橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)獨(dú)家優(yōu)秀】

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橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì) 摘要 ： 隨著社會(huì)的 不斷 發(fā)展 和科技水平的不斷提高 ，人類(lèi)征服自然 的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大 ， 其中比較具有代表性的就是掘進(jìn)機(jī)， 掘進(jìn)機(jī)的出現(xiàn) 具有很重要的實(shí)用意義 。 自從掘進(jìn)機(jī) 開(kāi)始進(jìn)入人們的生活視線(xiàn)，就 被 廣泛地 應(yīng)用到鐵路穿山隧道、引水隧道 等各 施工過(guò)程 中 能 除了能應(yīng)用在 隧道施工外， 像 以采掘?yàn)槟康牡拿合镩_(kāi)挖、礦巷開(kāi)掘中也廣泛采用了掘進(jìn)機(jī)， 這樣工作效率高。以上介紹 使用的就是部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，而橫軸掘進(jìn)機(jī)是其中的一種。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是為了研究橫軸式掘進(jìn)截割頭的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)內(nèi)容包括： 如：先對(duì)掘進(jìn)機(jī)現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了解，接著對(duì)掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行學(xué)習(xí)分析，從而發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)本身有什么需要改進(jìn)之處，還有就是掘進(jìn)機(jī)對(duì)截割的礦巖都有什么要求等； 自己收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理列表，這樣看起來(lái)一目了然； 學(xué)習(xí)制作等。通過(guò)簡(jiǎn)單的 件學(xué)習(xí)，將自己想要設(shè)計(jì)的截割頭畫(huà)出來(lái)。并通過(guò)計(jì)算得到基本數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和結(jié)構(gòu)分析相結(jié)合。對(duì)掘進(jìn)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)用途也要進(jìn)行了解和掌握，這樣有利于截割頭的整體計(jì)算。 掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造精度對(duì)今后的工作性能都會(huì)有決定性 的影響因?yàn)榻馗铑^是掘進(jìn)機(jī)的核心部位，所以它的研究自然也就成了重中之重。煤炭是人類(lèi)生產(chǎn)生活的重要能源，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，煤炭在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位也顯得越來(lái)越重要。隨著采煤機(jī)械化的發(fā)展，大大提高了工作面的廣度，對(duì)開(kāi)采強(qiáng)度，工作面的推進(jìn)速度要求也越來(lái)越快，這就要求加快掘進(jìn)速度，提高工作效率以適應(yīng)人們對(duì)工具的需求。切割頭是掘進(jìn)機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，它的主要功能就是破碎巖石或者分離煤層。經(jīng)過(guò)對(duì)煤巖切割過(guò)程的研究了解，認(rèn)識(shí)到影響切割效果的因素很多，因而掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計(jì)變的復(fù)雜許多。為提高工作效率，加快生產(chǎn) 力，滿(mǎn)足人們對(duì)機(jī)械化的高要求，截割頭的設(shè)計(jì)成了重中之重。如果在截割頭的每一轉(zhuǎn)中，參加切割的各個(gè)截齒都能同時(shí)從巖石中切下等體積的煤巖，也就是每個(gè)鎬齒的受力相等，磨損程度也相同，機(jī)械運(yùn)動(dòng)也比較平穩(wěn)，只有滿(mǎn)足這些要求，才可以達(dá)到自己當(dāng)初設(shè)計(jì)的初衷。 關(guān)鍵詞 ： 橫軸；掘進(jìn)機(jī)；截割頭；截割頭參數(shù)；截齒 of of of of of to is to s of it to of of in to in of is so is of is of is to of as:to at of is to be is to is 2 it AD to to of of to is to is of a is of to in so it a is of of of of in is of of is it is to to to of of is to or to of ut to of is in of in of is is to 錄 摘要 ........................................................................................................................................... ................................................................................................................................... Ⅱ 目錄 .......................................................................................................................................... 一章 緒論 ............................................................................................................................ 