.1 截齒運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掏槽式的截割時(shí)，截割頭需要做縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)給，主要進(jìn)給運(yùn)動(dòng)包括頭體進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)給、沿巷道的軸線進(jìn)行縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)給。所有截齒在截割頭繞自身運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)時(shí)，截齒同時(shí)在機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下隨著截割頭進(jìn)行縱向的推進(jìn)。

3.1.2 截齒運(yùn)行的速度

截齒運(yùn)行速度公式：

式中，vj為截齒運(yùn)行的速度；vk為縱向推進(jìn)的速度；r為回轉(zhuǎn)工作半徑；ω 為截割頭工作角速度。

截齒運(yùn)行的速度Vj和截割頭工作的角速度ω、截割頭縱向推進(jìn)速度vk以及截齒回轉(zhuǎn)工作半徑r 存在直接關(guān)系。當(dāng)截割頭工作的角速度ω 和截割頭縱向推進(jìn)速度vk都保持不變時(shí)，截齒回轉(zhuǎn)工作半徑r不同時(shí),截齒運(yùn)行的速度vj將不同，另外截齒方向沿著運(yùn)行軌跡切線夾角不變，截割頭上的截齒所在位置的直徑不同，其動(dòng)作的速度也不同，與頭體大直徑端接近的截齒，其運(yùn)動(dòng)時(shí)回轉(zhuǎn)半徑較大，轉(zhuǎn)動(dòng)速度較快，就會(huì)造成相對(duì)較快的磨損[5]。

3.2 水平運(yùn)動(dòng)的分析

3.2.1 截齒運(yùn)動(dòng)分析

截割頭水平方向進(jìn)行左右擺動(dòng)割煤時(shí)，是利用旋轉(zhuǎn)與懸臂擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行工作的，截齒在截割頭上繞軸旋轉(zhuǎn)割煤。

3.2.2 截齒運(yùn)動(dòng)的速度

截齒運(yùn)動(dòng)的速度計(jì)算公式：

式中：Vj為表截齒的齒尖速度；ω 為表截割頭工作角速度；r 為截齒在水平旋轉(zhuǎn)至回轉(zhuǎn)中心距離；ψ 為截割臂運(yùn)擺動(dòng)的角速度。

通過(guò)上述公式可知，每一個(gè)截齒的運(yùn)轉(zhuǎn)速度都相同，其轉(zhuǎn)速受截割臂當(dāng)前角度、回轉(zhuǎn)半徑、截割頭的轉(zhuǎn)速等因素的影響。截割頭大半徑位置的截齒擺動(dòng)速度大，但截割速度相對(duì)較小；截割頭小半徑位置的截齒運(yùn)行速度較高，但擺動(dòng)速度相對(duì)較小[6]。

3.3 EBZ-260 型掘進(jìn)機(jī)截割頭力學(xué)特性

因?yàn)槠扑榈拿簤K并不均勻，組成截割頭的所有部件都承受了不同的交變應(yīng)力及截割阻力。要想探究截割頭所具有的性能，就要進(jìn)行截割頭模擬載荷分析，由此對(duì)截割頭的功率及能耗進(jìn)行研究確定。由于整個(gè)截割頭所承擔(dān)的載荷是各個(gè)截齒的受力矢量和，為了進(jìn)一步測(cè)定截齒頭所承擔(dān)的載荷，就一定要測(cè)定每個(gè)截齒的受力情況，再根據(jù)其受力理論進(jìn)行載荷矢量的合成，最終測(cè)得截割頭所承擔(dān)的載荷[7]。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)開(kāi)始工作，截割頭所承擔(dān)的載荷會(huì)隨著頭體變化的位置而發(fā)生變化，即動(dòng)態(tài)載荷，該載荷會(huì)給掘進(jìn)機(jī)造成較大振動(dòng)，對(duì)其系統(tǒng)零件的使用壽命造成比較嚴(yán)重的損害，也有損掘進(jìn)機(jī)工作的整體性能。因?yàn)槊簩映１荒承┎灰?guī)則體包裹，截齒載荷具有較大不確定因素，不容易全面、準(zhǔn)確地確定載荷的大小。計(jì)算載荷的方法比較適用于比較均勻的煤體，并且是在沒(méi)有包裹體的環(huán)境中使用，以求計(jì)算載荷結(jié)果的相對(duì)全面和準(zhǔn)確。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，掘進(jìn)機(jī)的使用范圍越來(lái)越普遍，使用者對(duì)其性能的要求也越來(lái)越高，本文通過(guò)對(duì)EBZ-260 型掘進(jìn)機(jī)截割頭的構(gòu)成、參數(shù)及分布特點(diǎn)進(jìn)行了探查研究，對(duì)截齒的運(yùn)行軌跡、速度及載荷等方面進(jìn)行了梳理分析，極大地促進(jìn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭性能的研究、了解和掌握，對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)截割效率、減少截割頭承受的應(yīng)力、增加截割頭使用壽命具有重要意義。