掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒的布置研究

祁 勝

（山西西山煤電股份有限公司西銘礦， 山西 太原 030052）

引言

掘進(jìn)機(jī)擔(dān)負(fù)著煤礦前期生產(chǎn)巷道的掘進(jìn)和某些煤層的開(kāi)采，是實(shí)現(xiàn)煤礦綜合機(jī)械化生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。截割頭為掘進(jìn)機(jī)直接與煤層或巖層接觸的載體，其性能直接決定設(shè)備的掘進(jìn)效率和巷道的成型質(zhì)量[1]。對(duì)于掘進(jìn)機(jī)的工作效率除了與其設(shè)備本身及截割頭的質(zhì)量相關(guān)外，還與截割頭上截齒的分布及安裝參數(shù)相關(guān)，其直接與設(shè)備的能耗、磨損情況相關(guān)。本文重點(diǎn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒的分布及優(yōu)化進(jìn)行研究。

1 截割頭及截齒參數(shù)的確定

本小節(jié)重點(diǎn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)和截齒的分布參數(shù)進(jìn)行確定。具體闡述如下：

1.1 掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)的確定

對(duì)于掘進(jìn)機(jī)截割頭而言，影響掘進(jìn)機(jī)工作效率的關(guān)鍵參數(shù)包括有截割頭的長(zhǎng)度、截割頭的直徑以及截割頭的錐角。從理論上分析，上述參數(shù)將直接決定掘進(jìn)機(jī)的截割效率，收料能力以及最終巷道的成型質(zhì)量。

1.1.1 長(zhǎng)度的確定

所謂截割頭長(zhǎng)度指的是，沿著截割頭的軸向方向的尺寸，其主要對(duì)掘進(jìn)機(jī)本身的收料能力和后續(xù)的清底能力有著重要影響，尤其是對(duì)硬度相對(duì)較軟的煤層或巖層的影響最大。一般情況，掘進(jìn)機(jī)截割頭的長(zhǎng)度≥700 mm。

1.1.2 直徑的確定

截割頭直徑直接影響掘進(jìn)機(jī)的截割能力以及截齒的磨損速度。在實(shí)際截割過(guò)程中，截割頭上的所有截齒有三分之一同時(shí)參與截割任務(wù)。一般情況，為了提升掘進(jìn)機(jī)的截割能力盡可能地減小截割頭的直徑[2]。但是，由于截割頭尺寸的約束導(dǎo)致截割頭直徑不能一味的減小。目前，截割頭直徑最小可以做到800 mm。

1.1.3 錐角的確定

截割頭的錐角參數(shù)將直徑影響最終巷道的成型質(zhì)量和巷道底板的平整程度。結(jié)合工程實(shí)踐和理論基礎(chǔ)，一般將截割頭錐角控制在25°～35°之間為宜。

1.2 掘進(jìn)機(jī)截齒的布置

截齒在截割頭上的分布主要指的是截齒螺旋頭的數(shù)量、螺旋升角、截線間距以及截齒的軸向位置等。

1.2.1 螺旋頭數(shù)量參數(shù)的確定

從理論上分析，當(dāng)截齒螺旋頭數(shù)量太小時(shí)對(duì)應(yīng)的截齒的螺旋升角過(guò)小，對(duì)整機(jī)的排料能力有一定的影響；當(dāng)截齒螺旋頭數(shù)量過(guò)大時(shí)對(duì)應(yīng)的截齒的螺旋升角過(guò)大，影響截齒在截割頭上的分布[3]。因此，一般將截齒螺旋頭的數(shù)量控制在2～3 個(gè)。

1.2.2 螺旋升角參數(shù)的確定

掘進(jìn)機(jī)截割頭螺旋升角如圖1 所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割頭螺旋升角示意圖

螺旋升角直接決定截割頭的導(dǎo)料性能。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般將截割頭螺旋升角控制在12°～30°之間。

1.2.3 截齒的布置參數(shù)

截齒在截割頭上的布置主要是對(duì)截齒軸向距離、截割半徑、圓周角、截割角、倒角以及轉(zhuǎn)角等參數(shù)的確定。上述參數(shù)中，截割角為影響截齒布置的主要參數(shù)，本文將重點(diǎn)對(duì)截齒截割角的最佳參數(shù)進(jìn)行確定。

2 截齒截割角參數(shù)的優(yōu)化確定

針對(duì)截齒截割角參數(shù)的優(yōu)化確定，本小節(jié)將分別對(duì)單齒截割和多齒截割工況下的截割角的參數(shù)通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 單齒截割工況下截割角的優(yōu)化

