悬臂式纵轴掘进机截割头参数对截割性能的研究

[摘 要]悬臂式纵轴掘进机是被广泛应用于井下巷道掘进作业的一种综合性煤矿巷道掘进设备。本文针对悬臂式纵轴掘进机，重点研究了单个工作截齿截割时受力的受力情况，建立了截割受力的数学模型。此外，结合EBZ-75型掘进机实际工作条件，对截齿受载进行了数值仿真，为改进和完善截割机构的设计，提高掘进机工作性能提供了理论参考。

[关键词]悬臂式纵轴掘进机 工作截齿 数学模型 数值仿真

中图分类号：TD421.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）01-0025-01

0 引言

近几年，随着煤炭工业及相关行业的发展，国内外研究学者投入了大量的精力对掘进机进行研究。目前国内掘进机呈快速增长，具有广阔的发展前景，我国除用于煤矿巷道掘进外，掘进机正进入铁路、地铁隧道的掘进及公路建设等行业[1，2]。

纵轴式掘进机对截割脆性煤岩具有一定优势[3，4]，因此纵轴式掘进机在岩石开掘中得到了广泛使用。对截割头截割受载进行计算分析是进行掘进机工作性能分析的基础，对改进掘进机设计提高掘进机工作性能具有重要意义，本文主要针对EBZ-75型掘进机的单个截齿的受力进行计算分析和模拟仿真，为生产实践以及后续的研究奠定基础。

1 纵轴式掘进机单个截齿受力分析

掘进机进行截割工作时，截齿直接作用于煤岩体，因此要受到岩壁的挤压力及磨擦力等作用，将其所受的力在截割方向、进给方向及纵向分解，即可得到截割阻力Fz、牵引阻力Fy及侧向力Fx，单个工作截齿截割受力示意图如图1所示。

截割岩石时，截割阻力计算公式为

（1）

镐形截齿的牵引阻力为

（2）

式中Pk为岩石接触强度，MPa，其值大小可按与坚固性系数f关系参照表1选取；kT为截齿类型系数，镐形截齿取1.5；kV为截齿切削角影响系数，其值可按表2选取；kg为镐形截齿几何形状影响系数，值为kg= kφkαkd；kφ为硬质合金头形状系数，角锥为0.95，圆锥为1.0，双圆锥为1.1；kα为刀杆头部形状系数，圆锥为1.0，双圆锥为0.8；kd为硬质合金头直径系数，其值可按表3选取；t为平均截线间距，mm；hi为处于不同位置截齿的切屑厚度，mm，由式3计算；Sd为截齿刃面磨钝后在牵引方向的投影面积，镐形截齿取15～20mm2。

表1 接触强度Pk与坚固性系数f关系

表2 截齿切削角影响系数

表3 合金头直径影响系数

切屑厚度计算公式为

（3）

式中：v为摆动截割速度，m/min；n为截割头转速，r/min；m为截割头同一截线上截齿数；φi为第i个工作截齿位置角。

截齿所受侧向力计算式为

（4）

式中c1、c2、c3为切削断面影响系数，分别为1.0、0.2、0.1。

2 掘进机单齿载荷模拟研究

对掘进机截割载荷进行研究，最好的方法是在掘进截割时进行实际测试，但由于掘进机体积庞大，且作业环境复杂恶劣，造成现场实验研究较困难。因此，利用计算机技术对截齿载荷进行模拟，已经成为理论研究截割性能的重要途径。

由掘进机受力数学模型分析可知，截齿受力大小与岩石接触强度、硬质合金刀头的形状、尺寸以及截齿的切屑厚度等因素有关。当各影响因素选定参数后，利用MATLAB软件对单个截齿在摆动截割一个工作循环内，即截齿位置角在0～π范围内的截割阻力、牵引阻力和侧向力进行模拟。

取该型掘进机经济截割硬度f=6，即接触强度为MPa，截割头转速45r/min，横摆速度1.5m/min，截割头旋转一周单齿载荷模拟曲线如图2所示。

由图2可看出，单个截齿从进入截割状态到完全退出截割状态，受力服从正弦分布，并且在位置角处受力达最大。单齿截割载荷值出现正弦变化规律主要是受截割过程中切屑厚度变化影响。在一个工作循环内，切屑厚度值随工作截齿位置角的变化而变化，且由式3切屑厚度计算公式可知两者之间服从正弦变化规律，因此，在位置角处切屑厚度值达最大，导致截齿截割阻力在时达到最大。

3 小结

文中对悬臂式纵轴掘进机在截割工作时的受力情况进行了分析，利用常用的掘进机截齿载荷计算方法，得到了在截齿截割岩石时单个截齿受力数学模型。并针对EBZ-75型掘进机，结合其结构特性及使用环境，对截割载荷进行了数值模拟分析，得到了单齿截齿载荷的变化规律，为后续的结构分析和优化提供了理论依据。

参考文献

[1] 汪胜陆，孟国营，田，等.悬臂式掘进机的发展状况及趋势[J].煤矿机械，2007，28（6）：1-3.

[2] 毛君，吴常田，谢苗.浅谈悬臂式掘进机的发展及趋势[J].中国机械工程学报，2007，5（2）：240-242.

[3] 方志淮，王吉安.掘进机掘进技术的发展现状[J].矿山机械，2003（11）：11-14.

[4] 赵学社.煤矿高效掘进技术现状与发展趋势[J].煤炭科学技术2007（4）：1-10.

作者简介

张杰（1981-），男，河北固安县，助理工程师，经济师，2004年6月毕业于河北建筑科技学院，工学学士，江煤集团贵州矿业有限公司工程技术部，从事生产技术管理。