2 言 ..................................................................................................................................... 2 進(jìn)機(jī)分類(lèi) ......................................................................................................................... 4 內(nèi)外橫軸式掘進(jìn)截割機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r ............................................................................. 6 第二章 截割頭參數(shù) 經(jīng)驗(yàn) 的確定 ............................................................................................ 9 割頭的形式及尺寸參數(shù) ................................................................................................. 9 向截割頭的外形 .......................................................................................................... 9 割頭最大直徑 .............................................................................................................. 9 齒的形式及尺寸參數(shù) ................................................................................................... 10 齒的形式 .................................................................................................................... 10 形齒的結(jié)構(gòu) ................................................................................................................ 10 頭結(jié)構(gòu) ......................................................................................................................... 11 齒的空間排布 ............................................................................................................... 12 升角空間螺旋線(xiàn) ........................................................................................................ 12 列參數(shù)的確定 ............................................................................................................ 14 旋升角 ..................................................................................................................... 15 旋線(xiàn)頭數(shù) ................................................................................................................. 15 齒的空間 ....................................................................................................................... 15 削功能描述法 ............................................................................................................ 16 削角δ ..................................................................................................................... 16 轉(zhuǎn)角ε ..................................................................................................................... 17 轉(zhuǎn)角 ......................................................................................................................... 18 第三章 截齒及截割頭的運(yùn)動(dòng)及力學(xué)分析 .......................................................................... 19 1 割頭的運(yùn)動(dòng) ................................................................................................................... 19 齒的運(yùn)動(dòng)分析 ............................................................................................................... 