纵轴式掘进机截割头的设计

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141）

纵轴式掘进机截割头的设计

廉 浩 冯 健

（北方重工集团有限公司，辽宁 沈阳 110141）

本文介绍了纵轴式掘进机截割头的设计原则，讨论了提高截割头截割效率的合理方案，提供了设计用的主要数据。

截割头；设计原则；截割效率

1 概要

本文以纵轴式掘进机的截割头为研究对象。截割头是掘进机的关键部件，它直接参与对工作面的掘进工作。其设计参数较多，这些参数之间互相影响和制约，同时截割头的设计质量的好坏决定了掘进机整机的截割性能，这对截割头的使用寿命，以及整机的稳定性和可靠性都有着直接的影响。

2 工作原理

掘进机的工作过程是：操纵行走机构向工作面推进，使截割头在工作面的左下角钻入，水平摆动油缸使截割头横向截割到巷道的右侧。然后利用升降油缸把截割头上升接近等于截割头直径的距离，并使截割头向巷道左侧截割。如此往复截割运动，截割头就可以完成整个工作面的截割。当然掘进机的截割方式与掘进巷道断面的大小，形状，煤岩的分布情况有关。在截割头截落煤岩后，由装运机构将其装进掘进机中间的输送机构，再最终 装进矿车或巷道输送机。因此，纵向截割头通常的截割过程可以总结为纵向钻进、水平摆动截割和垂直摆动截割三种工作方式。

3 结构研究

3.1 影响设计的因素

如果能保证在旋转截割的过程中，使参加截割的每个截齿都截割相同大小的煤岩，让各截齿的受力相等、运行平稳，并且产生的磨损也基本相同，这样的截割头设计是最理想的。但是有很多因素影响截割头的设计，主要有以下几个方面：

（1）煤岩自身的性质，主要有抗截强度、硬度、磨蚀性、坚固性系数等；

（2）截割头的结构参数，主要有截割头的几何形状、外形尺寸、截齿排列、截齿数量以及截线间距等；

（3）截割头的工艺性参数，主要有摆动速度、截割头转速、切削厚度、切削深度等。

在截割头的设计上，这些因素的影响并不是孤立的，它们之间相互关联和制约。

3.2 结构形式

3.2.1 外形

截割头的外形是指截割头的几何形状，它是由截齿的齿尖所形成的外部轮廓，通常称为截割头包络面。各截齿的齿尖位置投影到截割头主轴平面上，将这些投影的点用线连接起来，形成了齿尖的包络曲线，将形成的包络曲线绕截割头自身主轴转动就形成了截割头的空间曲面轮廓。

3.2.2 组成

纵轴式掘进机截割头主要由截割头体、截齿、截齿座、螺旋叶片、喷嘴、耐磨块等组成。在截割头体上焊接螺旋叶片，将截齿座按照设计要求焊接在螺旋叶片上，截齿安装在齿座里。喷嘴的位置指向截齿齿尖方向，这有利于在截割时对工作面的灭尘。因为煤岩体具有磨蚀性，所以在截割头体上焊接耐磨块来进行保护。

3.2.3 尺寸参数

掘进机截割头的尺寸参数主要包括：截割头长度、截割头直径、螺旋头数和升角等。

（1）截割头长度

纵轴式掘进机截割头的长度是指从截割头顶端到底端在轴线方向上的距离。截割头设计的过长，截齿的截割阻力增大，导致截割机构的摆动速度受到影响，截割能耗也会增加，如果截割功率不相适应会影响掘进速度。反之，截割头长度过短时，虽然可以充分利用自由面和地压的作用，减小截割阻力，但是截割时间会加长，截割的工作循环次数加大，使得生产效率降低。所以在截割头长度的设计中，应予以综合考虑。

（2）截割头直径

截割头的直径主要影响掘进机的截割力和工作循环时间。截割头直径过大，则切向截割力降低，当截割力降到低于煤岩的截割阻力时，截割头就无法正常工作；而当截割头直径太小，截割头切向截割力增大，但是由于掘进机截割的循环时间变长，同样影响掘进机的掘进速度。当截割功率和截割头转速一定时，单个截齿的平均截割力受到截割头直径的影响。

截割力矩为：

平均截割力为：

平均单齿截割力为：

式中：MC—截割头转矩，N.m；N—截割功率，kW；n—截割头转速，r/ min；FC—平均截割力，N；D—截割头平均直径，m；F1C— 平均单齿截割力，N；Zm—工作齿数，可取总齿数的一半，个。

（3）螺旋头数和升角

截割头螺旋叶片的头数和叶片升角的大小共同影响了截割头的排屑能力。一般认为，截割头的螺旋叶片头数不应大于四个，因为螺旋头数越多，截齿的布置越困难，使得结构复杂，截割头重量也会增加，不利于截割的稳定性。

增大螺旋升角，会影响截割头上截齿的布置数量，单个截齿的截割力变大，但优点是截割的煤岩块度增大，减少粉尘的产出量；减小螺旋升角，截割头截割时受力更好，有利截割的稳定，但粉尘量会加大。

结语

由上可知，截割头直径越小，平均截割力就越大，平均单齿截割力也越大。同时要提高生产率，减少工作循环时间，应该选择大直径的截割头，而且截割头长度越长，生产率也越高，向装运机构装煤的效果越好。实践证明，截割头的合理设计直接影响着掘进机的工作效率和使用寿命，因此必须给予足够的重视。

[1]李晓豁.掘进机纵向截割头的运动学分析及简化计算[J].黑龙江矿业学院学报，1998，Vol.8（No.3）：24-28.

[2]项阳，姜年朝，等.悬臂掘进机纵轴式截割头运动学分析[J].贵州工业大学学报，1998，Vol.27（No.3）：32-38.

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TD42 < class="emphasis_bold"> 文献标识码：A

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