不同形状截割头截齿排列的参数化设计
浅谈EBZ315掘进机截割头设计
浅谈ＥＢＺ３１５掘进机截割头设计刘青辉刘建伟石家庄中煤装备股份有限公司【摘要】随着煤矿业不断的发展，原有的掘金机械设备已经不能满足现代化煤矿企业发展需求，尤其是掘进机截割头。
在这种情况下，就应该从煤矿掘进实际状况出发，掘进机截割头进行相应研究，以便更好满足实际煤矿企业发展需求。
ＥＢＺ３１５是基于现在煤矿掘进所遇到的实际状况进行研究的，能更好满足煤矿掘金需求。
本文主要从ＥＢＺ３１５掘进机截割头设计研究的必要性、ＥＢＺ３１５掘进机截割头设计内容等方面出发，对ＥＢＺ３１５掘进机截割头设计进行分析。
【关键词】ＥＢＺ３１５掘进机截割头设计就现在煤矿开采状况来看，其主要在硬质岩道进行开采，这就给掘进机带来了一定负担。
原有掘进机截割头就不能满足硬质岩道掘金开采需求，这就需要采用新的的掘进机并对其掘割头进行重新设计，以满足煤矿硬质岩道开采需求。
而ＥＢＺ３１５掘进机截割头以其平稳、效率高、粉尘吸收少等优势已被应用在煤矿掘进中，为煤矿开采带来了新的生机。
为了使ＥＢＺ３１５掘进机截割头在煤矿掘进中，更好的发挥其作用，还需要对ＥＢＺ３１５掘进机截割头设计进行深入分析。
如何更好的对ＥＢＺ３１５掘进机截割头设计进行分析，已经成为相关部门值得思索的事情。
一、对ＥＢＺ３１５掘进机截割头设计研究的必要性正常情况下，载割头质量如何是由其载荷引起的。
而其载荷又是由煤岩抗截程度来决定的，其抗截强度的多变性、切屑厚度及截齿磨损程度等印度都会影响载割头荷载。
而现在的计算在一定程度上还处于还停留在简单煤层计算上，这就无法满足煤矿企业掘进机切割性能需求，需要对掘进机截割头设计进行进一步研究，尤其是对ＥＢＺ３１５掘进机截割头进行进一步研究，毕竟其是现在掘进机截割头中与煤矿掘进现状相一致的截割头。
从ＥＢＺ３１５掘进机截割头实际应用状况可以知道，切割头的荷载是比较复杂的，其在实际应用过程中，受空间因素的影响较大，很多时候会出现大量且难以预测的随机因素。
镐形截齿与刀型截齿的数值模拟比较研究
i
c
a
ls
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a
t
i
on,pa
r
t
i
c
l
ef
l
ow,PFC３D
ypep
ywo
现代化滚筒采煤机的截齿主要有镐形截齿和刀
型截齿.为了能够更直观地比较两者的性能,根据
李晓豁的刀形截齿截割试验与分析中的试验台进行
两种刀具的截割仿真,从而对比两种刀具的截割性
能,这对采煤机截齿安装有指导意义.
王春华对截齿截割作用下的煤体变形破坏规律
立的镐形截齿煤壁和刀型截齿煤壁均为 ６ 万个颗粒
认为切削力和其他参数的关系见式 (
１):
截割线速度均为 ３ m/s.镐形截齿煤样破碎过程和
型,被西方媒体报道并接受后,该模型被采用,他
c
o
s
２
φt
R＝
τh
(
n ＋１ １－s
i
n φt －γ －φ)
式中:R ———切削力,N;
(
１)
为了很好地比较两种刀具的性能优劣,需控制
本次数值模拟仿真对比了两种刀具的优劣,对后续的采煤机安装截齿有一定的指导意义.
关键词 镐形截齿 刀形截齿 数值模拟 颗粒流 PFC３D
中图分类号 TD４２１ 文献标识码 A
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不同截割参数作用下横轴式截割头载荷的模拟分析
和比较，得出截割参数变化对截割载荷的影响规律，为截割头的设计提供理论参考。
关键词 ：横轴式掘进机 ；截割头 ；载荷 ；模拟分析
中图分类号 ：TD 421
文献标志码 ：A
在掘进作业中，掘进机通过截割头的旋转，利用截齿 切割岩石或煤层进行工作，是掘进机中最直接参与工作的结 构，除了截割头自身材料的影响外，其工作参数的不同也会 呈现不同的使用效果 [1-2]。EBH-132 型横轴式掘进机是最常 见的横轴掘进机，该文对该型掘进机进行了工作参数分析， 通过分析截割头受力，建立截割头载荷的数学模型，再利用 MATLAB 分析软件模拟得出在不同截割参数作用下截割同 一种介质（取 f=5）时载荷的模拟曲线，旨为今后的截割头 分析、研究以及改进等方面提供帮助。
在 MATLAB 中编写计算程序 [4-5]，计算截割头向左摆动
m
¦ Lba
biri cosMi / Rb
i1
m
∑ Lbc = bi Bi / Rb i =1
m
∑ Lca = ciri cosϕi / Rc i =1
m
∑ Lcb = ciri sin ϕi / Rc i =1
（12） （13） （14） （15）
当横摆速度变为 vb=2m/min，其余设置不变（截割装置 转速 n=77r/min，每条截线上有 2 个截齿）时的载荷模拟曲 线如图 4 所示，各载荷的统计结果见表 5。
表 2 横轴式掘进机有关参数
外形尺寸 （长×宽×高）/m
横摆速度 （m·min-1）
截割头转速/ （r·min-1）
齿数
截割头 长/mm
4.7506
Pj/kW 42.0707 31.7356 37.7209
其次，对于掘进机在横切过程中的截割装置，各向载荷
掘进机截割头设计分析
பைடு நூலகம்关键 词
截 割 头； 头体 ； 螺 旋叶 片； 截齿
条件 、截 割速 度等 因素 。 另外 ，在 基础研 究 方面也 比较薄 弱 ，适 合我 国煤 矿地 质条件 的 截割载 荷谱 没 有建立 ，没 有完 整的 设计理 论 依据 ，计 算机 动态仿 真等 方面 还处 于空 白 ； 在元部 件 可靠性 、截 割方 式和 新型 式 的合金 刀 头材 料 等 核心 技 术 方 面 与 国外 有 较 大 差
指 导数 据 。后 面工作 中将 进行 计算 机模拟 ， 找 出理 想 状态 下 ，截 割头 长度 、直 径 、螺旋 线头数 、螺旋 间距 、螺旋 升 角和截 齿排 列等 之 间内在 关系 ，将最 优 的结果 应用 到工程 实 践 ，来 验证 设计 效果 。
２截 割头 的直 径
截 割 头 在 设 计 时 直 径 一 般 按 头 体 加 上 截齿 的大 径 。截割 头直 径 的大 小直接 影 响截 齿 的受 力 ，直 径越 大 ，截 齿阻 力也越 大 ，单 位 时 间 截 割 效 率 也 越 高 ，但 截 齿 磨 损 也 严 重 ，经济 效益 不好 ；截 割头 直径 小 ，影 响效 率 ，掘 进 进 尺 少 。 根 据 实 际 使 用 和 设 计 经 验 ，截割 头 直径 一 般在 ９ ０ ０ ｍｍ ～１ ２ ０ ０ ｍｍ之 间。
