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第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 1 几种螺旋头数交叉排列截齿的 截割头载荷模拟 张丽英，张梦奇 山西能源学院 山西晋中 030600 摘要为了研究交叉式排列截齿对纵轴式截割头工作载荷的影响，基于单齿破岩试验的结论，建立了 截割头工作载荷计算模型，对采用 2、3、4 条螺旋线排列截齿数均为 42 的 3 种截割头进行设计和建 模分析。在切深为截割头直径的 20、40、60、80 和 100 的模拟条件下，获得了截割工作区域 中的截齿数量和相应的截割载荷分量。模拟结果显示，随截深增加，工作区内的截齿数增加导致截割 载荷相应增加，二者相关系数超过 0.965；其中，当截深超过截割头直径的 80 后，x 方向载荷分量 在进入和离开工作区域截齿切向力相互抵消的作用下不再增大。此外，当截深为截割头直径的 20， 采用 2 螺旋线排布截齿的截割头载荷的主要频率与工作区域内的截齿数一致；当截深大于截割头直径 的 80 后，3 种截割头截割载荷分量的主要频率与截割头转频一致。研究结果表明，对于采用交叉式 排布截齿的截割头，截割载荷分量的平均值相近，受螺旋线数量和螺旋升角的影响较小，采用 3 条螺 旋线的截割头在不同截深条件下与岩石相互作用的截齿数变化量较小。 关键词截割头；截齿排布；螺旋线；交叉式布齿；截割载荷 中图分类号TD421.5 文献标志码A 文章编号1001-3954202010-0001-08 Simulation on load of cutting head whose picks in cross-type arrangement with various spiral lines ZHANG Liying, ZHANG Mengqi Shanxi Institute of Energy, Jinzhong 030600, Shanxi, China AbstractTo study the influence of the cross-type pick arrangement on the working load of the longitudinal cutting head, the working load calculation model of the cutting head was established based on the conclusion of rock cutting test with single pick. Three kinds of cutting head with 42 picks arranged by 2, 3 and 4 spiral lines were designed and modeled. Under the simulation condition of the cutting depth being 20, 40, 60, 80 and 100 of the diameter of the cutting head, the number of picks in the cutting work area and corresponding cutting load component were obtained. The simulation results showed with the increase in the cutting depth, the number of picks in the working area increased, which led to corresponding increase in the cutting load, the correlation coefficient of the two exceeded 0.965; while the cutting depth exceeded 80 of the diameter of the cutting head, the load component in direction x did not increase any more due to the mutual cancellation of the cutting force of the pick at entering and leaving the working area. In addition, while the cutting depth was 20 of the diameter of the cutting head, the main frequency of the cutting load of the cutting