纵轴掘进机截割头设计.doc

1 截割头形状 卧底机的截割过程包括截割头的轴向钻进和摆动截割。为了使截割头钻进容易，应保证在钻进过程中有较多的截齿工作，这就要求截割头的钻孔轮廓为扩散形。而在横切时，从截齿受力合理考虑，应使截齿的轴线与工作面煤壁表面平行，截出的轮廓应为筒形。参考纵轴式掘进机截割头的形状，大致分为柱形、锥形和锥形加柱形3种。柱形截割头横切时，截齿受力较好，但如不采取有效的措施，钻进工作面是困难的。而且，在钻进过程中，主要是由截割头前端靠近煤壁表面的几个截齿工作。为了使柱形截割头形成扩散形的钻孔轮廓，可采用变高度螺旋叶片，即叶片的高度沿截割头轴线方向从前往后是逐渐增加的。这样既可满足钻孔轮廓的要求，又增大了排屑能力，防止截割头堵塞现象的发生。但是，由于截齿位于叶片上，虽然在外廓尺寸一样的条件下截齿受力不变，可是叶片增高后使力臂加长，为保持原有的刚度，就要加大叶片厚度，这将造成截割头重量增加 对机器的稳定性不利。而且，变高度叶片加工较困难，给生产带来不便。对于锥形加柱形截头头，由于截齿的布置是其轴线垂直于头体母线，这样，锥段上的截齿是向前倾斜的，有利于截割头钻进工作面。而柱段上的截齿轴线垂直于钻进方向，横切时受力较好，但在钻进时截齿承受较大的侧向载荷，容易造成断齿、齿座脱落等现象。而且，这种截割头的形状复杂，制造麻烦，截齿排列也较困难。显然，锥形截割头能很好地适应钻孔轮廓要求，是保证钻进容易的最佳选择。虽然横切时截齿受有偏载，但如能合理地进行截齿排列，就可改善截齿的受力。而且由于结构简单、制作容易。因此，应优先选用这种形状的截割头。国产掘进机的有些锥形截割头是由前锥盘和截锥体组成的。使用表明，这种截割头强度低不仅截刀和正切刀易坏，而且前锥盘与锥体的连接也会损坏。因此，建议采用图3所示的整体结构且使用同一种类型截齿的锥形截割头。2 截割头长度卧底机的进刀长度等于皮带机的宽度，实验表明，工作面的煤岩自裸露表面有压张现象，在压张区范围内，应力状态发生变化，煤体外移，横向变形，使抗截强度明显减弱，截割阻力减小，破碎容易，截割比能耗降低。为了利用这一效应，卧底机在压张区内截割即截割头长度要小于压张区的尺寸。测得的压张区长度约为工作面高度的310左右 ，该值大小与工作面的具体情况有关。但如果截割头长度太小，掘进机的截割虽然省力，可进尺速度却明显降低。截割头尺寸与皮带机机架宽度的关系应满足 L= S式中 L截割头长度 悬臂伸缩量 S皮带机机架宽度3 截割头直径截割头的直径是个很重要的参数，它决定着掘进机的生产率和截齿的截割能力，并与巷遭断面大小有关。掘进机的理论生产率式中 煤岩的松散比 D截割头平均直径，mL截割头长度，mV 横切速度，mmin显然，采用较大直径的截割头，可缩短截割工作面的循环时问 生产率高。但是，如果截割头的直径太大，虽然对提高生产率有利，但在截割头功率和转速不变的条件下，每把截齿的截割能力将减小。因为截割头的转矩式中 N截割头的截割功率，kW，n截割头转速，rmin截割头平均直径处的截割力该式表明，功率和转速一定时，截割头的截割力大小与直径有关。在截割头上不同位置，由于直径不同，截割能力也不一样。若按平均直径为D的截割头上有ne个截齿来考虑，每把截齿的平均截割力由上分析可知，截割头的直径大对提高卧底机的生产率有利，但截齿具有的截割力将减小，如果截齿的截割力小于截割阻力，就不能完成截割任务。反之，如果截割头直径太小， 虽然增强了对煤岩的破碎能力，但却降低了生产率。综上所述，截割头直径应按下面关系确定式中 Smax掘进机可掘最大断面K 最大断面与平均直径的 比值，根据国内外掘进机尺寸，K=30 -40 Z截齿的截割阻力4 截割头锥角截割头锥角的大小与钻进效果、巷道表面光滑性以及截齿的工况等有关。为了分析截割头锥角对掘进机截割性能的影嘀，利用计算机模拟的方法，对不同锥角时截割头作横向截割的过程进行了模拟，模拟结果表明，改变截割 锥角人小时，截制头横切的裁荷及波动无明显的变化趋势。可见，就整个截割头的载荷而言，锥角大小对截割头的横切工况影响不大。通过前面的分析可以看出，截割头锥角为零(柱形)时钻进困难。锥角太大时截割头两端的截齿截割力相差悬殊，大端的截齿因过载会很快损坏，而小端的截齿可能还夫被充分利用。可见，这是很不合理的。如果能按照截割阻力的变化规律来设计截割头，就能使截齿的截割力与截割阻力相适应，避免上述现象的发生。由(2)可知，任一瞬时截割头的周向力式中 np 参与截割齿数Zi 第i个截齿的截割阻力若某瞬时参与截剖的甫数为1，则由文献(1)式中 A压张区内煤岩的抗截强度式中 式中 Ko 压张系数Ao非压张区的抗截强度h 平均切削厚度所以 对于正常工作的截齿来说，平均切削厚度是个定值，而对于某一具体工作面的条件，Ao是确定的。若取F1 =F0，则有这样，就可根据使用卧底机工作面的具体特性来设计截割头沿轴向的各点直径，从