进 机截 割 头使 用现状 ，给 出 了截割 头设 计的
引言
掘 进 机 是 集 截 割 、装 运 、行 走 、操 作 等功 能干 一体 ，主要 用于 截割 任意 形状 断面 的井 下岩 石 、煤或 半 煤岩 巷道 。工 作时 ，截 割头 把岩 石切 割破 落 下来 ，装 载机 构把 破碎 的岩 渣转 运至 机尾 部 卸下 ，由后 面 的矿 车或 皮带 运走 ，从 而大 大 地降 低 了工人 的劳 动强 度 ，缩短 劳动 时 间 ，提 高 掘进进 尺 。 截 割 头 是 掘 进 机 关 键 部 件 ，其 功 率 消 耗 占据 了整 机效 率 的 ８ ０ ％左右 。 截割 头分 为 纵 轴 式和 横轴 式 ，纵轴 式采 用铣 削 原理 破坏 煤岩 ，而 横轴 式 则靠 剥削方 式破 坏 岩层 。 由 于 破 坏煤 岩机 理不 同 ，纵轴 式 主要 用于 较硬 岩石 ，而 横轴 式 则用于 较软 岩石 ，因此 纵轴 式 掘 进机 市场 需求 量也 大得 多 。本 文主 要分 析 纵轴 式 掘进 机 的截割 头 。 纵 轴 式 掘 进 机 截 割 头 由头 体 、截 齿 、 截 齿座 和 螺旋 叶片 组成 。 头 体 通 常 有 圆锥 形 、 圆柱 形 和 圆锥 加 圆柱 三种形 式 。 圆锥形 截割 头利 于 钻进 工作 面 ，但 由于 垂直 于 头体 母线 布置 的截 齿是 向 前 倾斜 ，当截割 头 摆动 截割 时 ，截 齿承 受较 大 的侧 向力 ，截 齿 容 易折断 ；圆柱形 头体 则 不 容 易钻进 工 作面 ，同时 ，截割 出 的底板 和 顶 板 呈 锯 齿形 ，支 护 困 难 ，增加 了 辅 助 时 间 ，增 加 了劳动 强 度 ；而 圆锥加 圆柱 则较 好 的 解决 了截 齿 易断 和不 利于 钻进 工作 面 的问 题 。 目前掘 进机 截 割头 设计 时主 要采 用 圆锥 加 圆柱 的形 式 。 截 齿 则 分 为 刀 形 齿 和 镐 形 齿 ，刀 形 齿 采 用径 向安 装 ，刀体 部分 承 受较 大弯矩 ，刀 体 需要 很高 的强 度 ；而镐 形 齿截割 阻力近 于 截 齿轴 线方 向 ，齿 的弯矩 小 ，固定 简单 ，设
不同形状截割头截齿排列的参数化设计
将该图向左或向右旋转 90°,即可适用于横轴 式掘进机截割头 ,即
tanα = vz / vr。 取 s为绕 z轴回转的弧长 , r为动点所在的回转体半 径 , <为动点转角 ,由 vz = dz / d t、vr = ds / d t得 :
表 1 设计参数 Table 1 D esign param eters
母线 形状
截割头 大端半 半锥角 / 长 /mm 径 /mm ( °)
排列 方式
α/ ( °) m 0 截齿数
直线 +
圆弧
750
440
16 顺序式 1317 2 22 + 18
直线 +
椭圆弧 740
420
14 交叉式 1510 2 24 + 14
况如图 2所示 。
456
黑 龙 江 科 技 学 院 学 报 第 19卷
图 2 椭圆弧所受约束 F ig. 2 Con stra ined elliptic arc
将两个约束条件代入可得 :
( z0
+ a2
c)
k
+
r0 b2
= 1,
c2 a2
+
r20 b2
z = f ( r) ,
r= g (<) ,
则螺旋线圆柱坐标方程 ( r, <, z) 。
111 常用母线的螺旋线方程
截割头包络面常用的母线有直线 、抛物线 、圆
弧 、椭圆弧等 。将各母线方程代入式 ( 1 ) 便可得到
对应的关系式 r = g ( < ) , 再代入式 ( 2)即可求出该
掘进机截割头运动参数的优化设计
文章编号:1001-0874(2004)05-0030-04掘进机截割头运动参数的优化设计张鑫,李新平(山东科技大学机械电子工程学院,山东泰安271019)摘 要: 根据单个截齿受力模型,采用计算机模拟的方法建立了基于截割头负载转矩波动和截割比能耗最小的优化设计数学模型,寻求最优的掘进机运动参数。
根据序列二次规划(SQP)优化方法,编写了优化设计程序。
优化设计实例表明,截割头的负载转矩变差系数减小了13.9%,截割比能耗降低了16.9%,有效改善了截割电机的负载特性,提高了能量利用率。
关键词: 掘进机;截割头;优化设计;变差系数;比能耗中图分类号:TD421.5 文献标识码:AOptimized Design of Kinematic Parameters ofCutting Head for RoadheadersZ H AN G Xin,LI Xin-p ing(College of M echanical and Electronic Eng ineering,ShandongU niversity of Science and Technology,Tai an271019,China)Abstract: According to the mechanics model of single pick,the mathematic model of optimized design based on load torque fluctuation and specific energy consumption of cutting head is built to search optimum kinem atic parameters of roadheader by means of computer simulation.The optimum design program is developed based on series quadratic prog ramming(SQP)optimum method.The optimum design example shows that the variation coefficient of load torque acting on cutting head is decreased13.9%,and specific energy consumption is low ered 16.9%,w hich efficiently improves the load characteristic of cutting motor and increases the ratio of energ y utilization.Keywords: roadheader;cutting head;optimized design;v ariation coefficient;specific energ y consumption掘进机的截割头所消耗的功率占整个掘进机功率的60%以上。
