截齒圓柱段旋轉(zhuǎn)角對掘進(jìn)機(jī)截割特性影響的研究

田文靜

（晉城宏圣建筑工程有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

掘進(jìn)機(jī)作為一種煤礦井下掘進(jìn)設(shè)備，其工作時(shí)的穩(wěn)定性和效率直接關(guān)系到巷道掘進(jìn)的效率和經(jīng)濟(jì)性。掘進(jìn)機(jī)依靠安裝在截割滾筒上的截齒實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)，截齒主要包括圓柱段、圓錐段和球冠段三個(gè)部分[1]，安裝時(shí)的不同旋轉(zhuǎn)角會對截割作業(yè)時(shí)的截割載荷、截割載荷波動、截割能耗比等造成較大的影響，目前學(xué)術(shù)界對掘進(jìn)機(jī)截割性能和穩(wěn)定性的分析主要集中在截齒排布方式、截齒直徑、截齒安裝角等，對截齒圓柱段的旋轉(zhuǎn)角對截割性能的影響鮮有研究。本文采用了離散元仿真分析的方案對單個(gè)截齒在不同的圓柱段安裝角情況下對掘進(jìn)機(jī)截割穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，以獲取最佳的截齒圓柱段安裝角。

1 圓柱段旋轉(zhuǎn)角及評價(jià)量分析

掘進(jìn)機(jī)截齒圓柱段的旋轉(zhuǎn)角主要是指截齒的中心線和截齒截割作業(yè)時(shí)的回轉(zhuǎn)平面之間的夾角，掘進(jìn)機(jī)截齒圓柱段旋轉(zhuǎn)角如圖1所示[2]，其表示截齒截割作業(yè)時(shí)的空間立體結(jié)構(gòu)模型，其中HB表示截齒圓柱段的中心線、H點(diǎn)表示截齒圓柱段與截割滾筒的中心點(diǎn)，B點(diǎn)表示截齒的端部，HGLK平面表示截割作業(yè)時(shí)的回轉(zhuǎn)平面，因此圖1中ε就表示截齒圓柱段的旋轉(zhuǎn)角。

掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過程中截齒的受力處在不斷變化的過程中，因此若需要對掘進(jìn)機(jī)的截割狀態(tài)進(jìn)行評價(jià)就需要建立起合適的數(shù)字評價(jià)模型，對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化，確保對掘進(jìn)機(jī)評價(jià)結(jié)果的可靠性。通過對截割作業(yè)過程中不同截割指標(biāo)的分析，最終確定了截割載荷、截割載荷波動量以及截割能效比三個(gè)指標(biāo)作為對掘進(jìn)機(jī)截割特性的評價(jià)量，其中截割載荷表明了作用在截齒上的截割阻力的大小，能夠反映出對截齒的磨損量，截割載荷越小，截齒工作時(shí)的磨損量就越小，壽命就越長[3]。截割載荷波動量則是指截割作業(yè)過程中的截齒受力的變化量，能夠反映出截割作業(yè)過程中對截割機(jī)構(gòu)的沖擊量的大小，載荷波動量越小表明工作時(shí)的穩(wěn)定性越高，巷道截割成型質(zhì)量越好。截割能效比則是指截割作業(yè)過程中的能量消耗，能夠反映出截割經(jīng)濟(jì)性，截割能效比越小，表明截割經(jīng)濟(jì)性就越好[4]。

本文以EBZ160掘進(jìn)機(jī)為分析對象，其截齒的切削角為55°，截齒的安裝角為11°，分別對旋轉(zhuǎn)角為 0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°，共8種情況下的截割特性進(jìn)行分析。

圖1 截齒圓柱段旋轉(zhuǎn)角空間立體示意圖

2 掘進(jìn)機(jī)截割特性分析

掘進(jìn)機(jī)截齒工作時(shí)的截割載荷變化情況如圖2所示。

圖2 不同圓柱旋轉(zhuǎn)角下的截割載荷變化曲線

由圖2可知，截割作業(yè)過程中作用在截齒上的截割阻力、牽引阻力、側(cè)向阻力、平均截割力矩，基本上是隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而逐漸增大，當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為12.5°時(shí)，各個(gè)力均有了一個(gè)明顯的低谷區(qū)，之后隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而急劇增大，因此表明此工況下當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為12.5°的情況下具有最小的截割載荷，對截齒的磨損最低。

掘進(jìn)機(jī)截齒工作時(shí)的截割載荷波動變化情況如圖3所示，截割阻力變差系數(shù)是一個(gè)表示標(biāo)準(zhǔn)差相對于平均數(shù)大小的相對量[5]，能夠反映出數(shù)值波動量的大小。

圖3 不同圓柱旋轉(zhuǎn)角下的截割載荷波動變化曲線

由圖3可知，在截割作業(yè)過程中作用在截齒上的阻力變差系數(shù)呈現(xiàn)了不規(guī)則的波動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角為12°的情況下掘進(jìn)機(jī)的牽引阻力、截割阻力的變差系數(shù)均達(dá)到最小，側(cè)向阻力變差系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而逐漸的降低。截割力矩變差系數(shù)和牽引阻力變差系數(shù)的分布趨勢一致，因此綜合分析可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角為12°的情況下掘進(jìn)機(jī)的截齒具有最小的載荷波動量，對截割機(jī)構(gòu)的截割穩(wěn)定性的影響最小，能夠最大限度地確保穩(wěn)定截割的作業(yè)需求。

掘進(jìn)機(jī)截齒工作時(shí)的截割載能效比變化情況如圖4所示。

由圖4可知，隨著截齒圓柱旋轉(zhuǎn)角的增加，掘進(jìn)機(jī)的截割能效比呈現(xiàn)了明顯的波動，在0°～10°之間，掘進(jìn)機(jī)的截割能效比隨著角度的增加而增加，在10°～12°之間掘進(jìn)機(jī)的截割能效比隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而逐漸降低，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角超過12°時(shí)，掘進(jìn)機(jī)的截割能效比迅速增加，因此可知，該工況下當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截齒圓柱旋轉(zhuǎn)角為12°時(shí)，掘進(jìn)機(jī)具有最佳的截割經(jīng)濟(jì)性。

綜合不同旋轉(zhuǎn)角下掘進(jìn)機(jī)的截割載荷、截割載荷波動量以及截割能效比變化情況，最終可確定，當(dāng)截齒圓柱旋轉(zhuǎn)角為12°時(shí)，掘進(jìn)機(jī)具有最佳的截割特性，能夠顯著降低截齒的磨損，提高截割穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

圖4 不同圓柱旋轉(zhuǎn)角下的截割能效比變化曲線

3 結(jié)論

1）用截割載荷、截割載荷波動量以及截割能效比三個(gè)指標(biāo)作為對掘進(jìn)機(jī)截割特性的評價(jià)量，作為掘進(jìn)機(jī)截割特性的評價(jià)指標(biāo)能夠精確地對掘進(jìn)機(jī)的截割穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、使用壽命進(jìn)行評價(jià)；

2）當(dāng)截齒圓柱旋轉(zhuǎn)角為12°時(shí)，掘進(jìn)機(jī)具有最佳的截割特性，能夠顯著降低截齒的磨損，提高截割穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。