劉曉飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)挖金灣煤業(yè)公司， 山西 大同 037042）

1 截割頭失效的形式及原因分析

當(dāng)前我國(guó)煤炭行業(yè)處于高需求階段，井下煤層地質(zhì)變得越來(lái)越復(fù)雜，掘進(jìn)面巖石的硬度越來(lái)越大，需要硬度較大的截割頭來(lái)滿足工程需要。圖1 為EBZ160 掘進(jìn)機(jī)的截割頭工作情況，當(dāng)其工作一定時(shí)間之后，齒座出現(xiàn)1/4 磨損。對(duì)所截割巖石進(jìn)行斷面檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其硬度f(wàn) 為4.6。

圖1 EBZ160 掘進(jìn)機(jī)截割頭磨損圖

1.1 截割頭失效的形式

截割頭在鉆探時(shí)無(wú)力；截齒以及齒座位置出現(xiàn)損壞；截割時(shí)粉塵較大。

1.2 截割頭失效的原因

1.2.1 截割參數(shù)不合理

掘進(jìn)機(jī)截割參數(shù)會(huì)對(duì)截齒產(chǎn)生直接的影響，同時(shí)影響掘進(jìn)機(jī)整體的平穩(wěn)性。掘進(jìn)機(jī)參數(shù)包括切割深度、切割速度、進(jìn)給量。假如巖石硬度較小時(shí)，則可以選擇較大的切割參數(shù)。假如巖石硬度較大時(shí)，那么可以選擇較小的參數(shù)。影響切割深度的主要因素為盤頭以及相應(yīng)的截齒。進(jìn)給量主要受到行走機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的前伸縮油缸影響。經(jīng)過(guò)工程考察發(fā)現(xiàn)，巖石層硬度均勻分布，當(dāng)硬度達(dá)到最高時(shí)對(duì)截割頭的進(jìn)給速度進(jìn)行設(shè)置且不存在最合適的參數(shù)，由此可以看出選擇合適的截割參數(shù)顯得非常重要。

1.2.2 截齒失效

當(dāng)截割機(jī)對(duì)煤巖進(jìn)行切割時(shí)，截齒過(guò)早或者連續(xù)截齒將對(duì)掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)效率產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。截齒劃分為兩種形式：鎬形截齒和扁形截齒。當(dāng)前，懸臂式掘進(jìn)機(jī)選用鎬形截齒，由于其與巖石直接接觸，極易導(dǎo)致截齒損耗，因此必須提高其硬度以及耐磨性等[1-2]。

1.2.3 截齒受力

假如選擇的截割頭直徑比較小以及截齒數(shù)量比較少，那么當(dāng)遇到復(fù)雜或者惡劣的環(huán)境，截齒受到的力將會(huì)增加，如表1 所示。同時(shí)截割頭的形狀、尺寸以及截齒排列方式等也會(huì)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的性能產(chǎn)生影響。

表1 單個(gè)截齒平均切割力情況表 kN

通過(guò)分析表1 可以發(fā)現(xiàn)，截齒單刀力受到截齒總數(shù)以及相應(yīng)直徑的影響。經(jīng)過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，單刀齒不能無(wú)限制地增加，主要受到截齒強(qiáng)度以及相應(yīng)的耐用性的影響。與此同時(shí)，當(dāng)單刀力過(guò)大時(shí)，其將會(huì)造成能源的消耗，以及降低工作效率。由此可以看出，在截齒經(jīng)濟(jì)性的有效范圍內(nèi)，根據(jù)相關(guān)參數(shù)確定合適的截割頭直徑以及相應(yīng)的截齒數(shù)量，這樣不僅可以有效地優(yōu)化截齒的能力，而且能夠提升截齒的工作效率。

假如在截齒選擇方面失誤，截齒不能有效地截割巖石，進(jìn)而引起截齒截割失效。截齒在硬巖掘進(jìn)時(shí)，其必須與巖石直接接觸，必須在硬度、耐沖擊、耐磨等方面達(dá)標(biāo)。當(dāng)截齒出現(xiàn)失效時(shí)，將會(huì)對(duì)工作效率產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，出現(xiàn)過(guò)早或者連續(xù)截齒失效的現(xiàn)象，將不僅嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率，而且對(duì)截割頭產(chǎn)生損壞。

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，制約截割頭截割效率的因素有截割參數(shù)的選擇、截割頭的設(shè)計(jì)、截齒的設(shè)計(jì)和選用噴霧系統(tǒng)等。

2 截割頭的優(yōu)化措施

2.1 優(yōu)化截割頭截齒的排布形式

1）計(jì)算三螺旋截齒排布軸向角。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，使用定心三螺旋等升角的截齒排布，將截齒的分布形式劃分為螺旋線，截齒以此間隔排列，形成對(duì)稱的截槽，進(jìn)而可以有效地保證截割頭周邊達(dá)到受力平衡的效果，形成較大切屑面，降低截割能量的消耗。

2）優(yōu)化最小截割半徑，這樣可以有效地防止鉆進(jìn)巖柱。通常，傳統(tǒng)的掘進(jìn)機(jī)最小直徑大于200 mm，其掘進(jìn)比較困難，導(dǎo)致產(chǎn)生巖柱。對(duì)截割機(jī)進(jìn)行優(yōu)化處理之后，發(fā)現(xiàn)最小截割直徑可以達(dá)到150 mm，從而可以有效地解決定位打孔問(wèn)題，防止掘進(jìn)過(guò)程中，巖石對(duì)截割頭的損害。

3）對(duì)截齒安裝角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而可以達(dá)到較好的破巖目的。最大限度地優(yōu)化切削力，實(shí)現(xiàn)較好的截齒自傳。

2.2 有效提高齒座的定位精度

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，通常需要在截割頭上面焊接截齒，使用人工定位的方式存在較大的誤差，從而大大降低了位置、角度以及截割間距等準(zhǔn)確性，將嚴(yán)重影響截割頭的截割效率，如圖2 所示。

為了能夠有效地提高齒座的定位精度，通常選用截割頭齒座自動(dòng)點(diǎn)裝、焊接系統(tǒng)、焊接的截割頭定位點(diǎn)裝等，主要包括定位機(jī)器人（其效果見圖3）、焊接機(jī)器人以及相應(yīng)的定位工裝，其作用有：

1）可以使齒座對(duì)應(yīng)特定位置，因此截割頭都設(shè)定有定位程序；

圖2 截割頭截齒座精準(zhǔn)定位自動(dòng)焊接裝置

圖3 截齒座采用機(jī)器人定位點(diǎn)裝的截割頭效果圖

2）在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要將齒座標(biāo)記好，通過(guò)分析截割情況可以看出，對(duì)截割齒座不理想的位置進(jìn)行分析，接著對(duì)齒座的定位參數(shù)進(jìn)行修改，同時(shí)再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到找到齒座與截割對(duì)應(yīng)的位置參數(shù)，并將其保存下來(lái)。

2.3 借助耐磨試驗(yàn)臺(tái)選擇硬度合適的截齒

為了能夠?qū)馗畹额^耐磨性以及相應(yīng)的齒柄結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，構(gòu)造了截齒耐磨試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)而借助耐磨實(shí)驗(yàn)找到硬度合適的截齒，同時(shí)為了能夠有效地對(duì)截割頭的整體性進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)行了“試驗(yàn)巖壁”。

3 改造后的硬巖截割頭應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)改造的截齒在全巖與半煤巖巷道工作時(shí)，其能夠截割巖石硬度f(wàn) 的范圍為6～8，壽命比普通的截齒高出3 倍，能夠有效地提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。