19 齒的受力分析 ............................................................................................................... 19 割頭的整體受力 ........................................................................................................... 20 第 四 章 礦巖的相關(guān)特性及截割機(jī)理 .................................................................................. 22 巖的相關(guān)特性 ............................................................................................................. 22 松效應(yīng) ........................................................................................................................ 23 割阻抗 ........................................................................................................................ 24 落角 ............................................................................................................................ 24 割機(jī)理 ........................................................................................................................... 25 巖的截割破碎機(jī)理 .................................................................................................... 26 割力分析 .................................................................................................................... 27 的截割技術(shù) ................................................................................................................... 28 動(dòng)截割 ........................................................................................................................ 28 壓細(xì)射流助切技術(shù) .................................................................................................... 29 總結(jié)與展望 .............................................................................................................................. 29 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................................. 31 致謝 .......................................................................................................................................... 31 2 第一章 緒論 言 隨著社會(huì) 科技水平 的 高速 發(fā)展，人類(lèi)征服自然的能力 也在日益 提高，掘進(jìn) 機(jī) 就 是 其中的 一個(gè)重要表現(xiàn)。 現(xiàn)如今許多國(guó)家都非常重視掘進(jìn)機(jī)的截割基礎(chǔ)理論的研究，尤其是在橫軸掘進(jìn)機(jī)方面。按照軸向的不同可將掘進(jìn)機(jī)分為兩類(lèi)：縱軸式掘進(jìn)機(jī)和橫軸式掘進(jìn)機(jī)。就國(guó)外而言， 第一臺(tái)典型的掘進(jìn)機(jī)是由匈牙利 人在 1949 年制造的 ， 并 在 1870 年，在英吉利海峽 對(duì)掘進(jìn)機(jī) 進(jìn)行了 實(shí)體工作操作 。 就國(guó)內(nèi)而言，我國(guó)研究員最開(kāi)始是以前蘇聯(lián)的產(chǎn)品作為模板。但后來(lái)因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)機(jī)身輕，功率比較小，性能相對(duì)而言也比較差，因而也就沒(méi)有被廣泛的使用。一直到 70 年代 的時(shí)候 ， 掘進(jìn)機(jī)才被運(yùn)用到實(shí)體工程當(dāng)中。 到了 80年代，中外進(jìn)行合作進(jìn)行研制 兩種機(jī)型到目前為止已成為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的主要產(chǎn)品。如今，國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)的研制的步伐也在逐步加快， 另外， 除了功能隧道的施工外，以采掘?yàn)槟康?進(jìn)行 的煤巷開(kāi)挖、礦巷開(kāi)掘中也采用了掘進(jìn)機(jī)， 其中經(jīng)常 使用的就是部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，橫軸掘進(jìn)機(jī) 就 是其中的一種。 隨著科技的不斷發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)擁有的功能也在不斷豐富過(guò)程當(dāng)中，裝載，轉(zhuǎn)載，自己行走，而且還具有噴霧降塵的功能，有的還有支護(hù)功能。