head with 2 spiral lines was consistent with the number of picks in working area; while the cutting depth was more than 80 of the diameter of the cutting head, the main frequency of the cutting load component of three kinds of cutting head was consistent with the rotation frequency of three kinds of cutting head. Research results showed for the cutting heads whose picks in cross-type arrangement, their 基金项目山西省应用基础研究自然科学基金项目 201901D111298；山西能源学院自然科学资助项目 ZY-2017007 作者简介张丽英，女，1970 年生，硕士，正高级工程师，主要从事掘进设备的设计研究工作。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 2 掘 进机是井下机械化掘进的重要装备，截割头 是掘进机截割破岩的核心零部件。在掘进机工 作过程中，安装在掘进机截割头上的截齿与煤岩直 接相互作用，使截割头承受剧烈的周期性冲击载荷 的作用。纵轴式截割头外形通常为圆柱体、圆锥体和 球体组合结构，截齿在截割头上按照不同形式螺旋线 排列[1]，当截线间距保持恒定时，相邻截齿在截割头 表面的分布通常可归纳为交叉型和放射型 2 种典型形 式。截齿在截割头上的位置对截割载荷、截割能耗 及截割振动等掘进机工作指标具有显著影响[2]。张梦 奇、Ji Junhong 等人开发了纵轴式掘进机截割头设计 软件，实现了截割性能指标的计算[3-5]；李强等人通 过 MATLAB 软件实现了对采煤机斜切进刀工况的截 割阻力计算分析[6]；赵丽娟等人根据相似理论对纵轴 式掘进机截割头设计进行优化，提高了截割头的设计 性能指标[7]。 笔者以掘进机实际使用的截割头为例，基于同一 截割头体设计了螺旋线数量为 2、3、4 的 3 种交叉式 排列截齿的截割头，进行不同截深条件下的截割过程 模拟计算，并对 3 种截割头的有效齿数变化和工作载 荷进行对比研究。 1 纵轴式掘进机截割头 纵轴式掘进机工作时，截割头在掘进机行走机构 或伸缩机构的作用下钻入煤岩中，并在升降和回转机 构的作用下连续摆动，实现对巷道断面的截割。为提 高截割头摆动过程中的生产效率并兼顾截割头钻入煤 岩的效果，EBZ260 掘进机截割头外形轮廓最大直径 为 1 125 mm，总长度为 925 mm，共排列 42 枚锥形 截齿，如图 1 所示。设计时，考虑到螺旋线升角、截 线间距等因素，相邻螺旋线上的截齿在圆周方向上相 互交叉，形成网格状排布结构。随截割头的旋转和摆 动，各截齿按照其在圆周方向上的位置顺次与煤岩相 互作用。由于截齿不同排列参数对应各截齿进入和退 出截割的顺序不同，因此，同时参与截割的瞬时截齿 数量、截割载荷等掘进机工作性能指标存在差异。 根据 EBZ260 截割头设计特征参数，通过对 SolidWorks 二次开发建立了螺旋线数分别为 2、3、 4 的 3 种截割头模型[8]，如图 2 所示。截齿依次排布 在等间距变升角螺旋线上，3 种截割头圆柱、圆锥和 球体段对应的螺旋升角如表 1 所列。齿座中心高度 为 78 mm，打击角为 49 ，截齿空间定位转角平均值 为 5.8 ，截齿齿杆长度为 80 mm，截线间距均为 26 mm，对应的截齿数量均为 42 枚。 3 种截割头的截齿均交叉分布在截割头体表面。 1、2、3 号截割头圆柱和圆锥段螺旋线间距平均值分 别为 327、245 和 224 mm。各截割头小端截齿分布密 度均为 22.5 枚/m2，且齿座间无干涉，但 1 号截割头 球体上齿尖平均距离为 186 mm，仅为 3 号截割头的 a 1 号截割头 1. 截齿 2. 齿座 3. 截割头体 图 1 EBZ260 掘进机截割头 Fig. 1 Cutting head of EBZ260 TBM cutting head components were close in average, and less affected by the number of spiral lines and the rising angle; the number variation of picks of the cutting head with three spiral lines interacting with rock was fair less. Key Wordscutting head; pick arrangement; spiral line; cross-type pick arrangement; cutting load 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 3 73，对应齿座焊接的操作空间相对较小，焊枪可达 性相对较低。 