掘進(jìn)機(jī)截割頭配套系統(tǒng)優(yōu)化探析

左 斌

（同煤集團(tuán)四老溝礦，山西大同 037001）

0 引言

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行研究，當(dāng)綜掘巷道內(nèi)部的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其截割頭極易出現(xiàn)各種狀況的磨損，這不僅對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行效率造成了較大影響，而且對(duì)該設(shè)備的運(yùn)行造成了不良影響。作者通過(guò)到綜掘工作面對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行深入研究，對(duì)截割頭配套單元的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析得出，在截割煤層的過(guò)程中，其截割頭主要存在以下幾點(diǎn)問(wèn)題：（1）截割頭所配置的截齒出現(xiàn)了嚴(yán)重的損壞，需要頻繁更換，對(duì)生產(chǎn)效率造成了影響；（2）在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，因截割頭出現(xiàn)了切入問(wèn)題，導(dǎo)致其出現(xiàn)過(guò)載停機(jī)的問(wèn)題；（3）在工作的過(guò)程中，因截割頭尾端存在較大的振動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)致截割頭因受力不均勻而受到破壞。因此，在對(duì)截割頭的配套設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)截割過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題進(jìn)行綜合考慮，與實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合，并設(shè)計(jì)出截割頭配套體系的優(yōu)化方案，確保其穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1 截割頭配套系統(tǒng)分析與驗(yàn)算

針對(duì)現(xiàn)階段我國(guó)煤礦所采用的懸臂式掘進(jìn)機(jī)，對(duì)其截割頭及其配套體系進(jìn)行深入分析與運(yùn)算。通過(guò)對(duì)某個(gè)型號(hào)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行收集：電機(jī)的功率為260/110 kW，轉(zhuǎn)速是37 r/min，扭矩是37.4 kN·m；直徑與長(zhǎng)度分別為1 036 mm和1 120 mm；截齒量為50個(gè)；傳輸?shù)男蔬_(dá)到95%。借助計(jì)算機(jī)仿真模擬輔助系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行截割頭及其配套體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)將掘進(jìn)機(jī)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行記錄，并將巖石截割時(shí)的受力狀況進(jìn)行模擬。對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及截齒的排列情況進(jìn)行深入分析，以完成截割頭及其配套設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截割頭與巷道煤層產(chǎn)生接觸，并出現(xiàn)相應(yīng)的壓力時(shí)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量得出壓力大于等于300 MPa，截割頭進(jìn)行負(fù)載進(jìn)刀時(shí)的扭矩為35 kN·m；當(dāng)截割頭進(jìn)行煤層切入的時(shí)候，其扭矩大約為59 kN·m，超過(guò)了最大的扭矩值。因此，在綜掘巷道的煤層中，若截割頭及其配套體系所處的截割部位越深入，其承受扭矩值就會(huì)越大，受損振動(dòng)問(wèn)題就會(huì)越嚴(yán)重，截割頭的穩(wěn)定性就會(huì)越低，故障發(fā)生率就會(huì)越高[3]。

2 截割頭配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)建議

2.1 優(yōu)化截割頭直徑

首先，應(yīng)當(dāng)對(duì)截割頭的直徑及其所承載的扭矩進(jìn)行調(diào)整，并在基于截割頭的電機(jī)扭矩為主來(lái)開(kāi)展配套設(shè)備的模擬試驗(yàn)，通過(guò)降低截割頭的扭矩來(lái)減少截割頭的直徑，這樣就可以對(duì)截割頭進(jìn)行有效控制，如圖1所示。

當(dāng)掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，截割頭將會(huì)以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)，其回轉(zhuǎn)中心做水平運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算來(lái)進(jìn)行取點(diǎn)，并創(chuàng)建相應(yīng)的三維坐標(biāo)模型，對(duì)截割后斷面所呈現(xiàn)出的形狀進(jìn)行模擬[4]。如圖所示，形狀呈現(xiàn)為月牙狀，這是由于掘進(jìn)機(jī)的截割頭直徑出現(xiàn)變化，導(dǎo)致受力出現(xiàn)差異，因此截割斷面也存在一定的差別。在進(jìn)行優(yōu)化改善之后，截割頭的直徑變?yōu)? 050 mm。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割頭橫擺工況截割所受阻力

2.2 調(diào)整截割頭截齒排列分布

通過(guò)深入分析綜掘巷道所具有的條件，以增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)的工作效率為目的，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真模擬的辦法，適當(dāng)調(diào)整截齒的排列狀況。首先，對(duì)截割頭內(nèi)部的截齒進(jìn)行編號(hào)，在一定的限制范圍之內(nèi)將截線的間距及周邊的間隔角進(jìn)行改變，同時(shí)對(duì)部分截齒的角度進(jìn)行再次設(shè)定。在進(jìn)行截割的過(guò)程中，可以將配套截齒的受損狀況加以改善，從而對(duì)截割頭的截齒加以保護(hù)。在對(duì)截齒的分布狀況進(jìn)行轉(zhuǎn)變的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)遵循相應(yīng)的原則，增強(qiáng)截割頭的工作效率，使改良之后的截割頭可以高效穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

