山西能源學(xué)院 山西晉中 030600

掘進(jìn)機(jī)是井下機(jī)械化掘進(jìn)的重要裝備，截割頭是掘進(jìn)機(jī)截割破巖的核心零部件。在掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中，安裝在掘進(jìn)機(jī)截割頭上的截齒與煤巖直接相互作用，使截割頭承受劇烈的周期性沖擊載荷的作用。縱軸式截割頭外形通常為圓柱體、圓錐體和球體組合結(jié)構(gòu)，截齒在截割頭上按照不同形式螺旋線(xiàn)排列[1]，當(dāng)截線(xiàn)間距保持恒定時(shí)，相鄰截齒在截割頭表面的分布通常可歸納為交叉型和放射型 2 種典型形式。截齒在截割頭上的位置對(duì)截割載荷、截割能耗及截割振動(dòng)等掘進(jìn)機(jī)工作指標(biāo)具有顯著影響[2]。張夢(mèng)奇、Ji Junhong 等人開(kāi)發(fā)了縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了截割性能指標(biāo)的計(jì)算[3-5]；李強(qiáng)等人通過(guò) MATLAB 軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)采煤機(jī)斜切進(jìn)刀工況的截割阻力計(jì)算分析[6]；趙麗娟等人根據(jù)相似理論對(duì)縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，提高了截割頭的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)[7]。

筆者以掘進(jìn)機(jī)實(shí)際使用的截割頭為例，基于同一截割頭體設(shè)計(jì)了螺旋線(xiàn)數(shù)量為 2、3、4 的 3 種交叉式排列截齒的截割頭，進(jìn)行不同截深條件下的截割過(guò)程模擬計(jì)算，并對(duì) 3 種截割頭的有效齒數(shù)變化和工作載荷進(jìn)行對(duì)比研究。

1 縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭

縱軸式掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，截割頭在掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)或伸縮機(jī)構(gòu)的作用下鉆入煤巖中，并在升降和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用下連續(xù)擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道斷面的截割。為提高截割頭擺動(dòng)過(guò)程中的生產(chǎn)效率并兼顧截割頭鉆入煤巖的效果，EBZ260 掘進(jìn)機(jī)截割頭外形輪廓最大直徑為 1 125 mm，總長(zhǎng)度為 925 mm，共排列 42 枚錐形截齒，如圖 1 所示。設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到螺旋線(xiàn)升角、截線(xiàn)間距等因素，相鄰螺旋線(xiàn)上的截齒在圓周方向上相互交叉，形成網(wǎng)格狀排布結(jié)構(gòu)。隨截割頭的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)，各截齒按照其在圓周方向上的位置順次與煤巖相互作用。由于截齒不同排列參數(shù)對(duì)應(yīng)各截齒進(jìn)入和退出截割的順序不同，因此，同時(shí)參與截割的瞬時(shí)截齒數(shù)量、截割載荷等掘進(jìn)機(jī)工作性能指標(biāo)存在差異。

根據(jù) EBZ260 截割頭設(shè)計(jì)特征參數(shù)，通過(guò)對(duì)SolidWorks 二次開(kāi)發(fā)建立了螺旋線(xiàn)數(shù)分別為 2、3、4 的 3 種截割頭模型[8]，如圖 2 所示。截齒依次排布在等間距變升角螺旋線(xiàn)上，3 種截割頭圓柱、圓錐和球體段對(duì)應(yīng)的螺旋升角如表 1 所列。齒座中心高度為 78 mm，打擊角為 49°，截齒空間定位轉(zhuǎn)角平均值為 5.8°，截齒齒桿長(zhǎng)度為 80 mm，截線(xiàn)間距均為 26 mm，對(duì)應(yīng)的截齒數(shù)量均為 42 枚。

圖1 EBZ260 掘進(jìn)機(jī)截割頭Fig.1 Cutting head of EBZ260 TBM

3 種截割頭的截齒均交叉分布在截割頭體表面。1、2、3 號(hào)截割頭圓柱和圓錐段螺旋線(xiàn)間距平均值分別為 327、245 和 224 mm。各截割頭小端截齒分布密度均為且齒座間無(wú)干涉，但 1 號(hào)截割頭球體上齒尖平均距離為 186 mm，僅為 3 號(hào)截割頭的73%，對(duì)應(yīng)齒座焊接的操作空間相對(duì)較小，焊槍可達(dá)性相對(duì)較低。

