全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)小刀盤截割假煤壁試驗(yàn)

賀勇，陳根林，彭軍

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司，上海 200030)

0 引言

全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)是一種新型煤礦掘進(jìn)設(shè)備，它具有快速、連續(xù)、一次矩形斷面截割成形以及采掘運(yùn)支護(hù)一體化等特點(diǎn)，它能夠安全、高效地一次完成矩形斷面隧道施工，是一種集成多種新技術(shù)的大型高端重裝設(shè)備。掘進(jìn)機(jī)的機(jī)頭截割機(jī)構(gòu)采用多刀盤布局，矩形斷面通過(guò)1大4小共5個(gè)刀盤組合截割，一次成形，截割矩形4只角的小刀盤是整個(gè)矩形全斷面截割技術(shù)的關(guān)鍵。小刀盤采用了獨(dú)特的行星傳動(dòng)設(shè)計(jì)，前后雙刀盤布局，通過(guò)復(fù)合截割運(yùn)動(dòng)，最終擬合輸出矩形截割斷面。

為檢驗(yàn)新設(shè)計(jì)，需要在地面對(duì)小刀盤進(jìn)行截割假煤壁(模擬煤壁)試驗(yàn)，利用地面試驗(yàn)條件好、數(shù)據(jù)測(cè)試采集方便的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)分析，檢驗(yàn)小刀盤的實(shí)際截割斷面形狀、排渣出煤效果、刀盤推進(jìn)阻力、刀盤截割功率4個(gè)方面的主要技術(shù)特性。全斷面矩形快速掘進(jìn)機(jī)推進(jìn)阻力和裝載效果設(shè)計(jì)的技術(shù)驗(yàn)證，為掘進(jìn)機(jī)整機(jī)和小刀盤的設(shè)計(jì)改進(jìn)及性能提高提供了理論依據(jù)。

1 小刀盤結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)計(jì)算

1.1 小刀盤結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)截割斷面形狀

小刀盤主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、傳動(dòng)箱和前后復(fù)合式刀盤構(gòu)成。小刀盤采用全新的傳動(dòng)設(shè)計(jì)和布局，通過(guò)前后雙刀盤復(fù)合截割運(yùn)動(dòng)，最終擬合形成近似矩形的斷面，設(shè)計(jì)截割斷面形狀為1.9 m×1.9 m的近似正方形。小刀盤結(jié)構(gòu)如圖1所示，小刀盤截割斷面形狀如圖2所示。

圖2 小刀盤截割斷面形狀圖

1.2 刀盤試驗(yàn)推力及功率計(jì)算

1.2.1 刀盤試驗(yàn)推力計(jì)算

參考煤巷掘進(jìn)機(jī)煤巖截割推進(jìn)阻力的經(jīng)驗(yàn)值為5～7 t/m2，根據(jù)小刀盤截割面積和地面推進(jìn)摩擦阻力計(jì)算，得出小刀盤試驗(yàn)最大總推進(jìn)阻力。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，小刀盤試驗(yàn)計(jì)算最大總推進(jìn)阻力約為56 t。

1.2.2 刀盤截割功率計(jì)算

根據(jù)實(shí)際刀盤結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)刀型截齒截割中硬煤巖的比能耗估值[1]計(jì)算刀盤功率，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 小刀盤推力計(jì)算表

小刀盤采用150 kW電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，但考慮小刀盤前后雙刀盤結(jié)構(gòu)，實(shí)際工況只有約2/3全斷面截割，表2計(jì)算取值較保守，實(shí)際結(jié)果有待試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

表2 小刀盤功率計(jì)算表

1.3 排渣出煤方式

通過(guò)后部方刀盤旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)落煤，配合中架溜臺(tái)斜面，靠慣性和重力將截割煤渣推移擠送到中部的出渣刮板輸送機(jī)。實(shí)際試驗(yàn)臺(tái)不配刮板輸送機(jī)，可用排渣料倉(cāng)或直接推移到地面上，通過(guò)人工清除。

