纵轴掘进机可伸缩小切割头结构的设计

摘要：切割头是掘进机的直接工作部件，其直径的大小直接影响到截齿的破岩能力。可伸缩切割臂因为结构比较复杂，切割头的直径也相应较大。在目前的掘进机种类中，大部分的可伸缩切割部都存在切割头直径过大，破岩能力不足的缺点。为了提高掘进机的破岩能力，适应岩石硬度较大的巷道，小直径切割头结构的研究，具有重大意义。

关键词：掘进机；伸缩结构；小切割头

中图分类号：U4 55.3+1文献标识码：A

一、现状

纵轴悬臂式掘进机的切割臂就功能来说主要有两种形式，即可伸缩和不可伸缩。可伸缩的切割臂保证切割头灵活地前后移动，具有操作方便，巷道成形好等许多优点。但因为要设计伸缩结构，导致切割臂的直径偏大，从而使切割头直径也相应较大。不可伸缩的切割臂虽然有很多不足，但它的结构简单，尺寸相对较小，它的最大优点就是可以采用小直径切割头。因此，掘进机产品中采用伸缩结构的切割头直径普遍比较大。

二、分析

切割头是掘进机的直接工作部件，其直径的大小直接影响到截齿的切入力即破岩能力。根据公式F=n/r，其中：F为截齿切入力、n为切割主轴输出扭矩、r为切割头半径。显然，截齿的破岩能力与切割头半径成反比，即切割头半径越小，截齿破岩能力越强。不伸缩的切割臂内部结构简单，切割臂外筒直径小，切割头体的直径也比较小，但它的缺点很多，主要有：切割范围小，落料收集不灵活，巷道清底困难等。因此，只要巷道条件允许，总是优先采用切割头可伸缩的掘进机作业。

目前，掘进机可伸缩切割臂的结构如图1所示。

图1

1、切割头体 2、切割主轴 3、动端盖 4、浮动油封 5、螺栓 6、静端盖 7、轴套 8、主轴承 9、伸缩筒 10、切割臂外筒

从图中可以看出，切割头体、切割主轴和主轴承是主要受力件。伸缩筒带动切割头伸缩，切割臂外筒起保护和加强作用。切割头体直径的大小直接受切割臂外筒的直径影响，可伸缩切割部因为要设计伸缩结构，所以切割臂内部结构复杂，在保证强度的前提下，外筒直径不可能缩小太多。受切割头破岩能力的限制，这种结构一般只能适合半煤岩和全煤巷道。

三、结构改进

如果把图1所示的结构稍微改一下，不采用这种切割头包围切割臂的结构，而是把切割头直径缩小后前移。其结构如图2所示。

图2

图2中，实线所表示的的是改进后的小直径切割头，点划线表示的是原来的大直径切割头。A、B两点分别为改进后和原来切割头工作时受力的近似位置，尺寸a、b分别表示两种结构切割头受力位置与主轴承的距离。这样改进，虽然能达到减小切割头直径的目的，但切割头整体前移导致切割头受力位置与主轴承的悬臂过长（如图中所示的尺寸a远大于尺寸b），力矩增大。从而使切割主轴以至整个切割臂的受力状况非常不好，轴承受到的径向力增大了许多（与悬臂长度成正比关系）。而实际在掘进机作业时，机器振动非常大，不稳定因素很多，主轴承和切割主轴的受力情况很复杂。主轴承的故障率一直很高，甚至发生过主轴断裂。而且，因为巷道条件和机器自身的结构限制，在井下维修更换很困难。这就要求我们在设计时应该想方设法地保护轴承和主轴，尽量设计出理想的受力结构。显然，以上的改进方案与实际情况不符，不可行。

四、新方案

经过以上分析，要达到减小切割头直径的目的，必须同时采取以下措施：第一、切割头前移，或改变切割臂外形，使头体直径不受切割臂限制；第二、轴承相应前移，确保切割头受力位置与轴承的距离不增加。明确了以上要点，再进一步改进，我们做了如图3所示的设计方案。

图3

1、切割头体 2、切割主轴 3、动端盖 4、浮动油封 5、螺栓 6、静端盖 7、轴套 8、轴承 9、伸缩筒 10、联结环 11、螺栓 12、切割臂外筒

在新结构中，把切割头的后端布置在切割臂最大直径之前，这样，切割头的直径就不受切割臂外筒的限制，可以做得足够小。与图1相比，多设计了一个联结环，用螺栓联结在伸缩筒上，起到固定切割臂外筒和伸缩筒的作用（在图1的结构中静端盖直接用螺栓联结在伸缩筒上）。同时主轴承向前布置，静端盖直径缩小并相应改动形状。从图3中可以看出，改进后的方案即可以达到减小切割头直径的目的，也能保证切割头受力位置与主轴承的悬臂长度保持不变。

采用新结构的切割头直径可以减少到700毫米左右，而原来结构的切割头直径最小也要850毫米，截齿的破岩能力提高了大约18%，而整机的体积和重量没有改变。

五、结语

煤炭产业是最重要的基础产业之一，综合机械化开采水平不断提高。但因为地质条件的限制，采掘比例失调的矛盾越来越突出。在我国煤矿中，很多巷道的岩石硬度大，截面面积小。大功率的掘进机体积太大，小功率的破岩能力差，都不能满足生产需求。因此机械化掘进难度很大。为解决这一矛盾，满足工程建设和煤矿高产高效生产的需求，研究小直径切割头，尽可能提高截齿的破岩能力，是目前综合掘进机研究的重要课题之一。

参考文献

[1] 吴波，阳军生.岩石隧道全断面掘进机施工技术.安徽科学技术出版社，2008.

[2] 陈铁鸣，王连明. 机械设计［M］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2003.

[3] 马新民. 矿山机械［M］. 徐州：中国矿业大学出版社，2003.