圖2 3 種截齒排列參數(shù)的截割頭模型Fig.2 Model of cutting head with three kinds of pick arrangement parameters

表1 EBZ260 截割頭特征參數(shù)Tab.1 Character parameters of EBZ260 cutting head

2 截割頭載荷模擬計(jì)算原理

2.1 單齒工作受力模型

作用在單個(gè)截齒齒尖上的載荷可分解為切向力FC、法向力FN以及側(cè)向力FS，如圖 3 所示。隨著截割頭勻速擺動(dòng)，處于截割頭不同軸向位置和圓周角位置的截齒回轉(zhuǎn)半徑R和轉(zhuǎn)過(guò)的角度不同，截齒切削深度也隨之改變。按相鄰截槽間的相互作用關(guān)系，截齒的切向力和法向力可按式 (1) 和式 (2) 分別計(jì)算[9-10]。

圖3 作用在單個(gè)截齒上的力Fig.3 Force acting on single pick

相鄰截槽無(wú)相互作用條件下截齒的截割力：

相鄰截槽間存在自由面條件下截齒的截割力：

截割過(guò)程中作用在單個(gè)截齒上的載荷與煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度和切削深度相關(guān)，并隨截割深度的增加而增加。

2.2 截割頭載荷計(jì)算模型

截割頭工作時(shí)，各截齒繞截割頭軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿截割頭移動(dòng)方向切入煤巖。如圖 4 所示，在截深為H，鉆入深度為C的條件下，由于截齒在截割頭表面采取了交叉式排列，各截齒依次進(jìn)入有效工作區(qū)域，因此在有效工作區(qū)域內(nèi)同時(shí)與巖石相互作用的截齒總數(shù)會(huì)發(fā)生周期性波動(dòng)變化。

圖4 截割頭截割煤巖模型Fig.4 Model of cutting head cutting coal rock

在截割煤巖過(guò)程中，作用在截割頭上的總載荷與單個(gè)截齒承受的截割力、同時(shí)與巖石相互作用的截齒總數(shù)有關(guān)。截割總載荷沿相互垂直的 3 個(gè)方向的反作用力Fx、Fy、Fz可按下式計(jì)算[11]：

式中：k為截割頭在模擬計(jì)算中轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)；為截割頭轉(zhuǎn)過(guò)的圓周角，(°)；m為處于有效工作區(qū)域內(nèi)的總齒數(shù)；i為工作區(qū)域內(nèi)的截齒序號(hào)；為齒尖相對(duì)于截割頭體表面輪廓的法線(xiàn)與z軸的夾角，(°)；FC、FN和FS分別為單個(gè)截齒的切向力、法向力和側(cè)向力，kN，可表達(dá)為的函數(shù)[10]。

3 不同截深條件下的截割載荷模擬

3.1 截割過(guò)程中的有效截齒數(shù)

由于截齒沿螺旋線(xiàn)離散排布在截割頭表面，因此，在截割頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，處于工作區(qū)域內(nèi)的有效截齒數(shù)將隨截割頭的旋轉(zhuǎn)而改變。在截割頭全部鉆入煤巖條件下，按截深H為截割頭外輪廓直徑D的20%、40%、60%、80% 和100% 5 種狀態(tài)，分別對(duì)1、2、3 號(hào)截割頭處于工作區(qū)域中的有效截齒數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖 5 所示。當(dāng)截深為截割頭直徑的 20%～80% 范圍時(shí)，3 種截割頭的有效截齒數(shù)平均值均線(xiàn)性增加，擬合方差R2接近 1。當(dāng)在 0～20%，以及 80%～100% 范圍時(shí)，3 種截割頭在工作區(qū)域內(nèi)的截齒數(shù)均大幅增加。這是由于按截深分割截割頭直徑時(shí)，這 2 個(gè)區(qū)域中對(duì)應(yīng)的截割頭圓心角接近其余被分割區(qū)域的 2 倍，因此，上述區(qū)域中的有效截齒總數(shù)也接近為其余區(qū)域截齒數(shù)增量的 2 倍。