2 小刀盤截割假煤壁試驗(yàn)方法

通過(guò)專用試驗(yàn)臺(tái)，在地面試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行小刀盤截割假煤壁試驗(yàn)，近似模擬實(shí)際截煤工況，通過(guò)觀察試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析，評(píng)測(cè)小刀盤的實(shí)際工效。

在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)采集加載油缸的壓力值、位移值及油缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算出不同推進(jìn)速度的推進(jìn)力，得到推進(jìn)力、推進(jìn)速度、位移的關(guān)系曲線，通過(guò)采集刀盤電動(dòng)機(jī)的電流測(cè)定刀盤功率的變化。在試驗(yàn)臺(tái)的不同測(cè)試工位，可以調(diào)整測(cè)試位置進(jìn)行全斷面和不同的部分?jǐn)嗝娼馗罴倜罕谠囼?yàn)，并隨著不同的煤壁截割狀況，監(jiān)控和測(cè)量各種相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)(電流、流量、壓力)的變化。通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)，根據(jù)多種工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證推進(jìn)速度與推進(jìn)力、刀盤扭矩的關(guān)系。試驗(yàn)過(guò)程中，觀察截煤、排渣效果，以及中架溜臺(tái)出渣是否流暢，有無(wú)堆積卡阻現(xiàn)象，以此判斷刀盤是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)的總體布置

試驗(yàn)臺(tái)主要由假煤壁和試驗(yàn)臺(tái)截割機(jī)構(gòu)構(gòu)成。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)緊湊、尺寸小巧，可以移動(dòng)工位進(jìn)行多次測(cè)試試驗(yàn)。

1) 假煤壁。試驗(yàn)截割對(duì)象為模擬假煤壁，假煤壁堅(jiān)固性系數(shù)為f3～f4。試驗(yàn)臺(tái)截割機(jī)構(gòu)能提供小刀盤軸向截割推力，主推為液壓油缸，小刀盤電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)截割。

2) 整個(gè)小刀盤截割假煤壁試驗(yàn)臺(tái)總體布置如圖3所示，實(shí)物圖片如圖4所示。

2.2 假煤壁參數(shù)及制作

2.2.1 假煤壁(模擬煤壁)技術(shù)參數(shù)

長(zhǎng)×寬×高(mm×mm×mm)

6 000×3 000×2 100

假煤壁質(zhì)量/t

約60

假煤壁堅(jiān)固性系數(shù)

f3～f4

2.2.2 假煤壁的配方及制作

根據(jù)表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果并參考文獻(xiàn)[2]，最終選擇第3種水泥含量25%的配方制作假煤壁，實(shí)物見(jiàn)圖5，假煤壁尺寸6 m×3 m×2.1 m，養(yǎng)護(hù)期為8周。

圖5 假煤壁實(shí)物圖

2.2.3 假煤壁的支撐固定

假煤壁澆筑座落在混凝土地坪表面上，相對(duì)試驗(yàn)臺(tái)在煤壁另一側(cè)后部緊貼煤壁安裝三角托架，托架焊接固定在地坪預(yù)埋鋼板上。試驗(yàn)時(shí)三角托架承受截割推力，假煤壁承受的余反力及力偶通過(guò)煤壁自重及地面粘著摩擦力克服。假煤壁的支撐固定如圖6所示。

圖6 假煤壁的支撐固定圖

2.3 小刀盤試驗(yàn)臺(tái)截割機(jī)構(gòu)

2.3.1 試驗(yàn)臺(tái)截割機(jī)構(gòu)的配置

本試驗(yàn)臺(tái)截割機(jī)構(gòu)由底架、滑架、推進(jìn)油缸、機(jī)頭架、小刀盤和動(dòng)力部分(電器+液壓泵站)等組成。各部分結(jié)構(gòu)配置如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)臺(tái)截割機(jī)構(gòu)配置圖

