關(guān)于EBZ132窄型掘進(jìn)機(jī)截割性能的研究

【摘要】闡述了掘進(jìn)機(jī)截割頭的工作原理，對(duì)截割頭的性能參數(shù)進(jìn)行分析，為今后截割頭的設(shè)計(jì)提供參考。

【關(guān)鍵詞】懸臂式掘進(jìn)機(jī)；切割頭；切割參數(shù)

一、概述

切割頭是懸臂式掘進(jìn)機(jī)的重要機(jī)構(gòu)，切割性能是影響掘進(jìn)機(jī)整機(jī)性能的關(guān)鍵因素。所以選用合適的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、幾何參數(shù)、截齒的切割力參數(shù)等是懸臂式掘進(jìn)機(jī)切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。本文分析了縱軸式EBZ132窄型懸臂式掘進(jìn)機(jī)的切割功率、切割速度和切割力的合理范圍。

影響切割頭性能參數(shù)的因素：（1）巖石的硬度、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗腐蝕性等等。（2）切割頭的直徑大小、形狀、截齒的布置數(shù)目、截齒的布置方式等等。（3）切割頭的轉(zhuǎn)速、頭體的擺動(dòng)速度、切削的深度和厚度等等。

切割頭的工作方式一般認(rèn)為是兩種：（1）切割頭縱向鉆進(jìn)巖石斷面。（2）懸臂段的回轉(zhuǎn)油缸和舉升油缸帶動(dòng)切割頭擺動(dòng)。切割機(jī)構(gòu)的組成包括切割頭，懸臂段，減速機(jī)，電動(dòng)機(jī)，回轉(zhuǎn)臺(tái)，舉升油缸和回轉(zhuǎn)油缸等。切割頭的設(shè)計(jì)主要是研究截齒與所要切割巖石的關(guān)系，力求每個(gè)截齒切割巖石大小相等，截齒損耗少。掘進(jìn)機(jī)切割頭分為縱軸式和橫軸式兩種結(jié)構(gòu)，切割頭外形分為球形、球柱形、球錐形、球錐柱形。截齒的形狀分為扁形和鎬形兩種，扁形截齒圍繞切割頭徑向安裝，鎬形截齒圍繞切割頭切向安裝。鎬形截齒在切割煤巖時(shí)，截齒在齒座中可以轉(zhuǎn)動(dòng)，齒尖磨損均勻，增加了截齒的破巖能力，延長(zhǎng)了使用壽命。

二、切割頭功率

切割頭性能是整個(gè)掘進(jìn)性能的關(guān)鍵。切割頭功率的大小很大程度上影響了切割巖石的能力和切割效果。

按能耗法計(jì)算的切割頭功率：

式中：L——切割頭長(zhǎng)度，（m）；

D——切割頭直徑，（m）；

VH——切割頭牽引速度，（m/s）；

HW——切割頭單位能耗，的巖石，取0.4～1.5；f=4～8的巖石，取3～6。

單位能耗隨著煤巖抗壓強(qiáng)度或者巖石硬度的增加而加大，除此之外，單位能耗還與巖石的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、層里節(jié)理發(fā)育情況和切割方式有關(guān)。

切割功率P值的推薦范圍：特輕型掘進(jìn)機(jī)：P≤55kW，輕型掘進(jìn)機(jī)：P≤75kW，中型掘進(jìn)機(jī)：P=90kW～132kW，重型掘進(jìn)機(jī)：P>150kW，超特重型掘進(jìn)機(jī)：P>200kW。這里按中型掘進(jìn)機(jī)132KW設(shè)計(jì)考慮。

三、生產(chǎn)能力

掘進(jìn)機(jī)的理論生產(chǎn)能力與切割頭的長(zhǎng)度、切割頭平均半徑和擺動(dòng)速度有關(guān)。由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)推得，切割煤巖時(shí)，切割速度一般取3～5m/s，當(dāng)切割中硬巖石時(shí)，切割速度一般取1.5～2m/s。

式中：dc——切割頭平均直徑 m

L——切割頭長(zhǎng)度 m

VS——切割頭切割巖石時(shí)的油缸速度 m/min

k——煤巖的松散系數(shù)為1.5

EBZ132窄型掘進(jìn)機(jī)的參數(shù)：dc為0.812m，L為0.95m，Vs為3.75m/min。

結(jié)論：掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)能力為260m3/h。

四、牽引速度

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的牽引速度主要是指回轉(zhuǎn)油缸帶動(dòng)切割頭擺動(dòng)的速度，通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量，控制回轉(zhuǎn)油缸的擺動(dòng)速度，當(dāng)巖石硬度增大時(shí)，可采用低速大扭矩切割，慢速牽引的工作方式。當(dāng)巖石硬度較軟時(shí)，截齒切割巖石的阻力相應(yīng)減少。牽引速度與切割巖石的厚度成正比，故在切割軟巖石時(shí)，可以增加牽引速度，得到較大的切削厚度，但是牽引速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致截齒座參與切割巖石，截齒座磨損嚴(yán)重。

