掘進(jìn)機(jī)截割頭不同截齒間距下掘進(jìn)效果的分析

楊海玉

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全監(jiān)管五人小組， 山西 大同 037003）

引言

掘進(jìn)機(jī)是進(jìn)行煤炭及礦產(chǎn)開(kāi)采的綜合性設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)截割、裝載運(yùn)輸及噴霧等一體化功能。掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)的主要執(zhí)行部件是截割頭，截割頭通過(guò)伸縮部連接在截割電機(jī)上，通過(guò)截割頭的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤巖等的切割。截割頭的截齒直接作用于煤巖，在進(jìn)行工作的過(guò)程中，不同位置的截齒所受到的作用力各不相同，作用力的差異化容易引發(fā)截割頭的振動(dòng)，并且使得截齒的使用壽命不同，不利于截割作業(yè)的持續(xù)進(jìn)行及截齒的修配[1]。針對(duì)截割頭的截齒在不同間距下的掘進(jìn)效果進(jìn)行分析，以此減小截齒的受力差異，降低截割頭的振動(dòng)，從而可以提高截齒的使用壽命及截割性能，并且減少修配作業(yè)的時(shí)間，提高整體的工作效率[2]。

1 截割頭截齒間距的排列

截割頭的主要結(jié)構(gòu)包括截齒、母體、水孔、噴嘴及葉片等，截齒是進(jìn)行截割作業(yè)的直接零件，在工作過(guò)程中受到多個(gè)方向的力的綜合作用，其矢量和稱(chēng)為截割頭的載荷。截割頭由圓柱段、圓錐段及球冠段三部分組成[3]，截齒依據(jù)三段的螺旋形式安裝在截割頭上，如圖1 所示，其中1—7 號(hào)截齒位于圓柱段上，8—25 號(hào)截齒位于圓錐段上，26—36 號(hào)截齒位于球冠段上。

截割頭的截齒間距是截割頭重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，指相鄰截齒之間的縱向距離，接線間距的大小不僅與截割頭自身的運(yùn)動(dòng)相關(guān)，還與截割煤巖的性質(zhì)相關(guān)，對(duì)于截割的效果、載荷及功率消耗等具有較大的影響。截齒間距過(guò)大時(shí)，使得截割表面形成相互獨(dú)立的截割槽，且相鄰截割槽之間的煤炭和矸石不易脫落，造成截割的阻力增加，粉塵量變大，不利于截割過(guò)程；截齒間距過(guò)小時(shí)，則形成的截割槽相互靠近，截割阻力變小，但不能充分利用煤巖的破碎，造成截割功率的浪費(fèi)，降低截割的效率[4]。

圖1 截割頭結(jié)構(gòu)圖

對(duì)截齒的間距進(jìn)行分析，主要分析球冠段的截齒，這一部位的截齒承受較大的工作載荷，在進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，首先與煤巖進(jìn)行接觸破碎，承受較大的載荷。球冠段的截齒間距應(yīng)當(dāng)被適當(dāng)減小，保證軸向距離上截齒的排列緊密，減輕各截齒的受力情況。依據(jù)煤層壓張效應(yīng)的變化，將球冠段的截割阻力與截齒的傾斜角度β 及截齒間距t 近似呈正比，可得到截齒間距的變化如下式[5]：

式中：k1為比例常數(shù)；βi為各截齒傾斜角；t25為圓錐段最后截齒的截齒間距。

通過(guò)公式計(jì)算，可以得出進(jìn)行優(yōu)化的截齒間距變化如表1 所示。

通過(guò)優(yōu)化后的截齒間距如下頁(yè)圖2 所示，從圖2中可以看出，優(yōu)化后的截齒間距逐漸遞減，這和截割頭受到的截割阻力和煤層的壓張效應(yīng)相關(guān)[6]，由此進(jìn)行掘進(jìn)效果的分析。

表1 球冠段優(yōu)化截齒間距 mm

圖2 截齒間距的描述圖

2 不同截齒間距的掘進(jìn)效果分析

針對(duì)煤巖的截割過(guò)程，采用ABAQUS 軟件進(jìn)行破壞過(guò)程的分析，ABAQUS 可以對(duì)固體及結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行線性及非線性的分析，在科研和工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在Pro/E 中建立一定體積的長(zhǎng)方體模擬地下煤巖的分布，設(shè)定煤層的材料參數(shù)，將其模型導(dǎo)入到ABAQUS 中。依據(jù)截割頭的截齒間距，分別建立優(yōu)化前后兩種不同的截割頭模型，采用智能網(wǎng)格的形式進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，提取截割頭的受力情況作為有限元分析的結(jié)果。設(shè)定截割過(guò)程中的接觸類(lèi)型為ESTS，在截割過(guò)程中煤巖隨著截割頭的運(yùn)動(dòng)而逐漸脫落，設(shè)定截割頭與煤巖間的靜摩擦系數(shù)為0.05，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1，截割運(yùn)動(dòng)的初始條件為44 r/min，限制截割頭的四個(gè)自由度，及煤巖的全部自由度，進(jìn)行橫切工況后，施加0.2 m/min 的縱向鉆進(jìn)速度，由此進(jìn)行截割運(yùn)動(dòng)的仿真運(yùn)算，提取截割頭的受力作用作為運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行后處理輸出。

通過(guò)仿真分析得到優(yōu)化前后的截齒受力情況，圖3 表示在橫切工況下優(yōu)化前后的截齒受力圖，圖4 表示在鉆進(jìn)工況下優(yōu)化前后的截齒受力圖。

圖3 優(yōu)化前后橫切工況時(shí)的截齒受力圖

圖4 優(yōu)化前后鉆進(jìn)工況時(shí)的截齒受力圖

從圖3 中可以看出，在進(jìn)行橫切工況時(shí)，優(yōu)化后的大多數(shù)截齒受力有所減小，其中具有代表性的4、10、11、14 等截齒的減小幅度較大，以19 號(hào)為代表的部分截齒受力有所增加，但增加幅度較小，整體上看，在橫切工況時(shí)，優(yōu)化后的截齒受力有一定減小；從圖4 中可以看出，在進(jìn)行鉆進(jìn)工況時(shí)，5、6、7、8、32、34 號(hào)等截齒的受力均有所減小，其中 6、7、8 號(hào)截齒的減小幅度較大，13 號(hào)截齒為代表的少數(shù)截齒的受力有所增加，增加幅度較小，整體上看，在鉆進(jìn)工況時(shí)，大部分截齒的受力有所減小。綜合來(lái)看，優(yōu)化后的截齒受力在幅值上大部分有所減小，同時(shí)各截齒的受力分布更加均勻，由此，截割過(guò)程中的振動(dòng)較小，各截齒的使用壽命趨于一致，便于進(jìn)行截齒的修配。

3 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)截割頭是進(jìn)行煤巖切割的主要部件，對(duì)于截齒的分布間距不同造成截齒的受力不同，引起截割頭的振動(dòng)。針對(duì)這一問(wèn)題，采用優(yōu)化的方式重新分布截齒的間距，依據(jù)優(yōu)化后的截齒間距，采用ABAQUS 軟件進(jìn)行截齒受力的仿真分析，在橫切和鉆進(jìn)兩種不同工況下，對(duì)優(yōu)化前后的截齒受力進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，優(yōu)化后的截齒間距截齒受力整體有所減小，分布更加均勻，從而可以減小截割頭的振動(dòng)，提高截齒的使用壽命，提高掘進(jìn)機(jī)的工作效率。