對掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計改進(jìn)研究

吳志強(qiáng)

(久益環(huán)球(天津)裝備制造有限公司，天津 300308)

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對掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計改進(jìn)研究

吳志強(qiáng)

(久益環(huán)球(天津)裝備制造有限公司，天津 300308)

本文結(jié)合個人從事掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計工作的實踐經(jīng)驗與相關(guān)參考文獻(xiàn)，剖析了掘進(jìn)機(jī)截割頭在實際運(yùn)行過程中存在的問題，并運(yùn)用仿真、驗算方式，提出相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計方案，以期為進(jìn)一步改善掘進(jìn)機(jī)截割頭的使用性能、延長使用壽命，提供有益的鋪墊。

掘進(jìn)機(jī)；截割頭；設(shè)計改進(jìn)

掘進(jìn)機(jī)在實際作業(yè)過程中其截割頭極易出現(xiàn)磨損問題，不僅會大大降低掘進(jìn)機(jī)的整體生產(chǎn)能力與工作效率，還會給整個掘進(jìn)機(jī)的順利運(yùn)行造成巨大困擾，進(jìn)而給施工企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對掘進(jìn)機(jī)截割頭進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)是必然趨勢。

1 掘進(jìn)機(jī)截割頭在運(yùn)行過程中存在的問題

據(jù)不完全數(shù)據(jù)調(diào)查分析，可以得知:在掘進(jìn)機(jī)截割頭的實際運(yùn)行過程中，掘進(jìn)機(jī)截割頭的偏磨問題十分嚴(yán)重，以至于需要頻繁更換截齒，有時甚至還需要為截齒補(bǔ)焊齒座。在實際運(yùn)行過程中，截割頭的尾部也是發(fā)生磨損較為嚴(yán)重的部位，所以須定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。目前，許多掘進(jìn)機(jī)截割頭的實際切入性能較差，極易發(fā)生掘進(jìn)機(jī)過載停機(jī)的問題，而且部分掘進(jìn)機(jī)的截割頭在截割煤炭的過程中，呈現(xiàn)出粉狀剝落狀態(tài)，截割效率十分低下。只有清楚了解并掌握掘進(jìn)機(jī)截割頭在運(yùn)行過程中存在的問題，才能夠為后續(xù)設(shè)計改進(jìn)工作提供有益的鋪墊。

2 對掘進(jìn)機(jī)截割頭進(jìn)行仿真分析與計算

以某掘進(jìn)機(jī)的截割頭為例，對其進(jìn)行仿真分析與計算。該掘進(jìn)機(jī)截割頭的參數(shù)如表1所示。

表1 截割頭具體參數(shù)

可以利用相關(guān)的計算機(jī)輔助設(shè)計程序，對掘進(jìn)機(jī)的截割頭進(jìn)行參數(shù)計算。在計算機(jī)中輸入掘進(jìn)機(jī)與截割巖石的有關(guān)參數(shù)，采用仿真分析與計算的方法，對掘進(jìn)機(jī)截割頭的截齒排列情況實施研究，可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割頭與巖層之間的接觸壓力為300 MPa時，一個周期內(nèi)截割頭就會完全切入，負(fù)載扭矩進(jìn)刀30 mm，扭矩值58.1 kN·m，此時的參數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過截割頭的實際承受扭矩。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割頭與巖層之間的接觸壓力為800 MPa時，一個周期內(nèi)的截割頭也會完全切入，扭矩進(jìn)刀15 mm，扭矩值85.0 kN·m，為額定功率的2.27倍。具體情況如圖1、圖2所示。對上述兩種情況下的參數(shù)進(jìn)行分析，可以得知:掘進(jìn)機(jī)截割頭負(fù)載的不均衡性，會隨著掘進(jìn)機(jī)截割頭在巖層之中進(jìn)尺的增加而有所降低，為了更加直觀體會這一變化，筆者運(yùn)用計算機(jī)輔助編制了圖3。

圖1 側(cè)切30 cm切屑圖Fig.1 30 cm chip diagram of side cut

圖2 側(cè)切15 cm切屑圖Fig.2 15 cm chip diagram of side cut

圖3 切割頭不均衡性曲線Fig.3 Cutting head unbalanced curve

3 掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計改進(jìn)