圖5 旋轉(zhuǎn) 1 周不同截深對(duì)應(yīng)的截齒數(shù)量變化Fig.5 Number variation of picks at various cutting depth while rotating one revolution

在截割頭旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，同時(shí)參與截割的截齒總數(shù)通常發(fā)生周期性變化，該變化與截齒在截割頭上的圓周相對(duì)位置有關(guān)。3 種截割頭在不同截深條件下有效截齒數(shù)平均值和變差系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表 2 所列。由于截齒總數(shù)相同，因此不同截深對(duì)應(yīng)的有效截齒數(shù)平均值接近。隨著相對(duì)截深的增加，1、2 號(hào)截割頭有效截齒數(shù)的變差系數(shù)均勻減小，且 2 號(hào)截割頭的變差系數(shù)平均值最小。因此，2 號(hào)截割頭在不同截深條件下截齒數(shù)的變化程度最小，同時(shí)參與截割的截齒數(shù)穩(wěn)定。此外，對(duì)于 3 號(hào)截割頭，當(dāng)=60% 時(shí)，有效截齒數(shù)的變差系數(shù)僅為 0.048。

表2 工作區(qū)域中的截齒數(shù)量變化特征Tab.2 Variation features of number of picks in working area

3.2 截割載荷模擬

截割載荷由處于工作區(qū)域內(nèi)作用在所有截齒上的切向力、法向力和側(cè)向力共同確定。在模擬過(guò)程中，當(dāng)截割頭相對(duì)煤巖的截深和鉆入深度確定后，將工作區(qū)域內(nèi)各截齒上的作用力進(jìn)行矢量合成，可獲得截割頭的工作載荷模擬結(jié)果。

對(duì)于由不同螺旋線(xiàn)數(shù)量形成的交叉式排布截齒的截割頭，為研究截割深度對(duì)載荷變化的影響，模擬計(jì)算中被截割煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度根據(jù)掘進(jìn)機(jī)可經(jīng)濟(jì)截割煤巖硬度范圍設(shè)定為 70 MPa，截割頭轉(zhuǎn)速為 60將截深作為變量，根據(jù)截齒齒桿的長(zhǎng)度以及截齒的空間姿態(tài)，以?xún)H硬質(zhì)合金與煤巖接觸為約束條件，獲得擺動(dòng)過(guò)程中截齒對(duì)應(yīng)的切削深度為 12 mm。圖 6 所示為 2 號(hào)截割頭在模擬過(guò)程中，截深按 20%遞增所對(duì)應(yīng)的 5 種工作狀態(tài)的載荷模擬結(jié)果。

圖6 不同截深對(duì)應(yīng)的截割載荷模擬計(jì)算結(jié)果Fig.6 Simulation results of cutting load at various cutting depth

在截割頭與煤巖初始接觸過(guò)程中，處于工作區(qū)域的各截齒開(kāi)始切入煤巖，在截割頭轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)的共同作用下，各截齒運(yùn)動(dòng)軌跡類(lèi)似月牙形，其切削深度近似正弦規(guī)律變化。在 0～360°模擬過(guò)程中，隨著截割頭連續(xù)移動(dòng)，各截齒切削深度逐漸增加，在截齒交叉排布的作用下，當(dāng)某一截齒離開(kāi)工作區(qū)域前，已經(jīng)有其他截齒進(jìn)入工作區(qū)域中，截割載荷表現(xiàn)為連續(xù)線(xiàn)性增加。但在上述過(guò)程中，各截齒的切削深度較淺，相鄰截槽間尚無(wú)法相互連通，各截齒處于欠相關(guān)狀態(tài)[12]，導(dǎo)致作用在截齒上的力相對(duì)較大。隨著截割過(guò)程的持續(xù)，各截齒截割深度不斷增大，在360°～540°范圍內(nèi)，相鄰截齒對(duì)應(yīng)的截槽從無(wú)相互作用的欠相關(guān)狀態(tài)，逐漸轉(zhuǎn)換為存在自由面的具有相互作用效果的定相關(guān)截割狀態(tài)，作用在截齒上的力相應(yīng)降低，截割載荷相對(duì)減小。當(dāng)截割頭轉(zhuǎn)動(dòng)角度超過(guò)720°后，各截齒的最大切削深度保持不變，且參與截割的有效截齒總數(shù)平均值相對(duì)穩(wěn)定，截割載荷的 3個(gè)分量呈現(xiàn)周期性變化，截割頭處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

