横轴式掘进机截割头设计.docx

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横轴式掘进机截割头设计

横轴式掘进机截割头设计

摘要：

随着社会的不断发展和科技水平的不断提高，人类征服自然的领域也在不断扩大，其中比较具有代表性的就是掘进机，掘进机的出现具有很重要的实用意义。

自从掘进机开始进入人们的生活视线，就被广泛地应用到铁路穿山隧道、引水隧道等各施工过程中.掘进机的功能除了能应用在隧道施工外，像以采掘为目的的煤巷开挖、矿巷开掘中也广泛采用了掘进机，这样工作效率高。

以上介绍使用的就是部分断面掘进机，而横轴掘进机是其中的一种。

本次毕业设计就是为了研究横轴式掘进截割头的设计，具体设计内容包括：

1.收集基本资料，例如：

先对掘进机现在在国内外的发展趋势进行了解，接着对掘进机结构进行学习分析，从而发现掘进机本身有什么需要改进之处，还有就是掘进机对截割的矿岩都有什么要求等；2.对资料进行学习和总结。

将自己收集的数据进行整理列表，这样看起来一目了然；3.CAD的学习制作等。

通过简单的CAD软件学习，将自己想要设计的截割头画出来。

并通过计算得到基本数据，进行数据分析和结构分析相结合。

对掘进机的具体结构用途也要进行了解和掌握，这样有利于截割头的整体计算。

掘进机结构的优化设计和制造精度对今后的工作性能都会有决定性的影响因为截割头是掘进机的核心部位，所以它的研究自然也就成了重中之重。

煤炭是人类生产生活的重要能源，随着工业的不断发展，生产规模的不断扩大，煤炭在国民经济中的地位也显得越来越重要。

随着采煤机械化的发展，大大提高了工作面的广度，对开采强度，工作面的推进速度要求也越来越快，这就要求加快掘进速度，提高工作效率以适应人们对工具的需求。

切割头是掘进机的工作机构，它的主要功能就是破碎岩石或者分离煤层。

经过对煤岩切割过程的研究了解，认识到影响切割效果的因素很多，因而掘进机截割头的设计变的复杂许多。

为提高工作效率，加快生产力，满足人们对机械化的高要求，截割头的设计成了重中之重。

如果在截割头的每一转中，参加切割的各个截齿都能同时从岩石中切下等体积的煤岩，也就是每个镐齿的受力相等，磨损程度也相同，机械运动也比较平稳，只有满足这些要求，才可以达到自己当初设计的初衷。

关键词：

横轴；掘进机；截割头；截割头参数；截齿

Designofhorizontalroadheadercuttinghead

Abstract:

withthecontinuousimprovementofthecontinuousdevelopmentofsocietyandthelevelofscienceandtechnology,thehumanconquestofnaturalareasalsocontinuestoexpand,whichcompareswithrepresentativeisboringmachine,boringmachinehasveryimportantpracticalsignificance.Sincethetunnelingmachinebegantoenterpeople'slifelineofsight,itwaswidelyappliedtotheprocessofconstructionofrailwaytunnel,diversiontunnel.Tunnelboringmachineinadditiontotheapplicationintunnelconstruction,liketheexcavationforthepurposeofcoalroadwayexcavation,mineroadwayexcavationiswidelyusedboringmachine,soworkefficiency.

Thisistheuseoftheroadheadermachine,andhorizontalboringmachineisoneofthem.Thisgraduationdesignistostudytheboringcuttingheaddesign,thespecificdesigncontentincludes:

1thecollectionofbasicdata,suchas:

first,tounderstandthedevelopmenttrendathomeandabroadtheboringmachinenow,thentheanalysisofboringmachineboringmachinestructure,whichfounditselfiswhatneedstobeimproved,andistheroadheadertorockcuttingiswhataretherequirements；2werestudiedandsummarized.Theircollectingdatalist,itseemsclear；3.CADlearningproduction.ThroughtheCADsoftwaresimpletolearn,willyouwanttodesignthecuttingheaddrawnandgetthebasicdata.Throughthecalculation,dataanalysisandstructuralanalysis.Thespecificstructureofthecombinationuseofboringmachinestounderstandandmaster,thisisconducivetotheoverallcutcuttingheadiscalculated.

