基于數(shù)值分析的掘進(jìn)機(jī)截割結(jié)構(gòu)的研究

武 哲

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長(zhǎng)治 046200）

引言

為了實(shí)現(xiàn)煤炭的低成本、高效率、集約化的開采，必須對(duì)開采設(shè)備進(jìn)行深層次的研究。掘進(jìn)機(jī)作為一種連續(xù)、高效的綜掘設(shè)備，在煤礦巷道掘進(jìn)、煤炭開采等生產(chǎn)活動(dòng)中起著不可替代的重要作用[1]。截割頭是掘進(jìn)機(jī)的截割煤巖的核心部件，掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的大部分功率均消耗在截割頭，因此，截割頭的截割性能對(duì)整機(jī)的負(fù)載穩(wěn)定性、能源利用率、截割效率、工作面粉塵濃度及整機(jī)壽命均有直接影響。截割頭是由多參數(shù)同時(shí)影響的復(fù)雜系統(tǒng)，其截齒的材料性能、截割頭結(jié)構(gòu)排布、截齒分布、頭體尺寸、截齒角度、截線間距等參數(shù)均會(huì)直接影響著掘進(jìn)機(jī)的可靠性、工作效率及掘進(jìn)面粉塵濃度等[2]。因此對(duì)截割頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并進(jìn)行數(shù)值模擬分析具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 截割頭載荷的分析

截割頭所受載荷是截割頭上參與工作的截齒受外力的合成。當(dāng)截割頭工作時(shí)，在某一位置時(shí)受力情況如圖1 所示。

圖1 截割頭受力示意圖

當(dāng)截割頭處于某一位置j時(shí)，截割頭受到側(cè)向阻力Raj、牽引阻力Rbj、頂推力Rcj、圓周力Foj以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mcj[3]。其分別表示為：

式中：ri為第i個(gè)截齒的截割半徑；φi為第i個(gè)截齒的位置角。截割頭鉆進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，截割煤巖的塊度與截割頭進(jìn)刀量即切削厚度有關(guān)，當(dāng)截割頭旋轉(zhuǎn)一周，各個(gè)截齒進(jìn)行周期性切削，其受截割阻力也周期性變化[4]。

2 截割頭模型的建立

在截割頭工作過程中，煤壁發(fā)生顯著破壞，因此采用顯示算法的LS-DYDA 軟件對(duì)截割頭進(jìn)行數(shù)值分析。采用三維建模軟件建立鉆進(jìn)工況下截割頭模型及1.2 m×1.2 m×1.2 m 的煤巖模型，并采用SOILD168 四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并將材料賦值為剛體材料，簡(jiǎn)化截齒及截割頭內(nèi)應(yīng)力。煤巖按照表1 進(jìn)行參數(shù)設(shè)定[5]。

表1 煤巖材料參數(shù)

得到如圖2 的截割頭鉆進(jìn)工況有限元模型。

圖2 鉆進(jìn)工況有限元模型

3 截割頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

當(dāng)截割頭鉆進(jìn)速度為3 m/min，轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，對(duì)上述模型進(jìn)行瞬態(tài)仿真6 s，得到截割頭所受合力曲線如圖3 所示。

圖3 鉆進(jìn)工況截割頭合力曲線

由上述仿真結(jié)果可以看出，隨著切削深度的增加，參與截割齒數(shù)隨之增加，同時(shí)，截割阻力逐漸增大，3.3 s 左右截割阻力急劇增大，可能是煤巖崩落及截齒交替導(dǎo)致的隨機(jī)載荷。

截割頭的優(yōu)化目標(biāo)為截齒載荷、扭矩波動(dòng)系數(shù)減??；截割阻力耗能減小；工作面粉塵濃度降低等。由于截割頭的截齒分布、頭體尺寸、截齒角度、截線間距等參數(shù)均會(huì)對(duì)上述目標(biāo)產(chǎn)生影響，因此采用控制變量法對(duì)截齒角度及截線間距兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。

截齒角度與截割煤巖時(shí)截割阻力大小密切相關(guān)，最優(yōu)的截齒角度可以降低切削阻力、減小粉塵濃度，且切削過程易于落煤。下面分別對(duì)截齒角度為35°、45°進(jìn)行截割仿真，得到截割阻力曲線如圖4所示。

圖4 不同截齒角度工況截割阻力曲線

由上述仿真結(jié)果可以看出，35°時(shí)截割阻力均值為10 N，最大值為58 N；45°時(shí)截割阻力均值為11 N，最大值為31 N。截齒角度由35°變?yōu)?5°時(shí)，截割阻力峰值顯著減小，曲線波動(dòng)幅度減小，切削平穩(wěn)，截齒受力狀態(tài)良好。

截線間距主要影響截割頭載荷、落煤狀態(tài)及截割阻力消耗有用功的大小等。下面分別對(duì)截線間距為70 mm 與80 mm 進(jìn)行截割仿真，得到截割力矩曲線如圖5 所示。

圖5 不同截線間距工況截割阻力曲線

由上述仿真結(jié)果可以看出，截線間距為70 mm時(shí)截割力矩均值為365 N·m；80 mm 時(shí)截割力矩均值為607 N·m。截線間距的增大導(dǎo)致截割力矩顯著增大，且波動(dòng)幅值變大，同時(shí)截割線間有較厚的煤脊剩余。

根據(jù)上述優(yōu)化分析，對(duì)截割頭截齒角度及截線間距進(jìn)行優(yōu)化分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可顯著提高截割頭工作穩(wěn)定性，從而提高截割頭工作壽命。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭受力狀態(tài)分析，并建立截割頭鉆進(jìn)工況仿真模型對(duì)截割頭進(jìn)行優(yōu)化分析，可知：

1）截割頭鉆進(jìn)工況下參與截割各截齒受力不同，各個(gè)截齒進(jìn)行周期性切削，其受截割阻力也周期性變化，且截割煤巖的塊度與截割頭進(jìn)刀量有關(guān)；

2）截割頭截齒角度對(duì)截割阻力影響明顯，優(yōu)化的截齒角度可有效降低截割阻力波動(dòng)，使截割頭平穩(wěn)工作；

3）截割頭截線間距對(duì)截割阻力及截割力矩均有較大的影響，對(duì)截線間距進(jìn)行優(yōu)化后，截割力矩及其波動(dòng)均明顯減小，且截割煤巖壁表面平整，無較大煤脊凸起。