采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)截齒受力監(jiān)控系統(tǒng)

楊 超

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司 望云煤礦分公司， 山西 晉城 048400)

采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)截齒工作時(shí)的狀態(tài)直接決定了采煤機(jī)的綜采作業(yè)效率和穩(wěn)定性。由于煤礦井下綜采作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，截齒在進(jìn)行割煤時(shí)會(huì)受到?jīng)_擊，導(dǎo)致截齒發(fā)生磨損、移位等，影響采煤機(jī)綜采作用。對(duì)截齒截割狀態(tài)進(jìn)行有效判定的前提是對(duì)截齒在截割作業(yè)過(guò)程中的受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。本文利用應(yīng)變式傳感器，通過(guò)設(shè)置在截齒的應(yīng)變片的受力變化對(duì)截齒截割作業(yè)過(guò)程中的受力進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)對(duì)截齒受力情況進(jìn)行調(diào)整，以提升截齒使用壽命和采煤機(jī)綜采作業(yè)的穩(wěn)定性。

1 截割機(jī)構(gòu)截齒的受力分析

采煤機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中的截齒斷裂原因主要包括截割作業(yè)過(guò)程中快速換向時(shí)的觸碰巖壁、截齒質(zhì)量缺陷、截齒長(zhǎng)期受交變應(yīng)力作用產(chǎn)生疲勞破壞等，通過(guò)對(duì)礦山各類斷齒原因的統(tǒng)計(jì)分析，采煤機(jī)截齒長(zhǎng)期受交變應(yīng)力作用而導(dǎo)致的疲勞損壞占87.3%，是導(dǎo)致采煤機(jī)截齒斷裂的最主要因素。因此，對(duì)采煤機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中截齒的受力進(jìn)行分析。

根據(jù)采煤機(jī)綜采作業(yè)時(shí)的截煤理論分析，以某型采煤機(jī)磨鈍后的截齒為例，其在截割作業(yè)時(shí)的截割阻力的平均值FZ0及在x,y,z方向(x方向表示沿截齒軸線方向，y方向表示垂直向上方向，z方向表示沿截割作業(yè)的水平方向)上的受力FX、FY、FZ可表示為[1]：

(1)

式中：

Ky—井下巷道內(nèi)的煤巖體壓擴(kuò)張系數(shù)；

A—煤巖的平均截割阻抗，N/mm；

bp—采煤機(jī)截齒的計(jì)算寬度，mm；

β0—截齒截割時(shí)的楔入角，(°)；

B—煤層的脆性系數(shù)；

h—截齒的切削厚度，mm；

Km—煤層巖體的裸露系數(shù)；

Ka—截齒的截角影響系數(shù)；

Kf—截齒形狀影響系數(shù)；

Kp—截割機(jī)構(gòu)截齒的配置影響系數(shù)；

Kδ—煤巖的崩落角影響系數(shù)；

Z0—截齒截割時(shí)的正向作用力，N；

f′—截齒截割作業(yè)時(shí)的阻力系數(shù)；

K′y—截齒的平均接觸應(yīng)力與單向抗壓強(qiáng)度的比值；

σy—煤層的單向抗壓強(qiáng)度；

Sd—采煤機(jī)截齒的磨損面積，mm2.

2 應(yīng)變片設(shè)置方式及受力測(cè)量原理

對(duì)截齒工作時(shí)的受力監(jiān)控，核心是應(yīng)變片的設(shè)置方式。經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，采用將采煤機(jī)截齒分為上下兩部分，將應(yīng)變片設(shè)置到軸段I處，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，利用應(yīng)變片來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)截割機(jī)構(gòu)截齒受力的監(jiān)控，利用應(yīng)變花來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)截割過(guò)程中作用在截齒上轉(zhuǎn)矩的監(jiān)控。

圖1 應(yīng)變片在截齒上設(shè)置的結(jié)構(gòu)示意圖

該應(yīng)變片是由敏感柵等構(gòu)成用于測(cè)量應(yīng)變的元件，截齒受力時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的形變，對(duì)應(yīng)變片產(chǎn)生一定的壓力，使應(yīng)變片發(fā)生變形，其電阻值相應(yīng)的發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”，通過(guò)其電流變化可顯示出截齒上所受的力。

為了精確反應(yīng)截割作業(yè)過(guò)程中作用在截割機(jī)構(gòu)截齒上截割力的變化情況，獲得連續(xù)的截割力變化曲線，需要對(duì)截割機(jī)構(gòu)上帶有應(yīng)變片的截齒進(jìn)行合理分布。以典型的d1 600 mm的采煤機(jī)截割滾筒為例，其測(cè)點(diǎn)分布結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2.