Optimizationdesignandmanufactureofprecisionboringmachinestructurewillhaveadecisiveimpactbecausethecuttingheadisthecorepartofthetunnelingmachinetoworkperformanceinthefuture,soithasbecomeapriorityamongpriorities.Coalistheimportantenergyproductionofhumanlife,alongwiththecontinuousdevelopmentofindustry,thescaleofproductionexpandingthepositionofcoalinthenationaleconomyisbecomingmoreandmoreimportant.Withthedevelopmentofcoalminingmechanization,greatlyimprovingthe

workofthebreadth,miningintensity,workingfaceadvancingspeedisfasterandfaster,itisrequiredtoacceleratethetunnelingspeed,improveworkefficiencytoadapttothedemandofthetoolcuttinghead.Istheworkingmechanismofroadheader,itsmainfunctionistobreakrockorcoalseparation.Afterstudyingforthecoalrockcuttingprocess,therearemanyfactorstoinfluencetheeffectofcutting,andboringmachineCutcutheaddesignbecomesmorecomplex.Inordertoimprovetheworkefficiency,accelerateproductivity,meetthepeopledemandedofmechanization,cutcuttingheadisdesignedintothetoppriority.Ifincuttingheadofeachturn,ineachcuttingcuttercanalsofromtherockcutproductofinferiorcoalandrock,iseachpicktoothforceequal,wearthesame,mechanicalmovementisrelativelystable,onlytomeettheserequirementsbeforetheycanreachtheiroriginaldesignintention.

Keywords:

horizontalaxis；boringmachine；cuttinghead；cuttingparameters；cuttingteeth

第一章绪论

1.1引言

随着社会科技水平的高速发展，人类征服自然的能力也在日益提高，掘进机就是其中的一个重要表现。

现如今许多国家都非常重视掘进机的截割基础理论的研究，尤其是在横轴掘进机方面。

按照轴向的不同可将掘进机分为两类：

纵轴式掘进机和横轴式掘进机。

就国外而言，第一台典型的掘进机是由匈牙利人在1949年制造的，并在1870年，在英吉利海峡对掘进机进行了实体工作操作。

就国内而言，我国研究员最开始是以前苏联的产品作为模板。

但后来因为掘进机机身轻，功率比较小，性能相对而言也比较差，因而也就没有被广泛的使用。

一直到70年代的时候，掘进机才被运用到实体工程当中。

到了80年代，中外进行合作进行研制AM50，S100型两种机型掘进机，这两种机型到目前为止已成为国内市场的主要产品。

如今，国内掘进机的研制的步伐也在逐步加快，并先后制定了EBJ-132.EBJ-160.EJ-70等各种机型。

另外，除了功能隧道的施工外，以采掘为目的进行的煤巷开挖、矿巷开掘中也采用了掘进机，其中经常使用的就是部分断面掘进机，横轴掘进机就是其中的一种。

随着科技的不断发展，掘进机拥有的功能也在不断丰富过程当中，装载，转载，自己行走，而且还具有喷雾降尘的功能，有的还有支护功能。

按照掘进机的外形特征，掘进机大致可以分为两种，一种是开还是敞式掘进机，一种是护盾式掘进机，它们的价格一般都会在亿元人民币左右，价格还是比较昂贵的。

掘进机主要包括行走机构，工作机构，运载机构，电气系统，液压系统，喷雾降尘机构等。

截割过程是指行走机构不断向前推进，切割头对岩石进行切割破碎并经过装运机构将剥落的岩石碎块运走。

掘进机有许多优点，比如安全高效，工作质量也高，但同时也存在一些缺点，比如造价大，构造比较复杂，损耗也较大。

掘进机的机构设计和制造精度，对掘进机今后的使用性能都具有决定性作用。

如图1所示。

图1纵轴掘进机工作过程

如图2所示截割头上的截齿，图3所示掘进机的截割头部件。

图2截割头上的镐齿

本文首先对国内外掘进机市场的发展状况做了一定的了解并对搜集到的信息做了总结，掌握并介绍矿岩截割的一些相关基础知识理论,并通过互联网对截割装置的具体参数进行列表。

其中包括截齿的截割参数，截齿的空间运动参数，截割头的整体受力情况，切割深度，截割功率等分别进行计算。

横轴掘进机按照截割方式分为三种:

纵向进给掏槽截割、垂直摆动扫描截割、水平摆动扫描截割等。

相应地截齿运动方式有三种，包括平面摆线运动、圆弧摆线运动和圆弧螺旋线运动。

图3掘进机截割头

1.2掘进机分类

软土盾构掘进机：

（适用开挖软土）

硬岩掘进机：

（适用于硬矿岩地质）

全断面掘进机（TBM）

按截割方式不同

扩孔式结构

摇臂式结构

按照保护形式不同

开放式结构

单护盾结构

双护盾结构

三护盾结构

部分断面掘进机（自由断面掘进机）

横轴式掘进机

纵轴式掘进机

图4部分断面掘进机的结构

图5纵轴掘进机

横轴掘进机有两个截割头，并且两个截割头是对称的，截割头的主轴与截割臂垂直，如图6所示横轴掘进机。

部分断面掘进机中包括横轴式掘进机，它的工作臂很灵活而且还属于单点切割，因为掘进机的截割运动不是集中在一个点，所以对于矿岩的范围可以扩展到硬度比较高的区域。

横轴式掘进机主要机构有：

截割头，截割臂，装渣铲板，扒渣蟹爪，回转台，驾驶室，中间运输装置，转运装置，行走装置，液压系统，电气系统，喷雾系统等。

图6横轴掘进机

图7横轴掘进机和截割头

1.3国内外横轴式掘进截割机的发展状况

随着社会的不断进步和科技的不断发展，世界各国工业化水平得到了不断的发展，技术水平也不断提高，使掘进机的发展具有更加广阔的发展前景也逐渐成为必然。

近些年我国掘进机发展也进入了高速发展模式，总体的研究制造水平也在不断逼近国外同行。

就目前而言，因为科学技术的水平的提高使得掘进技术发生了质的变化，国内掘进机的发展在逐渐顺应国内市场对掘进机要求大功率，高效率，高自动化的需求。

当然，因为掘进设备的一些自我局限，到目前为止仍以悬臂式掘进机为主。

在我国除了煤矿巷道掘进以外，近些年掘进机已逐渐进入铁路工程，城市地铁隧道的掘进以及公路修建等各行各业。

如今通过了解自己对掘进机的发展趋势进行了简单总结，具体的内容有以下几点，随着高产高效的矿井建设和其他大型工程建设的需要，掘进机的截割功率也逐渐增加，从最初的30kw提高到如今的350kw，掘进机重量也从13吨上升到100吨，截割对象从过去比较单一的煤矿开采扩展到半煤岩，并逐步开始形成了煤及半煤岩掘进两大系列，一共有十多个产品。