2 截割头载荷模拟计算原理 2.1 单齿工作受力模型 作用在单个截齿齿尖上的载荷可分解为切向力 FC、法向力 FN 以及侧向力 FS，如图 3 所示。随着截割 头匀速摆动，处于截割头不同轴向位置和圆周角位置 的截齿回转半径 R 和转过的角度 θ 不同，截齿切削深 度也随之改变。按相邻截槽间的相互作用关系，截齿 的切向力和法向力可按式 1 和式 2 分别计算[9-10]。 相邻截槽无相互作用条件下截齿的截割力 Fd Fd Cc Nc 1.014 9 80 82621 76 9 81 217 . .. .. ,σ σ  1 相邻截槽间存在自由面条件下截齿的截割力 Fd Fd Cc 0.785 Nc 1.015 9 82 347 9 80 752 .. .. ,σ σ  2 式中σc 为煤岩的单轴抗压强度，MPa；d 为单齿切 削深度，mm。 截割过程中作用在单个截齿上的载荷与煤岩的单 轴抗压强度和切削深度相关，并随截割深度的增加而 增加。 2.2 截割头载荷计算模型 截割头工作时，各截齿绕截割头轴线旋转的同时 沿截割头移动方向切入煤岩。如图 4 所示，在截深为 H，钻入深度为 C 的条件下，由于截齿在截割头表面 采取了交叉式排列，各截齿依次进入有效工作区域， 因此在有效工作区域内同时与岩石相互作用的截齿总 数会发生周期性波动变化。 表 1 EBZ260 截割头特征参数 Tab. 1 Character parameters of EBZ260 cutting head 截割头 编号 1 2 3 螺旋线 数量/条 2 3 4 起始 10.0 11.0 3.0 终止 11.0 12.0 14.5 起始 11.0 12.0 15.0 终止 13.0 14.0 17.5 起始 11.0 12.0 14.0 终止 19.0 24.0 27.0 球体段 截齿密度 /枚 m-2 22.5 22.5 22.5 圆柱段螺旋 升角/ 圆锥段螺旋 升角/ 球体段螺旋 升角/ b 2 号截割头 c 3 号截割头 图 2 3 种截齿排列参数的截割头模型 Fig. 2 Model of cutting head with three kinds of pick arrangement parameters 图 3 作用在单个截齿上的力 Fig. 3 Force acting on single pick 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 4 在截割煤岩过程中，作用在截割头上的总载荷与 单个截齿承受的截割力、同时与岩石相互作用的截齿 总数有关。截割总载荷沿相互垂直的 3 个方向的反作 用力 Fx、Fy、Fz 可按下式计算[11] FFF xiii i mk cos sincos CN θθθθβ θ10 2p ， 3 FFF yiii i mk - sin cos cos CN θθθθβ θ10 2p ， 4 FFF ziii i mk , sin SN β θθβ θ10 2p ， 5 式中k 为截割头在模拟计算中转过的圈数；θ 为截 割头转过的圆周角， ；m 为处于有效工作区域内的 总齿数；i 为工作区域内的截齿序号；βi 为齿尖相对 于截割头体表面轮廓的法线与 z 轴的夹角， ；FC、 FN 和 FS 分别为单个截齿的切向力、法向力和侧向 力，kN，可表达为 θ 的函数[10]。 3 不同截深条件下的截割载荷模拟 3.1 截割过程中的有效截齿数 由于截齿沿螺旋线离散排布在截割头表面，因 此，在截割头旋转过程中，处于工作区域内的有效 截齿数将随截割头的旋转而改变。在截割头全部钻 入煤岩条件下，按截深 H 为截割头外轮廓直径 D 的 20、40、60、80 和100 5 种状态，分别对 1、2、3 号截割头处于工作区域中的有效截齿数进行 模拟计算，结果如图 5 所示。当截深为截割头直径 的 20 80 范围时，3 种截割头的有效截齿数平均 值均线性增加，拟合方差 R2 接近 1。当 H/D 在 0 20，以及 80 100 范围时，3 种截割头在工作区 域内的截齿数均大幅增加。这是由于按截深分割截割 头直径时，这 2 个区域中对应的截割头圆心角接近其 余被分割区域的 2 倍，因此，上述区域中的有效截齿 总数也接近为其余区域截齿数增量的 2 倍。 在截割头旋转过程中，同时参与截割的截齿总 数通常发生周期性变化，该变化与截齿在截割头上的 圆周相对位置有关。