針對(duì)單齒截割工況，重點(diǎn)對(duì)截割半徑分別為105 mm（鉆進(jìn)截割工況）和297 mm（橫掃截割工況）不同截割角度下的截割性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1.1 截割半徑為105 mm 時(shí)的數(shù)值模擬分析

當(dāng)截割半徑為105 mm，對(duì)應(yīng)的截齒的旋轉(zhuǎn)速度為46 r/min，設(shè)備在Z 方向的進(jìn)給速度為0.02 m/s，設(shè)定數(shù)值模擬時(shí)間為1 s，分別對(duì)截割角為40°、45°、50°、55°、58°以及60°情況下截齒的受力情況進(jìn)行對(duì)比分析。

如表1 所示，當(dāng)截割角度為60°時(shí)，對(duì)應(yīng)Z 方向的受力值最大。除此之外，隨著截割角度的增加，Z方向的受力逐漸減小，合外力也減??；而在XY 平面的合力處于不規(guī)則變化，但該值隨著截割角度的變化對(duì)應(yīng)的變化幅度較小[4]。

表1 截割半徑為105 mm 對(duì)應(yīng)不同截割角的受力情況

綜上所述，當(dāng)截割半徑為105 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳截割角度為58°。

2.1.2 截割半徑為297 mm 時(shí)的數(shù)值模擬分析

當(dāng)截割半徑為297 mm，對(duì)應(yīng)的截齒的旋轉(zhuǎn)速度為46 r/min，設(shè)備在Z 方向的進(jìn)給速度為0.02 m/s，設(shè)定數(shù)值模擬時(shí)間為0.38 s，分別對(duì)截割角為40°、48°、50°、52°、55°、58°情況下截齒的受力情況進(jìn)行對(duì)比分析。

如表2 所示，當(dāng)截割角度為50°時(shí)，對(duì)應(yīng)截齒受到的合力值最小僅為0.60 kN。因此，在橫掃工況對(duì)應(yīng)截割半徑為297 mm 時(shí)最佳截割角為50°。

表2 截割半徑為297 mm 對(duì)應(yīng)不同截割角的受力情況

2.2 多齒截割工況下截割角的優(yōu)化

為研究截割角度對(duì)截割頭截割煤層或巖層時(shí)的影響，在上述單齒研究的基礎(chǔ)上對(duì)截割角度為45°和50°時(shí)多齒截割性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析[5]。在實(shí)際截割過(guò)程中，截割頭有三分之一的截齒同時(shí)截割，因此建立120°的球面弧形模擬多齒截割工況，對(duì)應(yīng)的截割頭旋轉(zhuǎn)速度為88 r/min，進(jìn)給速度為80 mm/s，數(shù)值模擬時(shí)間為0.5 s。所建立的多齒截割模型如圖2 所示。

圖2 多齒截割巖層的數(shù)值模擬模型

經(jīng)數(shù)值模擬分析，得出不同截割角度小對(duì)應(yīng)的截割頭截割巖層時(shí)的受力情況和能耗情況如表3所示。

表3 多齒工況下不同截割角度對(duì)應(yīng)的受力及能耗情況

如表3 所示，當(dāng)截割角度為50°時(shí)對(duì)應(yīng)截齒的平均受力和最大受力均小于截割角度為45°時(shí)的情況；同時(shí)，截割角度為50°時(shí)對(duì)應(yīng)截割功率和能耗均比截割角度為45°時(shí)的情況小。也就是說(shuō)，截割角為50°時(shí)對(duì)應(yīng)的截割效率高于截割角度為45°的情況。

綜上所述，當(dāng)截割角度為50°時(shí)對(duì)應(yīng)掘進(jìn)機(jī)的截割效率和能耗均為最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)為煤礦生產(chǎn)中必不可少的設(shè)備，截割頭截齒的分布對(duì)于提升截割效率，降低截割能耗以及保證最終巷道的成型質(zhì)量具有重要意義。在眾多的參數(shù)中，以截割頭截齒的截割角度最為關(guān)鍵，本文重點(diǎn)對(duì)截齒截割角度進(jìn)行優(yōu)化確定，并總結(jié)如下：

通過(guò)對(duì)單齒截割工況下的情況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)于鉆進(jìn)時(shí)對(duì)應(yīng)的前端截齒的截割角度最佳為58°，對(duì)應(yīng)橫掃工況時(shí)的中段截齒的截割角度最佳為50°。而且，通過(guò)對(duì)截齒截割角度的優(yōu)化確定，掘進(jìn)機(jī)的鉆進(jìn)工況的截割效率提升3.93 倍，橫掃工況的截割效率提升1.33 倍。