陳先龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)煤峪口礦，山西 大同 037003）

引言

掘進(jìn)機(jī)被廣泛應(yīng)用于軟、中強(qiáng)度巖層的隧道施工中。影響掘進(jìn)機(jī)性能的參數(shù)有很多，而刀具間距、切削深度、跟蹤刀數(shù)、刀具總數(shù)、切削順序數(shù)、周截距、包繞角和傾斜角是刀具系帶考慮的基本參數(shù)。鎬按切割順序錯(cuò)開排列，在切割頭或滾筒表面形成螺旋排列，避免同步加載[1-3]。此外，當(dāng)沿著旋轉(zhuǎn)軸在一個(gè)平面上觀察時(shí)，位于切割頭或滾筒前部部分的工具軸逐漸傾斜到傾斜角度（α）的角落。這是為了避免工具或工具架與巖壁摩擦，也為了防止由于限制在角壁而導(dǎo)致鎬的動(dòng)態(tài)超載。在切削頭和切削滾筒上布置的拖拽工具，根據(jù)工具軸相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的方向可分為兩大類，即平行軸工具和量規(guī)工具。在平行軸工具中，相鄰鎬的軸沿著一條直線相互平行，垂直或傾斜于切割頭或滾筒的旋轉(zhuǎn)軸。零傾斜角的平行軸工具在連續(xù)采煤機(jī)和滾筒采煤機(jī)上隨處可見，而斜軸工具在掘進(jìn)機(jī)上非常常見[4-5]。一般情況下，刀具過載通常發(fā)生在刀頭最前端的最后一量具即截角鎬，在刀具系帶時(shí)需要注意。根據(jù)機(jī)器類型的不同，后鎬也向后傾斜以達(dá)到同樣的目的。

本文通過多次線性切割試驗(yàn)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)切割頭設(shè)計(jì)中的截齒和角截齒進(jìn)行了研究。對(duì)傾斜角度為20°~90°的眾多掘進(jìn)機(jī)實(shí)際尺寸的切割頭分別進(jìn)行了全尺寸的實(shí)驗(yàn)室模擬。對(duì)每個(gè)切割頭分別進(jìn)行了兩種不同順序的切割序列模擬（即從自由面開始到角點(diǎn)，反之亦然），并詳細(xì)討論。定義了截齒和切角截齒的最佳條件，并對(duì)截齒的順序進(jìn)行了合理的比較。

1 理論分析

如果對(duì)給定的切削頭或滾筒上的每個(gè)刀具的相對(duì)切削位置進(jìn)行評(píng)估，就可以更好地解釋測量參數(shù)隨傾斜角度的變化。這可以通過構(gòu)建一個(gè)“切割模式”來實(shí)現(xiàn)。該模式是在切割頭旋轉(zhuǎn)過程中，將切割順序與每個(gè)刀尖的空間位置相結(jié)合而形成的切割橫截面的排列。刀具參數(shù)如刀具的切削位置，刀具間距的真實(shí)值和切削深度可以根據(jù)“切削周長”來評(píng)估，“切削周長”是在相同的切削順序或開始中排列的鎬的尖端的軌跡。如圖1所示，如果所有鎬的周間距和行間距都是恒定的，那么這些參數(shù)對(duì)于平行軸工具可以表示為:

式中：β為刀具軸相對(duì)于切削圓弧位置的傾角；dr為同一順序相鄰刀具間相對(duì)前進(jìn)度切削深放，mm；dt為真切削深度，mm；S為同一順序相鄰工具之間的原始序列間距，mm；St為同一序列工具間的真間距，mm；n為切割序列或開始的總數(shù)；A為切割頭每轉(zhuǎn)一圈的推進(jìn)量，mm；T為截割頭上的截齒總數(shù)。

對(duì)于這種安排的平行軸工具，切削周長是一條直線，這些鎬掃過的截面積是恒定的。此外，每個(gè)鎬的切割頭輪廓與切割周長之間的角度（如上頁圖1中的β）也是相同的。對(duì)于給定的刀具系帶，平行軸刀具的切削力和比能不會(huì)隨著切削順序的變化而變化。然而，這不是傾斜鎬或非平行軸工具的情況，在傾斜角度下，鎬的截面和位置變化很大。給定量規(guī)刀具的切削周長與切削頭的輪廓不一致，在不同的切削方式下產(chǎn)生不同的切削軌跡。對(duì)于機(jī)頭部分的最后一個(gè)鎬，當(dāng)從機(jī)頭切削到機(jī)器側(cè)時(shí)，切削周長保持在切削頭輪廓的前面，而當(dāng)從相反的方向切削時(shí)，則相反。換句話說，當(dāng)從機(jī)頭到機(jī)器側(cè)面切割時(shí)，鎬的軌跡更長。在這種情況下，有必要分別確定每個(gè)工具位置的變化。那么，該切削模式下斜鎬或非平行軸刀具的刀具參數(shù)可以表示為:

