掘进机用截割头及掘进机的制作方法

本实用新型涉及隧道施工机械领域，尤其涉及一种掘进机用截割头及掘进机。

背景技术：

掘进机被广泛应用于隧道施工领域，隧道的施工效率和截齿消耗主要依赖于掘进机截割头的性能，目前国内截割头在施工作业过程中存在截齿磨损大、截割效率低等缺点，尤其在截割头前端截齿磨损大，需要经常更换截齿，从而降低整机作业效率。

现有技术中有一种可更换顶部截割刃的新型截割头，如图1所示，该新型截割头主要由截割头体、截齿、齿座和可更换顶部截割刃组成，在截割头体圆锥顶部配置了利于掘进机顶进的截割刃来代替原部位的截齿和齿座，且在截割头体上配置专门用于截割刃的安装孔，在保证使用牢固、稳定的同时，可快速拆卸和更换。

该新型截割头的顶部采用刀刃破岩，虽然刀刃较为锋利，但刀刃在硬岩工况条件磨损很大，只适用于中硬岩层以上煤田地质、煤矿等硬地质的井下巷道、铁路和隧道施工的掘进；同时由于刀刃接触面积大，增加截割头钻进所需的推动力，因此会降低截割头的作业效率；

如图2所示，现有技术中还有一种纵轴式掘进机用截割头，其截割头体上的截齿呈等升角螺旋线排布，螺旋线头数为两条或三条，齿尖与齿尖的轴向分布角为20°～50°。

该截割头的截齿排布采用等升角螺旋线方式，适用于煤岩、半煤岩等截割工况，但在硬岩作业条件下，截割头前端仍然存在截齿磨损严重的问题，需要经常更换截齿，从而降低作业效率。

需要说明的是，公开于本实用新型背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本实用新型的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提出一种掘进机用截割头及掘进机，该掘进机用截割头能够更好地适应于硬岩作业工况，提升截割效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种掘进机用截割头，包括头体、多个截齿和多个齿座，各所述截齿分别安装在对应的所述齿座上，各所述齿座均安装在所述头体上，所述头体设有至少两个作业区域，在其中一个作业区域内，各所述截齿在轴向上均匀排布；和/或，在另一个作业区域内，各所述截齿在径向上均匀排布，以保证所述掘进机用截割头的受力均匀性。

进一步地，所述头体包括球体段、锥体段和圆柱段，所述锥体段位于所述球体段与所述圆柱段之间，所述球体段的大端平面与所述锥体段相接，以所述球体段的大端平面的圆心为起点作一射线，该射线与所述球体段的大端平面呈45°夹角，以该射线为母线绕所述头体的中心轴线旋转，得到一曲面，通过该曲面将所述头体分为用于钻进破岩的钻进区和用于扩孔和掏槽的横摆区。

进一步地，在所述钻进区内，在径向方向上各相邻两个所述截齿的齿尖之间的半径差相等。

进一步地，在所述横摆区内，在轴向方向上各相邻两个所述截齿的齿尖之间的轴向距离差相等。

进一步地，各所述截齿沿至少两条螺旋线布置。

进一步地，每条所述螺旋线上位于所述钻进区的各所述截齿的切削角随截割半径的减小而逐渐增大。

进一步地，每条所述螺旋线上位于所述钻进区的各相邻两个所述截齿的切削角之间的角度差相等。

进一步地，还包括至少两个导料板，所述导料板沿螺旋线设置。

进一步地，所述导料板所在的螺旋线与所述截齿所在的螺旋线邻近布置，并且所述导料板位于所述截齿的远离所述掘进机用截割头的钻进端的一侧。

为实现上述目的，本实用新型还提供了一种掘进机，包括上述的掘进机用截割头。

基于上述技术方案，本实用新型通过将头体划分为至少两个不同的作业区域，在其中一个作业区域内，各截齿在轴向上均匀排布；和/ 或，在其中另一个作业区域内，各截齿在径向上均匀排布。这样，在掘进过程中可以保证掘进机用截割头的受力比较均匀，磨损也比较均匀，有利于保护截割头，提高截割头的使用寿命，降低截割头的更换频率，提高作业效率，这种截割头能够更好地应用于硬岩作业工况，适用范围更广。

