掘进机截割头和掘进机的制作方法

本发明涉及土层或岩石的钻进设备领域，特别涉及一种掘进机截割头和掘进机。

背景技术：

掘进机适用于隧道、煤岩巷道、地下工程的掘进与开采。掘进机截割头作为掘进机的核心工作机构，其截割功率占掘进机整机功率的70％～80％，其性能好坏直接决定了掘进机性能的优劣，而截割头的截齿的布置参数对截割头的载荷波动、截割比能耗、整机稳定性都起到关键作用，对掘进机的性能有着重大影响。

现有技术中，掘进机截割头大部分采用等螺旋升角的排布方式，少数截割头为了减少顶部截齿的磨损，采用等降螺旋升角排布方式。

图1为现有技术中第一种掘进机截割头的结构示意图。其中示出了公告号为CN201433764Y、实用新型名称为“一种纵轴式掘进机用截割头”的中国专利公开的一种掘进机截割头。

如图1所示，该掘进机截割头100的截割头体101分为圆锥段、球冠段和平面段三部分。截割头体101上焊接有呈螺旋线状排列的多个镐型截齿103和齿座102。镐型截齿103的齿尖以螺旋线的方式分布在截割头体上。其中，镐型截齿103的齿尖沿等螺旋升角锥面螺旋线104、等螺旋升角球面螺旋线105和平面螺旋线依次排列。在圆柱段和球冠段螺旋升角相等，平面段为平面螺旋线布置。同一条螺旋线上截齿成等圆周角分布，即螺旋线上相邻截齿的齿尖与齿尖的周向分布角均相等，周向分布角为20°～50°。螺旋线为2条或3条。

图2为现有技术中第二种掘进机截割头的结构示意图。其中示出了公开号为CN103266890A、发明名称为“掘进机截割头及掘进机” 的中国专利申请公开的一种掘进机截割头。

如图2所示，该掘进机截割头200包括截割头体、齿座201、截齿202，截割头体的外周壁包括圆柱段203、圆锥段204和圆弧段205。齿座201以螺旋线的形状设置于截割头体的外周壁，螺旋升角由底端到顶端逐渐减小。

在实现本发明的过程中，发明人发现以上现有技术存在如下不足之处：

图1所示的掘进机截割头顶部设计为平面形状，在这一区域截齿排布密集，虽然在一定程度上减小了截齿受力，但是平面截齿排布形式，不利于截割头的钻进和岩屑的导出，在截割头钻进时，岩屑容易堵塞截齿之间的缝隙，增加截割头的截割阻力，影响截割头的截割效率，并且截齿和齿座的磨损较大。

图2所示的掘进机截割头中，其截割头体设计为圆柱段、圆锥段和圆弧段，截齿以螺旋线的形式分布于截割头体上，螺旋升角自下而上依次递减，使得截割头顶部截齿排列非常密集，同样不利于导出被截下的岩屑，影响截割头的截割效率，并且截齿和齿座的磨损较大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种掘进机截割头和掘进机，旨在利于截割岩屑的及时排除，使得截割头排料的效果较好。

本发明第一方面提供一种掘进机截割头，包括截割头体、设置于所述截割头体上的齿座和设置于所述齿座上的截齿，多个所述齿座以螺旋线的形状沿所述截割头体的外周壁依次排列，所述螺旋线的螺旋升角由所述截割头体的底端向所述截割头体的顶端增大。

进一步地，所述螺旋线包括从所述截割头体的底端至顶端依次连接的N个螺旋线段，N为大于或等于2的自然数，其中，每个螺旋线段的螺旋升角不变，且每两段相邻的螺旋线段中位于上部的螺旋线段的螺旋升角大于位于下部的螺旋线段的螺旋升角。

进一步地，N＝3。

进一步地，所述截割头体包括从所述截割头体的底端至顶端依次设置的圆柱段、圆锥段和球冠段，所述N个螺旋线段包括由位于所述圆柱段上的多个齿座所形成的圆柱段螺旋线段、由位于所述圆锥段上的多个齿座所形成的圆锥段螺旋线段和由位于所述球冠段上的多个齿座所形成的球冠段螺旋线段。

进一步地，所述螺旋线的螺旋升角由所述截割头体的底端向所述截割头体的顶端逐渐增大。

进一步地，所述截割头还包括导料筒，所述导料筒固定连接于所述截割头体的下方。

进一步地，所述截割头还包括导料板，所述导料板以螺旋线的形状沿所述截割头体的外周壁连续设置。

进一步地，所述截割头还包括内花键，所述截割头体包括与所述内花键配合的花键孔。

进一步地，所述截割头体包括流道，所述截割头还包括与所述流道连通的多个喷水嘴。

进一步地，所述齿座包括安装孔，所述截齿包括安装段和分别设置于所述安装段两端的轴肩和卡槽，所述安装段与所述安装孔间隙配合，所述轴肩与所述安装孔的一个轴端面配合，所述截割头还包括弹性卡圈，所述弹性卡圈安装于所述卡槽内且与所述安装孔的另一个轴端面配合。

