EBZ-260 型掘進機截割頭截割性能研究

黃云峰

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

引言

截割頭作為掘進機的重要動力部件，在煤礦井下掘進作業(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)啟動截割頭對煤巖開始進行連續(xù)切割。在整個切割過程中，整個截割頭都要承受隨之而來的切割阻力及交變應(yīng)力，由此產(chǎn)生的各種不利因素，會對截割頭的工作及性能帶來不利影響，給截割頭的制作設(shè)計帶來一定困難。截割頭所能承受的載荷與其形狀尺寸、排列方式和對應(yīng)的煤巖特征具有相關(guān)性，同時與截割頭作業(yè)參數(shù)關(guān)聯(lián)。如此，需要對各種截割頭性能影響因素進行綜合分析后，才能設(shè)計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 型掘進機截割頭的結(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的煤巖，這樣可以減少截割動作的阻力。截割頭性能和結(jié)構(gòu)主要通過直徑、長度、錐角、截齒最大伸長度、螺旋葉片升角、頭數(shù)、厚度及高度等參數(shù)表現(xiàn)出來[1]。具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 截割頭構(gòu)造圖

截割頭可以以一點為基準(zhǔn)上下擺動、縱向運動，也可以按照自身軸線進行旋轉(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，其頭體反應(yīng)也會被有效降低。據(jù)相關(guān)資料分析認為，圓柱圓錐球冠形截割頭在進行煤炭截割時性能最佳。

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

掘進機截割頭的截齒需要按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進行排列和安裝。這部分數(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聯(lián)結(jié)而成的擬合曲面，對于該點運行參數(shù)、軌跡、速度等方面內(nèi)容會在后面加以論述，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，兩個鄰近截齒間相隔的角度叫做分布角，是用來對截齒進行調(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導(dǎo)致截割效率降低，若該角度過大則會導(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)系著掘進機的生產(chǎn)效率，同時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，以實現(xiàn)生產(chǎn)效率的進一步提高。這部分參數(shù)需要通過試驗加以確定，單純性進行理論研究比較困難，本論文采用理論與實際相結(jié)合的辦法對截齒的分布及數(shù)量加以確定。

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

3 掘進機EBZ-260 型截割頭相關(guān)運動學(xué)特征研究

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

3.1 縱向推進運動分析

3.1.1 截齒運動分析

當(dāng)掘進機進行掏槽式的截割時，截割頭需要做縱向運動進給，主要進給運動包括頭體進行回轉(zhuǎn)運動進給、沿巷道的軸線進行縱向運動進給。所有截齒在截割頭繞自身運動回轉(zhuǎn)時，截齒同時在機構(gòu)帶動下隨著截割頭進行縱向的推進。

3.1.2 截齒運行的速度

截齒運行速度公式：

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

截齒運行的速度Vj和截割頭工作的角速度ω、截割頭縱向推進速度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 和截割頭縱向推進速度vk都保持不變時，截齒回轉(zhuǎn)工作半徑r不同時,截齒運行的速度vj將不同，另外截齒方向沿著運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，其動作的速度也不同，與頭體大直徑端接近的截齒，其運動時回轉(zhuǎn)半徑較大，轉(zhuǎn)動速度較快，就會造成相對較快的磨損[5]。

3.2 水平運動的分析

3.2.1 截齒運動分析

截割頭水平方向進行左右擺動割煤時，是利用旋轉(zhuǎn)與懸臂擺動運動進行工作的，截齒在截割頭上繞軸旋轉(zhuǎn)割煤。

3.2.2 截齒運動的速度

截齒運動的速度計算公式：

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 為截割臂運擺動的角速度。

通過上述公式可知，每一個截齒的運轉(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速度大，但截割速度相對較?。唤馗铑^小半徑位置的截齒運行速度較高，但擺動速度相對較小[6]。

3.3 EBZ-260 型掘進機截割頭力學(xué)特性

因為破碎的煤塊并不均勻，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，就要進行截割頭模擬載荷分析，由此對截割頭的功率及能耗進行研究確定。由于整個截割頭所承擔(dān)的載荷是各個截齒的受力矢量和，為了進一步測定截齒頭所承擔(dān)的載荷，就一定要測定每個截齒的受力情況，再根據(jù)其受力理論進行載荷矢量的合成，最終測得截割頭所承擔(dān)的載荷[7]。

當(dāng)掘進機開始工作，截割頭所承擔(dān)的載荷會隨著頭體變化的位置而發(fā)生變化，即動態(tài)載荷，該載荷會給掘進機造成較大振動，對其系統(tǒng)零件的使用壽命造成比較嚴重的損害，也有損掘進機工作的整體性能。因為煤層常被某些不規(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。計算載荷的方法比較適用于比較均勻的煤體，并且是在沒有包裹體的環(huán)境中使用，以求計算載荷結(jié)果的相對全面和準(zhǔn)確。

4 結(jié)語

目前，掘進機的使用范圍越來越普遍，使用者對其性能的要求也越來越高，本文通過對EBZ-260 型掘進機截割頭的構(gòu)成、參數(shù)及分布特點進行了探查研究，對截齒的運行軌跡、速度及載荷等方面進行了梳理分析，極大地促進了對掘進機截割頭性能的研究、了解和掌握，對提高掘進機截割效率、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。