掘進(jìn)機(jī)截齒安裝角的優(yōu)化研究

毋韶杰

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電廠(chǎng)，山西 太原 030053）

引言

掘進(jìn)機(jī)是依靠截割滾筒從巖壁上剝落巖石的機(jī)械設(shè)備，截割滾筒截割作業(yè)時(shí)的穩(wěn)定性直接決定了掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)的效率和經(jīng)濟(jì)性。截齒是截割滾筒執(zhí)行截割作業(yè)的核心，針對(duì)目前掘進(jìn)機(jī)截齒磨損速度快、使用壽命短，需要頻繁更換截齒，影響截割效率的情況。提出利用離散元分析的方法對(duì)不同截齒安裝角下掘進(jìn)機(jī)的截割特性進(jìn)行分析，確定截齒的最佳安裝角，提升掘進(jìn)機(jī)的截割穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。本文以某型掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，利用離散元仿真分析軟件對(duì)掘進(jìn)機(jī)不同截齒安裝角下的截割過(guò)程進(jìn)行分析。

1 截割仿真分析模型建立

利用三維建模軟件建立掘進(jìn)機(jī)截割滾筒、刮板輸送機(jī)中部槽和煤壁三部分的三維模型[1]，為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行三維建模時(shí)依據(jù)某型掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行，截割滾筒的直徑為1 700 mm，截割滾筒的寬度為1 000 mm，截割滾筒的螺旋葉片升角為27°，截齒在截割滾筒上排列時(shí)采用了順序排列的的方式，截齒之間的線(xiàn)距為78 mm，截齒安裝時(shí)的錐角為82°。刮板輸送機(jī)的中部槽和煤壁之間的距離為300 mm，截割滾筒下側(cè)和刮板輸送機(jī)中部槽之間的距離為900 mm。根據(jù)煤礦井下實(shí)際地質(zhì)監(jiān)測(cè)，在截割作業(yè)時(shí)煤壁的頂板壓力為1.3×107N，煤巖的抗壓強(qiáng)度為17 MPa。利用離散元仿真分析軟件進(jìn)行仿真分析時(shí)設(shè)置掘進(jìn)機(jī)的截割速度為3.5 m/min，截割滾筒的截割轉(zhuǎn)速設(shè)置為29 r/min，截割時(shí)的截割深度設(shè)置為900 mm，截割作業(yè)時(shí)不同位置的煤炭剝離速度如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)仿真示意圖

2 不同安裝角時(shí)的截割性能分析

掘進(jìn)機(jī)截齒的安裝角主要是指截齒的軸線(xiàn)和截齒端部運(yùn)動(dòng)方向切線(xiàn)的夾角，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時(shí)的截割比能耗、裝煤率、截割阻力均會(huì)產(chǎn)生一定的影響。目前掘進(jìn)機(jī)的截割安裝角一般設(shè)置為41°，但并沒(méi)有對(duì)不同安裝角下掘進(jìn)機(jī)的截割特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析，因此本文對(duì)安裝角為30°、35°、40°、45°、50°情況下掘進(jìn)機(jī)的截割比能耗、裝煤率、截割阻力進(jìn)行分析。

裝煤率是指掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中煤炭從煤壁上被剝離下來(lái)后落到刮板輸送機(jī)中部槽的煤炭比例，在對(duì)裝煤率進(jìn)行分析時(shí)可以在仿真模型中劃分不同的統(tǒng)計(jì)區(qū)，將掘進(jìn)機(jī)截割滾筒后側(cè)的采空區(qū)劃分為統(tǒng)計(jì)I區(qū)，將刮板輸送機(jī)中部槽未覆蓋的區(qū)域設(shè)置為統(tǒng)計(jì)II區(qū)[2]。通過(guò)對(duì)不同區(qū)域內(nèi)煤壁顆粒所累積的質(zhì)量占割煤總重的分析即可獲取此截割狀態(tài)下的裝煤率。根據(jù)仿真分析結(jié)果，不同安裝角下的裝煤率分布如表1所示。

表1 不同安裝角下的裝煤率分布匯總表

由仿真分析結(jié)果可知，隨著掘進(jìn)機(jī)截齒安裝角的增加，掘進(jìn)機(jī)的裝煤率先升高后降低，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截齒安裝角為45°的情況下裝煤率最高，達(dá)到了80.04%。

截割阻力是指掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)時(shí)作用在各個(gè)截齒上的截割載荷的和[3]，不同截齒安裝角情況下掘進(jìn)機(jī)的截割阻力變化情況如圖2所示。

由圖2可知，不同安裝角下作用在掘進(jìn)機(jī)截割滾筒上的截割阻力均呈現(xiàn)了在一定范圍內(nèi)不規(guī)律的波動(dòng)，這主要是由于在滾筒截割作業(yè)過(guò)程中截齒位置、偏角、煤層硬度均不斷變化而導(dǎo)致的，因此在截割作業(yè)過(guò)程中的截割阻力并不會(huì)呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。通常用掘進(jìn)機(jī)截割滾筒在截割作業(yè)時(shí)的載荷波動(dòng)系數(shù)來(lái)表示截割阻力的變化情況，載荷波動(dòng)系數(shù)越小，說(shuō)明截割穩(wěn)定性越好。根據(jù)計(jì)算當(dāng)截齒安裝角為40°時(shí)載荷波動(dòng)系數(shù)為5.7%，當(dāng)截齒安裝角為45°時(shí)的載荷波動(dòng)系數(shù)為5.2%，其他幾種情況下的載荷波動(dòng)系數(shù)均超過(guò)了6%，因此當(dāng)截齒安裝角為45°或者40°時(shí)具有較好的截割穩(wěn)定性。

圖2 不同安裝角下截齒上截割阻力變化情況

截割比能耗是指截齒截割單位體積的煤或巖石時(shí)所消耗的能量[4]，不同截齒安裝角下掘進(jìn)機(jī)的截割比能耗變化曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 不同安裝角下截割比能耗變化情況

由分析結(jié)果可知，在不同的截齒安裝角情況下掘進(jìn)機(jī)的截割比能耗均隨著截割時(shí)間的增加而逐漸增大，在截割作業(yè)過(guò)程中受掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)給速度、截割速度變化的影響，掘進(jìn)機(jī)的截割比能耗也出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng)，但該波動(dòng)相對(duì)隨意，缺乏規(guī)律性。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截齒的安裝角為45°的情況下其平均截割比能耗為1.2 kW·h/m3，其他情況下掘進(jìn)機(jī)的截割比能耗均超過(guò)了1.6 kW·h/m3，由此可見(jiàn)當(dāng)安裝角為45°時(shí)具有最佳的截割比能耗。

經(jīng)過(guò)綜合分析，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截齒安裝角設(shè)置為45°時(shí)具有最佳的截割比能耗、最小的截割阻力及最高的裝煤率，可以顯著提升掘進(jìn)機(jī)綜采作業(yè)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和使用壽命。

3 結(jié)論

1）三維建模、離散元仿真分析的方法有效地模擬了掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中的受力情況，對(duì)提升掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)合理性具有十分重要的意義。

2）掘進(jìn)機(jī)的截齒安裝角為45°時(shí)的裝煤率達(dá)到了80.04%，載荷波動(dòng)系數(shù)為5.2%，平均截割比能耗為1.2 kW·h/m3，具有最佳的截割比能耗、最小的截割阻力及最高的裝煤率，可以顯著提升掘進(jìn)機(jī)綜采作業(yè)時(shí)的經(jīng)濟(jì)性和使用壽命。