掘進機不同參數(shù)截割頭截割特性的分析

呂 洋

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

掘進機作為煤炭生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是在開采前對巷道的掘進[1]。隨著煤炭開采深度的不斷增加，地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件的復(fù)雜對掘進機的截割部提出了更高的要求。截割頭作為掘進機截割部直接作用于工作面的部件，其性能直接決定著掘進效率和安全性。因此，開展對掘進機截割頭截割特性研究是十分有必要的。

1 截割頭存在問題

掘進機截割頭主要承擔(dān)軸線推進和橫擺截割的任務(wù)，為了確保截割部更多的截割頭參與到截割任務(wù)中，要求截割頭截齒呈現(xiàn)螺旋線的排布方式[2]，如圖1 所示。

圖1 截割頭結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，截割頭主要由頭體、截齒、齒座、導(dǎo)料板以及噴水裝置組成。在實際應(yīng)用中由于截齒安裝的角度不合理導(dǎo)致其單面與煤體或者巖體磨損，從而加劇了截齒的單側(cè)磨損；還存在截齒齒座與煤體或者巖體的直接接觸，導(dǎo)致在截割過程中產(chǎn)生大量的熱，加劇了對截齒的磨損。因此，應(yīng)優(yōu)化截齒的安裝角度、切割角度等參數(shù)對提升截割頭使用壽命。

2 截割頭結(jié)構(gòu)分析

目前，我國所研發(fā)的截割頭截齒的排布方式主要分為兩種，其一為“螺旋角+圓周角”，其二為“截齒間距+圓周角”[3]。本文主要研究“螺旋角+圓周角”截齒排布方式的截割頭。

經(jīng)研究可知，截齒的安裝角度是影響截割頭截割效率和截割頭使用壽命的關(guān)鍵因素。截齒的安裝角度主要分為截齒功能角和截齒工藝角。其中，截齒功能角直接關(guān)乎截割頭的截割性能；截齒工藝角僅關(guān)系著截齒的工裝和焊接[4]。本文主要研究截割頭的截割性能，故將著重研究截齒功能角，而截齒功能角包括有截割頭截齒切削角、截割頭截齒旋轉(zhuǎn)角。

因此，本文將著重展開不同截齒切削角和不同截齒旋轉(zhuǎn)角下截割頭的截割特性。

3 仿真模型的搭建

本文將基于Pro/E 軟件對截齒三維模型進行搭建。為提升仿真速度，在搭建三維模型時需做出如下假設(shè)[5]：

1）忽略截割頭上螺旋葉片、噴霧降塵裝置對截割頭截割性能的影響。

2）經(jīng)分析可知，掘進機截割頭在實際掘進工作過程中，其主要動作為橫擺截割運動。因此，本次仿真僅分析截割頭橫擺運動時的截割特性。

3）對截割頭所面對的煤巖模型進行簡化，假設(shè)工作面礦石的緊密程度是一致的。

所搭建的三維模型如圖2 所示。

本次仿真分為單齒仿真和截割頭整體仿真兩項內(nèi)容。其中，設(shè)定截齒以46 r/min 的速度沿著截割頭的軸向方向旋轉(zhuǎn)，仿真時長為326 ms；

圖2 單齒三維模型

4 仿真結(jié)果分析

本節(jié)探討不同切削角和旋轉(zhuǎn)角下截割頭單截齒的受力情況分析。

設(shè)定截齒的旋轉(zhuǎn)角為14°，安裝角為12°。不同切削角、旋轉(zhuǎn)角下截割頭截齒的受力情況如表1、表2 所示。

表1 不同切削角截割頭截齒受力匯總表

如表1 所示，當(dāng)截齒切削角在48°、50°、52°、60°、62°以及64°時其平均截割阻力較小；平均牽引阻力幾乎維持在550 N 左右；平均側(cè)向阻力的絕對值在截齒切削角為48°、50°、58°以及64°時較??；平均截割力矩在切削角為48°、60°、62°和64°時為較小。

綜上所述，當(dāng)截齒切削角在48°～52°的范圍之內(nèi)時截齒所受外力較小。

經(jīng)上述分析，設(shè)定截齒切削角為50°、安裝角為12°，分析不同旋轉(zhuǎn)角下截齒的受力情況。

如表2 所示，當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為6°和12°時，截齒所受的平均截割阻力分別為180 N 和215 N，為兩個比較小的值；當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為8°和12°時，截齒所受的平均牽引阻力有較小值；當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為8°和18°時，截齒所受的平均側(cè)向阻力的絕對值有較小值；當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為6°、8°、12°以及14°時，截齒所受的平均截割力矩有較小值。

表2 不同旋轉(zhuǎn)角截割頭截齒受力匯總表

綜上所述，當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角范圍在8°～12°之間時，截齒所承受的外力最為理想。

5 結(jié)論

掘進機作為綜掘工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其截割效率及安全性直接決定工作面的推進速度。截齒作為掘進機截割部直接與煤體或者巖體接觸的部件，其各項參數(shù)將直接決定掘進機在截割過程中各個截齒的受力情況，進而影響著截齒的壽命和截割效率。經(jīng)對截割頭截齒的受力情況進行仿真分析，得知當(dāng)切削角在48°～52°的范圍之內(nèi)、旋轉(zhuǎn)角范圍在8°～12°之間時截齒所受外力較小，該分析為截割頭截齒的分布奠定了扎實的理論基礎(chǔ)。