进一步地，所述螺旋升角的范围为13°～25°。

进一步地，位于同一条螺旋线上的相邻两个截齿的圆周差角的范围为22°～48°。

本发明第二方面提供一种掘进机，包括截割头，所述掘进机截割头为本发明第一方面中任一项所述的掘进机截割头。

基于本发明提供的掘进机截割头和掘进机，多个齿座形成的螺旋线的螺旋升角由截割头体的底端向截割头体的顶端增大。由于多个齿座排列形成的螺旋线的螺旋升角增大，位于截割头体顶部的截齿适量地增加了轴向间距，改善了截割头顶部截齿的密集程度，有利于截割 岩屑的及时排除，使得截割头排料的效果较好。进一步地，由于排料顺畅，可以改善截割头的截割效率，减小截齿和齿座的磨损。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中第一种掘进机截割头的结构示意图。

图2为现有技术中第二种掘进机截割头的结构示意图。

图3为本发明实施例的掘进机截割头的结构示意图。

图4为图3的俯视结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在 下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

图3为本发明实施例的掘进机截割头的结构示意图。图4为图3的俯视结构示意图。如图3和图4所示，本发明实施例的掘进机截割头包括截割头体1、设置于截割头体1上的齿座6和设置于齿座6上的截齿7。多个齿座6以螺旋线的形状沿截割头体1的外周壁依次排列。螺旋线的螺旋升角由截割头体1的底端向截割头体1的顶端增大。

由于多个齿座6排列形成的螺旋线的螺旋升角增大，位于截割头体顶部的截齿适量地增加了轴向间距，改善了截割头顶部截齿的密集程度，有利于截割岩屑的及时排除，使得截割头排料的效果较好。进一步地，由于排料顺畅，可以改善截割头的截割效率，减小截齿和齿座的磨损。

另外，由于截割头体1顶部以外的截齿分布相对密集，有利于截割头在横摆工况下作业。

齿座6和截齿7可按多条螺旋线布置。多条螺旋线的初始角度不同，各螺旋线的形状相同。多条螺旋线的起点平分所在的截割头体1的圆周。如图3和图4所示，本实施例中，齿座6和截齿7按3条螺旋线布置，每条截线上布置一个截齿7。

螺旋线包括从截割头体1的底端至顶端依次连接的N个螺旋线 段，N为大于或等于2的自然数。其中，每个螺旋线段的螺旋升角不变，且每两段相邻的螺旋线段中位于上部的螺旋线段的螺旋升角大于位于下部的螺旋线段的螺旋升角。

由于多个齿座6排列形成的螺旋线的螺旋升角分段相等且依次增大，N段螺旋线段依次连接并形成连续的螺旋线，这样的排列方式在适量地增加截割头顶部截齿的轴向间距，使截割头排料效果好，可以减小截齿和齿座的磨损的同时，使每段螺旋线段上分布的齿座6及齿座6上的截齿7受力相对均匀，利于减小截齿和齿座的磨损，利于截割头稳定工作。

本实施例中具体地，螺旋线包括从截割头体1的底端至顶端依次连接的三个螺旋线段，即N＝3。

如图3所示，截割头体1包括从截割头体1的底端至顶端依次设置的圆柱段11、圆锥段12和球冠段13。其中，圆柱段11和圆锥段12适用于截割头的横摆工况，而球冠段13适用于截割头的钻进工况。

前述三个螺旋线段包括由位于圆柱段11上的多个齿座6所形成的圆柱段螺旋线段、由位于圆锥段12上的多个齿座6所形成的圆锥段螺旋线段和由位于球冠段13上的多个齿座6所形成的球冠段螺旋线段。其中圆柱段螺旋线段的螺旋升角不变，圆锥段螺旋线段的螺旋升角不变，球冠段螺旋线段的螺旋升角不变。圆锥段螺旋线段的螺旋升角大于圆柱段螺旋线段的螺旋升角，球冠段螺旋线段的螺旋升角大于圆锥段螺旋线段的螺旋升角。

本实施例的截割头相对于现有技术而言，在圆柱段11和圆锥段12的可以布置的截齿较多，有利于截割头在横摆工况下作业。

如图3所示，截割头还包括导料筒3，导料筒3连接于截割头体1的底部。本实施例中，导料筒3为与截割头体1同心设置的圆柱形筒，导料筒3的外径与截割头体1的圆柱段11的外径相同。

截割头体1和导料筒3分体设置再固定连接的设置方式，利于根据截割头的不同部分的受力情况和功能为各部分选择的最适合的加工工艺，使截割头体具有良好的机械性能，同时利于降低成本。例如， 截割头体1可以采用铸造加工方式，满足焊接和冲击性能的同时降低制造成本。