1) 底架。底架臨時(shí)固定在地坪上，作為整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)基座，傳遞承受截割反力。

2) 滑架。滑架連接刀盤機(jī)頭架，由4組滑輪定位，可以在底架軌道上來(lái)回軸向移動(dòng)。

3) 推進(jìn)油缸。推進(jìn)油缸連接底架和滑架，提供刀盤截割推進(jìn)力，最大推進(jìn)行程1 m。

4) 機(jī)頭架。刀盤安裝座，底部支撐在地坪表面，與滑架相連可隨之軸向移動(dòng)。

5) 小刀盤。小刀盤安裝在機(jī)頭架上，提供旋轉(zhuǎn)截割運(yùn)動(dòng)，也隨機(jī)頭架軸向運(yùn)動(dòng)。

6) 動(dòng)力系統(tǒng)。動(dòng)力系統(tǒng)為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)提供電液動(dòng)力，并能控制和監(jiān)測(cè)相關(guān)參數(shù)。圖8為電氣原理及數(shù)據(jù)采集框圖。

圖8 電氣原理及數(shù)據(jù)采集框圖

試驗(yàn)臺(tái)底架應(yīng)牢固地安裝在堅(jiān)固的地基上。地基預(yù)埋鋼板,試驗(yàn)臺(tái)底架定位后，采用臨時(shí)焊接的方法進(jìn)行固定(焊接定位塊+螺釘壓板固定)。

2.3.2 試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)

1)截割裝置

刀盤電動(dòng)機(jī)額定功率/kW

150

刀盤電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

1 485

刀盤電動(dòng)機(jī)供電電壓/V

3 300

前刀盤輸出轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

60

后刀盤輸出轉(zhuǎn)速/(r·min-1)

20

試驗(yàn)臺(tái)推進(jìn)力/t

0～60

刀盤推進(jìn)速度/(mm·s-1)

0～5

推進(jìn)行程/mm

0～1 000

外形尺寸/(mm×mm×mm)

4 700×2 500×1 900

質(zhì)量/t

20

假煤壁堅(jiān)固性系數(shù)f

3.09

環(huán)境溫度/℃

0～40

2)液壓泵站參數(shù)

功率/kW

22

排量/(cc·r-1)

28

額定壓力/MPa

31.5

3)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

西門子PLC

1214C

上 位 機(jī)

易語(yǔ)言編程軟件

壓力傳感器/MPa

0～40

行程傳感器/mm

0～1 000

3 試驗(yàn)過(guò)程與顯示

試驗(yàn)過(guò)程框圖如圖9所示。上位機(jī)監(jiān)控畫面如圖10所示。

圖9試驗(yàn)過(guò)程框圖

圖10 監(jiān)控畫面圖

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄與分析

4.1 空載行程試驗(yàn)

1#試驗(yàn)工位，小刀盤全斷面截割假煤壁試驗(yàn)。

小刀盤初始空載行程約80 mm，來(lái)回推拉空載試驗(yàn)，空載推進(jìn)和空載回拖時(shí)的速度、力曲線分別如圖11、圖12所示。

圖11 空載推進(jìn)速度、力曲線圖

圖12 空載回拖速度、力曲線圖

由圖11分析得出：勻速2 mm/s推進(jìn)，推進(jìn)力約19 t；推力主要克服摩擦力，載荷穩(wěn)定，力曲線較平滑，速度波動(dòng)幅度小。

由圖12分析得出：勻速1 mm/s回拖，回拖力約21 t；回拖力主要克服摩擦力，載荷穩(wěn)定，力曲線較平滑，速度波動(dòng)幅度小。

根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，小刀盤試驗(yàn)時(shí)的系統(tǒng)阻力(摩擦+液壓系統(tǒng)內(nèi)部損耗)總計(jì)約20 t。

4.2 截割推進(jìn)試驗(yàn)