按照掘進(jìn)機(jī)的外形特征， 掘進(jìn)機(jī) 大致可以 分為 兩種，一種是 開(kāi) 還是 敞式掘進(jìn)機(jī) ， 一種是 護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī) ， 它們的價(jià)格一般都會(huì)在億元人民幣左右，價(jià)格還是比較昂貴的。掘進(jìn)機(jī) 主要 包括 行走機(jī)構(gòu)， 工作機(jī)構(gòu) ， 運(yùn)載機(jī)構(gòu)，電氣系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，噴霧降塵機(jī)構(gòu)等 。 截割過(guò)程是指 行走機(jī)構(gòu) 不斷 向前推進(jìn)， 切割頭對(duì)巖石進(jìn)行切割破碎并經(jīng)過(guò)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)將剝落的巖石碎塊運(yùn)走 。 掘進(jìn)機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)，比如 安全高效 ，工作質(zhì)量也高 ， 但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，比如 造價(jià)大，構(gòu)造 比較 復(fù)雜，損耗也較大。 掘進(jìn)機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造精度，對(duì)掘進(jìn)機(jī)今后的使用性能都具有決定性作用。如圖 1所示。 3 圖 1 縱軸掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程 如圖 2所示截割頭上的截齒，圖 3所示掘進(jìn)機(jī)的截割頭部件。 圖 2 截割頭上的鎬齒 本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)市場(chǎng)的發(fā)展?fàn)顩r做了一定的了解并對(duì)搜集到的信息做了總結(jié) ， 掌握并 介紹 礦 巖截割的 一些 相關(guān) 基礎(chǔ) 知識(shí) 理論 ,并 通 過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)截割裝置的具體參數(shù)進(jìn)行列表。其中包括截齒的截割參數(shù)，截齒的空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)，截割頭的整體受力情況，切割深度，截割功率等分別進(jìn)行計(jì)算。 橫軸掘進(jìn)機(jī) 按照截割方式分為三種 :縱向進(jìn)給掏槽截割、垂直擺動(dòng)掃描截割、 水平擺動(dòng)掃描截割 等 。相應(yīng)地 截齒運(yùn)動(dòng)方式有三種，包括 平面擺線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、圓弧擺線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 和 圓弧螺旋線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 4 圖 3 掘進(jìn)機(jī)截割頭 進(jìn)機(jī)分類(lèi) 軟土盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)：（適用開(kāi)挖軟土） 硬巖掘進(jìn)機(jī)：（適用于硬礦巖地質(zhì)） 全斷面掘進(jìn)機(jī) （ 按截割方式不同 擴(kuò)孔式結(jié)構(gòu) 搖臂式結(jié)構(gòu) 按照保護(hù)形式不同 開(kāi)放式結(jié)構(gòu) 單護(hù)盾結(jié)構(gòu) 雙護(hù)盾結(jié)構(gòu) 三護(hù)盾結(jié)構(gòu) 部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn) 橫軸式掘進(jìn)機(jī) 5 機(jī)（自由斷面掘進(jìn)機(jī)） 縱軸式掘進(jìn)機(jī) 圖 4 部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖 5 縱軸掘進(jìn)機(jī) 橫軸掘進(jìn)機(jī)有兩個(gè)截割頭， 并且兩個(gè)截割頭是對(duì)稱(chēng)的， 截割頭 的 主軸與截割臂垂直 ，如圖 6 所示橫軸掘進(jìn) 機(jī) 。 部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)中包括橫軸式掘進(jìn)機(jī)，它的工作臂很靈活而且還屬于單點(diǎn)切割，因?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)的截割運(yùn)動(dòng)不是集中在一個(gè)點(diǎn)，所以對(duì)于礦巖的范圍可以擴(kuò)展到硬度比較高的區(qū)域 。橫軸式掘進(jìn)機(jī)主要機(jī)構(gòu)有：截割頭，截割臂，裝渣鏟板，扒渣蟹爪， 6 回轉(zhuǎn)臺(tái)，駕駛室，中間運(yùn)輸裝置，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，行走裝置，液壓系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)，噴霧系統(tǒng)等。 圖 6 橫軸掘進(jìn)機(jī) 圖 7 橫軸掘進(jìn)機(jī)和截割頭 內(nèi)外橫軸式掘進(jìn)截割機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和科技的不斷發(fā)展，世界各國(guó)工業(yè)化水平得到了不斷的發(fā)展，技術(shù)水平也不斷提 高，使掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展具有更加廣闊的發(fā)展前景也逐漸成為必然。近些年我國(guó)掘進(jìn)機(jī)發(fā)展也進(jìn)入了高速發(fā)展模式，總體的研究制造水平也在不斷逼近國(guó)外同行。就目 7 前而言，因?yàn)榭茖W(xué)技術(shù)的水平的提高使得掘進(jìn)技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的變化，國(guó)內(nèi)掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展在逐漸順應(yīng)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)掘進(jìn)機(jī)要求大功率，高效率，高自動(dòng)化的需求。當(dāng)然，因?yàn)榫蜻M(jìn)設(shè)備的一些自我局限，到目前為止仍以懸臂式掘進(jìn)機(jī)為主。