不同截線距參數(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割性能的影響研究

孫亞鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁礦， 山西 大同 037000）

引言

掘進(jìn)機(jī)是一種煤礦用綜合掘進(jìn)設(shè)備，組成部分包括行走機(jī)構(gòu)、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)及截割機(jī)構(gòu)等，常用于煤礦巷道的掘進(jìn)及隧道的開挖，其中懸臂式掘進(jìn)機(jī)還具有適應(yīng)性強(qiáng)、機(jī)身小及調(diào)用靈活等優(yōu)點(diǎn)，可滿足不同工況生產(chǎn)需求，具有更大的應(yīng)用前景[1]。其中，對(duì)于掘進(jìn)機(jī)截割部，其作為掘進(jìn)機(jī)的工作部件，即與煤巖直接接觸的掘進(jìn)機(jī)機(jī)構(gòu)部件，利用截割頭帶動(dòng)截齒旋轉(zhuǎn)完成煤巖截割動(dòng)作，組成部件有截割頭、懸臂段、截割減速器及截割電機(jī)等；對(duì)于本體部，其四周同油箱、鏟板部、操作臺(tái)、回轉(zhuǎn)臺(tái)和第一運(yùn)輸機(jī)相連接，本體部是利用行走部、后支撐對(duì)其起支撐作用；對(duì)于行走部，組成部件有行走減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、履帶鏈、履帶架、漲緊輪組、漲緊油缸、行走馬達(dá)及輔助零件；對(duì)于鏟板部，鏟板部作為掘進(jìn)機(jī)的收集轉(zhuǎn)運(yùn)裝置，利用旋轉(zhuǎn)作用的五齒星輪，通過鏟板將截割落下的煤體運(yùn)輸至第一輸送機(jī)內(nèi)；此外，還有對(duì)掘進(jìn)機(jī)起支撐作用的后支撐，其可降低掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)工作時(shí)機(jī)體的振動(dòng)，同時(shí)可避免機(jī)體出現(xiàn)側(cè)向滑動(dòng)現(xiàn)象；電控箱是采用橡膠減震墊與后支撐座相連接。截割頭作為掘進(jìn)機(jī)的核心工作部件，主要工作是破碎煤巖，截割頭性能的好壞會(huì)直接影響掘進(jìn)機(jī)的效率、可靠性及煤炭開采的經(jīng)濟(jì)性等[2]。

1 不同截線距參數(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割性能的影響

截線距的定義是兩條相鄰截線之間的軸向長(zhǎng)短距離，其大小的設(shè)置，同截割頭截割煤巖的大小和順利程度、截割阻力所做的有用功大小、截割頭的載荷大小等密切相關(guān)，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，截線距值的設(shè)置直接關(guān)系著掘進(jìn)機(jī)截齒布置效果的好壞及截割頭的設(shè)計(jì)[3]。

本文設(shè)定掘進(jìn)機(jī)參數(shù)：截割頭轉(zhuǎn)速是30 r/min，截齒傾斜角是15°、切削角是45°，截深是30 mm，截割時(shí)間是6 s，研究不同截線距參數(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭性能的影響，截線距值分別為70 mm、80 mm、90 mm。

圖1 是在截線距參數(shù)是70 mm 時(shí)得到的掘進(jìn)機(jī)截割頭截割力、截割力矩同時(shí)間的變化關(guān)系圖，此時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截割力均值是330 N，截割力矩均值是365 N·m。

圖1 截線距是70 mm 時(shí)掘進(jìn)機(jī)截割頭截割力和力矩變化曲線

下頁(yè)圖2 是在截線距參數(shù)是80 mm 時(shí)得到的掘進(jìn)機(jī)截割頭截割力、截割力矩變化關(guān)系圖，此時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截割力均值是531 N，截割力矩均值是607 N·m。

圖2 截線距是80 mm 時(shí)掘進(jìn)機(jī)截割頭截割力和力矩變化曲線

下頁(yè)圖3 是在截線距參數(shù)是90 mm 時(shí)，得到的掘進(jìn)機(jī)截割頭截割力、截割力矩變化關(guān)系圖，此時(shí)，截割力均值是796 N，截割力矩均值882 N·m。