纵轴式掘进机截割头的设计
纵轴式掘进机截割头的设计作者：廉浩冯健来源：《中国新技术新产品》2014年第03期摘要：本文介绍了纵轴式掘进机截割头的设计原则，讨论了提高截割头截割效率的合理方案，提供了设计用的主要数据。
关键词：截割头；设计原则；截割效率中图分类号：TD42 文献标识码：A1 概要本文以纵轴式掘进机的截割头为研究对象。
截割头是掘进机的关键部件，它直接参与对工作面的掘进工作。
其设计参数较多，这些参数之间互相影响和制约，同时截割头的设计质量的好坏决定了掘进机整机的截割性能，这对截割头的使用寿命，以及整机的稳定性和可靠性都有着直接的影响。
2 工作原理掘进机的工作过程是：操纵行走机构向工作面推进，使截割头在工作面的左下角钻入，水平摆动油缸使截割头横向截割到巷道的右侧。
然后利用升降油缸把截割头上升接近等于截割头直径的距离，并使截割头向巷道左侧截割。
如此往复截割运动，截割头就可以完成整个工作面的截割。
当然掘进机的截割方式与掘进巷道断面的大小，形状，煤岩的分布情况有关。
在截割头截落煤岩后，由装运机构将其装进掘进机中间的输送机构，再最终装进矿车或巷道输送机。
因此，纵向截割头通常的截割过程可以总结为纵向钻进、水平摆动截割和垂直摆动截割三种工作方式。
3 结构研究3.1 影响设计的因素如果能保证在旋转截割的过程中，使参加截割的每个截齿都截割相同大小的煤岩，让各截齿的受力相等、运行平稳，并且产生的磨损也基本相同，这样的截割头设计是最理想的。
但是有很多因素影响截割头的设计，主要有以下几个方面：（1）煤岩自身的性质，主要有抗截强度、硬度、磨蚀性、坚固性系数等；（2）截割头的结构参数，主要有截割头的几何形状、外形尺寸、截齿排列、截齿数量以及截线间距等；（3）截割头的工艺性参数，主要有摆动速度、截割头转速、切削厚度、切削深度等。
在截割头的设计上，这些因素的影响并不是孤立的，它们之间相互关联和制约。
3.2 结构形式3.2.1 外形截割头的外形是指截割头的几何形状，它是由截齿的齿尖所形成的外部轮廓，通常称为截割头包络面。
关于纵轴式掘进机截割头外形设计的讨论
关于纵轴式掘进机截割头外形设计的讨论摘要:介绍了纵轴式掘进机截割头外形的设计要求以及重要的参数要求,联系实际的工作情况,对于截割头不同外形尺寸进行分析关键词:截割头外形参数我国各大煤矿采用的掘进机截割头,按其布置方式分为纵轴式和横轴式两大类。
而针对我国煤层的工况以及考虑使用的经济性,纵轴式截割头普遍被各种掘进机型所应用,现根据几年来我们公司设计和现场使用纵轴式截割头的情况,浅谈自己的认识。
1 截割头外形尺寸的确定截割头的外形尺寸很关键,一个合理的外形尺寸,不仅可以使截割头具有较强的破煤岩能力,而且在工作过程中可以获得较平整的巷道顶板、底板和侧帮。
(1)截割头的长度。
纵轴式掘进机截割头的长度是指沿截割臂轴向方向的长度,其值的大小影响工作效率。
截割头长度较长,工作时截割阻力增加,尤其是在截割臂摆动的过程中,会使截割臂摆动速度降低,一个工作循环的时间加长,影响掘进速度;截割头太短,钻进深度就会减小,也会使掘进机的掘进速度降低。
另外,截割头的长度与工作面的棚间距也有一定的关系,理想状态下,一次或几次掘进的距离应该等于整数倍的棚间距离(我们假设一次掘进的距离就等于一个截割头的长度),但是这种计算方式是不能实现的,因为各个地域地质条件的不同决定了工作面架设的棚间距离不同,所以这种算法不能得出固定的尺寸。
通常,根据实际经验,纵轴掘进机截割头的长度可取500～900mm,大功率的掘进机可以取到1100mm左右。
(2)截割头的直径。
我们先通过截割电机的功率来初步确定截割头的转矩:式中:P—截割头切割功率(kw)N—截割头转速(r/min)则截割头平均切割力F:式中:R—截割头的平均直径从以上计算可以推断,在功率和转速已经固定的前提下,切割力的大小与截割头直径有直接的关系,假设截割头上有m个截齿,且载荷均布,则会有:可见,若截齿数量一定,直径越大,每个截齿的切割力就越小,那么是不是截割头直径越小越好呢？显然不是的,截割头直径越小,工作面的循环时间就越长,工作效率就越低。
悬臂式掘进机截割头截齿间距对截割性能的影响
悬臂式掘进机切割头截齿间距对截割性能的影响E.Mustafa Eyyuboglu，Naci Bolukbasi摘要本文主要研究悬臂式掘进机球柱形切割头环状布置时，不同间距对截割性能的影响。
因此，本实验设计制造了两个实验用切割头，一个采取等间距布置，一个采取不等间距布置。
其中截齿不等间距布置的切割头经过了特殊的设计，以防止头部刀架发生重叠。
截齿等间距布置导致刀架头部刀架重叠，不易加工制造，因此通过实体建模和实际应用对其进行讨论。
这些切割头的切削性能测试及分析在土耳其Park Cayirhan煤矿进行。
尽管载荷平衡分析的结果预测等间距布置的截齿会有更好的截割性能，但通过对瞬时遍历速度和截割速率的测量，截齿的磨损和机械振动显示两种切割头的截割性能并无显著区别。
关键词：掘进机切割头设计环状节齿间距性能预测1.简介在切割头设计过程中首先要考虑的是减小截齿所受载荷的变化，这也将最大限度地减少切割头的振动，从而提高截割效率。
如果截齿沿整个切割头外围等间距布置，截齿所受的载荷变化将维持在最低水平。
但是，切割头端部有限的空间使得刀架不能够等间距分布。
另一方面，不同的截割条件使切割头上不同部位的截齿承受不同的截割载荷，例如：拐角处的截齿所处的截割工况较其他地方恶劣，因此将承受更大的载荷。
Hurt和MacAndrew曾提出在拐角处的截齿区域采用分度的栅格桁架以平衡截齿所受载荷。
但是，任何平均切割头截齿所受载荷的研究成果都未能在实际中得到应用。
截齿沿切割头的布置间距可分为轴向间距（S L）和周向间距（C S），如图1所示。
轴向间距是指相邻两截割线沿切割头轴向的距离，它取决于截割深度和被截割材料的可截割性。
周向间距是相邻截齿在与旋转轴垂直的方向上测得的角距。
周向间距取决于包角、切割头直径、行间距、截齿总数、刀架尺寸以及喷雾降尘所需的额外空间。
截齿间的轴向距离直接决定了截齿所能截割的断面面积，因此，截齿承受着载荷。
轴向间距对掘进机切割头性能的影响已经得到了系统的研究，并有详细的文件记录。
掘进机截割头的优化设计
掘进机截割头的优化设计作者：李龙来源：《科技探索》2014年第02期摘要：通过改变截割头的形状、截齿排列，来改善截割头的性能。
