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对掘进机截割头的设计改进分析

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摘 要:掘进机的截割头作为整个掘进机性能最为关键的部分,其与掘进机的工作效率有着至关重要的联系。也正因如此,做好掘进机截割头的设计改进工作,使掘进机的截割头性能得到根本的改善则具有十分重要的现实意义。该文笔者即结合个人多年从事掘进机截割头的设计工作的实践经验,通过仿真和验算,提出对掘进机截割头的设计改进方案,以期达到更好的使用效果。

关键词:掘进机 截割头 设计改进

中图分类号:TM21 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2016)03(b)-0073-02

众所周知,在掘进机截割头的运行过程中极易出现磨损现象,不仅降低了掘进机的整体工作效率,也对截割头的正常使用造成了一定的影响。也正因如此,近些年来掘进机设计研究人员纷纷加强了对截割头设计改进的研究工作。以下笔者即从掘进机截割头存在的问题入手进行粗浅地探讨,并提出掘进机截割头的设计改进建议以及设计改进后所取得了效果,以期为广大同行在今后的设计改进工作中提供有益的参考。

1 掘进机截割头所存在的问题

要想做好掘进机截割头的设计改进工作,就必须结合掘进机截割头的实际应用情况,从而分析出其在日常运行过程中存在的问题,进而为设计改进方案提供有力的依据。而根据笔者对大量掘进机的实际施工作业情况分析,清楚地发现目前绝大多数掘进机的截割头在施工作业之中都存在以下几点问题:第一,掘进机的截割头具有偏磨现象,截齿更换过于频繁且磨损较为严重,有时甚至还需要为截齿补焊相对应的齿座;第二,掘进机截割头的尾部磨损速度较快,必须对其进行定期维护处理;第三,掘进机截割头的切入性能往往较差,极易造成掘进机的过载停机问题;第四,掘进机截割头在截割时煤岩呈粉状剥落,且截割效率低下。

2 对掘进机截割头的分析与验算

该文取样某型号掘进机截割头,并对其进行分析与验算,该截割头的具体参数为:电动机功率160/110 kW;传输效率为90%;转速为46/23 r/min;扭矩29.9/37.4 kN・m;直径1140 mm;长度965 mm;截齿数量48个。

而如若此时我们利用掘进机截割头设计的计算机辅助设计程序,将截割岩石以及掘进机的相关参数进行输入,那么就可以根据实际的工况条件、掘进机截割头截齿排列研究,对截割头进行仿真分析与验算。如图1、图2所示,当岩层的实际接触压强达到300 MPa时,在一个周期内截割头的负载扭矩进刀为33 mm,此时的截割头呈现出完全切入状态,扭矩值为58.1 kN・m,大大地超过了掘进机截割电机能够承受的截割头扭矩。而当岩层的接触压强达到800 MPa时,则扭矩进刀15 mm,截割头也是完全切入,此时的扭矩值为85.0 kN・m,此数值是掘进机截割电机额定功率提供扭矩的2.27倍。因此,结合上述分析,我们可以看到,掘进机截割头的负载所具备的不均衡性会随着掘进机截割头在岩层中进尺的增加,而相应降低,我们以此为基础编制图3,以便更加直观地展示该情况。

3 对掘进机截割头的设计改进建议

结合上文掘进机截割头运行中存在的问题与分析、验算结果,笔者建议从以下几个方面入手,对掘进机截割头进行设计改进。

第一,根据上文笔者在掘进机截割头不同岩层条件下的计算机模拟仿真实验结构,笔者建议要想提高掘进机截割头的使用效率与掘进机的整体工作效率,应该进一步更改截齿的排列方式以及截齿的部分角度值,从而进一步降低截齿在实际运行中所受到的磨损,提高截割效率的同时,使其分布更为均匀。

第二,根据上文笔者的演算结果显示,减少掘进机截割头的直径,使其小于掘进机截割电机的额定扭矩能够有效降低掘进机在截割过程中出现停机故障的次数。这是因为截割头的实际直径大小对掘进机的工作状态有着至关重要的影响。所以,在截割头的设计改进之中应该给予重点关注与考量,仔细研究掘进机的实际工作作业方式,对掘进机截割头的直径进行准确计算,从而确保设计改进后的截割头能够始终处于高效率作业状态之下。