假煤壁截割、推進(jìn)試驗(yàn)的中速截割推進(jìn)速度、推進(jìn)力如圖13所示，高速截割推進(jìn)速度、推進(jìn)力如圖14所示。

圖14 高速截割推進(jìn)速度、推進(jìn)力曲線圖

由圖13分析得出：刀盤負(fù)載截割，勻速2 mm/s中速推進(jìn)，總推力20～26 t；推力由摩擦力、刀盤截割推進(jìn)阻力和堆煤阻力引起；隨著推進(jìn)行程增加，堆煤越多，推進(jìn)阻力增大，速度和力的波動(dòng)幅度也隨之增大。

由圖14分析得出：刀盤負(fù)載截割，勻速5 mm/s高速推進(jìn)，總推力平均約51 t；推力由摩擦力、刀盤截割推進(jìn)阻力和堆煤阻力引起；隨著推進(jìn)速度增加，堆煤更多，推進(jìn)阻力倍增，振動(dòng)加劇，速度和力的波動(dòng)幅度越大。

4.3 刀盤電動(dòng)機(jī)截割電流

刀盤電動(dòng)機(jī)150 kW，額定電流33 A。試驗(yàn)中觀察記錄：

刀盤電動(dòng)機(jī)空載電流

12 A

刀盤電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流

28～36 A (推進(jìn)速度2 mm/s)

刀盤電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流

48～66 A (推進(jìn)速度5 mm/s)

4.4 試驗(yàn)狀態(tài)觀察

試驗(yàn)過(guò)程小刀盤截割狀態(tài)如圖15所示。截割后斷面形狀如圖16所示。中架溜臺(tái)出渣效果如圖17所示。

(a)

(b)

圖15小刀盤截割狀態(tài)圖

5 試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)分析

5.1 截割斷面形狀和排渣出煤效果

1)試驗(yàn)臺(tái)架順利推進(jìn)，截割落煤、排煤撥煤出渣順暢，無(wú)堆積卡阻現(xiàn)；電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)無(wú)異響及過(guò)熱現(xiàn)象；截割落煤塊度較小、粉塵大，證明整機(jī)有配置高效噴霧、除塵系統(tǒng)的必要性。

(a)

(b)

圖16截割后斷面形狀圖

(a)

(b)

圖17出渣效果圖

2)實(shí)際截割斷面形狀基本為1.9 m×1.9 m矩形，4個(gè)角的圓弧半徑為400 mm左右，斷面形狀符合設(shè)計(jì)，滿足使用要求。

3)后刀盤能夠順利地將截割下來(lái)的落煤排移至刮板輸送機(jī)收料處，排渣出煤效果良好，小刀盤的截割和裝載性能滿足矩形掘進(jìn)機(jī)使用要求。

5.2 刀盤推進(jìn)阻力

從試驗(yàn)的速度、推(拉)力、位移曲線圖得出：

1)小刀盤試驗(yàn)時(shí)的系統(tǒng)阻力(摩擦+液壓系統(tǒng)內(nèi)部損耗)總計(jì)約為20 t。

2)刀盤中速(2 mm/s)推進(jìn)截割，試驗(yàn)總推力最大為26 t，減去初始阻力20 t，刀盤截割推進(jìn)阻力約為6 t，除以小刀盤截割斷面積3.473 m2，計(jì)算得出假煤壁截割推進(jìn)阻力值約為1.73 t/m2，小于表1設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取值6 t/m2。證明中速推進(jìn)截割假煤壁時(shí)，刀盤推進(jìn)阻力較小，推力設(shè)計(jì)能力有較大裕度，足夠滿足截割需要。