圖1 刀具參數(shù)與平行軸刀具的切削位置

式中：α為給定工具的傾斜角，（°）；γ為給定刀具的切線與相應(yīng)的切削圓弧之間的夾角，（°），對(duì)于平行軸刀具，它總是為0；S為相鄰工具之間的原始序列間距，mm；D為切割頭直徑，mm；k為跟蹤刀具的數(shù)量。

2 切角鎬模擬試驗(yàn)

2.1 切角鎬模擬試驗(yàn)描述

采用0.66 m儀表成型機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室全尺寸巖石切割試驗(yàn)，直線推力為50 kN。75°錐角和55°攻角是首選的切削試驗(yàn)，由于機(jī)器的限制而無法承受高力量是由重型選擇更高的錐角。在整個(gè)切割試驗(yàn)過程中，為了確保每一次切角鎬的狀態(tài)都是一致的，切割實(shí)驗(yàn)使用的是一種細(xì)粒均質(zhì)各向同性砂巖，因?yàn)檎{(diào)查的范圍是在相同條件下比較變量。巖樣的部分力學(xué)物理性質(zhì)見表1。

表1 巖石樣品的一些機(jī)械、物理和礦物學(xué)性質(zhì)

本文模擬試驗(yàn)考慮的切割頭的最大直徑為0.44m，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)整形機(jī)的十字頭不能超出這個(gè)值。這個(gè)直徑接近0.50 m的等效實(shí)用切割頭的直徑。每個(gè)切割頭配備了總共16個(gè)工具，這些工具以重疊的方式在兩個(gè)起點(diǎn)（兩個(gè)切割順序）上交錯(cuò)，在每條線上配備一個(gè)工具并單一跟蹤。整個(gè)切割頭上鎬的周向間距保持恒定?？紤]到成型機(jī)的性能，切割頭每轉(zhuǎn)一圈的推進(jìn)量為12 mm?！熬嗌畋取比?（對(duì)應(yīng)18 mm），該研究是在相同巖石、工具和實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的平行軸工具。

為了獲得從0°~90°的大傾斜角范圍，考慮了半球形切割頭與圓柱體相結(jié)合。在相同的機(jī)器和操作條件下，測量工具和切角鎬的傾斜度是唯一的變量。因此，在整個(gè)模擬試驗(yàn)過程中，與刀具、巖石類型和操作條件有關(guān)的所有參數(shù)均保持不變。然后，構(gòu)建全尺寸模擬試驗(yàn)的切割頭，如圖2所示。沿切削頭旋轉(zhuǎn)軸觀察從A1點(diǎn)到J2點(diǎn)的整個(gè)切削頭周邊，平均除以線間距值（18 mm），對(duì)應(yīng)一個(gè)扇形4.63°，以確定刀具軸的角度位置。然后，通過保持每個(gè)切割頭的圓周長度相等，得到了9個(gè)不同角截鎬的切割頭。例如，切割頭1的外圍開始于點(diǎn)A1，結(jié)束于點(diǎn)A2，這是切割頭的角截鎬，同樣，它開始于J1，結(jié)束于第9個(gè)頭的J2。模擬試驗(yàn)必須在兩組中進(jìn)行，因?yàn)檎螜C(jī)的十字頭允許最大傾斜角52°。首先模擬所有的切割頭從機(jī)器側(cè)面到切角的過程，然后分別模擬從機(jī)器側(cè)面到切角的過程。值得注意的是，這樣的實(shí)驗(yàn)是非常繁瑣和耗時(shí)的，因?yàn)楸仨氝M(jìn)行無數(shù)次非儀器切割，直到儀器切割達(dá)到穩(wěn)定的切割狀態(tài)，重復(fù)4次。

圖2 模擬的切割頭

2.2 試驗(yàn)分析

當(dāng)從機(jī)器側(cè)到機(jī)頭進(jìn)行切削時(shí)，測量的量規(guī)工具的切削力和法向力均在較低的傾斜角處緩慢減小，然后在較高的傾斜角處突然減小（見下頁圖3）。當(dāng)傾角達(dá)到67°左右時(shí)，其衰減幅度遠(yuǎn)大于量規(guī)工具，在此傾斜角后，其衰減幅度趨于相同。隨著傾斜角度的增加，產(chǎn)量不斷下降。量具比能在傾斜67°左右時(shí)穩(wěn)定增加，在傾斜67°左右后陡然上升。截角齒的比能急劇下降，至67°傾斜角附近達(dá)到最低點(diǎn)，之后立即急劇上升。值得注意的是，切角鎬開始作為量規(guī)工具，特別是在67°傾斜角度和之前，因?yàn)楣ぞ叩牧?、屈服和比能值幾乎與量規(guī)鎬相同。當(dāng)從機(jī)頭向機(jī)器側(cè)切割時(shí)，量規(guī)工具的刀具力和比能在大約65°傾斜角處表現(xiàn)出更高的值，然后在更高傾斜角處與相反方向的刀具力和比能趨于相似。在產(chǎn)量上沒有明顯的差異，這表明量規(guī)工具在兩種切削模式下掃描了相同的截面。此外，除了測量到的最低傾斜角下的切削力外，截齒的切削順序沒有顯著差異。在平坦的巖石表面上開槽獲得的平均漏鋼角為67.5°。

