掘進(jìn)機截割頭振動機理研究及測試驗證

王 永

（山西西山晉興公司斜溝煤礦，呂梁 興縣033699）

引言

掘進(jìn)機是工作面巷道施工必不可少的設(shè)備，雖然我國自主研發(fā)的掘進(jìn)機已經(jīng)能夠初步滿足工作面的掘進(jìn)需求，但是其功率系數(shù)、可靠性以及關(guān)鍵零部件與發(fā)達(dá)國家有一定的差距，進(jìn)而導(dǎo)致設(shè)備截割性能以及整機可靠性與實際生產(chǎn)需求還存在差距。在實際掘進(jìn)過程中，由于煤巖特性的動態(tài)變化常結(jié)合經(jīng)驗改變截割功率以適應(yīng)掘進(jìn)的需求，導(dǎo)致無法充分提出掘進(jìn)機的截割效率[1]。因此，需加強對掘進(jìn)機的振動特性的分析，從掘進(jìn)機本身結(jié)構(gòu)參數(shù)及運動參數(shù)對截割頭應(yīng)力的影響研究著手，為提高設(shè)備的掘進(jìn)機效率和適應(yīng)性提供理論指導(dǎo)。

1 掘進(jìn)機概述

本文以目前工作面應(yīng)用最為廣泛的懸臂式掘進(jìn)機為載體，研究其不同結(jié)構(gòu)參數(shù)及截割運動參數(shù)對設(shè)備截割特性的影響，并進(jìn)行仿真分析，建立掘進(jìn)機截割頭截割特性的測試平臺，通過理論分析與試驗測試的手段對設(shè)備的截割特性進(jìn)行綜合分析，為保證設(shè)備截割效率和可靠性奠定基礎(chǔ)[2]。本文所研究掘進(jìn)機的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機基本機構(gòu)

2 掘進(jìn)機截割頭應(yīng)力變化的仿真分析

針對掘進(jìn)機截割頭截割特性的理論分析依托LS-DYNA仿真軟件進(jìn)行。根據(jù)掘進(jìn)機實際截割工況建立設(shè)備的橫切工況和鉆進(jìn)工況，并根據(jù)工作面煤層、巖層以及設(shè)備零部件的材料對模型中對應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對設(shè)備截割特性的影響[3]。

2.1 截齒角度對截割頭應(yīng)力的影響

掘進(jìn)機截割頭的傾斜角和切削角為其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。從理論上分析，截割頭切削角的布置將直接影響其截齒載荷的分布狀態(tài)，本節(jié)將對切削角分別為35°、40°、45°以及50°等情況下截齒的載荷分布進(jìn)行仿真分析。其中，對應(yīng)截割頭的切削厚度為40 mm，截齒的推進(jìn)速度為3 m/min。仿真結(jié)果如表1所示。

表1 不同截割頭切削角度對截齒應(yīng)力變化的影響

從表1中可看出，當(dāng)截割頭切削角度為45°時，截齒所承受的最大應(yīng)力值和平均應(yīng)力值最接近，說明截割頭切削角度為45°時，截齒所承受應(yīng)力的變化幅值最小，即振動幅度最小。因此，可將掘進(jìn)機截割頭的切削角設(shè)定為45°。

結(jié)合上述仿真結(jié)果，對切削角為45°，切削厚度為40 mm，截割頭轉(zhuǎn)速為80 r/min下傾斜角為5°、10°、15°以及20°時截齒的應(yīng)力變化進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如下頁表2所示。

如表2所示，截割頭傾斜角為15°時對應(yīng)截齒的切削力和側(cè)向力的平均值和最大值的差值最小，即在該種狀態(tài)下截齒所承受載荷的波動最小，對應(yīng)截齒的振動幅度也最小。因此，可將掘進(jìn)機截割頭的傾斜角設(shè)定為15°。

表2 不同截割頭傾斜角度對截齒應(yīng)力變化的影響

2.2 截線距對截齒載荷的影響

所謂截線距指的是截割頭相鄰截線之間的距離。從理論上講，截線距將直接影響掘進(jìn)機截割載荷、對煤層巖層的破碎效果以及整機的功率消耗[4]。本節(jié)對掘進(jìn)機截割頭截線距分別為70 mm、80 mm、85 mm以及90 mm截線距下截割頭所承受載荷的變化進(jìn)行仿真分析，其他仿真參數(shù)設(shè)置為切削角度為45°，傾斜角度為15°，切削厚度為30 mm。仿真結(jié)果如表3所示。

表3 不同截線距下截割效率仿真分析結(jié)果

由表3可知，隨著截線距的增加，對應(yīng)截割力和截割力矩增加，功率消耗也隨之增加，當(dāng)對應(yīng)的落煤量在截線距為80 mm時最大。因此，綜合考慮掘進(jìn)機的載荷大小、落煤量以及功率消耗最終確定其最佳截線距為80 mm。

除此之外，針對結(jié)構(gòu)參數(shù)還對截割頭不同切削厚度下截齒的載荷情況進(jìn)行仿真分析。經(jīng)仿真分析可知，隨著切削厚度的增加對應(yīng)截齒所承受截割力和截割力矩增加，載荷的波動范圍也較大。因此，需根據(jù)煤層、巖層特性以及實際工況和掘進(jìn)機的運動參數(shù)，最終綜合確定截割頭的截割厚度。

針對運動參數(shù)對截齒振動特性的研究，本文著重從轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行分析。其中，轉(zhuǎn)速分別為30 r/min、50 r/min、70 r/min以及85 r/min時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，截齒對應(yīng)的應(yīng)力值減少。即說明，隨著截割頭轉(zhuǎn)速的增加其振動越小。因此，在保證生產(chǎn)能力的前提下應(yīng)盡可能增大截割頭的轉(zhuǎn)速。

3 截割頭振動特性的測試

為準(zhǔn)確分析掘進(jìn)機截割頭在截割煤壁時的振動情況，建立如圖2所示的截割試驗臺。

圖2 截割試驗臺結(jié)構(gòu)框圖

如圖2所示，所搭建的截割頭試驗平臺基于扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、測力傳感器以及振動傳感器對截割頭在實際截割煤壁過程中的振動特性進(jìn)行綜合分析。其中，所選型扭矩傳感器的具體型號為ZHCPN-200，測量傳感器可對截割頭的軸向力、徑向力以及側(cè)向力進(jìn)行測量。在試驗期間采用LXCG-80的位移傳感器對截割頭的移動速度進(jìn)行測量，并將所采集的數(shù)據(jù)通過DASP軟件進(jìn)行處理[5]。得出如表4所示的截割變化情況。

表4 截割頭轉(zhuǎn)速對應(yīng)的截齒應(yīng)力變化值

如表4所示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，對應(yīng)截齒所承受的載荷減小，且最大值與平均值的差值也隨之越小，即截割頭振動越小，與仿真結(jié)果一致。因此，經(jīng)試驗可知，當(dāng)前煤層特性對應(yīng)截割頭的最佳轉(zhuǎn)速為70 r/min。

4 結(jié)語

掘進(jìn)機截割頭為與煤層巖層直接接觸的部件，該部件的可靠性直接決定掘進(jìn)機的采掘效率。因此，在實際生產(chǎn)中需根據(jù)煤巖特性及工況最終綜合確定最佳的截割參數(shù)，保證截割頭的振動最小，并獲得最大截割效率。