为了得到截割比能耗低、载荷波动性小的截割头螺旋线布齿方案,分析了几种曲面螺旋线,其中等螺旋角锥面螺旋线和球面螺旋线在轴向的变化率逐渐减小,此两者组合的布齿方案可以有效结合煤岩的压张效应,有利于降低截割比能耗,减小载荷波动;最后给出了球锥曲面参数匹配计算公式,为纵轴式截割头布齿提供了理论依据。

以变升角螺旋线纵轴式截割头为基础,采用三维设计结合仿真的方式,对截齿按等圆周角间距排布的QC型截割头和按不等圆周角间距排布的UC型截割头进行了设计计算。计算过程的外部参数均相同。当截割头转速为30r/min,横向移动速度为0.04m/s,钻入深度为截割头全长时,QC型截割头主要破岩区切屑图单元面积平均值比UC型截割头大11.7%,可获得更大的岩屑块度;且有效截齿数变动量和截割合力变动量均较小,载荷稳定性更好。仿真模拟结果表明,虽然QC型截割头制造相对复杂,但设计性能优于UC型截割头。