實(shí)際工況下的掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷譜研究

郝晉民

（大同煤礦集團(tuán)陽(yáng)方口礦業(yè)有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、電子計(jì)算機(jī)的普及，同時(shí)模擬理論也進(jìn)行了完善，當(dāng)前已經(jīng)使用計(jì)算機(jī)模擬的方法對(duì)截割頭載荷進(jìn)行計(jì)算。由于很多企業(yè)沒(méi)有在這方面進(jìn)行研究，因此在實(shí)際計(jì)算中還存在很多問(wèn)題有待解決，下面就根據(jù)具體案例，分析確定截割頭載荷的方法與載荷的模擬問(wèn)題，以達(dá)到良好的效果。

1 截割頭載荷獲取的方法

截割頭是掘進(jìn)機(jī)械上直接切割巖石的旋轉(zhuǎn)部件，在實(shí)際工況下工作時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截割頭承擔(dān)一定的載荷。為了確保相關(guān)施工工作的順利進(jìn)行，必須深入分析掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷譜。在此之前進(jìn)行截割頭載荷計(jì)算時(shí)通常都使用估算法，得到的數(shù)值和實(shí)際情況相差很遠(yuǎn)，同時(shí)也不能說(shuō)明實(shí)際問(wèn)題，極大地限制了人們對(duì)截割頭進(jìn)行深入研究。對(duì)于懸臂式斷面掘進(jìn)機(jī)而言，其懸臂會(huì)擺動(dòng)，而截割頭也會(huì)圍繞自身軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)，通過(guò)安裝在截割頭上的截割齒對(duì)煤巖進(jìn)行截割。針對(duì)這一情況就可以了解到，掘進(jìn)機(jī)在截割過(guò)程中，其截齒受力合成就是截割頭的載荷[1]。

2 模擬程序設(shè)計(jì)分析

研究中如果將其連續(xù)旋轉(zhuǎn)的一周分成很多個(gè)離散點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行逐一計(jì)算，就可以準(zhǔn)確得到截割頭連續(xù)變化的曲線(xiàn)，也被稱(chēng)之為載荷譜。當(dāng)離散點(diǎn)越多，得到的結(jié)果就越精確，但是計(jì)算量也相應(yīng)地增大。如果取的離散點(diǎn)數(shù)太少，相應(yīng)的計(jì)算量減少，計(jì)算速度變快，但是得到的結(jié)果不精確，最終模擬結(jié)果和實(shí)際情況存在較大差距。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，功率因素是不斷變化的，變化大小和負(fù)載有直接關(guān)系，當(dāng)其處于空載狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，其功率因素比較低。如果電動(dòng)機(jī)帶上負(fù)載運(yùn)行時(shí)，必須將機(jī)械功率輸出，此時(shí)定子繞組的有功電流分量增加，功率因素也會(huì)增加[2]。

3 掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷分析

通過(guò)表1可以得知，在截割開(kāi)啟和停止時(shí)其受到的最大轉(zhuǎn)矩是45.58 kN·m，最小值是6.344 kN·m，得到的平均值是16.02 kN·m，和最大值、最小值的均值相比，出現(xiàn)較大的偏離，由此可見(jiàn)斷定存在靜載荷分量。通過(guò)分析圖1，發(fā)現(xiàn)有數(shù)段值在10 kN·m以下的平滑時(shí)間段，就可以印證上述的結(jié)論。對(duì)截割頭的受力情況進(jìn)行分析，不僅需要截割煤壁做功，還需要其克服自身的重力旋轉(zhuǎn)做功，這樣就可以得到一個(gè)近似的公式：截割頭載荷=靜載荷+動(dòng)載荷=克服自重+截割煤壁。

