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1、纵、横轴式掘进机工作原理与结构特点2.1 工作原理分析纵、横轴式掘进机在掘进巷道时，截割头首先要钻进工作面一定深度，然后横向摆动截割，达到巷道边界（掏槽结束）后，沿垂直方向截割一定高度，在水平摆动截割 .，如此循环往复，直到完成全断面的截割。纵、横轴式截割头通常的截割过程如下图2-1 所示。由上图可见，纵、横轴式掘进机截割头的截割过程可分为纵向钻进、水平（左右）摆动截割和垂直（上下）摆动截割三种工作方式。纵轴式掘进机的切割头旋转轴与悬臂轴线平行，它断面切割破岩的方式主要是横向摆动水平条带切割(图 2-2)，因此，截齿的切割平面与悬臂轴线垂直、与牵引(进给)方向在同一平面内，所以截齿的切割轨迹是
2、与J 悬臂轴线相垂直的平面内的摆线。 截线间距是在切割头轴线的平行方向布置。其切割厚度可以等于切割头的直径。横轴式掘进机的切割头旋转轴与悬臂轴线相垂直，有两个切割头在输出轴的两端、相对于悬臂中心面对称布置(图 2-3)。它断面切割破岩的主要方式也是横向摆动水平条带切割。截齿的切割平面与悬臂轴线相平行、与牵引方向相垂直，所以截齿的切割轨迹是一条中心线与悬臂轴线相垂直的螺旋线。截线间距是在切割头的径向布置。其切割头直径方向的切厚只能达到其直径的1/ 3 左右。4.2 纵、横轴式掘进机切割煤岩的方式分析图 2 表示纵轴式和横轴式工作过程不同，两类截割头的切削力FS、进给力Fp 和摆动力 F的方向各异
3、。切削煤岩的阻力引起截割头的切削力，受切割机构功率限制，切入煤岩的阻力和保持截齿切削状态所需的力产生推进力Fe，其大小与切削力相关。 推进力 Fe的方向并不都与摆动方向一致， 在水平摆动过程中，纵轴式截割头的摆动力F,的方向与截齿切削力FS 和进给力 Fa 构成的切割平面相平行，类似横轴式切割头掏槽工况。同样横轴式截割头在摆动切割时，摆动力凡的方向与截割平面垂直，类似纵轴式截割头掏槽工况。如果摆动力方向平行于截割平面，进给力与切割头的摆动力则呈线性关系，摆动力过大，截齿磨擦增大。当切削力不能满足切削需要时，截割头就会被卡住。如果摆动力过小， 截齿则无法切入煤岩足够深度，无法保持截齿正常切削状态
4、，只能在煤岩表面切削，产生粉尘，磨损加剧。如果摆动力方向垂直于截割平面，这时，摆动力不是作用在进给力方向上，会造成不必要的能量消耗。因而，进给力和切削力更为密切， 它与摆动力的关系是线性关系。在机器设计时， 要充分虑进给力对机器稳定性的影响:纵轴式切割头的进给力使掘进机产生扭转力矩，横轴式切割头的进给力使掘进机产生后推力。1)掏槽切割使用纵向截割头时， 推进方向与切线方向近似成直角，所以能以较小的力进行掏槽，此时推进力来自机体前进推力。掏槽适应于巷道断面任意位置。当岩石较硬时，悬臂位置与巷道水平时受力状态最好，在一个工作循环中， 最大掏槽深度为截割头长度。使用横向切割头时， 推进方向与切线方向
5、几乎一致，由于是两个截割头同时工作，因而需用较大的力进行掏槽切割， 掏槽进给力来自行走机构。 切割硬岩时，掏槽尽可能在工作面上部进行， 切割成水平槽， 最大掏槽深度为其截割头直径的三分之二，这个过程的完成是在与切割臂少量摆动配合的情况下完成。一般说，横轴式截割头下挖深度较小。2)工作面切割实验室和现场研究表明， 如果沿阻力最小方向切割， 截割头比能耗最小， 切割层状岩石时， 沿层理方向切割比垂直于分层面切割能耗明显减少。如果层面是水平的，横向切割最有利， 如果层面是倾斜的采用纵轴式切割，可以进行选择性切割，先选择软岩切割，有了自由面后再切割硬岩，如图3 示。无论纵轴式还是横轴式，其切割方式是自
6、上而下，或自下而上，都是采用顺割的方式最为省力， 如图 4 所示。对于横轴式掘进机， 自上而下的顺割方式是较为理想的切割方式，切割煤岩省力，而且能够提高整机稳定性。3)巷道轮廓切割巷道轮廓光滑与否，与支护充填量有关，充填量大，导致成本增大，最终要求巷道轮廓表面光滑、 尺寸准确。 由于纵轴式截割头为锥体外形，如果截割头和悬臂的转动点与巷道轮廓相适应，可以切出光滑巷道， 这主要是对小断面巷道而言，对于大断面巷道误差较大。采用横轴式截割头，断面成形与切割头无关，完全取决于操作人员的技术状况，可借助行走机构实现光滑轮廓，但比较费时。4.3 两种掘进机截割运动分析（1）纵轴式掘进机截割运动分析1）纵向钻
7、机时运动分析纵向钻进时， 截割头在绕自身轴旋转的同时，在伸缩机构的作用下， 延其轴线向前推进， 截割头的运动如图所示， 这时，截割头每个截齿随截割头作纵向推进，并绕其轴线回转，其运动轨迹为空间螺旋线如图2）摆动截割时的运动分析截割头水平摆动截割时，截割头除绕自身轴旋转外，还随悬臂一起水平摆动(图 3 a) , 截割头上截齿的运动为刚体绕定轴转动，其轨迹为轴心沿垂直平面、 且与截割头轴心垂直的圆柱面上的摆线，如图3b 所示。而当截割头作垂直摆动截割时， 截割头一边绕自身轴旋转， 一边随悬臂作上下摆动 (图 4 a), 其齿尖的运动轨迹是轴心平行于巷道顶、底板的圆柱面上的摆线，如图4b 所示. （
8、2）横轴式掘进机截割运动分析横轴式掘进机在掘进巷道时， 首先是在工作面的某一位置沿巷道掘进方向切进一定深度，然后截割头上下和左右摆动扩大截割范围，实现对全工作面的截割，如图 2-1 所示钻进当截割头向工作面内部切进时，左右两个截割头同时工作，在图2-2a 中截割头以推进速度 v。向工作面内切进，其自转角速度为。 ， ，每个截齿的运动轨迹为平面摆线摆动截割时的运动分析横轴式截割头左右摆动截割时， 每个截齿的运动轨迹也为空间螺旋线，类螺旋线的轴线为圆心在摆动中心，通过摆动平面的圆弧，如图2-4 所示。b.垂直摆动当截割头在铅垂面内上下摆动截割时，截齿齿尖的运动轨迹为在铅垂面内的平面摆线，摆线的轴线为一段圆弧，如图2-5 所示。