4 截割載荷模擬結(jié)果分析

4.1 截割載荷與有效齒數(shù)的關(guān)系

由于處于工作區(qū)域中的截齒總數(shù)隨截深的增加而相應(yīng)增加，因此作用在截割頭上的載荷隨之改變。當(dāng)截深較小時(shí)，處于有效工作區(qū)域的截齒數(shù)較少，且存在截齒離開(kāi)工作區(qū)域時(shí)，由于截深突然減小為 0 而導(dǎo)致作用在截齒上的力也相應(yīng)減小為 0 的情況，因而載荷波動(dòng)較大，如圖 6(a) 所示；隨截深的增加，沿x、y、z方向的截割載荷分量均逐漸增加，由于工作區(qū)域中的截齒數(shù)量不斷增多，各截齒切向力的合力沿y方向的載荷分量發(fā)生改變，如圖 6(b) 所示；當(dāng)達(dá)到 60% 后，沿y方向的截割載荷分量逐漸超過(guò)沿z方向的分量，且y方向載荷變差系數(shù)從=40% 對(duì)應(yīng)的 0.376 降低為 0.187，截割載荷逐漸趨于穩(wěn)定，如圖 6(c) 所示；當(dāng)達(dá)到 80% 時(shí)，y方向載荷變差系數(shù)降為 0.477，載荷波動(dòng)進(jìn)一步減小，如圖 6(d)所示；當(dāng)截深到達(dá)截割頭直徑時(shí)，各截齒不再出現(xiàn)離開(kāi)工作區(qū)域后切削深度突降為 0 的現(xiàn)象，截割載荷分量曲線(xiàn)相對(duì)平滑，y方向載荷變差系數(shù)進(jìn)一步降為0.451，如圖 6(e) 所示。3 種截割頭截割載荷平均值與工作區(qū)域中截齒數(shù)平均值如表 3 所列，相關(guān)系數(shù)分別為 0.965、0.966 和 0.966。

表3 截割載荷平均值與工作區(qū)域中截齒數(shù)平均值的相關(guān)性Tab.3 Correlation of average of cutting load and number average of picks in working area

4.2 截割載荷與截深的關(guān)系

圖7 穩(wěn)定工作狀態(tài)下 3 種截割頭各方向截割載荷分量平均值Fig.7 Average of cutting load component of three kinds of cutting head in stable working mode

表4 3 種截割頭的截割工作載荷分量統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistics of cutting load component of three kinds of cutting head

當(dāng)截割頭處于穩(wěn)定工作狀態(tài)后，在不同截深條件下，3 種由不同螺旋線(xiàn)組成的交叉式排列截齒的截割頭在x、y、z方向上的載荷分量平均值計(jì)算結(jié)果接近，如圖 7 所示。各工況對(duì)應(yīng)的工作區(qū)域截齒數(shù)相對(duì)偏差范圍為 -0.30%～+0.36%，載荷分量相對(duì)偏差范圍為 -8.56%～+4.66%，且當(dāng)＞40% 后，載荷分量相對(duì)偏差范圍進(jìn)一步減小為 -1.47%～+1.55% (見(jiàn)表 4)。因此，穩(wěn)定工作狀態(tài)下，螺旋線(xiàn)的數(shù)量和螺旋升角對(duì)交叉式排列截齒的截割頭載荷平均值影響不顯著，相鄰截齒間的圓周角度不同是導(dǎo)致截割頭截割載荷平均值存在微小差異的主要原因。

隨截深的增加，處于工作區(qū)域中的有效截齒數(shù)增加，截割載荷隨之增加。當(dāng)＞80% 后，隨工作區(qū)域中截齒總數(shù)進(jìn)一步增加，處于離開(kāi)工作區(qū)域截齒與初始進(jìn)入工作區(qū)域截齒的切向力相互抵消，因此截割頭在x方向上的載荷分量隨截深的增加而降低，但沿x、y方向的合力隨截深的增加而增大。

