EBZ-260 型掘進機截割頭幾何結構分析研究

王路瑤

（晉能控股煤業(yè)集團宏泰礦山工程建設大同有限公司，山西 大同 037003）

1 概況

宏泰礦山開采的4#煤開采巷道老頂巖性為凝灰質砂巖，巖質較硬，厚度為40 m 左右，直接頂和偽頂?shù)膸r性不同，分別為砂質頁巖和中砂巖。復雜的地質條件，加上斷層和積水等影響，掘進工作難度較大，目前采用的EBZ-260 型懸臂式掘進機尤其是截割頭形式對復雜巖層掘進工藝適應性較差，掘進效率和穩(wěn)定性受到很大影響。掘進機上的截割頭是截割巖層的核心構件，截割頭的幾何結構直接決定了掘進機懸臂的受力情況[1-6]。掘進機工作狀態(tài)下，截割頭荷載大小還受到巖層性能和掘進速度等因素影響。選擇合適幾何結構的截割頭是巷道掘進施工的關鍵[7-10]。基于同煤宏泰礦山巷道巖層性能，研究計算截割頭幾何結構，配置與研究計算機構相近的截割頭，能夠保證巷道掘進施工進度，增加截割頭使用壽命，降低能耗，提升同煤宏泰礦山經(jīng)濟效益。

2 截割頭幾何結構形式選擇

（1）截割頭頭體結構

掘進機截割頭是一種結構復雜的組合型機械部件，截割頭頭體是整個部件的基礎，部件的截齒等零件全部依附安裝在頭體上。頭體屬于中心旋轉結構，可以看作是包絡線繞中心線旋轉形成，常見的結構形狀有圓柱形頭體（圖1a）、圓錐形頭體（圖1b）、圓柱-圓錐形頭體（圖1c）三種。

圖1 截割頭頭體外形結構事宜圖

圓柱形頭體在進行掘進工作時，截齒的齒尖會與截割線保持平行，理想情況下該形狀的截割頭截齒的荷載均勻，且截割頭的軸向力不大，但實際掘進工作面不會是完全平整的，成型后的巷道會是鋸齒狀的，如圖2（a）所示。這種巷道面會增加支護難度，使支護穩(wěn)定性和強度降低。相較于圓柱形頭體，圓錐形頭體成型后的巷道表面平整度較高，有利于支護工藝的實施，但在截割運動中，截割頭軸向受力大，截齒承受的偏載大，截割頭運動的穩(wěn)定性和使用壽命都會存在一定問題?；谝陨戏治觯Y合兩種形狀頭體的優(yōu)勢，圓柱-圓錐形頭體的掘進能力強，前端圓錐結構保證巷道成形表面平整，后端圓柱結構能夠降低截割運動中截齒偏載和截割頭軸向受力，支護工況條件好于以上兩種結構頭體。該結構截割頭形成的巷道表面形狀如圖2（b）所示。

圖2 不同截割頭頭體導致成型巷道表面形狀示意圖

（2）截割頭截齒類型

截割頭截齒有鎬形和刀形兩種，兩種結構截齒適應不同的巖層特點。鎬形截齒適用于巖質脆硬且含有一定硬夾石的地層掘進，刀形截齒多用于巖層質地堅硬且裂隙不發(fā)達的地層掘進，但由于受到的彎矩力較大，容易折斷。同煤宏泰礦山巷道地層存在砂質泥巖層，選用鎬形截齒更為合理，配合齒座結構（圖3 右），可以使截齒在齒座槽內(nèi)自由旋轉，大大降低截齒荷載。同煤宏泰礦山掘進機截割頭截齒外形尺寸如圖3 左。

圖3 掘進機截割頭齒座和截齒外形尺寸圖（mm）

3 截割頭幾何結構參數(shù)計算

（1）截割頭長度

截割頭的長度包含從截割頭底部到頂部截齒齒尖之間的距離，該長度決定掘進效率和掘進效果。整體來看，截割頭的長度越長，掘進速度越快，但比能耗大，截割阻力增加。如何平衡掘進效率和比能耗，是計算截割頭長度的目標。截割頭長度與掘進機的最大掏槽深度基本相等，而最大掏槽深度與巖層屬性和截割速度等因素有關系，滿足以下關系：

式中：Lh為掘進機的最大掏槽深度，與截割頭長度相等，m；S為棚距，m；K1為進刀次數(shù)；K2為架棚個數(shù)。

同煤宏泰礦山工作面巷道掘進過程中，架棚的距離為0.8 m 左右，架棚個數(shù)與進刀次數(shù)的比值6:8，計算的截割頭長度為600 mm。但掘進巖層硬度較高時，要考慮截割頭的長度不應大于壓張帶寬度。通過資料查閱，同煤宏泰礦山巖層壓張帶寬度約為580 mm，最終確定截割頭長度為550 mm。

（2）截割頭平均直徑

由于截割頭的外形選用了圓柱-圓錐形，其平均直徑計算的是所有截齒齒尖與中心線距離的平均值，直徑平均值的計算是一個范圍的確定，過大的直徑會降低截割頭的截割能力，而過小的直徑雖然截割能力增加，但截割效率會大大降低，截割頭平均直徑的計算公式為：

式中：D為截割頭的平均直徑，m；QT為理論生產(chǎn)率，m3/h，同煤宏泰礦山理論生產(chǎn)率為8 m3/h；λ0為巷道巖層的松散系數(shù)，取值為1.6；L為截割頭的長度，取值為0.55 m；Vb為掘進機截割頭的擺動速度，取值為0.3 m/min；N為截割頭的截割功率，EBZ-260 型掘進機截割頭功率為265 kW；nc為平均直徑處截齒的數(shù)量，取值為3；Z為截割頭截割時的最大阻力值，取值為60 kN；n為截割頭轉速，取值為31 r/min。

計算截割頭平均直徑在505～907 mm，考慮到較小的截割頭直徑截割能力強，選取截割頭直徑為520 mm?；谝陨戏治龃_定計算，同煤宏泰礦山EBZ-260 型掘進機截割頭的幾何結構如圖4（左），截割路徑如圖4（右）。

圖4 EBZ-260型掘進機截割頭幾何結構與截割路徑（mm）

截割路徑的選擇充分考慮到了同煤宏泰礦山的巷道巖層地質結構特點，選擇了從下到上之字形截割路徑，一方面降低巷道頂?shù)目枕敃r間，另一方面保證巷道壁應力均勻，為巷道支護提供空間等條件。

4 應用效果

為了檢驗截割頭的截割掘進效果，對同煤宏泰礦山1021 工作面運輸槽巷道施工進行掘進驗證，分別對原廠攜帶的截割頭A 和與計算結果相似的截割頭B 進行掘進比能耗對比，形成圖5，分別對比不同截線距下兩個截割頭的比能耗值。

圖5 不同截割頭掘進比能耗對比圖

從圖5 可以看出，兩種截割頭比能耗曲線走向趨勢基本相同。在25 mm 前都是隨著截線距的增加，比能耗在逐漸降低；在截線距大于25 mm 后，隨著截線距增加，比能耗值也在增加。說明兩種截割頭都在向封閉式截割狀態(tài)過渡。截割頭B 的能耗無論在哪種截線距下，比能耗都遠遠低于原廠攜帶的截割頭A 的比能耗，說明經(jīng)過分析計算后的截割頭設計能夠滿足低能耗運行的需求。