圖3 截線距是90 mm 時(shí)掘進(jìn)機(jī)截割頭截割力和力矩變化曲線

從圖1、圖2 和圖3 對(duì)比可以看出，隨著截線距的增大，掘進(jìn)機(jī)截齒的截割力和截割力矩也逐漸增大，這是因?yàn)殡S著截線距的不斷增大，相鄰截割槽間的距離也隨之增大，這就造成兩個(gè)截割槽間的一部分煤不能被截割完成，產(chǎn)生的煤脊較厚，導(dǎo)致截割載荷的持續(xù)遞增。

繼續(xù)深入對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭截落煤壁的數(shù)量進(jìn)行分析，并利用LS-PREPOST 后處理軟件得到圖4 所示結(jié)果。

圖4 截線距是70 mm 時(shí)截割頭截割煤壁完成后剩余的單元數(shù)量

從圖4 可知，當(dāng)截線距參數(shù)是70 mm 時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截割頭截割煤壁前，煤壁單元總數(shù)是13 824，模擬研究6 s 結(jié)束后，煤壁剩余單元總數(shù)是12 974，通過計(jì)算可得出，被截割頭截落的煤壁單元總數(shù)是850，而單個(gè)單元的體積是1.25×10-4m3，因此，根據(jù)以上參數(shù)，就可得到在整個(gè)截割進(jìn)程中截割頭截落煤壁體積是0.106 3 m3。繼續(xù)對(duì)截線距是80 mm、90 mm參數(shù)下的截割頭截落的煤壁體積進(jìn)行分析計(jì)算，得到當(dāng)截線距是80 mm 時(shí)，截齒截落的煤壁體積是0.113 3 m3；當(dāng)截線距是90 mm 時(shí)，截齒截落的煤壁體積是0.107 9 m3。

為了進(jìn)一步分析截線距對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割性能的影響，截割比能耗計(jì)算公式如下：

式中：Hw是截割比能耗，kW·h/m3；t 是截割時(shí)間，s；n是滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；是截割力扭矩均值，N·m；Vm是截割截落的煤壁體積，m3。通過計(jì)算得到不同截線距參數(shù)下，掘進(jìn)機(jī)截割頭截割煤壁的截割比能耗大小。當(dāng)截線距是70 mm 時(shí)截割比能耗0.018 kW·h/m3；當(dāng)截線距是80 mm 時(shí)截割比能耗0.028 kW·h/m3；當(dāng)截線距是90 mm 時(shí)截割比能耗0.040 3 kW·h/m3。由此可對(duì)比看出，隨著截線距值的增大，掘進(jìn)機(jī)截割比能耗逐漸增大。

截線距參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)會(huì)影響采煤的效果，如果設(shè)置太小，相鄰截割兩槽間距太近，盡管使截齒的截割力降低，但是卻不能有效發(fā)揮出煤壁的崩落效應(yīng)，造成崩落的煤塊體積小，使煤礦開采效率降低；如果設(shè)置太大，相鄰截割槽間的煤體就會(huì)出現(xiàn)難以脫落的現(xiàn)象，使現(xiàn)場(chǎng)截割煤層的粉塵濃度上升，造成煤炭開采不環(huán)保、不經(jīng)濟(jì)。綜上，在掘進(jìn)機(jī)截深參數(shù)一定的前提下，存在一個(gè)最優(yōu)的截線距值，其不僅可以很好地發(fā)揮煤壁的崩落效應(yīng)，使崩落的煤體體積大，且可使截割頭截割阻力所做功大幅降低[4]。

2 結(jié)論

由于掘進(jìn)機(jī)截割頭性能的好壞會(huì)直接影響掘進(jìn)機(jī)的效率及煤炭開采的經(jīng)濟(jì)性等，因此，本文就主要分析不同截線距參數(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭性能的影響，結(jié)論如下：

1）隨著截線距的增大，掘進(jìn)機(jī)截齒的截割力和截割力矩也逐漸增大。

2）隨著截線距的增大，掘進(jìn)機(jī)截割比能耗逐漸增大。

3）截線距參數(shù)設(shè)置不合理時(shí)會(huì)影響采煤的效果，在截深一定時(shí)，存在的最優(yōu)截線距，不僅可以很好地發(fā)揮煤壁的崩落效應(yīng)，使崩落的煤體體積大，且可使截割頭截割阻力所做功大幅降低。