关键词：掘进机截割头截齿排列1 概述：掘进机作为巷道掘进设备，在矿山开采中起着重要的作用，截割头是掘进机的重要组成部分，在截割过程中，消耗整机的大部分功率。
截割头结构复杂，装配参数较多，这些参数直接影响截割头性能。
掘进机截割头在使用过程中，发现截割头有偏磨现象，截齿磨损严重，截齿更换频繁，有时还必须补焊齿座，截割头螺旋叶片和尾部磨损快等问题。
严重影响掘进机的截割性能。
分析原因：影响截齿和齿座磨损的因素主要有材料的耐磨性能，截割头外形及外径、截齿的形状及排列，内喷雾系统，截割岩石的地质条件和使用操作等，尤其是截齿排列对截齿磨损和截割头效率有很大影响，介绍图解法分析截齿排列。
2 几何参数2.1 外形尺寸的确定根据EBZ-160掘进机截割范围及效果的原则，截割头的最大外径D=1120mm，总长度为L=900mm。
2.2 截齿数量的确定根据资料查找及截割头的最大长度来确定截齿数为36个。
2.3 截齿在截割头上的仰角a的确定该截割头上的仰角对整机的截割效率和截齿的磨损起决定性的作用。
为了达到最佳的截割力传递，截齿安装的范围一般取a=45一48°，在此取a=46°。
2.4 螺旋线头数的确定为了使该截割头既有较强的截割力，又能较顺利地排屑，将截齿排列呈螺旋线状，因单头螺旋升角过小，排屑困难而不能选取，故选择双头螺旋排列。
3 截齿的布置方法3.1 设计原则3.1.1沿截割头体的轴线采用等间距均匀布置。
该间距称之为截距t，一般推荐取值范围为：t=20～50mm。
它与煤岩性质有关，截割硬度低的煤层时取大值，截割硬岩时取小值，中硬煤岩层，一般取t=25mm。
该，保证截割平稳，保证每个单齿等均匀磨损。
3.1.2沿截割头体的周向采用等角度均匀布置。
该角度称之为周向角θ，其原因、布置方法和目的与上述相同，它与布置的总截齿数相关，一般推荐取值范围为：θ=10°左右。
截齿卸煤机的设计
１ 冻 煤 的截 割 破 碎
１ １ 冻 煤 的截 割破碎 过 程 ．
冻煤 截 割 过 程 为 刀 尖 开 始 接 触 煤 体 的 极 短 时 间 内 ，刀尖 接 触 的局 部 范 围 内 产 生 弹性 变 形 ，接 着 产生 接 触 集 中应 力 并 逐 渐 增 大 。 当 它 超 过 某 个
能 为力 。 矿 用 采 煤 机 利 用 带 有 截 齿 的 滚 筒 旋 转 将 煤 层 破 碎 ，对 硬 煤 及 冻 煤 有 很 强 的 切 割 能 力 。 将 两 者 相 结 合 ，设 计 出 了 一 种 卸 冻 煤 的 截 齿 卸
煤机 。
相邻 截 槽 的 间距 ｔ 为截距 。截 距 和切 削 厚 度是 截 称
Ｋｅ ｗｏ ｄ ｙ ｒ ｓ： ｉ ｔ ｒｅ ；ｐ ｃ ｒａ ｇ ｍｅ ；ｐ ｃ ｕｔｉｇ ｐ ｒ ｍｅｅ ｎ ｅｃ ｐｔ ｉ ｋ ａ ｒ ｎ ｅ ｎｔ ｉ ｋ ｃ ｔｎ ａ ａ ｔｒ
目前 ，用 于 卸 火 车 车 厢 内散 货 的设 备 有 螺 旋 卸 车机 、链 斗卸 车 机 等 。其 中 螺 旋 卸 车 机 是 一 种 靠 重 力 将 滚 筒 沉 人 煤 炭 ，再 利 用 滚 筒 上 螺 旋 推
割过 程 的 ２个基 本 参 数 。 在开 始 截 割 的短 时 间 内 ，
如果 截 距 ｔ＞ｂ＋（ ６ ｈ ５～ ） ，相邻 截 槽 的截 割过程 互
不影 响 ，就 产 生 平 面截 割 的 情 况 （ ｂ为 刀 具 直径 ， ｈ为切削 厚 度 ） 。截 割 比能耗 在截 距 ｂ十（ １～１４ ｈ ．） 时最 小 ，这 个 截 距 被 认 为 是 最 佳 截 距 。 当 截 距 小 于最 佳 截 距 时 ，由 于切 削 断 面 太 小 ，截 割 比能 耗
截齿排布圆周角对纵轴式掘进机截割头设计性能的影响
截齿排布圆周角对纵轴式掘进机截割头设计性能的影响张梦奇【摘要】以变升角螺旋线纵轴式截割头为基础,采用三维设计结合仿真的方式,对截齿按等圆周角间距排布的QC型截割头和按不等圆周角间距排布的UC型截割头进行了设计计算.计算过程的外部参数均相同.当截割头转速为30 r/min,横向移动速度为0.04 m/s,钻入深度为截割头全长时,QC型截割头主要破岩区切屑图单元面积平均值比UC型截割头大11.7％,可获得更大的岩屑块度；且有效截齿数变动量和截割合力变动量均较小,载荷稳定性更好.仿真模拟结果表明,虽然QC型截割头制造相对复杂,但设计性能优于UC型截割头.【期刊名称】《煤矿机电》【年(卷),期】2013(000)002【总页数】5页(P19-23)【关键词】截割头;截齿排布;圆周角;截割性能【作者】张梦奇【作者单位】中国煤炭科工集团太原研究院,山西太原030006;煤矿采掘机械装备国家工程实验室,山西太原030006【正文语种】中文【中图分类】TD421.5+20 引言安装锥形截齿［1］的截割头因截齿损耗少和破岩能力强已被广泛应用于悬臂式掘进机上，对截齿的截割过程和排布形式已进行了大量研究［2-4］。
截割头外形、螺旋线特性、截齿和齿座类型、截齿排布形式是纵轴式截割头的主要设计因素，降低工作过程中产生的振动是截割头优化设计目标［5，6］之一。
本文对截齿按等圆周角间距排布的QC型截割头和截齿按不等圆周角间距排布的UC型截割头的性能特点进行分析和对比。
1 纵轴式截割头设计根据现有掘进机整机设计参数，截割头设计为圆柱、圆锥和球的组合体，螺旋线数为3［7］。
为使截割头在截入深度较大的条件下能够顺利排屑以及降低截割头大端截齿和齿座的磨损，采用变升角螺旋线形式(图1)，从圆柱体段到球体段，螺旋升角由12°逐渐增大为30°，且在球体上变化率较大。
在截割头大端减小升角，可减少岩屑沿螺旋线切线方向抛出时与截齿和齿座的磨损;在小端加大升角，有利于提高岩屑的排出速度。
纵轴式掘进机截割头的设计
工 业 技 术
Ｎｅ Ｗ Ｔ ｅ ｅ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ￣ ｉ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｒ ｏ掘进 机截割头 的设 计
廉 浩 冯 健
（ 北 方重 工集 团有 限公 司。辽 宁 沈阳 １ １ ０ １ ４ １ ）
摘 要： 本 文介 绍 了纵轴 式掘 进机 截割 头 的设计 原 则 ， 讨论 了提 高截 割 头截割 效 率的合 理 方案 ， 提 供 了设 计 用的主要 数据 。 关键 词 ：截割 头 ；设 计原 则 ；截割 效率 中 图分 类号 ： Ｔ Ｄ ４ ２ 文 献标 识码 ：Ａ
１概 要
３ ． ２ ． １ 外 形
截割力 矩 为 ：