在我國(guó)除了煤礦巷道掘進(jìn)以外，近些年掘進(jìn)機(jī)已逐漸進(jìn)入鐵路工程，城市地鐵隧道的掘進(jìn)以及公路修建等各行各業(yè)。如今通過(guò)了解自己對(duì)掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單總結(jié)，具體的內(nèi)容有以 下幾點(diǎn)，隨著高產(chǎn)高效的礦井建設(shè)和其他大型工程建設(shè)的需要，掘進(jìn)機(jī)的截割功率也逐漸增加，從最初的 30高到如今的 350進(jìn)機(jī)重量也從 13 噸上升到 100噸，截割對(duì)象從過(guò)去比較單一的煤礦開(kāi)采擴(kuò)展到半煤巖，并逐步開(kāi)始形成了煤及半煤巖掘進(jìn)兩大系列，一共有十多個(gè)產(chǎn)品。另外隨著人們環(huán)保意識(shí)的提升和國(guó)家對(duì)環(huán)保的大力倡導(dǎo)，加上勞動(dòng)力成本的逐年提高，機(jī)械智能化掘進(jìn)將成為一種必然的發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展前景將會(huì)非?？捎^。為此煤炭行業(yè)也受益得到了快速發(fā)展，與之相應(yīng)的煤機(jī)行業(yè)也越來(lái)越受到重視。煤礦巷道的快速掘進(jìn)是保證煤礦工作 效率高效穩(wěn)定的關(guān)鍵措施，因此掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)用和發(fā)展關(guān)系到煤礦的生產(chǎn)能力和安全。 要想讓機(jī)械工業(yè)有飛速的發(fā)展就必須將現(xiàn)在的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合 。隨著工業(yè)技術(shù)水平的快速發(fā)展和提高，通過(guò)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)方面經(jīng)驗(yàn)的積累，國(guó)外的掘進(jìn)機(jī)各生產(chǎn)商開(kāi)始朝著綜合性能更高更優(yōu)的方向邁進(jìn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在不影響優(yōu)良性能的前提下，可以發(fā)展機(jī)身較低的機(jī)型，這樣對(duì)于工作空間的需求減少了，運(yùn)用面也有了擴(kuò)大。在保證工作穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，也可以適用比較低矮的巷道掘進(jìn)。還有就是加強(qiáng)機(jī)器自身故障檢測(cè)能力和對(duì)工況檢測(cè)能力，減少了 修理時(shí)間和修理的困難系數(shù)，同時(shí)也使掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)更加智能完善。煤炭系統(tǒng)巷道掘進(jìn)的主要發(fā)展方向就是提高機(jī)械化水平，各工作業(yè)環(huán)節(jié)都采用高效的機(jī)械設(shè)備，以換下淘汰低效設(shè)備和手工業(yè)。近些年為適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要，平巷掘進(jìn)所需的機(jī)械設(shè)別不僅越來(lái)越多，而且效能也有相應(yīng)的提高。 就目前為止，我國(guó)雖然在掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展方面取得了一系列的成就，但就我國(guó)掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展中還存在一些問(wèn)題需要在今后設(shè)計(jì)制造成去解決。 8 1) 提高掘進(jìn)機(jī)的裝機(jī)功率，使掘進(jìn)機(jī)的效率達(dá)到最高和適應(yīng)性最大。 2) 解決機(jī)器的調(diào)向和糾偏等一系列的控制問(wèn)題。 3) 設(shè)計(jì)新型結(jié) 構(gòu)的交叉軸承，提高掘進(jìn)機(jī)軸承的可靠性和使用壽命。 4) 質(zhì)量盡可能輕、結(jié)構(gòu)變緊湊、效率更高是對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的高要求。 5) 應(yīng)用新的控制系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)，以保證機(jī)器工作的精準(zhǔn)度、安全性和可靠性。 6) 在對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行創(chuàng)新研究時(shí)要聯(lián)想到實(shí)體的一些要求，比如拆卸方便簡(jiǎn)單，工作靈活等。 7) 能適應(yīng)各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，考慮配備液壓掩護(hù)支撐板，錨桿鉆孔和超前鉆孔等設(shè)備，以保證安全作業(yè)和防止機(jī)組下沉。 8) 機(jī)組用于井下，應(yīng)考慮電器防爆，盡量不采用氣割，電焊等措施。 9) 進(jìn)一步改進(jìn)濕式集塵器，解決除塵、集塵以及刀具的合理冷卻等問(wèn)題。 10) 研究新的轉(zhuǎn)載出碴和后配套運(yùn)輸設(shè)備，保證排碴輸送工作的高效?？傊?，要加大掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)備的研究和探索，進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)和測(cè)試工作，提高巖巷掘進(jìn)的機(jī)械化水平，在破巖理論和截割阻力計(jì)算方面，以及采用滾壓式，沖擊式的工作原理，液壓、電氣元件的研制工作方面能夠有大的突破和改善，為設(shè)計(jì)制造出適合我國(guó)巖巷情況的巷道掘進(jìn)機(jī)而作積極準(zhǔn)備。 9 第二章 截割頭參數(shù) 經(jīng)驗(yàn) 的確定 割頭的形式及尺寸參數(shù) 向截割頭的外形 截割頭的形狀是截割頭繞自身主軸 旋轉(zhuǎn) 時(shí)，截齒齒尖 旋轉(zhuǎn)一圈 所形成的外輪廓 ，也 叫截割頭包絡(luò)面，截割頭繞軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，各個(gè)截齒齒尖與過(guò)軸線(xiàn)平面都 會(huì) 有一個(gè)交點(diǎn)， 將 這些交點(diǎn) 連接起來(lái) 就 能 得到齒尖包絡(luò)曲線(xiàn)。 