附图说明

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

图1为现有技术中一种可更换顶部截割刃的新型截割头的结构示意图。

图2为现有技术中一种纵轴式掘进机用截割头的结构示意图。

图3为本实用新型掘进机用截割头一个实施例的结构示意图。

图4为本实用新型掘进机用截割头一个实施例中截割区域的划分示意图。

图5为本实用新型掘进机用截割头一个实施例中钻进区的截齿排布示意图。

图6为本实用新型掘进机用截割头一个实施例中截齿切削角的示意图。

图中：1、头体；2、截齿；3、齿座；4、导料板；A、钻进区；B、横摆区。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型保护范围的限制。

如图3所示，为本实用新型掘进机用截割头一个实施例的结构示意图。在该实施例中，掘进机用截割头包括头体1、多个截齿2和多个齿座3，各截齿2分别安装在对应的齿座3上，各齿座3均安装在头体1上，头体1设有至少两个作业区域，在其中一个作业区域内，各截齿2在轴向上均匀排布；和/或，在另一个作业区域内，各截齿2 在径向上均匀排布，以保证掘进机用截割头的受力均匀性。

在上述实施例中，通过将头体1划分为至少两个不同的作业区域，在其中一个作业区域内，各截齿2在轴向上均匀排布；和/或，在其中另一个作业区域内，各截齿2在径向上均匀排布。这样，在掘进过程中可以保证掘进机用截割头的受力比较均匀，磨损也比较均匀，有利于保护截割头，提高截割头的使用寿命，降低截割头的更换频率，提高作业效率，这种截割头能够更好地应用于硬岩作业工况，适用范围更广。

作为头体1的一种具体结构，如图4所示，头体1包括球体段、锥体段和圆柱段，锥体段位于球体段与圆柱段之间，球体段的大端平面与锥体段相接，优选地，球体段的大端与锥体段的一端相切，锥体段的另一端与圆柱段相接。

以球体段的大端平面的圆心为起点作一射线，该射线与球体段的大端平面呈45°夹角，以该射线为母线绕所述头体1的中心轴线旋转，得到一曲面，以该曲面作为分界面，将头体1分为钻进区和横摆区两个作业区域，钻进区包括大部分的球体段，横摆区包括另一部分的球体段、锥体段和圆柱段。钻进区用于钻进破岩，横摆区用于扩孔和掏槽。

关于多个截齿2的分布形式，可以有多种。比如，各个截齿2可以沿至少两条螺旋线布置。如图3所示，多个截齿2分别沿两条螺旋线布置在头体1上。每条螺旋线上截齿2的个数可以相同，也可以不同。

在本实用新型掘进机用截割头的一个优选实施例中，在钻进区内，在径向方向上各相邻两个截齿2的齿尖之间的半径差相等。

如图5所示，在径向上相邻的两个截齿2的齿尖之间的半径差均为ΔR，这样可以使截割头在钻进过程中在径向上的受力比较均匀。

需要强调的是，这里的“相邻两个截齿”指的是在径向上半径相邻的两个截齿2，并不是位于同一螺旋线上的两个相邻的截齿2。

在本实用新型掘进机用截割头的另一个优选实施例中，在横摆区内，在轴向方向上各相邻两个截齿2的齿尖之间的轴向距离差相等。

如图3所示，在轴向上相邻的两个截齿2的齿尖之间的轴向距离差均为Δt，这样可以使截割头在横摆过程中在轴向上的受力比较均匀。

需要强调的是，这里的“相邻两个截齿”指的是在轴向上的轴向距离相邻的两个截齿2，并不是位于同一螺旋线上的两个相邻的截齿2。

进一步地，每条螺旋线上位于钻进区的各截齿2的切削角随截割半径的减小而逐渐增大。

如图6所示，切削角指的是截齿2齿尖的轨迹切线与截齿2中心轴线之间的夹角。具体来说，如图5所示，截齿2沿头体1的中心点旋转，其轨迹为以该中心点为圆心的圆，与截齿2齿尖和该中心点之间的连线相垂直的线即为截齿2齿尖的轨迹切线，该轨迹切线与截齿 2的中心轴线之间的夹角即为切削角。