如图3和图4所示，本实施例中，截割头还包括导料板4，导料板4以螺旋线的形状沿截割头体1的外周壁连续设置。导料板4亦分成与齿座6排布的螺旋线数量相同条数的螺旋线分别布置于相应螺旋线的齿座6的下方。本实施例中导料板4按三条螺旋线布置。每条螺旋线上的导料板4可以分段滚压成型，再焊接到截割头体1上，形成连续光顺的整体叶片。

优选地，如图3所示，导料板4的底端延伸至导料筒3的底面。另外优选地，导料板4所形成的螺旋线与对应的多个齿座形成的螺旋线的螺旋升角相同。这些设置均有利于岩屑的排出。

本实施例中由齿座形成的螺旋线的螺旋升角由截割头体1的底端向截割头体1的顶端增大的设置，适量地增加了截割头顶部截齿的轴向间距，不但利于排料，还有利于导料板4的装配焊接。导料板4的设置也有利于岩屑的排出和增大截割头的导料量，排料效果好，从而可以进一步改善截割头的截割效率，减小截齿和齿座的磨损。

如图4所示，本实施例的截割头还包括内花键2，截割头体1包括与内花键2配合的花键孔。内花键2为传动件。

截割头体1、内花键2和导料筒3采用分体式设计，具有加工容易、精度高、成本低等优点。例如，内花键2优选地采用锻造的加工方式，提高其综合力学性能。组装时将内花键2与截割头体1、导料筒3对中后焊接在截割头体1上。

另外，本实施例的截割头体1包括流道，截割头还包括与流道连通的多个喷水嘴5。如图3和图4所示，喷水嘴5安装在齿座6上。本实施例中，球冠段上有多个截齿7一一对应设置有喷水嘴5，各喷水嘴5的喷口朝向对应的截齿7。例如，可以在第一条螺旋线的第8至第12个截齿、第二条螺旋线的第9至第12个截齿和第三条螺旋线的第9至第11个截齿中每个截齿7对应设置一个喷嘴5。

高压水流流经流道至喷水嘴5喷出，可以降低截齿7截割时的温 度，减小截齿7磨损，而且可以减少截割头在截割过程中产生的粉尘，改善工作环境。

齿座6焊接在截割头体1上。齿座6包括安装孔，截齿7包括安装段和分别设置于安装段两端的轴肩和卡槽，安装段与安装孔间隙配合，轴肩与安装孔的一个轴端面配合，截割头还包括弹性卡圈8，弹性卡圈8安装于卡槽内且与安装孔的另一个轴端面配合。组装截齿7时，将截齿7的安装段插入齿座6的安装孔内，使截齿7的轴肩与齿座6的安装孔的相应轴端面贴合，再将弹性卡圈8卡在截齿7的卡槽内，弹性卡圈与安装孔的另一个轴端面配合，从而将截齿7固定在齿座6内。截齿7与齿座6采用间隙量较小的间隙配合，可以保证截齿7在截割过程中平稳且自转性能良好。

优选地，本实施例的截割头的螺旋升角的范围为13°～25°。

另外优选地，位于同一条螺旋线上的相邻两个截齿的圆周差角a的范围为22°～48°。

以上螺旋升角的范围和圆周差角的范围是经过反复计算和筛选得出的最适合于本发明的取值范围，在该范围内，可以使截齿排布更加合理，从而在排屑性能、截割效率与减少截齿和齿座的磨损方面获得较优的综合性能。

截线间距t由截割厚度和被截割对象的崩裂性等性质决定。

螺旋升角、圆周差角a和截线间距t的具体数值的选择可以根据土层或岩石的性质等钻进条件确定。

以上实施例不应限制本发明。例如，在一个未示出的实施例中，也可以使齿座所形成的螺旋线的螺旋升角由截割头体1的底端向截割头体1的顶端逐渐增大。

根据以上描述可知，本发明以上实施例具有如下优点：

1、由于本截割头采用从截割头体底部至顶部增加螺旋升角的截齿排布方式，因此适量地增加了截割头顶部截齿的轴向间距，有效改善截割头顶部截齿密集程度，有利于截割岩屑的及时排除，截割头排料效果好，进一步地还有利于导料板的装配焊接，导料板的装配利于 增大截割头单位时间导料量，提高截割头的排料效果。由于导料效果好，可以提高截割效率，减少截齿和齿座的磨损。

2、截割头体采用圆柱段、圆锥段和球冠段的组合体，截齿形成的螺旋线的螺旋升角从截割头体底部至顶部亦按圆柱段螺旋线段、圆锥段螺旋线段和球冠段螺旋线段分段增加，综合考虑了截割头的钻进和横摆工况，保证截齿在截割过程中受力均匀、截割效率高、截齿磨损小、延长了掘进机截割头的使用寿命。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。