表1 截割頭轉(zhuǎn)矩時(shí)域參數(shù) kN·m

圖1 載荷循環(huán)的雨流直方圖

使用數(shù)據(jù)雨流計(jì)算方法進(jìn)行處理，利用Range-Mean圖同時(shí)繪制圖例，可以參考圖1進(jìn)行分析。

通過(guò)上述對(duì)數(shù)據(jù)的整理分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)不同截齒排列方式不同、截割頭尺寸不同、錐角不同，得到的截割頭載荷曲線(xiàn)也存在很大的差別。通過(guò)對(duì)表1中的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)各個(gè)合力出現(xiàn)的波動(dòng)都比較大，對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。通過(guò)觀察圖1可知，X軸表示載荷循環(huán)的幅值，Y軸表示雨流循環(huán)的均值，Z軸表示循環(huán)頻次，結(jié)合這些數(shù)據(jù)就可以繪制出相應(yīng)的圖例，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)值不是同一種循環(huán)，其關(guān)系為交叉，要克服截割頭自重做轉(zhuǎn)矩，將靜載荷分量值估計(jì)為7.86 kN，上下波動(dòng)為0.5 kN，分析其煤壁受到的動(dòng)載荷時(shí)，可以把原始數(shù)據(jù)中的這個(gè)部分去除掉，將較大的誤差去除掉即可。一方面，當(dāng)截割頭正常運(yùn)行時(shí)，其產(chǎn)生合力的作用點(diǎn)也開(kāi)始不斷變化，通過(guò)這一點(diǎn)進(jìn)行推論就可以得知，截割頭工作中會(huì)受到偏心載荷的變化，偏心載荷的大小、作用點(diǎn)都在不斷變化，因此運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備會(huì)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)問(wèn)題。結(jié)合這一事實(shí)情況，在以后工作中，有必要對(duì)掘進(jìn)機(jī)安裝輔助支撐裝置。另一方面，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)提高橫向切割速度時(shí)，截割頭自身的荷載也會(huì)出現(xiàn)較大的變化，通過(guò)深入研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增加橫向切割速度之后，其實(shí)際切削厚度開(kāi)始增加，同時(shí)截齒內(nèi)的截割阻力不斷增加，當(dāng)這兩點(diǎn)向這些方向發(fā)展，必然會(huì)導(dǎo)致截割頭載荷的增加。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的研究分析，發(fā)現(xiàn)平均截割功率和截割比能耗以及橫切速度有直接關(guān)系，當(dāng)橫切速度不斷增大時(shí)，實(shí)際需要的截割功率也開(kāi)始增加，此時(shí)截割比能耗是根據(jù)雙曲線(xiàn)規(guī)律進(jìn)行變化的，這和所參考的文獻(xiàn)[3]得到的結(jié)果是一致的。根據(jù)荷載模擬得到的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，求解出截割頭最大的截割功率是32 kW。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，對(duì)工作機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率進(jìn)行分析。原有機(jī)械所使用的截割機(jī)功率是37 kW，使用過(guò)程中出現(xiàn)了明顯的過(guò)載問(wèn)題，針對(duì)這一情況，為了保證工作效率以及延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，技術(shù)人員在使用中要選用功率較大的電機(jī)，因此需增大這一設(shè)備的電機(jī)功率。綜合分析之后發(fā)現(xiàn)截割頭載荷變化和截齒排列方式、截割頭形體尺寸、煤巖性質(zhì)等有關(guān)，而且和工作參數(shù)有關(guān)。基于這一事實(shí)，以后在掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，要對(duì)上述影響因素進(jìn)行綜合分析，確保設(shè)計(jì)得到的截割頭可以滿(mǎn)足實(shí)際使用要求并且可以發(fā)揮良好的截割作用[3]。4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上對(duì)實(shí)際工況下的掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷譜的分析，發(fā)現(xiàn)其對(duì)工程施工有很大影響，因此必須確保掘進(jìn)機(jī)截割頭使用的科學(xué)性。研究中通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)截割頭荷載進(jìn)行模擬，達(dá)到了理想的效果。對(duì)不同截割頭進(jìn)行不同條件的測(cè)試，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)其具有經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用條件進(jìn)行模擬，操作靈活方便，工作效率高。通過(guò)對(duì)截割頭載荷進(jìn)行模擬，獲得了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、掘進(jìn)機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)的有效數(shù)據(jù)依據(jù)，相關(guān)人員可以參考這些數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行很好的優(yōu)化和創(chuàng)新。在以后的發(fā)展中，要對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷譜做更深入的研究，提高整體的技術(shù)水平，為以后長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]張?zhí)m勝，趙元宇，田劼，等.實(shí)際工況下的掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷譜研究[J].煤炭工程，2016，48（1）：133-135.

[2]張?zhí)m勝,趙元宇,吳淼.基于井下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的EBZ-160型掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷研究[J].煤炭技術(shù)，2016，35（10）：245-248.

[3]李建成，王義亮，楊兆建.懸臂掘進(jìn)機(jī)鉆進(jìn)工況下的載荷譜分析[J].煤炭技術(shù)，2015，34（8）：12-13.