另外随着人们环保意识的提升和国家对环保的大力倡导，加上劳动力成本的逐年提高，机械智能化掘进将成为一种必然的发展趋势，未来市场发展前景将会非常可观。

为此煤炭行业也受益得到了快速发展，与之相应的煤机行业也越来越受到重视。

煤矿巷道的快速掘进是保证煤矿工作效率高效稳定的关键措施，因此掘进机的运用和发展关系到煤矿的生产能力和安全。

要想让机械工业有飞速的发展就必须将现在的先进科学技术和实践经验相结合。

随着工业技术水平的快速发展和提高，通过对悬臂式掘进机技术开发方面经验的积累，国外的掘进机各生产商开始朝着综合性能更高更优的方向迈进，具体表现在以下几个方面：

在不影响优良性能的前提下，可以发展机身较低的机型，这样对于工作空间的需求减少了，运用面也有了扩大。

在保证工作稳定性的基础上，也可以适用比较低矮的巷道掘进。

还有就是加强机器自身故障检测能力和对工况检测能力，减少了修理时间和修理的困难系数，同时也使掘进机自动控制系统更加智能完善。

煤炭系统巷道掘进的主要发展方向就是提高机械化水平，各工作业环节都采用高效的机械设备，以换下淘汰低效设备和手工业。

近些年为适应时代发展的需要，平巷掘进所需的机械设别不仅越来越多，而且效能也有相应的提高。

就目前为止，我国虽然在掘进机的发展方面取得了一系列的成就，但就我国掘进机的发展中还存在一些问题需要在今后设计制造成去解决。

1）提高掘进机的装机功率，使掘进机的效率达到最高和适应性最大。

2）解决机器的调向和纠偏等一系列的控制问题。

3）设计新型结构的交叉轴承，提高掘进机轴承的可靠性和使用寿命。

4）质量尽可能轻、结构变紧凑、效率更高是对传动机构的高要求。

5）应用新的控制系统和保护系统，以保证机器工作的精准度、安全性和可靠性。

6）在对掘进机进行创新研究时要联想到实体的一些要求，比如拆卸方便简单，工作灵活等。

7）能适应各种复杂的地质条件，考虑配备液压掩护支撑板，锚杆钻孔和超前钻孔等设备，以保证安全作业和防止机组下沉。

8）机组用于井下，应考虑电器防爆，尽量不采用气割，电焊等措施。

9）进一步改进湿式集尘器，解决除尘、集尘以及刀具的合理冷却等问题。

10）研究新的转载出碴和后配套运输设备，保证排碴输送工作的高效。

总之，要加大掘进机结构设备的研究和探索，进行大量实验和测试工作，提高岩巷掘进的机械化水平，在破岩理论和截割阻力计算方面，以及采用滚压式，冲击式的工作原理，液压、电气元件的研制工作方面能够有大的突破和改善，为设计制造出适合我国岩巷情况的巷道掘进机而作积极准备。

第二章截割头参数经验的确定

2.1截割头的形式及尺寸参数

2.1.1横向截割头的外形

截割头的形状是截割头绕自身主轴旋转时，截齿齿尖旋转一圈所形成的外轮廓，也叫截割头包络面，截割头绕轴线旋转时，各个截齿齿尖与过轴线平面都会有一个交点，将这些交点连接起来就能得到齿尖包络曲线。

以包络曲线绕截割头轴线旋转就可以得到截割头空间包络面。

齿尖包络曲线通常是由好几段不同曲线构成。

相对应包络面的展现形式也有多种，例如有“圆柱＋球冠”式、“圆锥＋球冠”式、“圆柱＋圆锥＋球冠”式、“抛面＋抛面＋球冠”式等。

其中，横轴式截割头经常采用的形式就是“抛面＋抛面＋球冠”式。

如图8。

图8

“抛面＋抛面＋球冠”式包络面的包络线是由两段抛物线和一段圆弧组成，由于横向摆动钻进截割是横轴截割头的主要截割方式，所以为了有利于钻进截割，截头上的截齿要分布在各个直径上，图8中抛物线2是主要截割区域，抛物线在截割头的末端采用圆弧段3进行过渡。

在横向摆动截割状态下，截割头根部通常只布置几个截齿，因为当一个截割头处于钻进状态时，另一个截割头处于反向状态，基本不参予截割，而形成很短的一段抛物线，用于修整工作面。

另外，这段抛物线上的截齿会在纵向钻进截割和上下摆动截割时发挥重要意义的截割作用。

2.1.2截割头最大直径

截割头的最大直径由四个因素决定：

矿岩的压松效应、截齿工作速度、截割力和生产率。

其中，除掘进机的生产效率要求截割头的直径要尽量大以外，矿岩的压松效应、截齿的截割速度、截齿的截割力限制截割头的直径不都能过大，所以截割头最大直径的确定是一个域内求优的过程。

2.2截齿的形式及尺寸参数

截割头上的截齿是直接作用于矿岩的结构，因此截齿需要具有一定的强度，硬度，使截割头能够顺利的破碎矿岩。

由于生产中的破坏形式以主要以磨损破坏为主，所以截齿要具有一定的耐磨损能力。

在截割工作过程中，截齿与矿岩的相互作用会产生相当高的热量，使截齿自身的温度升高，因此截齿还应具有一定的耐高温性，使截齿在高温下仍然能够保持其高效的机械性能进行顺利截割。

2.2.1截齿的形式

现在掘进机的采掘行业里，一般使用的刀形齿和镐形齿结构比较多，如图9所示a为刀形齿，b为镐形齿。

镐形齿比刀形齿通常会具有以下几点优势：

首先在截割矿岩时，镐形齿是采取点接触方式与矿岩发生作用，利用点击和劈尖作用破碎矿岩，所以可适合截割较硬矿岩；其次镐型齿可以设定扭转角，让截齿利用与工作面的摩擦力在齿座内旋转，这样截齿的磨损比较均匀，还可以产生自砺，有益于延长截齿的使用寿命；截割阻力的方向尽可能地接近截齿的轴线方向会使截齿承受的弯矩减小；截齿在齿座上的安装和固定方式比较简单可靠；最后是截齿结构简单，有利于加工。