Ｍ Ｃ ＝９５ ５ ０×Ｎ
本 文 以纵 轴 式 掘 进 机 的 截 割 头 为研
究对 象。截割头是掘进机 的关键部件 ， 它 直 接参 与对 工 作 面 的掘 进 工 作 。 其设
计 参 数较 多 ，这 些 参 数 之 间 互 相影 响 和 制 约 ， 同时 截 割 头 的 设 计 质 量 的好 坏决 定 了 掘进 机 整 机 的截 割 性 能 ，这对 截割 头 的使 用 寿命 ，以 及 整 机 的 稳 定性 和 可 割头 自身主轴转动就形成 了截割头的空 靠 性都 有 着直 接 的影响 。 问曲面轮廓。 ２工作 原理 ３ ． ２ ． ２ 组 成 纵 轴 式 掘 进 机截 割 头 主 要 由截 割 头 掘 进 机 的工 作 过 程 是 ：操 纵 行 走机 构 向工 作 面推 进 ，使 截 割 头 在 ｌ Ｔ作 面 的 体 、截 齿 、截 齿 座 、螺 旋 叶 片 、喷 嘴 、 左 下 角钻 入 ，水 平 摆 动 油 缸使 截 割 头横 耐 磨 块 等 组 成 。在 截 割 头 体 上 焊 接 螺 旋 向截 割 到 巷 道 的右 侧 。 然 后 利 用 升 降油 叶 片 ，将 截 齿 座 按 照 设 计 要 求 焊 接 在 螺 缸 把 截 割 头 上 升 接 近 等 于 截 割 头 直 径 的 旋 叶 片 上 ，截齿 安 装 在 齿 座 里。 喷 嘴 的 距离 ，并使截割头 向巷道左侧截割。如 位 置 指 向截 齿 齿 尖方 向 ，这 有 利 于 在 截 此 往 复 截 割 运 动 ，截 割 头 就 可 以完 成 整 割 时 对 工 作 面 的 灭尘 。因 为 煤 岩 体具 有 个 工 作 面 的截 割 。 当 然 掘 进机 的截 割方 磨蚀性 ，所 以在截割头体上焊接耐磨块 式 与掘 进 巷 道 断面 的大 小 ，形 状 ，煤 岩 的分 布情况 有关 。 在截 割头 截落 煤岩 后 ， 由装 运 机 构 将 其 装 进 掘 进 机 中 间 的输 送 机 构 ，再最 终 装进 矿 车 或 巷道 输 送 机 。 因此 ，纵 向 截 割 头 通 常 的 截割 过程 可 以 总 结 为 纵 向钻 进 、水 平摆 动截 割 和垂 直 摆 动截 割三 种工 作方 式 。 ３ 结 构研 究 ３ ． １ 影 响设计 的 因素 如果能保证在旋转截割的过程中， 使 参 加 截 割 的 每 个 截 齿都 截割 相 同大 小 的煤岩 ， 让 各截 齿 的受力 相等 、 运 行平 稳 ， 来进 行保 护 。 ３ ． ２ ． ３尺寸 参数 掘进 机截 割头 的尺 寸参 数 主要 包 括 ： 截 割 头 长 度 、截 割 头 直 径 、螺旋 头数 和 升 角等 。 （ １ ） 截 割头 长度 纵 轴式 掘进 机 截 割 头 的 长 度 是 指从 截 割头 顶 端到 底端 在 轴线 方 向上 的距 离 。 截 割 头设 计 的过 长 ，截 齿 的 截 割 阻力 增 大， 导致 截 割机 构的摆 动速 度受 到影 响 ， 截 割 能 耗 也会 增 加 ，如 果 截 割 功率 不 相 适 应 会 影 响 掘 进 速度 。反 之 ，截 割头 长 并 且 产 生 的磨 损 也 基 本 相 同 ，这 样 的截 度 过 短 时 ，虽 然 可 以 充 分 利 用 自由 面 和 割 头 设 计 是 最 理 想 的 。但 是 有 很 多 因素 地 压 的 作 用 ，减 小 截 割 阻 力 ，但 是 截 割 截 割的工 作循 环次 数加 大 ， 影 响 截 割 头 的 设 计 ，主要 有 以下 几 个 方 时 间会加 长 。 面： 使得生产效率降低。所以在截割 头长度 （ １ ） 煤 岩 自身 的性 质 ，主要 有抗 截 的设 计 中 ，应 予 以综 合 考虑 。 （ ２ ）截割 头直 径 强度 、硬度 、磨蚀 性 、坚 固性 系数 等 ； 截 割头 的直 径 主 要 影 响 掘进 机 的截 （ ２） 截 割 头 的结构 参 数 ，主 要有 截 割力 和＿ Ｔ作循 环时 问 。 截割 头直 径过 大 ， 割 头的几 何形 状 、 外形 尺 寸 、 截齿 排列 、 截齿 数量 以及 截线 间距 等 ； 则 切向截割力降低 ，当截割力 降到低于 （ ３） 截 割 头 的工艺 性 参数 ，主要 有 煤 岩 的截 割 阻力 时 ，截 割头 就 无 法 正 常 摆 动 速 度 、截割 头转 速 、切 削 厚 度 、切 工 作 ；而 当 截 割 头 直 径 太 小 ，截 割 头 切 削深 度等 。 向截割力增大 ，但 是由于掘进机截割 的 在 截 割 头 的设 计 上 ，这 些 因素 的 影 循 环 时 间变 长 ，同 样影 响掘 进 机 的掘 进 响 并 不 是 孤立 的 ，它 们 之 间 相 互 关 联 和 速 度 。当截割 功率 和截 割头 转速 一定 时 ， 单 个 截 齿 的平 均 截 割 力 受 到截 割 头 直 径 制约 。
纵轴式截割头截齿座集配装置的研究与设计_朱庆霞
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!图4斗箱解体连接图槽钢筋板支撑连接，以保证连接强度。
斗箱解体运输至盲竖井井口组装时，先将斗箱法兰整体组装后，将法兰内侧接口焊平再铺设衬板连接，衬板使用沉头螺栓连接，法兰可使用高强螺栓连接，保证斗箱强度。
斗箱解体连接如图4所示。
活动斗底拆掉旋转轴承、托轮后外型尺寸为1315mm ×1212mm ×1102mm ，在下方时可将活动斗底旋转一定角度后固定下放。
3现场安装考虑到井下施工条件，为缩短施工工期，箕斗在井上平台整体组装调试，在井口解体，运输至盲竖井井口后组装。
框架使用摩擦型高强螺栓连接安装迅速、连接紧密、受力性能好，其连接安全可靠具有较好的工艺性和经济性，对提高底卸式箕斗设计生产安全性具有广泛意义。
斗箱采用16Mn 高强度法兰连接，法兰螺栓孔配钻，组装后接口焊接等方法和工艺使解体重组后的箕斗满足了设计要求。
4结语实践证明4m 3底卸式箕斗的解体方案设计安全、经济可靠，井下施工方便、劳动强度低，可完全满足盲竖井箕斗的安装要求。
解决了底卸式箕斗在盲竖井运输、安装困难的问题，可广泛应用于盲竖井中小型底卸式箕斗的安装。
［参考文献］［1］国家安全生产监督管理局，国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程［M ］.北京：煤炭工业出版社，2009.［2］成大先.机械设计手册［M ］.北京：化学工业出版社，2008.［3］周学军.钢结构设计规范GB60017应用指导［M ］.济南：山东科学技术出版社，2004.（编辑黄荻）作者简介：赵传彬（1986—），男，助理工程师，从事矿井提升容器设计工作。