3 种截割头在不同截深条件下有 效截齿数平均值和变差系数计算结果如表 2 所列。由 于截齿总数相同，因此不同截深对应的有效截齿数平 均值接近。随着相对截深的增加，1、2 号截割头有 效截齿数的变差系数均匀减小，且 2 号截割头的变差 系数平均值最小。因此，2 号截割头在不同截深条件 下截齿数的变化程度最小，同时参与截割的截齿数稳 定。此外，对于 3 号截割头，当 H/D 60 时，有 效截齿数的变差系数仅为 0.048。 a 1 号截割头有效截齿数量 b 2 号截割头有效截齿数量 c 3 号截割头有效截齿数量 图 5 旋转 1 周不同截深对应的截齿数量变化 Fig. 5 Number variation of picks at various cutting depth while rotating one revolution 表 2 工作区域中的截齿数量变化特征 Tab. 2 Variation features of number of picks in working area 相对截 深/ 20 40 60 80 100 平均值 6.2 9.1 11.8 14.8 21.0 变差系数 0.165 0.131 0.100 0.081 0.053 平均值 6.2 9.2 11.9 14.8 21.0 变差系数 0.135 0.094 0.085 0.062 0.046 平均值 6.2 9.1 11.8 14.8 21.0 变差系数 0.140 0.121 0.048 0.071 0.053 1 号 2 号 3 号 图 4 截割头截割煤岩模型 Fig. 4 Model of cutting head cutting coal rock 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 5 3.2 截割载荷模拟 截割载荷由处于工作区域内作用在所有截齿上的 切向力、法向力和侧向力共同确定。在模拟过程中， 当截割头相对煤岩的截深和钻入深度确定后，将工作 区域内各截齿上的作用力进行矢量合成，可获得截割 头的工作载荷模拟结果。 对于由不同螺旋线数量形成的交叉式排布截齿的 截割头，为研究截割深度对载荷变化的影响，模拟 计算中被截割煤岩的单轴抗压强度根据掘进机可经济 截割煤岩硬度范围设定为 70 MPa，截割头转速为 60 r/mim。将截深作为变量，根据截齿齿杆的长度以及 截齿的空间姿态，以仅硬质合金与煤岩接触为约束条 件，获得摆动过程中截齿对应的切削深度为 12 mm。 图 6 所示为 2 号截割头在模拟过程中，截深按 20 递增所对应的 5 种工作状态的载荷模拟结果。 在截割头与煤岩初始接触过程中，处于工作区 域的各截齿开始切入煤岩，在截割头转动和移动的共 同作用下，各截齿运动轨迹类似月牙形，其切削深 度近似正弦规律变化。在 0 360模拟过程中，随 着截割头连续移动，各截齿切削深度逐渐增加，在 截齿交叉排布的作用下，当某一截齿离开工作区域 前，已经有其他截齿进入工作区域中，截割载荷表 现为连续线性增加。但在上述过程中，各截齿的切削 深度较浅，相邻截槽间尚无法相互连通，各截齿处于 欠相关状态[12]，导致作用在截齿上的力相对较大。 随着截割过程的持续，各截齿截割深度不断增大，在 360 540范围内，相邻截齿对应的截槽从无相互 作用的欠相关状态，逐渐转换为存在自由面的具有相 互作用效果的定相关截割状态，作用在截齿上的力相 应降低，截割载荷相对减小。当截割头转动角度超过 720后，各截齿的最大切削深度保持不变，且参与 截割的有效截齿总数平均值相对稳定，截割载荷的 3 个分量呈现周期性变化，截割头处于稳定工作状态。 4 截割载荷模拟结果分析 4.1 截割载荷与有效齿数的关系 由于处于工作区域中的截齿总数随截深的增加而 相应增加，因此作用在截割头上的载荷随之改变。当 截深较小时，处于有效工作区域的截齿数较少，且存 在截齿离开工作区域时，由于截深突然减小为 0 而导 致作用在截齿上的力也相应减小为 0 的情况，因而载 a H/D 20 b H/D 40 c H/D 60 d H/D 80 e H/D 100 图 6 不同截深对应的截割载荷模拟计算结果 Fig. 6 Simulation results of cutting load at various cutting depth 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 6 荷波动较大，如图 6a 所示；随截深的增加，沿 x、 y、z 方向的截割载荷分量均逐渐增加，由于工作区域 中的截齿数量不断增多，各截齿切向力的合力沿 y 方 向的载荷分量发生改变，如图 6b 所示；当 H/D 达 到 60 后，沿 y 方向的截割载荷分量逐渐超过沿 z 方 向的分量，且 y 方向载荷变差系数从 H/D 40 对 应的 0.376 降低为 0.187，截割载荷逐渐趋于稳定， 如图 6c 所示；当 H/D 达到 80 时，y 方向载荷变 差系数降为 0.477，载荷波动进一步减小，如图 6d 所示；当截深到达截割头直径时，各截齿不再出现 离开工作区域后切削深度突降为 0 的现象，截割载荷 分量曲线相对平滑，y 方向载荷变差系数进一步降为 0.451，如图 6e 所示。