以 包絡(luò)曲線(xiàn)繞截割頭軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)就 可以 得到截割頭空間包絡(luò)面。齒尖包絡(luò)曲線(xiàn) 通常是由好幾段不同曲線(xiàn)構(gòu)成 。相 對(duì) 應(yīng)包絡(luò)面的 展現(xiàn) 形式也 有多種 ， 例如 有“圓柱＋球冠”式、“圓錐＋球冠”式、“圓柱＋圓錐＋球冠”式、“拋面＋拋面＋球冠”式等。其中，橫軸式截割頭經(jīng)常采用的形式 就是 “拋面＋拋面＋球冠”式 。如圖 8。 圖 8 “拋面＋拋面＋球冠”式包絡(luò)面的包絡(luò)線(xiàn) 是 由兩段拋物線(xiàn) 和 一段圓弧組成，由于橫向擺動(dòng)鉆進(jìn)截割 是 橫軸截割頭的主要截割方式， 所以 為了有利于鉆進(jìn)截割，截頭上的截齒 要分布在各個(gè)直徑上，圖 8中拋物線(xiàn) 2 是主要截割區(qū)域，拋物線(xiàn)在截割頭的末端采用圓弧段3 進(jìn)行過(guò)渡。在橫向擺動(dòng)截割狀態(tài)下，截割頭根部 通常 只布置幾個(gè)截齒， 因?yàn)?當(dāng)一個(gè)截割頭處于鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)，另一個(gè)截割頭處于反向狀態(tài)，基本不參予截割， 而 形成很短的一段拋物線(xiàn)，用于修整工作面 。 另外，這段拋物線(xiàn)上的截齒會(huì)在縱向鉆進(jìn)截割和上下擺動(dòng)截割時(shí)發(fā)揮 重要意義的 截割作用。 割頭最大直徑 10 截割頭 的 最大直徑 由四個(gè)因素決定： 礦巖的壓松效應(yīng)、截齒 工作 速度、截割力 和 生產(chǎn)率。其中， 除掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)效率要求截割頭的直徑要盡量大以外， 礦巖的壓松效應(yīng)、截齒的截割速度、截齒的截割力限制截割頭的直徑不 都 能過(guò)大， 所以 截割頭最大直徑的確定是一個(gè)域內(nèi)求優(yōu)的過(guò)程。 齒的形式及尺寸參數(shù) 截割頭 上的截齒是 直接作用于礦巖的結(jié)構(gòu)， 因此 截齒需要具有一定的強(qiáng)度， 硬度， 使截割頭 能夠順利的破碎礦巖 。 由于生產(chǎn)中的破壞形式以 主要以 磨損破壞 為主 ， 所以 截齒 要具有一定的耐磨損能力 。 在 截割 工作過(guò)程中，截齒與礦巖的相互作用 會(huì) 產(chǎn)生相當(dāng) 高 的熱量，使截齒 自身 的溫度升高，因此截齒還應(yīng)具有一定的 耐高溫性 ，使截齒在高溫下 仍然 能夠保持其 高效的 機(jī)械性能進(jìn)行順利截割。 齒的形式 現(xiàn)在掘進(jìn)機(jī)的采掘行業(yè)里，一般使用的刀形齒和鎬形齒結(jié)構(gòu)比較多 ，如圖 9 所示 a 為刀形齒， b 為鎬形齒 。鎬形齒 比 刀形齒 通常會(huì)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì) ： 首先在 截割礦巖時(shí)，鎬形齒 是 采取點(diǎn)接觸方式與礦巖發(fā)生作用，利用點(diǎn)擊和劈尖作用破碎礦巖， 所以 可適合截割較硬礦巖； 其次鎬型齒 可以設(shè)定扭轉(zhuǎn)角， 讓 截齒利用與工作面的摩擦力在齒座內(nèi)旋轉(zhuǎn)， 這樣 截齒的磨 損比較均勻， 還可以 產(chǎn)生自礪， 有益于 延長(zhǎng)截齒的使用壽命；截割阻力 的 方向盡可能地 接近截齒的軸線(xiàn)方向 會(huì)使 截齒承受的彎矩 減 ??；截齒在齒座上的安裝 和 固定方式比較 簡(jiǎn)單可靠； 最后是 截齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 有利于 加工。 但除去這些優(yōu)點(diǎn)以外，也會(huì)存在一定的缺陷，比如 鎬形齒相對(duì)于刀形齒而言具有粉塵量大，塊礦石率低的缺點(diǎn) 。 盡管如此， 由于掘進(jìn)機(jī)主要 是 用于開(kāi)辟巷道，絕大多數(shù)都采用鎬形齒。 圖 10 所示為鎬形齒實(shí)圖。 形齒的結(jié)構(gòu) 如圖所示， 鎬形齒 是 由兩部分組成，刀桿與合金刀頭，兩者 都是 回轉(zhuǎn)體。合金刀頭參與截割， 會(huì) 與礦巖發(fā)生 直接 作用， 因此 需要有足夠的 強(qiáng)度， 硬度 和 耐磨性；刀桿用 來(lái) 支撐合金刀頭與齒座連接，通過(guò)焊接 將兩者連接起來(lái) 。 11 圖 9 截齒形式 圖 10 鎬形齒 頭結(jié)構(gòu) 合金刀頭是用來(lái)和礦巖直接接觸完成截割運(yùn)動(dòng)的，對(duì)于鎬齒，錐角和直徑對(duì)合金刀頭的工作性能和形狀都會(huì)有決定性影響 。合金頭的錐角不 但 影響截割阻力 ， 而且 還關(guān)系到合金頭的強(qiáng)度 ， 在 通常情況下， 截齒的截割阻力 還有 自身強(qiáng)度都 和 錐角 的大小成正比 。 如果錐角增大，截齒強(qiáng)度 會(huì) 提高，但截割效率 就會(huì) 降低， 而且截割礦巖的硬度面也會(huì)擴(kuò)展到 截割較硬 的 礦巖； 相反，如果 錐角減小，截齒強(qiáng)度 會(huì) 下降， 所以刀頭比較 容易 磨損， 但截割效率 會(huì)有所 提高，因此錐角 的大小得 根據(jù)截割礦巖具體 的 物理機(jī)械性能來(lái) 決定 。一般對(duì)于比 較軟 的 礦巖，錐角 可 取 70°～ 85°， 但 對(duì)于普氏硬度系數(shù) f > 6的礦巖，錐角 在 90°～102° 之間 。 除以上談到的內(nèi)容之外， 為了防止在截割硬礦巖時(shí)刀桿與礦巖接觸產(chǎn)生摩擦，錐角要能夠包容刀桿，為達(dá)到這點(diǎn) 要求 ，在增 大錐角的同時(shí)，人們對(duì)合金頭的形式 也 進(jìn)行了研究，形狀變化 由最初的圖 11（ a）結(jié)構(gòu)演化到圖 11（ c）結(jié)構(gòu)。 12 圖 11 刀頭的結(jié)構(gòu) 合金頭的直徑 會(huì)影響到 截割阻力，根據(jù)試驗(yàn) 數(shù)據(jù) 可以用經(jīng)驗(yàn)公式表示合金頭直徑 d 對(duì)截割阻力的影響： K = d ? d + 著 合金頭直徑的增加 ， 使密實(shí)核體積增大 和 礦粉量加 大 ，但如果合金頭直徑 過(guò)小 ，截齒強(qiáng)度 也會(huì)有所 下降，會(huì)使其 可靠性與使 用壽命 同時(shí)受到影響 ， 為適應(yīng) 掘進(jìn)機(jī)截割礦巖硬度的不斷提高，合金頭直徑 逐漸變大 ?？梢愿鶕?jù)截割 礦巖 硬度 確定截齒直徑， 從表 1 中選取。 