收稿日期：2014-09-29侧板后板法兰筋板前板前（后）板连接螺栓12×50钢板1214119645501346A A纵轴式截割头截齿座集配装置的研究与设计朱庆霞，丁传昱（西安煤矿机械有限公司，西安710032）0引言掘进机的截割性能是整机工作性能的综合体现，是直接决定整机的可靠性、经济效益和生产率的关键。
关于掘进机截割头截齿分布的研究
关于掘进机截割头截齿分布的研究魏苍栋高春芳(石家庄煤矿机械有限责任公司)摘要通过对掘进机截割头截齿功能的描述、分析，确定截齿、齿座的空间姿态3个定位角度参数。
通过截割头外形几何参数和定位角度的关系研究，确定数学公式、计算机程序，最终由计算机自动模拟仿真且输出各截齿位置参数。
关键词掘进机截割头截齿模拟仿真0引言在掘进机截割头设计中，截齿排列是一项重点内容，它包括确定截割头螺旋线头数和齿尖位置等参数，还包括决定截齿三维空间姿态的角度参数，如倒角廖、转角仅和仰角y。
这些参数关系到截齿工作性能，直接影响掘进机截割头的截割性能，关系到掘进机整机的使用效果。
1截齿及齿座安装定位将截齿及齿座安装到截割头上，齿尖位置由截齿排列参数决定，空间姿态由倒角口、转角理和仰角y决定。
安装定位过程的具体步骤是：(1)建立截割头主坐标系菇。
％‰，按照齿尖位置置入假想平面1。
如图1所示。
．一一、、，、|＼h／＼＼7面1|f图1 置入假想平面1 (2)根据倒角卢的要求，将面1以Y。
为轴“倒”一个卢角度，形成平面2，坐标系用戈：扎z：表示，如图2。
图2形成平面2图3形成平面3 (3)根据转角0[的要求，将面2以石：为轴“转”一个a角度，形成平面3，坐标系用x3Y，彳。
表示，如图3所示。
(4)根据仰角y的要求，将面3以z，为轴“仰”一个0c角度，最终确定截齿空间位置。
、在安装截齿定位过程中齿尖一直保持在设计位置上，而经过“倒”、“转”和“仰”3个步骤，即可确定截齿的空间位置。
从上面的叙述中可以看出，这种方法最显著的特点是，它的每一个步骤都可以用准确和简明的数学方法来进行描述，这不仅能使设计变得准确和直观，而且设计中所遇到繁琐的几何计算可以由计算机来自动处理。
2截齿排列由于决定截割头切削性能优劣的是截齿齿尖的排列，并且截齿座焊接也是以齿尖参数为基准，因此，截齿齿尖如何排列将是问题的关键。
2．1截线间距的确定截线间距作为两条截线间的距离，其大小直接影响截割头的破碎效果，因此，截线间距是设计截割头和进行截齿排列时要考虑的一个重要参数。
截齿排列
对于上述典型的非线性约束最优化问题， 前 目 最先进的解决方法是基于 ＫＴ ｈ－ ｃｅ） －（ ｎ ｕｋ 方程 Ｋ Ｔ ｒ ｕ 解的序列二次规划法（Ｑ ） Ｍｔｂ ＳＰ 。 ａａ 优化工具箱中 ｌ
低。
关键词： 掘进机； 截割头； 截齿排列； 载荷波动
中图分类号：Ｄ２． Ｔ ４１５ 文献标识码： Ｂ 文章编号： ０ － ４ ０ ） ０３ － １ １ ７ （０５０ － ３ ３ ０ ０ ２ ８ ４ ０ ０
Ｓｕｙ Ｂ Ａｒ ｇｍ ｎ ｏ Ｃ ｔ ｇ ａ ｏ Ｒ ａ ｈａｅ ｔ ｏ ｉ ｒ ｎｅ ｅｔ ｕｉ Ｈ ｄ ｏｄｅｄｒ ｄ ｆ ａ ｔ ｎ ｎ ｅ ｆ
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一。 ２０ ， ｖ Ｖ ｖ ，．ｔ ，
（ ｓ ） ｔ ｔ （ ｓ ）
Ｍ 变差系数最小的单项优化目 ｝ 标函数；
ｆ ｖ 一 单 优 标函 的 优 ｃ各 项 化目 数 最 ＲＲＲＭ ． ｃ Ｖ Ｊ ｂ
序号 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ５ ９ １０ １表 １ 截齿排列参数优化值
５８ ５８ ５３ ５３ ４９ ４９ ４６ ４６ ４ ４ ４２
３６０ １８０ ３２８ １４８ ２９５ １５ ２６３ ８３ ２３１ ５１ １９８
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煤
矿
机
电
２０ 年第４ ０５ 期
选高碳钢材料 １ （ ９ｉ ） ９ 或 Ｓ ｒ做刀片， Ｃ 强度、 硬度 都比较高。刀片宽度取３ ｍ 、 ６ 厚度取４ ｍ ｍ ｍ ２ 刀片角度 ） 刀片在切断钢丝绳时， 一 钢丝绳会出现钢丝的拉 伸、 弯曲和剪切等， 劈角越小， 其摩擦阻力越大， 刀片 图２ 刀床受力图 刃部所受的损伤越剧。选用劈角为 ３０并采用圆 ０， １ 刀片 ） 弧形刃部， 这样， 钢丝绳不易散开， 并可增大切削面 刀片切断钢丝绳的过程， 使钢丝绳每根钢丝的 积。 剪应力达到屈服点后开始沿剪强度相等的面滑移而 ３ 刀片支杆 ） 破裂， 最后达到塑性变形， 刀具和钢丝相互摩擦， 会 刀片支杆为一长圆柱体（ 或螺杆）选用２＃ ， ５或 使刀具磨损。因此， 刀具应具有足够的硬度和一定
截割头的设计
截割头的设计摘要截割头是掘进机截割部的一个重要组成部分，设计的合理与否、使用寿命等因素都是反映了掘进机性价比。
关键词截割头；设计随着我国经济的发展、综合国力的不断提升，对能源的需求也正与日俱增，特别是对煤炭的需求。
因此，给煤炭行业及煤机产业带了前所未有的发展机会。
掘进机作为煤炭开采的主力设备，不仅具有采掘效率高等特点，而且极大的减轻了煤矿工人的劳动强度。
截割头作为直接的截割工具，设计的合理与否直接关系到掘进机的使用性能。
1 截割头的组成部分截割头主要由截割头体、截齿座、喷水座、截齿四部分组成。
截齿座是以焊接的方式刚性地固定在截割头体上，而截齿则是插入在截齿座上，并用轴用卡簧锁死，使截齿的更换更加快捷方便。
喷水座也是通过焊接的方式与截割头体实现了刚性连接。
2 确定参数1）外形尺寸确定：根据整机截割范围、结果效果的要求，截割头的最大直径为DMax，总长为L截割头。
2）截齿形状、齿数的确定：截齿分为镐型齿、平截齿、片型齿三种，经过长期的使用比较，镐型齿不仅具有耐磨损、冲击强度好，而且具有磨损均匀、便于更换等优点。
齿数则是根据截割头相关的外形尺寸进行确定。
3）截齿仰角α的确定：截齿在截割头上的安装仰角α的范围的为45°～48°，选取一个合理的仰角不仅可以提高截割头的截割效率，还可以使截齿的磨损较均匀，充分发挥截齿的使用寿命。
4）截齿的轴向距离的确定：需要根据具体的机型、工况的不同确定截齿轴向距离。
5）螺旋线头数的确定：为了充分发挥截割头的截割力、又能够顺利的排屑，因此，将截齿的呈螺旋线状排列，根据目前的发展趋势，选择双头螺旋排列的方式。