在钻进区适当增加截齿2的切削角度，有利于提升截齿2的破岩能力，减小截割阻力，显著地提高截割头的钻进效率，降低截齿磨损，提高截割头作业性能。

优选地，每条螺旋线上位于钻进区的各相邻两个截齿2的切削角之间的角度差相等。切削角均匀增大，可以使截割头受力均匀。

另外，掘进机用截割头还可以包括至少两个导料板4，导料板4 沿螺旋线设置。

进一步地，导料板4所在的螺旋线与截齿2所在的螺旋线邻近布置，并且导料板4位于截齿2的远离掘进机用截割头的钻进端的一侧。如图3所示，导料板4位于截齿2的下方，以在钻进过程中将废料及时导出，避免对截齿2产生磨损，保护截齿2。

基于上述各个实施例中的掘进机用截割头，本实用新型还提出一种掘进机，包括上述的掘进机用截割头。上述各个实施例中的掘进机用截割头所具备的积极效果同样适用于掘进机，这里不再赘述。

下面结合附图3～6对本实用新型掘进机用截割头及掘进机的一个实施例的具体结构进行说明：

如图3所示，该掘进机用截割头包括头体1、截齿2、齿座3和导料板4，截齿2安装在齿座3内，齿座3和导料板4以螺旋线的形式焊接在头体1上。

如图4所示，截割头按照作业功能划分为钻进区和横摆区，与截割头大端平面呈45°的直线作为分界线，上部分为钻进区，下部分为横摆区，钻进区截齿主要负责截割头钻进破岩，横摆区截齿主要负责扩孔和掏槽。

如图5所示，在钻进区内，截齿2的排布着重考虑在截割半径上的均匀性，即保证相邻两个截齿2的齿尖之间的半径差△R相等，截割半径设计满足公式R_i+1＝R_i-ΔR，保证截齿在钻进过程中受力和磨损的均匀性。

如图3所示，在横摆区内，截齿2的排布着重考虑在轴向距离上的均匀性，即保证相邻两个截齿2的齿尖之间的轴向距离差△t相等，轴向距离设计满足公式T_i+1＝T_i+Δt，从而保证截齿在横摆过程中受力和磨损的均匀性，使得截割头更加符合硬岩施工作业工况的需求，从而保证截齿磨损的均匀性，提交截齿的使用寿命，提高作业效率。

如图5所示，该截割头包括两条螺旋线，每条螺旋线在钻进区有4个截齿2，分别为a、b、c和d，随着截割半径的依次减小，截齿的切削角(如图6所示)逐渐增大，相邻两个截齿2之间的切削角角度差△δ相等，切削角设计满足公式δ_i+1＝δ_i+Δδ，以减小截齿入岩阻力，从而提升截齿破岩能力，明显提升截割头的钻进破岩效率。

通过对本实用新型掘进机用截割头及掘进机的多个实施例的说明，可以看到本实用新型掘进机用截割头及掘进机实施例至少具有以下一种或多种优点：

1、考虑不同作业区域的截割头排布，分钻进区和横摆区分别进行截齿排布设计，使得截割头更加符合硬岩施工作业的需求，提升截割头性能；

2、钻进区截齿排布着重考虑在截割半径上的均匀性，即保证相邻截齿齿尖的半径差△R相等，从而保证截齿在钻进过程中受力和磨损的均匀性；

3、横摆区截齿排布着重考虑在轴向距离上的均匀性，即保证相邻截齿齿尖轴向距离差△t相等，从而保证截齿在横摆过程中受力和磨损的均匀性；

4、随着截割半径的依次减小，截齿的切削角逐渐增大，以减小截齿的入岩阻力，从而提升截齿破岩能力，明显提升截割头的钻进破岩效率。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型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；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。