3 种截割头截割载荷平均值与 工作区域中截齿数平均值如表 3 所列，相关系数分别 为 0.965、0.966 和 0.966。 4.2 截割载荷与截深的关系 当截割头处于稳定工作状态后，在不同截深条 件下，3 种由不同螺旋线组成的交叉式排列截齿的截 割头在 x、y、z 方向上的载荷分量平均值计算结果接 近，如图 7 所示。各工况对应的工作区域截齿数相对 偏差范围为 -0.30 0.36，载荷分量相对偏差范 表 3 截割载荷平均值与工作区域中截齿数平均值的相关性 Tab. 3 Correlation of average of cutting load and number average of picks in working area 相对截 深/ 20 40 60 80 100 截割载荷/ kN 25.19 49.86 72.85 93.58 109.52 截齿数/ 枚 6.2 9.1 11.8 14.8 21.0 截割载荷 /kN 24.29 48.76 71.81 92.74 109.10 截齿数/ 枚 6.2 9.2 11.9 14.8 21.0 截割载荷 /kN 25.03 49.50 72.92 93.96 110.25 截齿数/ 枚 6.2 9.1 11.8 14.8 21.0 1 号 2 号 3 号 a x 方向截割载荷 b y 方向截割载荷 c z 方向截割载荷 图 7 稳定工作状态下 3 种截割头各方向截割载荷分量平均值 Fig. 7 Average of cutting load component of three kinds of cutting head in stable working mode 表 4 3 种截割头的截割工作载荷分量统计 Tab. 4 Statistics of cutting load component of three kinds of cutting head 相对截 深/ 20 40 60 80 100 方向 x y z x y z x y z x y z x y z 平均值/ kN 23.224 -1.231 8.326 45.072 10.222 16.908 60.708 29.857 25.614 67.242 54.596 34.503 58.764 80.979 44.511 偏差值/kN 0.498 -0.057 0.197 0.569 0.023 0.263 0.710 0.129 0.246 0.664 0.233 0.371 0.742 0.160 0.277 相对偏差/ 2.14 4.66 2.37 1.26 0.23 1.55 1.17 0.43 0.96 0.99 0.43 1.08 1.26 0.20 0.62 变差系数 -1.321 0.229 0.297 0.433 0.146 0.201 0.023 0.097 0.138 0.148 0.082 0.090 0.077 0.112 0.034 偏差值/kN -0.335 0.105 -0.109 -0.445 0.002 -0.248 -0.427 0.104 -0.086 -0.327 0.163 -0.180 -0.514 0.441 0.027 相对偏差/ -1.44 -8.56 -1.31 -0.99 0.02 -1.47 -0.70 0.35 -0.33 -0.49 0.30 -0.52 -0.87 0.55 0.06 变差系数 -1.252 0.180 0.297 0.376 0.098 0.204 0.187 0.060 0.144 0.103 0.048 0.104 0.045 0.062 0.047 偏差值/kN -0.163 -0.048 -0.088 -0.123 -0.025 -0.014 -0.284 -0.234 -0.160 -0.337 -0.396 -0.191 -0.229 -0.601 -0.305 相对偏差/ -0.70 3.89 -1.05 -0.27 -0.24 -0.09 -0.47 -0.78 -0.63 -0.50 -0.73 -0.55 -0.39 -0.74 -0.68 变差系数 -1.674 0.204 0.322 0.416 0.109 0.222 0.195 0.058 0.151 0.105 0.037 0.094 0.022 0.047 0.036 1 号 2 号 3 号 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 7 围为 -8.56 4.66，且当 H/D＞40 后，载荷分 量相对偏差范围进一步减小为 -1.47 1.55 见 表 4。