掘进机截割头设计解析

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【摘要】在大型施工活动中，都需要借助掘进机才能够顺利推进工程进度，而截割头又是掘进机的重要组成零配件，它被用来打通和破碎坚固的地质岩层。经过多年的施工经验，本文发现影响岩层切割效率的因素十分多样化，因此必须做好截割头的设计工作，以提高其在实际工作中的使用寿命和工作效率。本文针对如何改进截割头的工作性能提出了几点建议和措施。

【关键词】掘进机；截割头；设计

悬臂式掘进机是当前最先进的一种工程设备，它具备切割、装载、运输、搬运、调度和清除场地的多种复合功能。因此，它的内部结构也十分复杂，主要由切割头、液压器、装载头、动力系统、传动系统、控制系统等重要功能配件构成。作为掘进机的重要工作部件，切割功能主要依靠切割刀、液压臂、动力传动器、升压器、动力电源等共同配合来完成。切割机在正常工作时，主要是利用切割头的前后运动和切割液压臂的纵向或横向摆动带动切割刀来完成切割。

截割部在正常运转时，切割头的运动主要是依靠驱动电源带动液压臂运动来实现，装在切割头上的刀片获得足够的力将坚硬的岩层破碎。如果需要推进切割深度，可以通过机械的动力系统朝前驱动来实现。切割机头被安装在能够自由转动的操作平台上，这样就可以利用操作平台连接的两个回转液压缸提供的动力来完成各种切割动作，通过这种动力设计，能够帮助切割机头实现多种工作角度变换，因此可以为操作人员提供多种切割方案。

掘进机的工作效率主要取决于截割头的设计，截割头要求各截齿负荷均匀，切割平稳，摆动小；截割比能消耗低，截齿消耗少；切割效率高，产生粉尘量小。

1设计简述

截割头的主要参数包括：截割头的长度、直径、锥角、螺旋叶片的头数与升角、截线间距等，这些参数直接影响掘进机的截割性能。

1.1截割头的长度

截割头的长度不仅与截割阻力的大小有关，还影响机器工作的循环时间和生产率。因此，必须合理地选取截割头的长度。

由于工作面煤壁附近的煤岩有压张效应，在压出带范围内，煤岩的抗截强度明显减弱，截割能力和单位能耗降低。因此，截割头的长度应设计在压出带范围内。

如果截割头长度过长，能够有效提高掘进机的工作效率，但是需要提供更多的动力。如果切割机的功率太小难以满足这样的施工要求，就会因为过大的阻力降低液压臂的运动速度和摆动幅度，因此会延长切割的时间周期，从而降低掘进效率。但是将切割头的长度压缩之后，就能够有效提高操作平台的自由角度，但是钻进深度会大大降低，也会影响掘进的效果。因此，要根据具体情况科学设计掘进机切割头的长度，通常长度控制在600～900毫米，对于功率较大的掘进机，其切割头的长度可达到1000毫米。

1.2截割头的直径

截割头的平均直径是一个重要参考指标，它的大小直接决定了掘进机的切割深度和工作效率。如果保持既定的工作功率，则切割头的输出功率是一个固定不变的参数，从力学的角度来看，如果切割头的直径越大，则切割力就会越小。因此，如果切割头的直径设计过大，将会显著降低切割力。如果工作时的阻力超过切割力，则会导致掘进机的工作效率大大降低。与之相反，如果切割头的直径设计过小，它就可以获得较大的工作效率，但是由于直径过小工作效率也会受到明显影响，降低生产率。从实际工作经验来看，纵轴式掘进机的截割头直径设计在500～800毫米范围内为宜，大型掘进机最大可到1000毫米。

1.3截割头的锥角

为了获得较平整的巷道顶板、底板和两帮，应结合悬臂的长度和回转中心的位置来合理的确定截割头的锥角。

对于确定的掘进机，其截割头的锥角是定值，对任意形状的巷道，一般不能同时满足上述要求。因此，就难以同时获得平整的顶板、底板和侧帮。一般锥形截割头的锥角可取为30°～50°。

1.4螺旋头数和升角

切割时产生的排屑量与切割叶片和安装角度大小有密切关系。如果叶片数量越多，就会增加单位时间内的排屑量，但必须要保证切割齿轮的排布规律，同时切割的功率要保证足够大，同时切割头的功能越大，则它的内部结构也十分复杂，这就会提高切割头的质量。实际工作经验证明，螺旋头数量最佳不超过4个为宜。有试验证明，如果对比较坚硬的岩层进行切割操作，则避免使用单头螺旋头，为了保证切割头的效率和降低损耗，应尽量减少截线距离。如果采用单头螺旋设计，就要降低螺距，但是会增加切割碎片的数量，增加施工粉尘量，从而显著降低排屑效率。因此，螺旋头数控制在3头最佳，对于中小型掘进机来说，一般多采用两头螺旋头。

螺旋升角对截割头的排屑过程影响比较复杂，关于最佳螺旋升角的取目前尚无确切的结论。在具体设计中，对于两头和三头螺旋叶片可取升角大于12°。

1.5叶片的厚度和高度

叶片厚度的确定主要考虑其强度、刚度和耐磨等因素，并和齿座是否布置其上有关。进行准确的计算很麻烦，一般可根据实际情况类比确定，通常取其厚度为10～30mm。

叶片高度影响排屑效果，应按截割头不堵塞的条件分析确定，因为对其计算相当复杂，所以通常可参照其他同类机型确定，一般取50～80mm。

1.6截线距

截线距的大小不仅能影响截割阻力和截落煤岩的块度，而且与单位能耗、截割效率有关。一般，对于裂隙少，崩落角小的中硬煤岩，截线距取为30～50mm；而裂隙多，崩落角大的脆性煤或软煤岩，可取为50～70mm。考虑在不同钻进深度时的截割阻力不同，截割头前端的截线距应该小一些，而后部的截线距应适当加大。另外，还要考虑截线距与切削厚度的合理比值，一般为1.5～2.5。

2结束语

截割头是掘进机最核心的工作配件，它主要是用来对付各种坚硬的地质岩层。切割头每次旋转，都会对岩层造成很大的挖空体积，这主要是切割头上的截齿啃咬岩层的结果。如果能够保证每个截齿受力均匀，损耗率相同，且运动匀速，就能够将切割工作效率提高到最佳状态。为了不断改进切割机的工作效率和性能，中外学者一致都在开展各种相关研究。

参考文献：

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