但除去这些优点以外，也会存在一定的缺陷，比如镐形齿相对于刀形齿而言具有粉尘量大，块矿石率低的缺点。

尽管如此，由于掘进机主要是用于开辟巷道，绝大多数都采用镐形齿。

图10所示为镐形齿实图。

2.2.2镐形齿的结构

如图所示，镐形齿是由两部分组成，刀杆与合金刀头，两者都是回转体。

合金刀头参与截割，会与矿岩发生直接作用，因此需要有足够的强度，硬度和耐磨性；刀杆用来支撑合金刀头与齿座连接，通过焊接将两者连接起来。

图9截齿形式

图10镐形齿

2.2.3刀头结构

合金刀头是用来和矿岩直接接触完成截割运动的，对于镐齿，锥角和直径对合金刀头的工作性能和形状都会有决定性影响。

合金头的锥角不但影响截割阻力，而且还关系到合金头的强度，在通常情况下，截齿的截割阻力还有自身强度都和锥角的大小成正比。

如果锥角增大，截齿强度会提高，但截割效率就会降低，而且截割矿岩的硬度面也会扩展到截割较硬的矿岩；相反，如果锥角减小，截齿强度会下降，所以刀头比较容易磨损，但截割效率会有所提高，因此锥角的大小得根据截割矿岩具体的物理机械性能来决定。

一般对于比较软的矿岩，锥角可取70°～85°，但对于普氏硬度系数f>6的矿岩，锥角在90°～102°之间。

除以上谈到的内容之外，为了防止在截割硬矿岩时刀杆与矿岩接触产生摩擦，锥角要能够包容刀杆，为达到这点要求，在增大锥角的同时，人们对合金头的形式也进行了研究，形状变化由最初的图11（a）结构演化到图11（c）结构。

图11刀头的结构

合金头的直径会影响到截割阻力，根据试验数据可以用经验公式表示合金头直径d对截割阻力的影响：

0.00460.051.062K=d−d+d从式中得到，随着合金头直径的增加，使密实核体积增大和矿粉量加大，但如果合金头直径过小，截齿强度也会有所下降，会使其可靠性与使用寿命同时受到影响，为适应掘进机截割矿岩硬度的不断提高，合金头直径逐渐变大。

可以根据截割矿岩硬度确定截齿直径，从表1中选取。

表1刀头直径的选取

矿岩分类

煤及软岩

中硬岩

硬岩

普氏硬度

f≤4

4

6

刀头直径（mm）

d≤20

20

d≥28

2.3截齿的空间排布

截齿的空间排布是指截齿齿尖点在截割头包络面上的分布情况，因为截割时矿岩排屑的需要，所以截齿齿尖在包络面上通常沿等升角螺旋线排列，与螺旋线直接相关参数是螺旋升角及螺旋线的头数；周向分布角会决定截齿的截割顺序和同时参与截割的截齿数量。

截线距影响截割头的载荷状况、破碎效果、消耗功率和截割效率。

通过参考螺旋线参数、周向分布角、截线距三个参数，就可基本确定完整描述截齿的空间排布。

2.3.1等升角空间螺旋线

截齿齿尖在包络面上是有一定规律布置的。

为了考虑到切割运动时排屑的顺畅性和截割头受力的均匀性和稳定性，所以截齿主要沿着几条等升角螺旋线分布，如图12所示。

图12截割头空间包络面

如图12所示，在直角坐标系oxyz中，动点的起始位置0M在xoz平面，M0的一面绕z轴转动，转角为ϕ；另一面按一定运动规律z=z（ϕ）沿母线L运动到M点。

起始点M0的转动半径为r0，M点的转动半径为r=r（ϕ），则由0M点到M点的运动轨迹就是回转体上的某种螺旋线。

图12回转体上螺旋线的形成

对某点的螺旋升角是回转体螺旋线在M点的切线t与z轴方向夹角的余角®s。

设M点在母线L上的位置矢量为，则

，则

Vv

=x（⎭）gi+y（⎭）gj+z（⎭）gk（4－1）

式中x（⎭）、y（⎭）、z（⎭）为M点的坐标。

将式①x（⎭）=r（⎭）cos⎭和式②y（⎭）=r（⎭）sin⎭代入（4－1）式得