第三,做好掘进机截割头截齿的排列研究,进一步增加掘进机截割头的顶部截齿数量,最大程度上加大截割头的切入性能,从而降低截割头尾部的实际磨损情况。可以说此项设计改进过程,在一定程度上存在着较大的风险,所以,在对掘进机截割头的截齿数量进行改进设计时,必须要全面保障截割头、尾部分的性能。

第四,在截割头截齿的材料选用上,应该采用进口的合金材料,且根据实验证明,使用合金材料为截割头的掘进机,其耐磨性能要远远优于传统金属材料,从而进一步增强截割头截齿的耐磨性能与实际使用寿命,加大其机械性能的优异性。同时,还应该根据实际的岩层情况,更改截割头截齿形状,从而使截割头的截齿形状能够更加符合实际岩层的生产作业需求,也更能进一步体现出以合金材料为本体的截割部的最大优势与最佳使用价值。

第五,为了减轻在煤岩作业中对截割头盘根处的磨损情况,我们可以增加一定数量的耐磨板在截割头的后部。而耐磨板的实际添加数量应该以掘进机截割头的实际情况为准,添加的根本目的就是为了能够进一步削弱煤层对掘进机截割头的干扰,保护截割头盘根的位置,有助于缓解煤层对截割头的磨损程度,进而提高掘进机截割头的实际使用功效,从而在最大程度上有效降低磨损率。

而在设计改进后,我们可以将截割头的参数更改为:直径改为1 050 mm;长度改为1 120 mm;截齿数量降低到39个。

4 对掘进机截割头设计改进的效果分析

我们将设计改进后的掘进机截割头进行实际的截割验证,可以清楚地看到,设计改进后的截割头,其截齿与齿座磨损情况较之原截割头而言有着十分明显的减轻,切入性能与截割效率也有大幅度提高。改进后的截割头其截齿与截齿底座的磨损要大大小于原截割头。而正是由于截齿耐磨性能的提高,也使得对截割头截齿的更换频率大大降低,从而使得掘进机拥有更加优异的机械性能。

如若对其进行详细分析,那么可以看到截割头在设计改进后具备着诸多的优势。第一,改进后的截割头,其截割效率被大大提高。这是因为改进后的截割头其能够更好地去适应周围岩层的环境,并且按照岩层的实际环境需求进行施工作业,进一步降低了岩层对截割头的磨损,保证截割头在施工作业的过程之中始终能够处于最高效的操作状态之下;第二,改进后的截割头,其截割头性能被大大提高,最为明显的一方面就是在实际作业中,对截割头的更换效率明显降低了,且截割头的实际使用周期被大大增加,与改进之前相比,截割头的性能能提供更为优质的保障;第三,改进后的截割头,大大地降低了磨损程度。通过分析,我们可以看到,改进后的截割头其耐磨性能被大大提高,在很大程度上保证了截割头的完整性,提高了截割头的使用效率。

而上述对截割头的设计改进,笔者主要是从工程应用的角度,并且应用仿真分析与验证技术进行的,但并未对实际工作条件进行较为周全的考虑,如:围岩特性、地址条件、截割速度等种种因素。因此,该文笔者在截割头的研究方面稍显片面。因此,仅为广大同行作参考借鉴,并希望在未来的工作中,能够建立适合我国煤矿地质条件的截割载荷谱,从而为截割头设计改进提供更为有利的依据。

5 结语

综上所述,该文笔者结合个人实践工作经验与相关参考文献,就如何做好掘进机截割头的设计改进进行了粗浅探讨,旨在进一步改善掘进机截割头的自身性能,确保掘进机截割头的实际使用效果,延长掘进机截割头的使用寿命,从而更好满足掘进机工作需求,也希望通过该文笔者的粗浅阐述能够为广大同行在今后的设计工作中提供一些有益的参考与借鉴。

参考文献

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