表 1 刀頭直徑的選取 礦巖分類(lèi) 煤及軟巖 中硬巖 硬巖 普氏硬度 f ≤ 4 4 割機(jī)理 根據(jù)礦巖的物理機(jī)械特性 可以了解到 ，礦巖的抗壓強(qiáng)度最大，抗剪強(qiáng)度次之，抗拉強(qiáng)度最小， 所以 在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程 當(dāng) 中， 要 利用礦巖抗剪強(qiáng)度 和 抗拉強(qiáng)度較小的特性，特別是要盡量利用抗拉強(qiáng)度最小的特點(diǎn)進(jìn)行礦巖的截割與破碎， 這樣 不僅可以降低截割比能耗，提高工作效率 ，而且可以減輕截齒的磨 損，延長(zhǎng)掘進(jìn)機(jī)的 工作 壽命。 26 巖的截割破碎機(jī)理 在截割礦巖的過(guò)程中 ， 截齒通過(guò)機(jī)械的外力作用，作用在礦巖的表面，使破碎的礦巖快與礦巖進(jìn)行分離的過(guò)程，因?yàn)榈V巖自身質(zhì)地并不均勻而且脆性也比較大，所以在切割過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)躍進(jìn)性，這個(gè)過(guò)程一般分為四個(gè)階段， 如圖 18所示。 圖 18 截齒與礦巖的作用過(guò)程 第一階段，變形階段。如圖 18（ a）， 在這 階段，截齒與礦巖體的作用力 逐漸增大 ，但是并 沒(méi)有超過(guò)礦巖的彈性應(yīng)力 的 極限，礦巖 會(huì) 產(chǎn)生局部彈性變形 。 如果鎬齒尖形成一定體積的球體，那么根據(jù)赫茲理論就可以認(rèn)定在接觸點(diǎn)的應(yīng)力表現(xiàn)為零，離開(kāi)接觸點(diǎn)一定距離，應(yīng)力就會(huì)達(dá)到峰值，如果距離再接著拉大，那么接觸點(diǎn)應(yīng)力又會(huì)逐漸減小。通常最大的拉應(yīng)力都在接觸面附近的一些點(diǎn)上表現(xiàn)出來(lái)。 第二階段，裂紋發(fā)生階段。如圖 18（ b），隨著截齒的挺進(jìn)，截齒與礦巖體作用力不斷增加，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)礦巖的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，接觸點(diǎn)附近礦巖被拉開(kāi)，產(chǎn)生赫茲裂紋；當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)礦巖的抗剪強(qiáng)度極限時(shí)，接觸點(diǎn)附近礦巖被錯(cuò)開(kāi)，產(chǎn)生剪切裂紋源。 第三階段，密實(shí)核產(chǎn)生階段。如圖 18（ c）， 隨著 剪切裂紋的不斷擴(kuò)散，會(huì)在自由面與赫茲裂紋進(jìn)行相交 。 再礦巖內(nèi)部已經(jīng)被截割破碎的碎巖會(huì)在截齒的不斷向前運(yùn)動(dòng)中逐漸 27 形成密實(shí)核，因?yàn)樗閹r不斷在向同一個(gè)位置進(jìn)行擠壓，所以密實(shí)核也在不斷向包圍自己的礦巖進(jìn)行施壓。如果當(dāng)中 一部分巖粉 會(huì) 以很大的速度從截齒前刃面噴出，密實(shí)核體積 將會(huì)有所減小。 第四階段，巖塊崩落階段。如圖 18（ d），隨著接觸的繼續(xù)前移， 隨著 相互作用力 的進(jìn)一步增加，更多的巖粉形成密實(shí)核，密實(shí)核不斷長(zhǎng)大，聚集的能量也不斷增加 ， 并 對(duì)其包圍的巖體的壓力也不斷增加。當(dāng)壓力超過(guò)一定值時(shí)，包圍巖體發(fā)生塊體崩落，截 齒突然切進(jìn)，載荷瞬時(shí)下降，完成一次躍進(jìn)式截割循環(huán)。 可見(jiàn)，這個(gè)截割循環(huán)是礦巖體彈性變形、微裂紋形成、密實(shí)核形成、密實(shí)核變小再長(zhǎng)大、密實(shí)核爆發(fā)的過(guò)程，密實(shí)核的形成與發(fā)育不僅消耗了大量的能量，而且產(chǎn)生大量的礦巖粉塵，這就是密實(shí)核截割力理論。 割力分析 截齒在工作中表現(xiàn)為不斷的循環(huán)過(guò)程，截割阻力也表現(xiàn)為波動(dòng)形式。 如圖 17，曲線(xiàn)礦巖彈性變形 (圖 19 中 a 段 )，出現(xiàn)微裂紋 (圖 19 中 b 段 )，密實(shí)核形成 (圖 19 中 c 段 )，密實(shí)核變小 (圖 19 中 d 段 )，密實(shí)核再長(zhǎng)大 (圖 19 中 e 段 )，密實(shí)核爆 發(fā) (圖 19 中 f 段 )、截齒突然接近的過(guò)程。 圖 19 單個(gè)截齒截割礦巖時(shí)的受力情況 據(jù)資料，當(dāng)截齒處于中等磨鈍狀態(tài)時(shí)，截割礦巖一個(gè)循環(huán)中能量的分布如 表 4。 表 4 截割循環(huán)中的能量分布 壓碎作用及密實(shí)核形成 50％－ 78％ 截齒與礦巖的摩擦及碾碎作用 20％－ 46％ 28 微裂紋形成及塊巖崩落 ≤ 1％ 礦巖與機(jī)械結(jié)構(gòu)的彈性變形 ≤ 3％ 通過(guò)對(duì)表中的分析可以得到，不論是截割還是破碎都會(huì)消耗很大部 分的能量，在截割過(guò)程中有脈動(dòng)性的表現(xiàn)是因?yàn)殒€齒和礦巖的質(zhì)地和受力分布不均勻造成的，綜合考慮，如果還按原來(lái)的經(jīng)典力學(xué)對(duì)鎬齒受力進(jìn)行分析的話(huà)會(huì)有很大的難度系數(shù)，所以如果通過(guò)實(shí)驗(yàn)描述對(duì)鎬齒的受力進(jìn)行分析的話(huà)，不僅對(duì)掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義，而且結(jié)論精度也會(huì)大大提高。 的截割技術(shù) 發(fā)展到今天，懸臂掘進(jìn)機(jī)已成為一種成熟的礦巖掘進(jìn)設(shè)備，但 現(xiàn)在 掘進(jìn)礦巖的硬度仍然 不能滿(mǎn)足日益擴(kuò)大的使用范圍的要求。為提高掘進(jìn)機(jī)的切割硬度， 國(guó)內(nèi)外 都在嘗試各種新的截割方法。掘進(jìn)機(jī)除 了 向大噸位、高速度、大功率、重型化發(fā)展外，一些 國(guó)家將振動(dòng)截割及高壓細(xì)流助切技術(shù)引進(jìn)了掘進(jìn)機(jī)行業(yè)。 動(dòng)截割 振動(dòng)截割 ： 在截割頭的正常截割過(guò)程中 ， 利用慣性沖擊振動(dòng)器 ， 讓鎬齒產(chǎn)生一定小周期的振動(dòng)來(lái)增加順時(shí)覺(jué)得截割力，這樣會(huì)有更好的截割效果 。 