圖2 截割滾筒上測(cè)點(diǎn)分布示意圖

當(dāng)軸段處發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)，其應(yīng)變花產(chǎn)生的應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)力矩呈現(xiàn)一種線性關(guān)系，其可表示為[2]：

(2)

式中：

M—轉(zhuǎn)矩，N·m；

G—彈性模量，MPa.

在測(cè)定前，首先將應(yīng)變片和應(yīng)變花變形所對(duì)應(yīng)的力和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)其截割過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)，利用智能控制系統(tǒng)快速地確定對(duì)應(yīng)的截割力。

3 截齒的力學(xué)特性測(cè)試

為了驗(yàn)證該受力監(jiān)控系統(tǒng)工作可靠性，建立力學(xué)分析試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)其監(jiān)控效果進(jìn)行測(cè)試，監(jiān)控時(shí)，以某型采煤機(jī)為例，其工作時(shí)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為26.7 r/min，截齒作業(yè)時(shí)的截割深度約為550 mm，其進(jìn)給速度為1.2 m/min，煤層硬度系數(shù)為4.7，截齒安裝角度為40°，截齒的錐角為41°，截割作業(yè)過(guò)程中的切削角度為45°，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.

圖3 截割機(jī)構(gòu)測(cè)試及傳輸系統(tǒng)圖

在工作中，通過(guò)對(duì)截齒的改造，在齒座下端設(shè)置相應(yīng)的應(yīng)變片[3]，將應(yīng)變片的數(shù)據(jù)傳輸線連接到傳輸系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)處理模塊上，利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸方式將測(cè)定的數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚硐到y(tǒng)中，與系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲取其作用在滾筒截齒上的力，然后通過(guò)監(jiān)控到的截割機(jī)構(gòu)的截割轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等分析截齒與其的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的模糊修正獲取最終的精確變化情況。

試驗(yàn)過(guò)程中以作用在截齒x軸的作用力和力矩值為對(duì)象，其變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4.

由圖4可知，在截割作業(yè)過(guò)程中截齒的受力表現(xiàn)出了較強(qiáng)的周期性，作用在X軸方向上的力的最大值約為0.69 kN，表明了該受力監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)截齒受力監(jiān)控的實(shí)用性，通過(guò)對(duì)截齒受力的監(jiān)測(cè)，設(shè)定一個(gè)控制上限值，當(dāng)截割力超標(biāo)時(shí)系統(tǒng)將通過(guò)調(diào)整截割作業(yè)時(shí)的截割轉(zhuǎn)速或者采煤機(jī)的進(jìn)給速度，使截割受力降低，確保截齒受力的穩(wěn)定性。

圖4 截齒受力監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控結(jié)果圖

4 結(jié) 論

為了對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)截齒截割作業(yè)過(guò)程中的受力情況進(jìn)行監(jiān)控，提出了一種新的基于應(yīng)變傳感器的受力監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)在截齒根部設(shè)置應(yīng)變傳感器對(duì)截齒在截割作業(yè)過(guò)程中的受力進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證表明：

1) 在截割作業(yè)過(guò)程中截齒的受力表現(xiàn)出了較強(qiáng)的周期性，作用在X軸方向上力的最大值約為0.69 kN，表明該監(jiān)控系統(tǒng)能夠有效的對(duì)截割作業(yè)過(guò)程中的受力情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2) 該截割監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)佚X受力過(guò)程進(jìn)行不間斷監(jiān)控，根據(jù)受力變化情況及時(shí)對(duì)截齒的工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，避免影響截割作業(yè)的效率。