五、切割速度

切割速度指的是截齒齒尖沿其運(yùn)動(dòng)軌跡切線方向的速度，是切割頭分布截齒齒尖的圓周速度和牽引速度的矢量合成，牽引速度遠(yuǎn)小于切割速度，故切割速度一般都按圓周速度計(jì)算。

公式中：n——切割頭轉(zhuǎn)速r/min

EBZ132窄型掘進(jìn)機(jī)的參數(shù)：

結(jié)論：切割頭端部最大尺寸處齒尖 為2.4/1.2m/s。

切割頭在平均直徑上的齒尖 為1.96/0.98m/s。

由上式分析可知，在切割頭的不同位置，其圓周半徑不同，截齒的運(yùn)動(dòng)速度也不同。為了適應(yīng)不同煤巖的需求，切割頭選用的電機(jī)具有兩種轉(zhuǎn)動(dòng)速度，高速用于切割煤和硬度較軟的巖石，低速用于切割硬度偏高的巖石。切割速度v推薦范圍：切割速度v通常在（1～5）m/s，全煤取v=（2～5）m/s，半煤-巖v≤2m/s，由上述推薦值可知，所設(shè)計(jì)的切割速度參數(shù)滿足要求?，F(xiàn)代所生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)為了得到較大的切割能力，切割功率不斷增大，切割速度相應(yīng)降低。切割頭的轉(zhuǎn)動(dòng)速度一般設(shè)計(jì)為20～50r/min。

六、最大切割力

切割力是指切割頭截齒齒尖上的圓周切線力、單齒切割力是指截齒直接破碎巖石的作用力。進(jìn)給力是指截齒切入巖石后所需保持的力。巖石的單向抗壓強(qiáng)度決定了兩者的關(guān)系。對(duì)于硬度較軟的巖石，進(jìn)給力與截割力之比為1，對(duì)于硬而韌的巖石，進(jìn)給力與截割力之比為3。

切割時(shí)按切割速度的方向又分為切向力和法向力。切向力是指切割時(shí)截齒沿切割速度方向所受的分力。法向力是指切割時(shí)截齒沿切割頭法向，垂直于切割速度方向所受的分力。切割頭切割煤巖時(shí)截齒的法向力Fn與切向力Fd的關(guān)系為，切割半煤巖時(shí)。

根據(jù)縱軸式掘進(jìn)機(jī)切割頭的截齒布局和工作方式，一般掘進(jìn)機(jī)在掏槽時(shí)接觸巖石的截齒數(shù)目Nt約為擺動(dòng)時(shí)接觸巖石的截齒數(shù)目Nb的2～3倍，這里按Nt=2Nb計(jì)算。

縱軸式掘進(jìn)機(jī)切向力FC，推進(jìn)力Ft和擺動(dòng)力Fb三者之間的關(guān)系為：

切割全煤時(shí)：

切割半煤巖時(shí)：

最大切割力： KN

EBZ132窄型掘進(jìn)機(jī)參數(shù)：功率P取值132KW，切割頭平均半徑R為0.406m。由上述公式可知，當(dāng)功率和切割半徑一定時(shí)，最大切割力與切割速度成反比，切割頭在切割偏硬巖石時(shí)，采用低速切割。

故得出結(jié)論：在切割全煤時(shí)，轉(zhuǎn)速n取高速46r/min。

Fc=67.5KN；Ft=Fb=101KN；

在切割半煤巖時(shí)，轉(zhuǎn)速n取低速23r/min。

Fc=135KN；Ft=Fb=270KN；

七、切割方法

切割頭利用舉升油缸和回轉(zhuǎn)油缸移動(dòng)切割巖石，當(dāng)切割硬度較軟的煤巖時(shí)，采用左右循環(huán)向上的切割方法；當(dāng)切割較硬巖石時(shí)，采用由下而上左右切割的方法。盡可能從下而上切割，當(dāng)遇到有部分露頭硬巖時(shí)，首先切割其周圍部分，使大塊硬巖墜落。沿切割比能耗最小方向切割，能耗小，當(dāng)切割層狀巖石時(shí)，切割頭沿層理方向切割比垂直于分層面切割，能耗少。本文通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割參數(shù)性能的的分析，說(shuō)明了合理地選擇性能參數(shù)，對(duì)切割部機(jī)構(gòu)的使用性能和可靠性都會(huì)有所改善和提高，為以后掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)起到一定的幫助作用。