掘進(jìn)機(jī)通過(guò)偏心塊兒的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生振動(dòng)對(duì)截割頭提供沖擊力起到振動(dòng)破碎的目的。所以，不論是對(duì)截割頭的沖擊力的研究，對(duì)合理確定振動(dòng)式掘進(jìn)機(jī)截割頭偏心機(jī)構(gòu)的參數(shù)，還是設(shè)計(jì)合理的振動(dòng)機(jī)構(gòu)等，對(duì)偏心機(jī)構(gòu)的研究都有重要的意義。 根據(jù)查詢(xún)的資料得知 ，振動(dòng)截割技術(shù)在二十世紀(jì)五十年代就 已經(jīng)被 前蘇聯(lián)引進(jìn)采掘行業(yè)， 并 制 造 了振動(dòng)沖擊挖掘 機(jī)，試驗(yàn)結(jié)果 表面所研制的振動(dòng)沖擊挖掘機(jī) 具有 比能耗低、生產(chǎn)率高 的優(yōu)勢(shì) 。中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 從 1987 年也開(kāi)始 對(duì) 沖擊破巖研究。遼寧工程技術(shù)大學(xué)也開(kāi)展了 對(duì) 振動(dòng)截割技術(shù)的研究。國(guó)內(nèi)外 對(duì)于振動(dòng)截割技術(shù) 的研究及大量試驗(yàn)表 明 ：采用振動(dòng)截割， 可以使 巖石破碎時(shí)間 縮短 ， 使得 截割力下降，截割硬度 有大的 提高，截割比能耗降低，生產(chǎn)率提高。另外，振動(dòng)截割同靜力破碎、切削破碎的破碎機(jī)理及破碎過(guò)程同屬于脆性破碎， 也就是說(shuō)指 彈性變形、微裂紋 的 產(chǎn)生、密實(shí)核形成、密實(shí)核發(fā)育、密實(shí)核爆發(fā) 等 幾個(gè)過(guò)程的不斷循環(huán)過(guò)程 。 截割載荷同樣遵循躍進(jìn)規(guī)律及波動(dòng)式變化。 從 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，因?yàn)闆_擊力的產(chǎn)生時(shí)間短，變化大，加上沖擊力對(duì)巖石產(chǎn)生的應(yīng)力波，應(yīng)力波傳到自然面的反 29 射波比較復(fù)雜，通過(guò)礦巖體內(nèi)產(chǎn)生的拉伸波和反拉伸波的疊加，最終產(chǎn)生巨大的拉應(yīng)力讓礦巖破碎，所以通常情況下沖擊波的比能耗比截割破碎的比能耗要低好多。 壓細(xì)射流助切技術(shù) 高壓水射流技術(shù)是最近幾十年來(lái)興起的一門(mén)新技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)水平的高速發(fā)展，高壓水射流技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視，并廣泛地應(yīng)用在煤炭，石油，化工，冶金，船舶，建筑等各部門(mén)。不僅如此，高壓水射流技術(shù)也經(jīng)常被用以清洗，除垢，切割，破巖等，用來(lái)提高 工作效率，降低成本提高利潤(rùn)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善工作環(huán)境等。 高壓細(xì)射流助切是利用高壓細(xì)射流的撞擊、侵蝕、高壓楔 等 作用，作用 在 礦巖 面 以便 達(dá)到提高掘進(jìn)機(jī)破巖能力的目的。在美國(guó) ， 高壓細(xì)射流助切技術(shù)于 20 世紀(jì) 70 年代應(yīng)用到懸臂掘進(jìn)機(jī)上，作為輔助截割。 因 制造高壓水 困難系數(shù)比較大 ，特別是 在 200，水壓設(shè)備 研制非常 困難、耗資還大 ， 因種種困難 限制了該項(xiàng)技術(shù)的 研究 發(fā)展。目前掘進(jìn)機(jī)截割頭上的高壓水射流措施 通常情況下， 多用來(lái)進(jìn)行粉塵的處理、降低刀具溫度、減輕刀具磨損及預(yù)防截割火花的形成， 而 在助切方面效果 并 不 十分 明顯 。但高壓細(xì)射流技術(shù)確實(shí)是人們?cè)谔岣呓馗铑^截割能力方面的一項(xiàng) 偉大 嘗試， 從 80年代到現(xiàn)在為止，已經(jīng)開(kāi)始系統(tǒng)研究磨料射流，空化射流，脈沖射流，旋轉(zhuǎn)射流等新型射流的清洗，切割，水力破巖工藝技術(shù)和基礎(chǔ)理論，并出現(xiàn)了氣水射流等。 30 總結(jié)與展望 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于機(jī)械化水平的要求也在不斷提高。對(duì)于本次研究的設(shè)計(jì)對(duì)象 "橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì) "，對(duì)提升工作效率有著重要的意義。 通過(guò)各種渠道對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭的文獻(xiàn)資料進(jìn)行了大量的收集，通過(guò)了解，得知掘進(jìn)機(jī)目前在國(guó)內(nèi)外 的發(fā)展?fàn)顩r，面臨的一些設(shè)計(jì)問(wèn)題以及提高工作效率的具體解決方法同時(shí)，也對(duì)礦巖的各自特性進(jìn)行了簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)和了解。關(guān)于截割頭的具體設(shè)計(jì)過(guò)程，首先是在原有的基礎(chǔ)上確定掘進(jìn)機(jī)截割頭的大體尺寸，然后對(duì)截割頭的各空間角度通過(guò)計(jì)算獲得。 最后對(duì)所有的設(shè)計(jì)計(jì)算進(jìn)行整理，通過(guò) 模將鎬齒和截割頭的零件圖畫(huà)出來(lái)，因?yàn)闄M軸掘進(jìn)機(jī)的截割頭有兩個(gè)，是對(duì)稱(chēng)圖形，所以我只畫(huà)了其中的一半，還有就是截割頭上的鎬齒應(yīng)該有很多，但自己只畫(huà)了幾個(gè)作為代表，接下來(lái)就是將各尺寸標(biāo)注一下。以上就是本次設(shè)計(jì)的所有內(nèi)容，很感謝董磊老師在我的設(shè)計(jì)過(guò) 程中給足的幫助，也希望各位老師能本次設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)和不足，讓自己有機(jī)會(huì)進(jìn)行學(xué)習(xí)和完善。 31 參 考 文 獻(xiàn) [1] 隆泗，母洪都 J]2001,3： 1[2] 陳同寶，錢(qián)沛云，陶崢 J]2000,5: 58 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