钻头截齿布置方法及焊装定位装置研究

崔玉明，蔡卫民，李 烈

CUI Yu-ming，CAI Wei-min，LI Lie

（中国矿业大学，徐州 221008）

0 引言

螺旋钻采煤机在我国薄与极薄煤层开采方面有着巨大的市场潜力。钻头是螺旋钻采煤机的关键部件，其设计好坏直接决定了整机工作性能，而截齿的布置又决定了钻头的截割性能，同时钻头截齿焊装时兼顾安装参数过多，普通人工焊装不易控制精度且严重影响效率。因此，有必要对钻头的截齿布置方法和焊装定位装置进行研究。

1 钻头设计一般过程

螺旋钻采煤机钻头（如图1所示）的一般开发过程可用图2所示的流程图来表示。大致可分为设计－试制－试验三个阶段，并可进行改良循环下去[1]。

图1 钻头三维模型

2 截齿布置

2.1 截齿径向布置

钻头的截割功率与截齿的径向布置密切相关。同时，截齿的径向布置决定了各截齿的切屑面积，进而决定了各齿截割力的大小和磨损量[2]。

图2 钻头一般开发流程图

规径齿和中心齿分别为钻头上具有最大和最小旋转半径的两个截齿，确定了它们的径向位置Rmax与Rmin，就可以根据等切削、等功率或等磨损等原则来确定其它截齿的的径向位置。理论分析和应用实践表明[3]，钻头最大直径Dmax应小于煤层的厚度H的50～100mm。确定中心齿位置的原则是中心齿处于能切掉钻头中心煤的最靠外位置，因而中心齿的位置应由该齿的切屑厚度和煤的性质决定。但中心齿径向位置的确定还应考虑端盘部分截齿过煤的需求以及齿座安装空间的限制。

在进行钻头截齿的径向布置时，不管是采用等切削原则还是采用等功率原则，都存在一径向尺寸Ru。当任一截齿径向半径Ri≥Ru时，截齿的径向布置按等切削或等功率原则推导出的结果进行；当Ri＜Ru时，截齿的径向布置原则是保证截齿具有较低的截割阻力和较低的截割比能耗。

2.2 截齿周向布置

截齿周向布置，就是在垂直于钻头轴线的平面内，按一定的配置方式，确定各个截齿的周向位置角θ，得到截齿的周向布置图，使得钻头在工作过程中具有较好的稳定性。

钻头截齿周向布置的一般过程如下[1]：

1）根据各截齿的径向布置尺寸Rij，在任意垂直于钻头轴线的平面X′O′Y′内，以钻头轴线与平面 X ′O′Y ′的交点O′为圆心，以 Rij为半径作一系列同心圆，则第i条螺旋线上的第j齿的齿尖必在平面 X ′O′Y ′上半径为 Rij的圆上。

2）根据等距螺旋线或者变距螺旋线定位截齿[4]。确定基准螺旋线的常数a、θ0、螺旋线头数z与每条截线上截齿数m，根据螺旋线方程在平面X′O′Y′内作出螺旋线图形[5,6]。

3）计算出各截齿的周向位置角θij。则在X′O′Y′内，相应螺旋线与各同心圆在半径为Rij、周向位置角为θij处的交点，即为截齿齿尖的所在位置，从而可得出截齿的周向布置图。

2.3 截齿轴向布置

理想情况下，各截齿的轴向坐标Z应由截齿包络曲线方程 确定，从而可以确定各截齿的轴向位置和相邻两排截齿轴向间距（排距）。但是，当所有截齿的齿尖都位于同一平面上时，单位时间内的产煤量大幅度增加，会导致截齿的截割力增大，截齿寿命下降，同时，有可能造成排煤不畅或堵塞等问题。因此，筋板各排截齿间须存在一定的轴向间距。但排距也不宜过大，过大的排距则不能形成对煤体的完全截割，影响回采率。由于排距不仅与截齿的径向尺寸R、周向排列θ、定位角度γ有关，而且与钻头的运动参数有关。因而，可以根据截齿的运动情况、径向布置情况和保证钻孔内不留有较大煤棱等因素，来确定筋板截齿的排距。

按照以上步骤，逐步安装各个截齿，可以得到钻头的整体组装模型，如图3(a)和图3(b)所示。通过该模型，可以进一步利用有限元和动力学分析软件对布置好截齿的钻头进行性能分析，对实际应用起到很好的指导作用。

图3 钻头安装模型

3 钻头截齿焊装装置

钻头截齿焊装时，单凭人工操作不易掌控截齿的各个安装角度的精度，而且效率不高。因此，在实际装配焊接过程中，截齿的空间位置可以通过一种简单、实用、易于操作的钻头截齿焊装定位装置进行调整。

图4 钻头截齿焊装定位装置

如图4所示，截齿焊装定位装置主要由支架、周向刻度盘、周向旋转盘、角度调整装置1、角度调整装置2、周向定位装置和导向轴组成。其中，周向刻度盘、角度调整装置1以及角度调整装置2都装有刻度盘，以便转动相应的部件时可以获得精确的齿尖坐标和截齿中心线方位角。利用截齿定位装置调节截齿空间位置的具体步骤如下：

1）将未焊接齿座的钻头放在可以调整旋转的周向旋转盘上，利用定位螺栓将钻头和周向旋转盘固定成一体，按设计说明调整周向旋转盘以获得精确的周向角度，然后用销钉固定在周向刻度盘上；

2）调整轴向定位装置，获得合适的轴向定位；

3）转动角度调整装置2，精确定位角度之后，利用定位螺栓其固定在轴向定位装置上；

4）转动角度调整装置1，得到精确地切削角，用销钉固定角度调整装置1的相对位置。将齿座对准调整好的齿尖后，所有调整都已就绪，此时可以将齿座点焊到筋板或者端盘上。

通过上述步骤，即可快速、高效、精确的齿尖位置，更加方便的焊接齿座。

4 结束语

1）总结了螺旋钻采煤机钻头的设计开发流程，为钻头设计和截齿布置提供清晰的思路和方向；

2）以等体积或等功率切削、过煤条件及钻孔内不留煤棱等为依据，提出了钻头布齿设计的一般方法和步骤，并确定了截齿径向布置、周向布置及轴向布置的基本要求和相关参数的选取原则；

3）通过一种简单、实用、易于操作的钻头截齿焊装定位装置对截齿齿座的空间位置进行调整，给出相应的操作步骤，提高了焊接精度和工装效率。

[1]宋相坤.螺旋钻采煤机钻头设计研究[D].徐州:中国矿业大学,2007.

[2]M P Evenden,J S Edwards. Cutting theory and coal seam assessment techniques and their application to shearer design[J].Mining Science and Technology, 1985, 2(4):253-270.

[3]刘过兵.机械化开采无人工作面的研究[J].矿业世界,1994(2):7-9.

[4]刘建风.PDC钻头布齿研究及其计算机辅助设计[D].成都:成都理工大学,2003.

[5]张鑫,曾庆良.掘进机截割头多目标优化设计研究[J].煤矿机械,2005(6):1-3.

[6]E. Mustafa Eyyuboglu, Naci Bolukbasi . Effects of circumferential pick spacing on boom type roadheader cutting head performance[J].Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research,2005,20(5):418-425.