因此，稳定工作状态下，螺旋线的数量和螺旋 升角对交叉式排列截齿的截割头载荷平均值影响不显 著，相邻截齿间的圆周角度不同是导致截割头截割载 荷平均值存在微小差异的主要原因。 随截深的增加，处于工作区域中的有效截齿数增 加，截割载荷随之增加。当 H/D＞80 后，随工作区 域中截齿总数进一步增加，处于离开工作区域截齿与 初始进入工作区域截齿的切向力相互抵消，因此截割 头在 x 方向上的载荷分量随截深的增加而降低，但沿 x、y 方向的合力随截深的增加而增大。 对工作状态稳定后的截割载荷进行时频转换，可 获得在 x、y、z 方向上的振动频率特征。表 5 列出了 不同截深条件下 3 种截割头截割载荷分量的前 3 个主 要特征频率成分。当 H/D 20 时，3 种截割头处于 工作区域中的截齿数为 71，其中 1 号截割头的截割 载荷第 1 频率特征与处于工作区域中的截齿数一致； 当 H/D 在 40 60 范围内时，第 1 频率特征表现 为截割头转频，第 2、3 频率特征表现为工作区域中 的截齿数的变化；当 H/D＞80 后，第 1 频率特征为 截割转频。对比结果显示，随截深增加，3 种截割头 截割载荷的主要特征频率逐渐减小至与截割头转频相 同，截割振动逐渐趋于稳定。 5 现场应用 EBZ260 截割头在四川广元进行了为期 1 个月的 现场应用试验，巷道截面为拱形，截面积为 12.3 m2， 岩石硬度 f 5 7，平均日进尺为 3.7 m，掘进量为 45 m3，掘进截齿消耗为 0.04 枚/m3。试验过程中，截 割头破岩效果良好，未发生由于截割振动导致的整机 停机故障。 截割头升井检查结果显示，大端齿座外侧面和 球体区域出现磨损，如图 8 所示。造成截割头端磨损 的主要原因是掘进机在进行长时间扫底过程中，整个 截割头埋入松散切屑中，由于大端齿座旋转的线速度 高于其余位置截齿和齿座，使得磨损首先出现在该区 域。此外，在清底过程中，仅截割头球体段的一部分 截齿与底板煤岩接触，且该区域截齿和齿座长时间处 于切屑堆中，摩擦产生的热量无法及时散出，导致较 早出现磨损趋势。因此，在掘进机清底操作过程中， 应合理调整截割工艺，减少非必要清底操作时间。 6 结论 1 参与截割的截齿数量是影响截割载荷的主要 因素。随截深增加，处于工作区域的截齿数相应增 加。对于采用交叉式排列截齿的截割头，在不同截深 条件下，3 条螺旋线比 2 条和 4 条螺旋线的截齿数变 化程度更小。 2 基于截割头载荷计算模型，在不同截深条件 下，按不同螺旋线数量排列截齿的截割头载荷平均值 接近，且截割载荷平均值与处于工作区域中的截齿数 相关性较高，受螺旋线数量、螺旋升角影响较小。 3 随截深的增加，截割载荷各分量的波动程度 逐渐降低。截深超过截割头直径的 80 后，由于离 开和进入工作区域的截齿切向力相互抵消，截割头在 沿移动方向上的载荷分量随截深的增加而降低。 4 当截深较小时，截割载荷分量的主要频率成 分与处于工作区域内的截齿数相关，截割载荷波动相 对显著。随截深增加，主要频率成分逐渐与截割头转 频一致，截割载荷相对稳定。 参 考 文 献 [1] 张梦奇．截齿排布螺旋线对纵向截割头性能的影响 [J]．煤炭 图 8 2 号截割头的磨损状况 Fig. 8 Wear status of No. 2 cutting head 表 5 3 种截割头载荷分量的特征频率 Tab. 5 Character frequency of cutting load component of three kinds of cutting head Hz 相对截 深/ 20 40 60 80 100 频率 成分 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 x 7.04 1.06 2.46 0.88 1.94 1.06 0.88 1.94 1.06 0.88 1.94 1.06 1.94 0.88 1.06 1 号 y 7.04 1.94 13.02 1.94 11.09 8.97 1.94 7.04 0.88 0.88 1.06 1.94 0.88 1.23 2.99 z 7.04 1.94 1.06 1.06 1.94 11.09 7.04 1.06 10.03 1.06 4.05 2.92 1.06 2.64 3.78 x 1.06 5.10 7.92 1.06 8.09 2.64 1.06 2.64 19.01 1.06 2.64 4.05 1.06 2.64 7.04 2 号 y 11.97 7.92 27.10 4.93 