圖3 量規(guī)工具與切角鎬在傾斜角度下的切削力變化

將比能最小的67°傾角作為截齒的參考點(diǎn)；這意味著在此值之前或之后的任何傾斜角度下，切割動(dòng)作都是低效的。這種情況可能是由點(diǎn)攻擊工具或帶脊形底座的重型徑向鎬的切削作用造成的。在垂直于切割方向的垂直平面上，鎬將在與巖石接觸處的軸線位置形成一個(gè)V形槽。在正常情況下，當(dāng)切割不局限于任何一側(cè)時(shí)，工具軸是將V形槽平分成兩等份的對(duì)稱線。這個(gè)V形區(qū)域的頂角稱為半漏出角θ。無論工具的位置如何，它總是充分發(fā)揮其潛力，沿著其軸線創(chuàng)造出相等的兩半。

當(dāng)傾斜角度小于67°時(shí)，由于其一側(cè)被限制在角壁內(nèi)，工具無法形成對(duì)稱的半V形槽，因此工具力更大。在67°傾斜角度下，工具有效地利用其全部潛力形成具有預(yù)期漏出角度的槽，這可能是比能量在該值附近觸底的原因。傾斜67°角后，就不再是切角工具了，因?yàn)樗哂猩鲜隽烤叩奶攸c(diǎn)。結(jié)果表明，在給定的刀具和切削條件下，在平坦巖石表面上進(jìn)行無松動(dòng)的切槽時(shí)，刀具的最佳傾斜角對(duì)應(yīng)于刀具的半漏角。

2.3 試驗(yàn)實(shí)際意義

研究表明，平行軸刀具的刀力和比能不隨切削順序的變化而變化，而量規(guī)刀具則相反。軸向式切割頭直徑較大，為了滿足裝載要求，同時(shí)也便于堆垛時(shí)對(duì)被切割物料的清理，一般從機(jī)頭開始切割。然而，對(duì)于橫式切割頭來說，這在一定程度上可能是不必要的，因?yàn)榍懈羁梢詮娜我庖粋?cè)開始。在實(shí)踐中，在制造階段，由于有限的區(qū)域，通常很難將工具夾放置在切削頭鼻部的預(yù)定位置。刀架重疊是這一問題中經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)重要問題。以前對(duì)軸向式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行的地下試驗(yàn)表明，位于掘進(jìn)機(jī)頭最前端的鎬和工具架非常容易損壞，因此，在使用這種類型的工具時(shí)應(yīng)格外小心。

在地下槽式掘進(jìn)作業(yè)中廣泛使用的連續(xù)式掘進(jìn)機(jī)上安裝的間隙環(huán)刀是典型的量具，許多制造商通常從機(jī)頭側(cè)進(jìn)行切割。間隙環(huán)刀的切削順序也可以設(shè)置為從機(jī)側(cè)開始。在最后一個(gè)導(dǎo)葉鎬和鄰近的量規(guī)工具之間要非常小心地保持適當(dāng)?shù)南嗷プ饔?。?jīng)過改進(jìn)后，在間隙環(huán)處的工具架壽命是之前設(shè)計(jì)的三倍。實(shí)際研究表明，間隙環(huán)刀的刀架壽命在切削順序向機(jī)械側(cè)改變時(shí)有所提高。

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)條件和本研究所描述的參數(shù)范圍內(nèi)，角截齒的最佳傾斜角近似等于巖石材料的半破斷角。如果切角鎬不在這個(gè)最佳傾斜角度位置，則會(huì)產(chǎn)生更高的比能。為提高切削效率，增加刀架保護(hù)，方便切削頭的制造工藝，將規(guī)鎬和角鎬的最大傾斜角設(shè)置在巖石材料的半漏角處可能是有益的。當(dāng)將切削順序設(shè)置為從給定切削頭的頭端進(jìn)行切削時(shí)，在傾斜角度低于最佳傾斜角值時(shí)，測量工具的截齒力會(huì)更高。平行軸工具，如采煤機(jī)滾筒上的葉片鎬和切削頭的錐形或圓柱形表面上的鎬，不受切削順序的影響，即切削可以從機(jī)側(cè)或機(jī)頭側(cè)開始。