3 截齿的排列图截齿的排列形式可以分为表示截齿座和表示截齿两种方式。
它的固定位置和方向直接影响到截割头的截割性能。
通过对比，后一种表示方式既可以表示出截齿尖的位置和方向，又可以把齿座的位置给予限制。
1）圆锥段截齿的分布状态：具体的排列状态如下图1所示。
EBZ40型矿用掘进机截割头设计及其受力分析
1 截割头镐齿的空间排列设计与载荷分析1.1 截割头镐齿相关设计要求对于EBZ40型掘进机而言，截割头是其中非常重要的工作部件，其结构性能的优劣对掘进机的工作效率有重要影响。
在设计截割头时需要考虑的因素较多，比如煤矿采掘工艺、煤矿特征等。
好的截割头结构设计需要确保所有的截齿受力均衡。
具体而言，设计截割头时的要求包括下述几点：（1）所有的镐齿都能够均衡受力，具有较小的振动；（2）截齿磨损小，截割比能耗相对较低；（3）具有较高的工作效率，避免产生过量粉尘。
除上述要求外还需满足国家标准中明确规定的要求。
1.2 镐齿空间排列设计（1）空间位置。
对于纵向截割头而言，镐齿与齿座连接在一起，而齿座又通过焊接的方式与截割体进行固定安装。
所以，镐齿的空间排列会受到截割体和齿座的影响，其空间位置可以通过齿尖坐标以及镐齿的中心对称线表示。
其中，齿尖的三个坐标值分别为镐齿轴向距离、回转半径、齿尖与竖直方向之间的夹角。
而镐齿中心线可以通过安装角、切削角和旋转角对其进行描述。
对于EBZ40型掘进机而言，切削角取为45°。
旋转角度会受到安装区域的影响，即不同区域的旋转角会存在一定的差异，其大小控制在8°~35°范围内。
安装角对切割效率有显著影响，对于切割区的安装角度为0°，其他区域的安装角度在30°~70°范围内。
（2）截割头外形以及镐齿的分布。
将截割头形状设计成为球锥形，镐齿通常都是以螺旋线的方式分布在截割体上，目的在于方便截割煤层并将煤矿及时排出。
由于截割头为球锥形，所以镐齿的空间分布为圆锥螺旋线。
设计有30个镐齿，经过计算得到截线间距大小在60~100 mm范围内。
1.3 镐齿载荷分析掘进机在工作过程中，不是所有的镐齿都同时在工作，而是部分镐齿在截割煤层的时候另一部分镐齿处于空闲状态。
所有镐齿都是处在“截割—空闲”的交替状态，因此其受力状态也是脉冲式的。
镐齿在截割煤层时必然会受到煤层对其产生的反切屑力作用。
基于虚拟装配截割头的截齿和齿座参数化设计
基于虚拟装配截割头的截齿和齿座参数化设计
李晓豁;史秀宝
【期刊名称】《石家庄铁道大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2010(023)003
【摘要】通过对掘进机截齿和齿座的分析，运用VC＋＋、Pro／TOOLKIT和access进行二次开发，获得了基于在截割头虚拟装配体环境的截齿和齿座的参数化设计程序。
运用该程序，直观地了解到不同尺寸截齿和齿座的干涉情况，为合理地确定截齿和齿座位置、正确地设计掘进机截割头提供了手段。
【总页数】4页(P73-76)
【作者】李晓豁;史秀宝
【作者单位】辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新123000
【正文语种】中文
【中图分类】TD421.5
【相关文献】
1.纵轴式截割头截齿座集配装置的研究与设计
2.不同形状截割头截齿排列的参数化设计
3.基于虚拟装配截割头的截齿和齿座参数化设计
4.掘进机截割头截齿参数对截割性能影响的研究分析
5.截齿尺寸对纵轴式截割头截割性能的影响
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黑龙江科技学院学报 Journal of H e ilong jiang Institute o f Sc ience& T echno logy
文章编号: 1671- 0118( 2009) 06- 0454- 04
V o .l 19 N o. 6 N ov. 2009
李晓豁, 等: 不同形状截割头截齿排列的参数化设计
457
旋转两周的摆动切屑图, 如图 5所示。
络面旋转上升 (见图 4), 同一螺旋线的截齿分布均 匀, 螺旋线间的截齿布置关系与式 ( 10) 、( 11) 吻合, 证明了建立模型的正确性, 达到了预定要求。等升 角条件下, 截线距由截割头底端向顶端递减, 与实际 工况一致。靠近截割头顶部 的截齿钻进工 作面较 深, 受力大, 截线间距小。截割头摆动截割时, 各截 齿的切削面积 较均 匀 ( 见图 5、6 ), 截齿 受力状 况 良好。
线性关系; 母线为圆弧和椭圆弧时, 与 r 呈三角函 数关系。若令式 ( 4)的 a = b = R, 可得式 ( 3 ), 可见
圆弧是椭圆弧的特例。这些公式形式简单、函数关
系明确、易于求解。
1 2 两条母线的连接模型
截割头包络面的母线一般由主切削段和过渡段
组成。对于纵轴式掘进机, 主切削段母线一般为直 线, 而横轴式掘进机, 主切削段母线可为直线或抛物
b=
- a2 r0 。 ( z0 + c) k
1 3 截齿的布置
截齿沿螺旋线离散布置, 为保证截齿截割煤岩
时受力均匀, 应使每个截齿的切屑面积相等 [ 4 ] 。对
于顺序式排列, 同一截线上相邻两个截齿的圆周差
角为
= 360 /m, 其中, m 为每条截线上的截齿数量, 即每线齿数。
对于交叉式排列, 第 i 条截线上截齿的圆周角 i 与螺旋头数 m 0 和相邻截线上截齿的角度 i+ 1、 i- 1保持一定关系:
第 6期
李晓豁, 等: 不同形状截割头截齿排列的参数化设计
455
手段落后、使用性能差等问题, 严重影响机器性能的 发挥。
目前, 截割头的设计多集中在结构和运动参 数的优化方面, 对其整体及参数化的设计研究较 少。截割头参数化设计最重要的是截齿 排列的参 数化, 螺 旋线布 齿 [ 2- 3] 是实 现截 齿排 列参 数 化的 有效方法, 将 截齿布 置于 截割头 包络面 的若 干条 等升角螺旋线上, 符合截齿排列的一般特征。但 是, 截割头包络面不是 圆柱面, 其螺旋线 与普通螺 旋线不同, 需要定义合 理的螺旋线方程, 以实现截 齿排列的参数化。笔者从定义截割头包 络面螺旋 线的升角入手, 构建不同形状截割头包络面截齿 位置的空间模 型, 以 便于 实现截 齿排列 的参 数化 设计。
( 3)
而椭圆弧形母线, 可由椭圆 弧方程 z = a [ ( 1- r2 ) /
b2 ] 1 /2得:
r = - b sin[ ( b tan ) /a ) ] + c4。 ( 4) 其中, c1、c2、c3、c4 为常数。当母线为直线时, r 随 的增长呈指数急剧减少; 母线为抛物线时, 与 r 呈
不同形状截割头截齿排列的参数化设计
李晓豁, 史秀宝, 吴 迪, 林其岳
(辽宁工程技术大学 机械工程学院 , 辽宁 阜新 123000)
摘 要: 通过对螺旋升角的定义, 建立截割头包络面螺旋线的数学模型, 提出等螺旋升角的截
齿排列理论, 给出不同形状截割头包络面母线的截齿空间位置模型。通过编制程序进行实例设计,
图 1 螺旋升角示意 F ig. 1 Schematic of sp iral r ise angle
将该图向左或向右旋转 90 , 即可适用于横轴 式掘进机截割头, 即
tan = vz /vr。 取 s为绕 z 轴回转的弧长, r为动点所在的回转体半 径, 为动点转角, 由 vz = dz / dt、vr = ds / dt得:
/( ) m 0 截齿数
直线 +
圆弧
750
440
16 顺序式 13 7 2 22 + 18
直线 +
740
420
椭圆弧
14 交叉式 15 0 2 24 + 14
编制程序 [ 5- 7 ] 绘制截割头包络面形状及截齿排 列情况, 如图 3、4所示。
2 设计实例与分析
根据建立的模型, 结合纵轴式掘进机截割头常 用的包络面形式, 设计了 直线 + 圆弧 !和 直线 + 椭圆弧 !两种包络面母线的截 齿排列形式, 设计参 数如表 1所示。
高校重点实验室 ) 开放基金项目 ( 07- 51) ; 中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目 ( M TK J- 08 - 311) ; 辽宁省大型工 矿装备重点实验室 ( 辽宁省第二批科学技术计划项目, 2008403010) 作者简介: 李晓豁 ( 1953 - ), 男, 辽宁省锦州人, 教授, 博士生导师, 研究方向: 现代机械设 计理论与方法、机械系统建模与 仿真、机电液一 体化技术、大型工矿装备的动力学行为与控制技术、车辆动态特性与控制, E m ai:l lix iaohuo@ 163. com。
i = [ 360 + ( i+ 1 - i- 1 ) /m 0。 为保证同一螺旋线上的截齿均匀布置, 各相邻 截齿所夹圆心角应相等。这样, 同时参与截割的齿 数保持不变。
表 1 设计参数 Tab le 1 Design param eters
母线 截割头 大端半 半锥角 / 排列 形状 长 /mm 径 /mm ( ) 方式
Abstract: T his paper discusses the developm en t o f a m athem at ica l m ode l for sp iral line of cutting head enve lope surface by defin ing rise ang le, presents the theory o f equa l rise ang le p ick arrangem en,t and in troduces the m ode l of p ick position obta ined for generatix of envelope surface w ith d ifferent shape o f cutting heads. P ractica l design by w orking out com puter program resu lts in cutting heads of two d ifferen t shape and figures of p ick arrangem ent and cutting pattern. T he results show that the pick arrangem ent de signed by the m odel features a un iform distribution, progressively decreasing transversa l distance from big end to sm all end o f the cutting head, uniform gross in chip area of each p ick, and better loads of picks, The pick arrangem en,t up to qua lifica tion o f pick arrangem en,t prov ides a foundation of p ick arrangem en t param eterization.
K ey w ords: roadheader; cutting head; pick arrangem en;t spiral line; cutting pattern; param eter ization
0引 言
截割头是掘进机的工作装置, 其形体尺寸、截齿
排列方式、切屑图形式对掘进机的截割能力、工作载
椭圆弧形过渡段母线, 其三个待定参数 (中心、长半 轴、短半轴 )只能确定两个。因此, 未被约束的参数
可设计成按需调整的椭圆弧高度, 以此推导椭圆弧
的连接模型。 取椭圆弧 z = - c+ a [ ( 1- r2 ) /b2 ] 1 /2, 受约束情
况如图 2所示。
45 6
黑龙江科技学院学报
第 19卷
图 2 椭圆弧所受约束 Fig. 2 Constrained elliptic arc
将两个约束条件代入可得:
(
z0
+ a2
c
)
k
+
r0 b2
=
1,
c2 a2
+
r20 b2
=
1,
z0 + h + c- a = 0, 则待定参数为
a=
z0
z0 + 2z0 +
kr0 , kr0
c= a - h - z0,
给定 直线 + 圆弧 !型的摆动速度 vs = 3 0m /m in、 截割头转速 n = 40 r/m in、煤岩崩落角 ! = 50 , 直 线 + 椭圆弧 !型的摆动速度 vs = 1 6 m /m in、截割头 转速 n= 50 r /m in, 煤岩崩落角 ! = 45 , 得到截割头
第 ห้องสมุดไป่ตู้期
tan = dz / ds= dz / ( rd ) = [ dz / ( rdr ) ] ( dr /d ), ( 1)
dz / ( rdr)项可由回转面母线方程求得, 代入式 ( 1)积 分便得到 r与 的关系:
r = g ( ),