1.06 8.09 1.06 19.01 7.92 1.06 8.09 5.10 1.06 2.46 4.05 z 5.10 1.06 1.94 1.06 4.93 8.09 1.06 7.04 26.92 1.06 5.10 8.09 1.06 2.46 4.05 x 7.04 17.95 1.06 1.06 2.46 11.09 1.06 7.04 2.64 1.06 2.46 7.04 1.06 7.04 2.64 3 号 y 13.02 8.09 4.05 5.98 10.03 11.09 7.04 18.13 1.06 1.06 6.86 4.05 0.88 2.46 4.05 z 2.11 7.04 24.99 1.06 2.46 10.03 7.04 1.06 2.46 1.06 2.46 3.87 1.06 2.46 4.05 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 8  单元式超前液压支架偏转自复位 机构及有限元分析 李提建1,2，刘新华1,2 1天地科技股份有限公司开采设计事业部 北京 100013 2中煤科工研究院有限公司 北京 100013 摘要当顶板凹凸不平时，超前支架普遍存在接顶效果差、支护不理想的现象，为此提出了一种全新 的顶梁偏转自复位机构。首先介绍了该机构的工作原理，通过增大立柱球头的尺寸，并利用卡盘将顶 梁和立柱连接，可以增大顶梁的偏转角度；在卡盘内置复位橡胶垫可实现顶梁的自复位。为了研究该 机构，采用基于 MFC 法的角位移施加方式对复位橡胶垫进行分析，求出复位载荷。结果表明，顶梁 可以自复位，且偏转角度越大复位效果越明显。 关键词超前支护；液压支架；复位机构；有限元分析 中图分类号TD355.42 文献标志码A 文章编号1001-3954202010-0008-04 Deflection self-restoring mechanism of unit advanced hydraulic support and its FEA LI Tijian1,2, LIU Xinhua1,2 1Coal Mining the restoring rubber pad embedded in the 基金项目天地科技开采设计事业部“科技创新基金”KJ-2018-TDKCZL-06 作者简介李提建，男，1981 年生，副研究员，主要从事液压支架设计，支架 CAD/CAE 等工作。 科学技术，2013，411284-88. [2] 张倩倩，韩振南，张梦奇，等．冲击载荷作用下锥形截齿磨 损的试验和数值模拟研究 [J]．振动与冲击，2016，3513 58-65. [3] 张梦奇．基于 DAPCR 的掘进机截割机构力学性能分析 [J]． 煤炭科学技术，2008，36470-73. [4] JI J H，YANG J C. Parametric design of cutting head of roadheader and toothholder secondary development based on UG [C] // The 2nd International Conference on Electronic Mechanical Engineering and Ination TechnologyEMEIT-2012，ParisAtlantis Press，20121847-1850. [5] 张梦奇．采掘机械截割装置设计及检测技术研究进展 [J]．价 值工程，2020，3911183-187. [6] 李 强，毛 君．采煤机斜切进刀工况下截割阻力特性研究 [J]．机械设计，20171198-104. [7] 赵丽娟，洪 侠，刘旭南．相似理论在纵轴式掘进机截割头 结构设计中的应用 [J]．机械设计，2016，331210-14. [8] 张梦奇．基于 SolidWorks 二次开发的截割头自动装配技术 [J]． 煤矿机械，2013，343259-260. [9] 张梦奇，贾少山，张建广．截齿破岩阻力预测方法的对比分 析 [J]．煤矿机电，2014424-28. [10] BILGIN N，DEMIRCIN M A，COPUR H，et al. Dominant rock properties affecting the perance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2006，431139-156. [11] 张梦奇．纵轴式掘进机截割功率预测方法与试验验证 [J]．煤 炭学报，2015，40增刊 1272-278. [12] 张梦奇，郝建生，马健康．锥形截齿旋转破岩截割力预测方法 试验研究 [J]．煤炭科学技术，2015，431298-103.□ 收稿日期2020-07-20