掘进机截割头倾斜角度和掘进顺序的设计研究

陈先龙

（晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037003）

引言

掘进机被广泛应用于软、中强度岩层的隧道施工中。影响掘进机性能的参数有很多，而刀具间距、切削深度、跟踪刀数、刀具总数、切削顺序数、周截距、包绕角和倾斜角是刀具系带考虑的基本参数。镐按切割顺序错开排列，在切割头或滚筒表面形成螺旋排列，避免同步加载[1-3]。此外，当沿着旋转轴在一个平面上观察时，位于切割头或滚筒前部部分的工具轴逐渐倾斜到倾斜角度（α）的角落。这是为了避免工具或工具架与岩壁摩擦，也为了防止由于限制在角壁而导致镐的动态超载。在切削头和切削滚筒上布置的拖拽工具，根据工具轴相对于旋转轴的方向可分为两大类，即平行轴工具和量规工具。在平行轴工具中，相邻镐的轴沿着一条直线相互平行，垂直或倾斜于切割头或滚筒的旋转轴。零倾斜角的平行轴工具在连续采煤机和滚筒采煤机上随处可见，而斜轴工具在掘进机上非常常见[4-5]。一般情况下，刀具过载通常发生在刀头最前端的最后一量具即截角镐，在刀具系带时需要注意。根据机器类型的不同，后镐也向后倾斜以达到同样的目的。

本文通过多次线性切割试验，对掘进机切割头设计中的截齿和角截齿进行了研究。对倾斜角度为20°~90°的众多掘进机实际尺寸的切割头分别进行了全尺寸的实验室模拟。对每个切割头分别进行了两种不同顺序的切割序列模拟（即从自由面开始到角点，反之亦然），并详细讨论。定义了截齿和切角截齿的最佳条件，并对截齿的顺序进行了合理的比较。

1 理论分析

如果对给定的切削头或滚筒上的每个刀具的相对切削位置进行评估，就可以更好地解释测量参数随倾斜角度的变化。这可以通过构建一个“切割模式”来实现。该模式是在切割头旋转过程中，将切割顺序与每个刀尖的空间位置相结合而形成的切割横截面的排列。刀具参数如刀具的切削位置，刀具间距的真实值和切削深度可以根据“切削周长”来评估，“切削周长”是在相同的切削顺序或开始中排列的镐的尖端的轨迹。如图1所示，如果所有镐的周间距和行间距都是恒定的，那么这些参数对于平行轴工具可以表示为:

式中：β为刀具轴相对于切削圆弧位置的倾角；dr为同一顺序相邻刀具间相对前进度切削深放，mm；dt为真切削深度，mm；S为同一顺序相邻工具之间的原始序列间距，mm；St为同一序列工具间的真间距，mm；n为切割序列或开始的总数；A为切割头每转一圈的推进量，mm；T为截割头上的截齿总数。

对于这种安排的平行轴工具，切削周长是一条直线，这些镐扫过的截面积是恒定的。此外，每个镐的切割头轮廓与切割周长之间的角度（如上页图1中的β）也是相同的。对于给定的刀具系带，平行轴刀具的切削力和比能不会随着切削顺序的变化而变化。然而，这不是倾斜镐或非平行轴工具的情况，在倾斜角度下，镐的截面和位置变化很大。给定量规刀具的切削周长与切削头的轮廓不一致，在不同的切削方式下产生不同的切削轨迹。对于机头部分的最后一个镐，当从机头切削到机器侧时，切削周长保持在切削头轮廓的前面，而当从相反的方向切削时，则相反。换句话说，当从机头到机器侧面切割时，镐的轨迹更长。在这种情况下，有必要分别确定每个工具位置的变化。那么，该切削模式下斜镐或非平行轴刀具的刀具参数可以表示为:

图1 刀具参数与平行轴刀具的切削位置

式中：α为给定工具的倾斜角，（°）；γ为给定刀具的切线与相应的切削圆弧之间的夹角，（°），对于平行轴刀具，它总是为0；S为相邻工具之间的原始序列间距，mm；D为切割头直径，mm；k为跟踪刀具的数量。

2 切角镐模拟试验

2.1 切角镐模拟试验描述

采用0.66 m仪表成型机进行了实验室全尺寸岩石切割试验，直线推力为50 kN。75°锥角和55°攻角是首选的切削试验，由于机器的限制而无法承受高力量是由重型选择更高的锥角。在整个切割试验过程中，为了确保每一次切角镐的状态都是一致的，切割实验使用的是一种细粒均质各向同性砂岩，因为调查的范围是在相同条件下比较变量。岩样的部分力学物理性质见表1。

表1 岩石样品的一些机械、物理和矿物学性质

本文模拟试验考虑的切割头的最大直径为0.44m，因为实验整形机的十字头不能超出这个值。这个直径接近0.50 m的等效实用切割头的直径。每个切割头配备了总共16个工具，这些工具以重叠的方式在两个起点（两个切割顺序）上交错，在每条线上配备一个工具并单一跟踪。整个切割头上镐的周向间距保持恒定。考虑到成型机的性能，切割头每转一圈的推进量为12 mm。“距深比”取为3（对应18 mm），该研究是在相同岩石、工具和实验条件下进行的平行轴工具。