對(duì)工作狀態(tài)穩(wěn)定后的截割載荷進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換，可獲得在x、y、z方向上的振動(dòng)頻率特征。表 5 列出了不同截深條件下 3 種截割頭截割載荷分量的前 3 個(gè)主要特征頻率成分。當(dāng)=20% 時(shí)，3 種截割頭處于工作區(qū)域中的截齒數(shù)為 7±1，其中 1 號(hào)截割頭的截割載荷第 1 頻率特征與處于工作區(qū)域中的截齒數(shù)一致；當(dāng)在 40%～60% 范圍內(nèi)時(shí)，第 1 頻率特征表現(xiàn)為截割頭轉(zhuǎn)頻，第 2、3 頻率特征表現(xiàn)為工作區(qū)域中的截齒數(shù)的變化；當(dāng)＞80% 后，第 1 頻率特征為截割轉(zhuǎn)頻。對(duì)比結(jié)果顯示，隨截深增加，3 種截割頭截割載荷的主要特征頻率逐漸減小至與截割頭轉(zhuǎn)頻相同，截割振動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定。

表5 3 種截割頭載荷分量的特征頻率Tab.5 Character frequency of cutting load component of three kinds of cutting head Hz

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

EBZ260 截割頭在四川廣元進(jìn)行了為期 1 個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，巷道截面為拱形，截面積為 12.3 m2，巖石硬度f(wàn)=5～7，平均日進(jìn)尺為 3.7 m，掘進(jìn)量為45 m3，掘進(jìn)截齒消耗為試驗(yàn)過(guò)程中，截割頭破巖效果良好，未發(fā)生由于截割振動(dòng)導(dǎo)致的整機(jī)停機(jī)故障。

截割頭升井檢查結(jié)果顯示，大端齒座外側(cè)面和球體區(qū)域出現(xiàn)磨損，如圖 8 所示。造成截割頭端磨損的主要原因是掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間掃底過(guò)程中，整個(gè)截割頭埋入松散切屑中，由于大端齒座旋轉(zhuǎn)的線(xiàn)速度高于其余位置截齒和齒座，使得磨損首先出現(xiàn)在該區(qū)域。此外，在清底過(guò)程中，僅截割頭球體段的一部分截齒與底板煤巖接觸，且該區(qū)域截齒和齒座長(zhǎng)時(shí)間處于切屑堆中，摩擦產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散出，導(dǎo)致較早出現(xiàn)磨損趨勢(shì)。因此，在掘進(jìn)機(jī)清底操作過(guò)程中，應(yīng)合理調(diào)整截割工藝，減少非必要清底操作時(shí)間。

圖8 2 號(hào)截割頭的磨損狀況Fig.8 Wear status of No.2 cutting head

6 結(jié)論

(1) 參與截割的截齒數(shù)量是影響截割載荷的主要因素。隨截深增加，處于工作區(qū)域的截齒數(shù)相應(yīng)增加。對(duì)于采用交叉式排列截齒的截割頭，在不同截深條件下，3 條螺旋線(xiàn)比 2 條和 4 條螺旋線(xiàn)的截齒數(shù)變化程度更小。

(2) 基于截割頭載荷計(jì)算模型，在不同截深條件下，按不同螺旋線(xiàn)數(shù)量排列截齒的截割頭載荷平均值接近，且截割載荷平均值與處于工作區(qū)域中的截齒數(shù)相關(guān)性較高，受螺旋線(xiàn)數(shù)量、螺旋升角影響較小。

(3) 隨截深的增加，截割載荷各分量的波動(dòng)程度逐漸降低。截深超過(guò)截割頭直徑的 80% 后，由于離開(kāi)和進(jìn)入工作區(qū)域的截齒切向力相互抵消，截割頭在沿移動(dòng)方向上的載荷分量隨截深的增加而降低。

(4) 當(dāng)截深較小時(shí)，截割載荷分量的主要頻率成分與處于工作區(qū)域內(nèi)的截齒數(shù)相關(guān)，截割載荷波動(dòng)相對(duì)顯著。隨截深增加，主要頻率成分逐漸與截割頭轉(zhuǎn)頻一致，截割載荷相對(duì)穩(wěn)定。