关于纵轴式掘进机截割头主要参数的研究

摘要 本文通过对纵轴式掘进机截割头主要参数的研究确定，能够提升纵轴式掘进机的截割效率，为掘进机截割头设计奠定一定的基础。

关键词掘进机 截割头 纵轴

掘进机截割头是截割头整体组成中非常重要的一个组成部分，截割头设计的合理与否直接影响掘进机的整机性能，因此由此有必要对掘进机截割头主要参数进行深入的研究。目前主要的截割头结构形式为球头圆锥圆柱形，这种截割头的球头圆锥部分利于掘进机的切割钻进，圆柱形部分有利于截割头卧底时浮煤的装运。主要参数包括截割头长度、直径、锥角以及叶片的高度。

1.截割头长度

截割头长度是指截割头沿其回转轴方向的长度，截割头的长度按最大外形，即截齿齿尖包络面计算，其值的大小主要影响掘进作业循环时间。

截割头长度的选择主要需要考虑工作面的煤岩硬度和节理发育，当煤岩硬度较低且节理发育较好时，可以适当加长截割头长度，以提高掘进效率；反之，则要缩短其长度。此外，纵轴式截割头长度应略大于截深，以降低煤岩对切割臂的磨损。

2.截割头直径

截割头平均直径一般简称为截割头直径，是决定掘进机生产率的首要因素。掘进机的理论生产率可按如下公式计算：

式中QT——掘进机的理论生产率，m^3⁄h；

λ0——煤岩的松散比；

D——截割头直径，m；

L——截割头长度，m；

vb——摆动切割速度，m⁄min。

由上式可知，当其他条件确定时，掘进机的生产率与截割头直径成正比。针对一特定工作面，采用大直径截割头，可减少切割循环次数，缩短切割时间，提高生产率。

式中T—截割头转矩，N∙m；

P—切割功率，kW；

n—切割转速，r⁄min；

F—切割力（平均直径处的）。

如上式所示，切割力 与切割功率 成正比，与截割头直径 、切割转速 成反比。所以与截割头长度参数类似的，当选用的截割头直径过大时，会降低每个截齿的切割能力，必要时，可以通过减小截割头直径来提升切割力。

在设计时，可以按如下公式初算截割头直径：

式中 Smax—掘进机可据最大断面面积，m^2；

k—巷道最大断面与截割头直径的比值，一般取k=30～40；

截割头直径初步确定后，可按如下公式校核：

通常，纵轴式掘进机截割头的直径为600mm～900mm，一些重型掘进机可超过1000mm。

3.截割头锥角

截割头锥角是指截割头锥体轴截面两母线之间的夹角，在确定截割头锥角时应主要考虑钻进效果、切割工况和断面平整度。

截割头锥角 直接影响钻进效果。实践证明，对于半煤岩掘进机，θ≈35°时，既可以保证顺利钻进，也能拥有很好的破岩过断层能力，同时能够保证切割效率；对于岩石掘进机，30°≤θ≤35°，能够提高钻进效果，在摆动切割时受力更好，切割更加平稳；对于小功率煤巷（最高硬度在f4以下）掘进机，选择6°～15°的锥角，可以在保证一定钻进效果的前提下提高切割效率。

选择截割头锥角时，还要考虑锥角对顶板、两侧帮和底板的平整度的影响，由于不同巷道的切割宽度和高度不同，截割头锥角很难适应全部巷道要求，所以一般只要求底板平整。如下图所示，设截割头卧底距离为0时，切割臂轴线与水平面夹角为 ，则可得出保证底板平整的条件：θ=α' 如图1所示。

图1 保证底板平整的条件

4.叶片的高度

叶片又称为导板，合理地布置叶片能提高截割头的排屑能力和切割效率。若叶片的参数和布局选择不合理，会发生堵塞现象，甚至造成截割头“闷车”。叶片的高度尺寸与截割头尺寸、螺旋头数、叶片厚度、钻进速度和切割转速相关，随工况不同而变化。因此通常参照同类机型类别确定，一般取50～80mm，部分重型掘进机的叶片高度在90mm以上。

通过上述对掘进机截割头主要参数分析研究，可以提高掘进机掘进效率，提升掘进机整机性能。

5.参考文献

[1] 李晓豁.掘进机截割的关键技术研究.北京：煤炭工业出版社，2008.

作者簡介

高春芳（1978—），男，河北保定人，工程师，毕业于河北工业大学机械学院，现从事掘进机设计工作。