（1）截線間距所處的范圍為2～6 mm。

（2）周向間隔角所處的范圍為15°～60°。

（3）截割功率的限制：

Pe-Pj＞0

式中：Pe和Pj分別為截割功率的額定數(shù)值和改善之后的截割功率。

（4）截齒分布的限制：

βm＞85°

式中：βm為最內(nèi)側(cè)截齒的傾斜角。

（5）截齒安裝間距的限制：

Lk＞80 mm

式中：Lk為相鄰截齒的齒尖距離。

2.3 調(diào)整截割頭截齒數(shù)量

原先所采用的掘進(jìn)機(jī)的截割頭截齒的排列狀況并無(wú)法適應(yīng)生產(chǎn)的需求，導(dǎo)致截割頭不具備迅速的平移速度，而截齒的損壞速度也會(huì)加快，通過(guò)優(yōu)化改善，將截割頭頂部的截齒進(jìn)行增加，并與改良之后的截齒角度相結(jié)合，通過(guò)開(kāi)展計(jì)算機(jī)仿真模擬試驗(yàn)將截齒的數(shù)量設(shè)置為39個(gè)，當(dāng)接觸數(shù)得到確認(rèn)之后，各個(gè)截齒之間所承受的合外力差異不斷減少，隨著時(shí)間的不斷變化，截割頭所受的外力也逐漸降低，極大緩解了截割頭的振動(dòng)現(xiàn)象[6]。對(duì)于掘進(jìn)機(jī)而言，這種調(diào)整使截割頭的平移速度不斷加快，而在對(duì)截齒的排列狀況進(jìn)行優(yōu)化改良時(shí)，也對(duì)截割頭切入到煤層的情況加以改善，在對(duì)截齒的排列進(jìn)行轉(zhuǎn)變時(shí)，需要對(duì)切入與平移的水平加以考慮，基于受力條件的背景下進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)截割頭的底座加以保護(hù)。

2.4 保護(hù)截割頭底座

在對(duì)截割頭的直徑、截齒的數(shù)量及角度進(jìn)行改良之后，截割頭運(yùn)行時(shí)的受力狀況不斷增加，使截割頭尾端的受損狀況得以改善，因此應(yīng)盡可能改善截割頭尾端的磨損狀況。在對(duì)截割頭的尾端進(jìn)行改良時(shí)，應(yīng)當(dāng)基于改良之后的截齒數(shù)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，切實(shí)保證截割頭部及尾部的性能。在選擇截割頭部及尾部的制作材料時(shí)，首先需要選擇進(jìn)口合金，這種合金不僅可以使截割頭的穩(wěn)定性與耐磨性得以提升，而且使截割頭底座的使用壽命得以延長(zhǎng)，極大改善了截割頭的切入狀態(tài)。在選用合金材質(zhì)的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)重視煤層及巖層的地質(zhì)狀況，盡量延長(zhǎng)底座的使用時(shí)間，從而使其創(chuàng)造出更大的價(jià)值[7]。

3 改進(jìn)后應(yīng)用效果分析

將改良之后的截割頭應(yīng)用于某煤礦實(shí)際生產(chǎn)，其應(yīng)用結(jié)果如下。

（1）切割效率得到顯著提升。截割頭在改良之后可以與環(huán)境更加適應(yīng)，截齒與巖層之間存在的夾角與力學(xué)特征更為相符，切入的深度也得到加強(qiáng)，同時(shí)截齒所具有的屬性、硬性等于所切割巖層的屬性更加吻合，最大化地降低了磨損狀況，確保了截割的穩(wěn)定性。

（2）截割性能得到改善。通過(guò)對(duì)截割頭中截齒的數(shù)量、排列狀況等進(jìn)行改善，使其使用壽命得到提升，并取得較好的應(yīng)用效果。

（3）磨損程度得到極大改善。通過(guò)對(duì)截齒的數(shù)量及角度進(jìn)行調(diào)整，使截割頭上部的截齒磨損降至最低，提高截齒的使用時(shí)間，同時(shí)在截割的過(guò)程中維持截割頭的完整性。

（4）綜合性能得到極大提升。截割頭在改良之后，其截割效率、受損狀況等均得到了改善，在對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割頭進(jìn)行優(yōu)化改良之后，使煤層與截割頭配套系統(tǒng)的結(jié)合度更高，使截割頭所具有的性能得到極大改善。

（5）生產(chǎn)效率得到顯著提升。在將截割頭及其配套設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化改良之后，該設(shè)施的生產(chǎn)性能、生產(chǎn)效率得到了極大提升，創(chuàng)造了較大的價(jià)值[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)截割頭的配套設(shè)施加以優(yōu)化，將配套設(shè)施的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，截割頭的其他參數(shù)不加以改變，極大緩解了截割頭配套設(shè)施的振動(dòng)及受損狀況，防止其出現(xiàn)過(guò)載停機(jī)的問(wèn)題，增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)的工作效率。對(duì)于新型截割頭的設(shè)計(jì)而言，改良之后的截割頭配套體系對(duì)其具有較大的參考意義。