3)刀盤高速(5 mm/s)推進(jìn)截割，試驗(yàn)總推力均值為51 t，減去初始阻力20 t，刀盤截割推進(jìn)阻力約為31 t，除以截割斷面積3.473 m2，計(jì)算得出假煤壁截割推進(jìn)阻力值約為8.93 t/m2，大于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)取值6 t/m2。證明高速推進(jìn)截割假煤壁時(shí)，刀盤推進(jìn)阻力急劇放大，盡管設(shè)計(jì)時(shí)有安全裕度，總推力并未超出設(shè)計(jì)能力，但對(duì)于試驗(yàn)假煤壁，高速推進(jìn)截割并不安全經(jīng)濟(jì)。試驗(yàn)表明，今后在硬煤地質(zhì)應(yīng)用中，必須降低推進(jìn)速度。分析高速推進(jìn)阻力急劇增大的原因包括：刀齒截深加大破煤阻力增加；附加刀盤周邊與煤巖側(cè)壁的刮擦力；落煤增多，而排渣能力并未增強(qiáng)，導(dǎo)致落煤堆積加劇、回彈阻力放大，推進(jìn)速度越快，落煤越多，堆煤回彈阻力就越大。因此截割掌子面的落煤應(yīng)及時(shí)排空，可以有效降低刀盤推進(jìn)阻力。

4)推力計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮位移速度和落煤回彈力的影響，增大安全系數(shù)。修正設(shè)計(jì)計(jì)算模型，讓理論計(jì)算值更安全，保證整機(jī)推力設(shè)計(jì)能力足夠。

5.3 刀盤截割功率

1)刀盤電動(dòng)機(jī)空載電流12 A，空載功率損耗較大。試驗(yàn)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)電流及功率周期波動(dòng)，正是小刀盤的偏心工作機(jī)構(gòu)決定了這些特性。另外試驗(yàn)供電電壓過(guò)高，超過(guò)額定電壓(3 300 V)約10%～15%，也是造成試驗(yàn)值偏大的原因。

2)刀盤中速(2 mm/s)推進(jìn)，電動(dòng)機(jī)截割電流達(dá)到額定值。證明該試驗(yàn)假煤壁條件下，中速推進(jìn)為小刀盤的最經(jīng)濟(jì)截割方式。

3)刀盤高速(5 mm/s)推進(jìn)截割時(shí)，電動(dòng)機(jī)截割電流經(jīng)常超過(guò)額定值(33 A)，最大過(guò)載峰值近2倍，說(shuō)明刀盤電動(dòng)機(jī)過(guò)載工作。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：小刀盤試驗(yàn)截割面積比實(shí)際工作面積大約30%，造成實(shí)驗(yàn)值偏高；試驗(yàn)時(shí)落煤未及時(shí)運(yùn)走，堆煤阻力過(guò)大，增加功率消耗；截割落煤塊度小呈粉粒狀，刀盤截割比能耗值較高，造成刀盤電動(dòng)機(jī)功率消耗過(guò)大。

4)改進(jìn)建議。選擇合適的煤巷掘進(jìn)，小刀盤功率配置適用中硬煤地質(zhì)；煤巖較硬、截割功耗大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低推進(jìn)速度，避免刀盤電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)過(guò)載。為適應(yīng)硬煤地質(zhì)，在不改變結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，可加大刀盤電動(dòng)機(jī)功率。另外，進(jìn)一步優(yōu)化刀盤設(shè)計(jì)，可降低截煤比能耗，從而降低刀盤功率消耗。

6 結(jié)論

通過(guò)小刀盤截割假煤壁試驗(yàn)，對(duì)截割斷面形狀、排渣出煤效果、刀盤推力、刀盤截割功率4個(gè)方面進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了小刀盤的矩形斷面截割性能及裝載效果。敞開(kāi)式條件下，設(shè)備對(duì)煤巖及軟巖地質(zhì)的截割適應(yīng)性，綜合技術(shù)性能完全能達(dá)到煤巷全斷面快速掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)要求，為今后掘進(jìn)機(jī)整機(jī)和小刀盤的改進(jìn)設(shè)計(jì)和性能提高提供了理論依據(jù)。