掘进机硬岩截割头的优化研究

刘晓飞

（晋能控股煤业集团挖金湾煤业公司， 山西 大同 037042）

1 截割头失效的形式及原因分析

当前我国煤炭行业处于高需求阶段，井下煤层地质变得越来越复杂，掘进面岩石的硬度越来越大，需要硬度较大的截割头来满足工程需要。图1 为EBZ160 掘进机的截割头工作情况，当其工作一定时间之后，齿座出现1/4 磨损。对所截割岩石进行断面检测发现其硬度f 为4.6。

图1 EBZ160 掘进机截割头磨损图

1.1 截割头失效的形式

截割头在钻探时无力；截齿以及齿座位置出现损坏；截割时粉尘较大。

1.2 截割头失效的原因

1.2.1 截割参数不合理

掘进机截割参数会对截齿产生直接的影响，同时影响掘进机整体的平稳性。掘进机参数包括切割深度、切割速度、进给量。假如岩石硬度较小时，则可以选择较大的切割参数。假如岩石硬度较大时，那么可以选择较小的参数。影响切割深度的主要因素为盘头以及相应的截齿。进给量主要受到行走机构以及相应的前伸缩油缸影响。经过工程考察发现，岩石层硬度均匀分布，当硬度达到最高时对截割头的进给速度进行设置且不存在最合适的参数，由此可以看出选择合适的截割参数显得非常重要。

1.2.2 截齿失效

当截割机对煤岩进行切割时，截齿过早或者连续截齿将对掘进机的生产效率产生严重的影响。截齿划分为两种形式：镐形截齿和扁形截齿。当前，悬臂式掘进机选用镐形截齿，由于其与岩石直接接触，极易导致截齿损耗，因此必须提高其硬度以及耐磨性等[1-2]。

1.2.3 截齿受力

假如选择的截割头直径比较小以及截齿数量比较少，那么当遇到复杂或者恶劣的环境，截齿受到的力将会增加，如表1 所示。同时截割头的形状、尺寸以及截齿排列方式等也会对掘进机的性能产生影响。

表1 单个截齿平均切割力情况表 kN

通过分析表1 可以发现，截齿单刀力受到截齿总数以及相应直径的影响。经过观察发现，单刀齿不能无限制地增加，主要受到截齿强度以及相应的耐用性的影响。与此同时，当单刀力过大时，其将会造成能源的消耗，以及降低工作效率。由此可以看出，在截齿经济性的有效范围内，根据相关参数确定合适的截割头直径以及相应的截齿数量，这样不仅可以有效地优化截齿的能力，而且能够提升截齿的工作效率。

假如在截齿选择方面失误，截齿不能有效地截割岩石，进而引起截齿截割失效。截齿在硬岩掘进时，其必须与岩石直接接触，必须在硬度、耐冲击、耐磨等方面达标。当截齿出现失效时，将会对工作效率产生严重的影响，出现过早或者连续截齿失效的现象，将不仅严重影响掘进效率，而且对截割头产生损坏。

经过分析发现，制约截割头截割效率的因素有截割参数的选择、截割头的设计、截齿的设计和选用喷雾系统等。

2 截割头的优化措施

2.1 优化截割头截齿的排布形式

1）计算三螺旋截齿排布轴向角。经过多次试验，使用定心三螺旋等升角的截齿排布，将截齿的分布形式划分为螺旋线，截齿以此间隔排列，形成对称的截槽，进而可以有效地保证截割头周边达到受力平衡的效果，形成较大切屑面，降低截割能量的消耗。

2）优化最小截割半径，这样可以有效地防止钻进岩柱。通常，传统的掘进机最小直径大于200 mm，其掘进比较困难，导致产生岩柱。对截割机进行优化处理之后，发现最小截割直径可以达到150 mm，从而可以有效地解决定位打孔问题，防止掘进过程中，岩石对截割头的损害。

3）对截齿安装角度进行优化设计，进而可以达到较好的破岩目的。最大限度地优化切削力，实现较好的截齿自传。

2.2 有效提高齿座的定位精度

在进行实验时，通常需要在截割头上面焊接截齿，使用人工定位的方式存在较大的误差，从而大大降低了位置、角度以及截割间距等准确性，将严重影响截割头的截割效率，如图2 所示。

为了能够有效地提高齿座的定位精度，通常选用截割头齿座自动点装、焊接系统、焊接的截割头定位点装等，主要包括定位机器人（其效果见图3）、焊接机器人以及相应的定位工装，其作用有：

1）可以使齿座对应特定位置，因此截割头都设定有定位程序；

图2 截割头截齿座精准定位自动焊接装置

图3 截齿座采用机器人定位点装的截割头效果图

2）在进行实验时，需要将齿座标记好，通过分析截割情况可以看出，对截割齿座不理想的位置进行分析，接着对齿座的定位参数进行修改，同时再次进行实验，直到找到齿座与截割对应的位置参数，并将其保存下来。

2.3 借助耐磨试验台选择硬度合适的截齿

为了能够对截割刀头耐磨性以及相应的齿柄结构进行优化，构造了截齿耐磨试验台，进而借助耐磨实验找到硬度合适的截齿，同时为了能够有效地对截割头的整体性进行验证，进行了“试验岩壁”。

3 改造后的硬岩截割头应用效果

经过改造的截齿在全岩与半煤岩巷道工作时，其能够截割岩石硬度f 的范围为6～8，寿命比普通的截齿高出3 倍，能够有效地提高生产效率和降低生产成本。