为了获得从0°~90°的大倾斜角范围，考虑了半球形切割头与圆柱体相结合。在相同的机器和操作条件下，测量工具和切角镐的倾斜度是唯一的变量。因此，在整个模拟试验过程中，与刀具、岩石类型和操作条件有关的所有参数均保持不变。然后，构建全尺寸模拟试验的切割头，如图2所示。沿切削头旋转轴观察从A1点到J2点的整个切削头周边，平均除以线间距值（18 mm），对应一个扇形4.63°，以确定刀具轴的角度位置。然后，通过保持每个切割头的圆周长度相等，得到了9个不同角截镐的切割头。例如，切割头1的外围开始于点A1，结束于点A2，这是切割头的角截镐，同样，它开始于J1，结束于第9个头的J2。模拟试验必须在两组中进行，因为整形机的十字头允许最大倾斜角52°。首先模拟所有的切割头从机器侧面到切角的过程，然后分别模拟从机器侧面到切角的过程。值得注意的是，这样的实验是非常繁琐和耗时的，因为必须进行无数次非仪器切割，直到仪器切割达到稳定的切割状态，重复4次。

图2 模拟的切割头

2.2 试验分析

当从机器侧到机头进行切削时，测量的量规工具的切削力和法向力均在较低的倾斜角处缓慢减小，然后在较高的倾斜角处突然减小（见下页图3）。当倾角达到67°左右时，其衰减幅度远大于量规工具，在此倾斜角后，其衰减幅度趋于相同。随着倾斜角度的增加，产量不断下降。量具比能在倾斜67°左右时稳定增加，在倾斜67°左右后陡然上升。截角齿的比能急剧下降，至67°倾斜角附近达到最低点，之后立即急剧上升。值得注意的是，切角镐开始作为量规工具，特别是在67°倾斜角度和之前，因为工具的力、屈服和比能值几乎与量规镐相同。当从机头向机器侧切割时，量规工具的刀具力和比能在大约65°倾斜角处表现出更高的值，然后在更高倾斜角处与相反方向的刀具力和比能趋于相似。在产量上没有明显的差异，这表明量规工具在两种切削模式下扫描了相同的截面。此外，除了测量到的最低倾斜角下的切削力外，截齿的切削顺序没有显著差异。在平坦的岩石表面上开槽获得的平均漏钢角为67.5°。

图3 量规工具与切角镐在倾斜角度下的切削力变化

将比能最小的67°倾角作为截齿的参考点；这意味着在此值之前或之后的任何倾斜角度下，切割动作都是低效的。这种情况可能是由点攻击工具或带脊形底座的重型径向镐的切削作用造成的。在垂直于切割方向的垂直平面上，镐将在与岩石接触处的轴线位置形成一个V形槽。在正常情况下，当切割不局限于任何一侧时，工具轴是将V形槽平分成两等份的对称线。这个V形区域的顶角称为半漏出角θ。无论工具的位置如何，它总是充分发挥其潜力，沿着其轴线创造出相等的两半。

当倾斜角度小于67°时，由于其一侧被限制在角壁内，工具无法形成对称的半V形槽，因此工具力更大。在67°倾斜角度下，工具有效地利用其全部潜力形成具有预期漏出角度的槽，这可能是比能量在该值附近触底的原因。倾斜67°角后，就不再是切角工具了，因为它具有上述量具的特点。结果表明，在给定的刀具和切削条件下，在平坦岩石表面上进行无松动的切槽时，刀具的最佳倾斜角对应于刀具的半漏角。

2.3 试验实际意义

研究表明，平行轴刀具的刀力和比能不随切削顺序的变化而变化，而量规刀具则相反。轴向式切割头直径较大，为了满足装载要求，同时也便于堆垛时对被切割物料的清理，一般从机头开始切割。然而，对于横式切割头来说，这在一定程度上可能是不必要的，因为切割可以从任意一侧开始。在实践中，在制造阶段，由于有限的区域，通常很难将工具夹放置在切削头鼻部的预定位置。刀架重叠是这一问题中经常出现的一个重要问题。以前对轴向式掘进机进行的地下试验表明，位于掘进机头最前端的镐和工具架非常容易损坏，因此，在使用这种类型的工具时应格外小心。

在地下槽式掘进作业中广泛使用的连续式掘进机上安装的间隙环刀是典型的量具，许多制造商通常从机头侧进行切割。间隙环刀的切削顺序也可以设置为从机侧开始。在最后一个导叶镐和邻近的量规工具之间要非常小心地保持适当的相互作用。经过改进后，在间隙环处的工具架寿命是之前设计的三倍。实际研究表明，间隙环刀的刀架寿命在切削顺序向机械侧改变时有所提高。

3 结论

在实验条件和本研究所描述的参数范围内，角截齿的最佳倾斜角近似等于岩石材料的半破断角。如果切角镐不在这个最佳倾斜角度位置，则会产生更高的比能。为提高切削效率，增加刀架保护，方便切削头的制造工艺，将规镐和角镐的最大倾斜角设置在岩石材料的半漏角处可能是有益的。当将切削顺序设置为从给定切削头的头端进行切削时，在倾斜角度低于最佳倾斜角值时，测量工具的截齿力会更高。平行轴工具，如采煤机滚筒上的叶片镐和切削头的锥形或圆柱形表面上的镐，不受切削顺序的影响，即切削可以从机侧或机头侧开始。