悬臂式掘进机截割头截齿排列优化研究

摘 要：为了提升掘进机应用效果，在对掘进机截割头外形轮廓分析基础上，对比2条、3条螺旋线下截割齿轮排布情况及对截割头性能影响，随后对2种不同螺旋线情况下的截割齿进行优化设计，并采用Solidworks软件对优选后的截割齿轮排布进行建模分析，结果表明，优化设计后的截割齿排布更有利于截割头切割煤岩，提升悬臂式掘进机性能。

关键词：掘进机；截割头；螺旋线；截割齿

近年来，随着我国科学技术的不断前进，悬臂式掘进方面研究取得快速发展，在矿井的煤巷、半煤岩巷中得到广泛应用，大幅提升了矿井巷道掘进效率[1-3]。与煤巷、半煤岩巷相比，岩巷掘进机受到掘进机机头破岩能力、粉尘以及刀具等制约，发展相对迟缓。岩巷掘进机截割头作为关键部件，直接影响到掘进机的整体性能[4]。因此，文中对悬臂式掘进机截割头截割齿轮排列进行优化，以期能提升掘进机的掘进效率。

1 外形轮廓

掘进机截割头的外形既要与掘进机结构参数、运动参数相适应，又要顾及到巷道掘进断面以及截割齿轮排布难易程度，是截割头的一个关键点[5-6]。文中具体以山西某矿正在使用的国产某型号掘进机为研究对象，对截割头设计的一般准则进行分析。使用的该型号掘进机截割头外形为圆锥、圆柱以及球形结合体的纵轴式设计，既可以满足摇摆、掘进工况需要，也可以使得掘进的巷道外轮廓较平整。

2 螺旋线设计

为了分析螺旋线数量及旋升角及对掘进机截割头性能影响，将两个外形相同的截割头分别布置2条螺旋线（截割头A）、3条螺旋线（截割头B），对于螺旋线相同的截割头，若改变螺旋线旋升角，则螺旋线间的间距在各个特征段会有较大差异。以3条螺旋线截割头B为例，若螺旋线旋升角设计均为14°，则螺旋线的间距从247mm缩小至21mm，在圆锥段及圆柱段的间距变化更为明显，绕行角度（圆周段）之和可以达到930°，特别是在截割头的端部，螺旋线间的间距非常小，这样的螺旋线布置方式不利于对截割齿布置，若将截割头B螺旋线旋升角改用变升角式，沿着截割头轴向方向上，旋升从11.5°渐变增加至25.8°，则螺旋线的间距从240mm逐渐缩小至63mm，在截割头顶端绕行角度（圆周段）之和可以为660°。這种螺旋线旋升角的布置方式有利于截割头在截割岩体过程中形成块度均衡的岩块，同时截割头在旋转过程中，螺旋线间间距比固定式螺旋上升角减少约13%，降低截割头掘岩过程中的磨耗。

3 截割线间距设计

为了比对两种截割线布置方式排布特征，在截割线上等间距2.5mm增加排布截割齿轮，截割线的排布间距分别为20mm、22.5mm、25mm、27.5mm进行截割齿布置对于截割头A，两条截割线，截割齿轮均衡的分布在2条对称的截割线上，具体不同段的截割齿分如表1所示。对于2条螺旋线的截割头A，应优选截割线间距为22.5mm以及25mm，对截割头进行设计，但是螺旋线间距为22.5mm时，截割齿在圆周方向上分布不均衡，可能会导致截割头受力出现周期性变化，引起设备共振，从而给掘进机带来危害，因此，应选用的截割线间距为25mm。

4 截割头模拟分析

截割头破岩时打击较在49°～50°间，齿座安装角在45°，转角选择为8°，当齿座干涉时进行小范围调整。采用Solidworks软件对截割头A、截割头B装配图进行设计，如图2所示。

从图2中可以看出，2中截割头出轮均是在截割线上均衡排布，截割头A上的螺旋线间距设定为280mm，截割头B上的螺旋线间距设定为240mm。因此，截割头A相对比截割头B更具有更大的容岩能力。在截割头的圆柱段以及与圆锥段均采用等间距布置，在截割头端头的圆球段，截割线间距逐渐降低，未出现齿轮的干涉问题。截割头A截割线起始处圆周角为180°，在截割头上旋转2.5周之后，终止位置处的圆周角为146°，1#截割螺旋线重叠度为2.41，同理截割头的2号截割螺旋线重合度为2.51，截割头截割螺旋线平均重合度为2.46；截割头B上1#、2#、3#截割螺旋线的重合度分别为1.69、1.73、1.80，3条截割螺旋线平均的重合度是1.74。上述两种截割头截割齿轮在圆周方向上排布均衡，在同一角度范围内。截割齿轮数量没有明显变化，表明截割齿轮的排距较为合理。

5 结语

对悬臂式掘进机截割头设计方式进行阐述，并分别对比截割头2条截割螺旋线、3调节个螺旋线下的齿轮排布方式，最终选定截割齿轮2条截割螺旋线条件下的最优截割齿轮排布方式，以及3条截割螺旋线下的截割齿轮排布方式，并对上述2中齿轮排布方式进行对比分析。研究成果为掘进机截割头设计提供一定的借鉴。

参考文献：

[1]王想.镐型截齿破岩机理及悬臂式掘进机截割性能研究[D].重庆：重庆大学，2017.

[2]阎鹏.掘进机截割头设计及有限元仿真研究[D].秦皇岛：燕山大学，2017.

[3]李旭.悬臂式掘进机关键结构的力学特性研究[D].北京：中国矿业大学，2017.

[4]张从亮.掘进机截割头运动参数及截齿布置参数对其截割性能影响研究[D].太原：太原理工大学，2016.

[5]黄田.悬臂式掘进机截割头截齿排列的优化设计[D].太原：太原理工大学，2015.

[6]王庆.纵轴掘进机截割头计算机辅助设计研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

作者简介：

穆海旺（1988- ），男，山西孝义人，2013年7月毕业于山西大同大学，煤炭工程学院，机械设计制造及其自动化专业，本科，现为助理工程师。