結(jié)合上文應(yīng)用計算機(jī)輔助模擬仿真實驗結(jié)構(gòu)的分析與計算，可以得知:要想進(jìn)一步提高掘進(jìn)機(jī)截割頭的實際使用效率，必須要對截齒的排列方式、截齒的部分角度進(jìn)行更改，進(jìn)而降低在實際運(yùn)行過程中截齒受到的磨損情況，使截割分布變得更加均勻。為了能夠進(jìn)一步降低截割頭在實際運(yùn)行過程中出現(xiàn)停機(jī)故障的幾率，在對截割頭進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計時，應(yīng)該對截割頭的實際作業(yè)情況與作業(yè)方式進(jìn)行仔細(xì)地觀察、考量，盡可能降低截割頭的直徑，使其始終低于截割電機(jī)的額定扭矩。為了進(jìn)一步提高掘進(jìn)機(jī)截割頭的實際切入性能，并且最大限度減輕截割頭尾部所遭受的磨損情況，應(yīng)該在深入研究截割頭截齒排列順序的基礎(chǔ)上，在保證截割頭尾部分的實際應(yīng)用性能不會受到影響的前提下，對截割頭頂部的截齒數(shù)量予以適當(dāng)增加。為了進(jìn)一步延長截割頭的使用壽命，增強(qiáng)其耐磨性能，須足夠重視截割頭截齒材料的選擇，選擇耐磨性極強(qiáng)的合金材料。還應(yīng)在掘進(jìn)機(jī)的截割頭后部增加一定數(shù)量的耐磨板，從而降低在實際作業(yè)過程中截割頭盤根處所遭受到的磨損。

實施設(shè)計改進(jìn)后的截割頭，其參數(shù)更改如下:直徑1 050 mm，長度1 120 mm，截齒數(shù)量39個。

4 掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計改進(jìn)效果驗證

對設(shè)計改進(jìn)后的截割頭實施仿真分析，可以發(fā)現(xiàn):截割頭設(shè)計改進(jìn)后，其截割性能與截割效率有效提高，截割頭不僅能夠適應(yīng)更多的巖層環(huán)境，并且在實際運(yùn)行作業(yè)過程中更換截割頭的速度明顯降低，而正是截割頭實際使用壽命的提高，截割范圍的擴(kuò)大，使得截割頭的性能更加優(yōu)越，能夠提供更加優(yōu)質(zhì)的截割服務(wù)。同時，對截割頭進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)后，截割頭的截割磨損程度大大降低，耐磨性能有效提高，不僅有效確保了截割頭應(yīng)具有的完整性，也大大提高了截割頭的實際使用效率。筆者所提出的設(shè)計改進(jìn)建議，仍存在較大片面性，并未對所有的施工條件進(jìn)行周全考量，僅是希望通過筆者的闡述，為廣大同行在今后截割頭的設(shè)計改進(jìn)工作上提供一定的幫助。

5 結(jié)語

正是因為掘進(jìn)機(jī)截割頭的工作效率直接決定了整個掘進(jìn)機(jī)的工作效率、生產(chǎn)能力，所以，面對如今掘進(jìn)機(jī)截割頭在實際運(yùn)行過程中所存在的問題，掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計人員必須要加強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，結(jié)合施工作業(yè)過程中存在的實際問題，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，為掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計改進(jìn)工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐，從而不斷地完善掘進(jìn)機(jī)截割頭的性能，切實延長掘進(jìn)機(jī)截割頭的使用壽命，使其更好服務(wù)于掘進(jìn)工作，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。

[1] 張夢奇.截齒排布圓周角對縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計性能的影響[C]//煤礦機(jī)電一體化新技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展2012學(xué)術(shù)年會論文集，2012.

[2] 張鑫，李新平.掘進(jìn)機(jī)截割頭運(yùn)動參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計[C]//中國煤炭學(xué)會煤礦機(jī)電一體化專業(yè)委員會、中國電工技術(shù)學(xué)會煤礦電工專業(yè)委員會2004年學(xué)術(shù)年會論文集，2004.

[3] 李曉豁，賈凱.橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷的模擬分析[C]//中國煤炭學(xué)會煤礦機(jī)電一體化專業(yè)委員會、中國電工技術(shù)學(xué)會煤礦電工專業(yè)委員會論文集，2008.

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Research on design improvement of cutting head of boring machine

WU Zhi-qiang

(Jiuyi Global (Tianjin) Equipment Manufacturing Co., Ltd., Tianjin 300308, China)

This paper analyzes the problems existing in the actual operation of the cutting head of the roadheader with the practical experience and related references of the excavator cutting head design work, and uses the simulation and checking method to put forward the corresponding improvement design scheme, hoping to provide reference for further improving the cutting performance of cutting machine head and extending its service life.

Boring machine; Cutting head; Design improvement

2017-03-07

吳志強(qiáng)(1981-)，男，碩士，機(jī)械工程師。

TD421.5

A

1674-8646(2017)10-0014-02