掘進(jìn)機(jī)截割頭鉆速優(yōu)化分析

連斗南，邢立召

(1.潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046102；2.陜西金源招賢礦業(yè)有限公司，陜西 寶雞 721000)

懸臂式掘進(jìn)機(jī)在作為掘巷設(shè)備，已廣泛應(yīng)用于我國煤礦井下生產(chǎn)，通過結(jié)合帶式輸送機(jī)、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)等，極大提高了巷道掘進(jìn)工作的效率。在掘巷過程中，截割頭轉(zhuǎn)速對掘進(jìn)效率有十分重要的影響，基于現(xiàn)場實(shí)踐可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速小，掘進(jìn)機(jī)破巖效果不好，轉(zhuǎn)速過快，對掘進(jìn)面沖擊較大，造成巷道圍巖破碎面積增大，不易形成設(shè)計(jì)斷面，同時(shí)對掘進(jìn)機(jī)自身穩(wěn)定性也將造成較大影響。因此合理選擇掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)速，能夠有效提高掘巷速度，改善掘巷質(zhì)量[1]。文章基于彈性力學(xué)通過建立截割力學(xué)模型，確定表達(dá)式，并深入研究影響轉(zhuǎn)速的主要因素，為巷道的高效掘進(jìn)提供合理的理論參考。

1 EBZ120掘進(jìn)機(jī)工程參數(shù)

本文以EBZ120型掘進(jìn)機(jī)為研究對象，該設(shè)備煤巖體切割強(qiáng)度不高于60 MPa，掘巷寬度不超過5.0 m，掘巷高度不超過3.7 m，可掘進(jìn)坡度范圍為(-16°,+16°)。設(shè)備結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。

圖1 EBZ120型懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2 力學(xué)模型

在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行期間，煤體主要受到截割頭徑向和切向兩個(gè)方向作用力，其中主要作用力為徑向力，切向力為粉碎煤體的輔助作用力，基于上述截割特點(diǎn)創(chuàng)建如圖2所示圓筒力學(xué)模型[2]。

圖2 力學(xué)模型示意

如圖2所示，利用微元法可列公式(1)所示表達(dá)式：

dm=ρR(δ+h)dθ

(1)

式中：R為截割半徑，mm;ρ為截割頭材料密度，kg/m3;dm為微元質(zhì)量，kg;dθ為微元轉(zhuǎn)交，°;dF為微元所受徑向沖擊力，kN;δ為截割頭壁厚，mm;h為截齒高度,mm。

當(dāng)截割頭線速度從零增大為v時(shí)，可得：

tdF=vdm

即：

(2)

式中:t為沖擊力作用時(shí)間,s。

dF作用面積為:

式中:d為截齒半徑,mm。

(3)

基于彈性力學(xué)，當(dāng)截割滾動(dòng)外徑R*→∞時(shí)，圓筒所受徑向應(yīng)力：

切向應(yīng)力：

依據(jù)摩爾庫倫定律可知，在沖擊力作用下，煤巖體發(fā)生臨界破壞時(shí)滿足：

(4)

式中：C為煤巖體內(nèi)聚力，MPa。

由公式(3)和公式(4)可得，假設(shè)在r不斷趨近于R時(shí)，截割頭達(dá)到合理轉(zhuǎn)速，即：

(5)

依據(jù)EBZ120掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)手冊，結(jié)合公式(5)可知所得如表1所示內(nèi)容，設(shè)計(jì)值要高于公式(5)計(jì)算值，說明截割頭轉(zhuǎn)速能須改善。

表1 截割轉(zhuǎn)速實(shí)際計(jì)算于設(shè)計(jì)值對比

3 臨界轉(zhuǎn)速影響因素分析

截割頭轉(zhuǎn)速受多種因素影響，文章選取掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程與對截割頭轉(zhuǎn)速有密切關(guān)系的幾個(gè)因素，分別為沖擊力發(fā)生作用的時(shí)間、截割頭尺寸形狀和煤巖體力學(xué)參數(shù)[3]，具體變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3(a)～(b)可知，隨著截割頭沖擊時(shí)間和煤體內(nèi)聚力的不斷增大，截割頭轉(zhuǎn)速線性增長。沖擊時(shí)間每降低0.1 s，轉(zhuǎn)速提高26 r/min，依據(jù)公式(2)，即沖擊時(shí)間推遲后，當(dāng)時(shí)間延長后，沖擊力降低，從而改善煤巖體因沖擊造成的損壞，當(dāng)沖擊作用明顯時(shí)，應(yīng)提高轉(zhuǎn)速緩解沖擊力。當(dāng)煤巖體內(nèi)聚力提升時(shí)，其抗剪能力提升，提高了煤巖體的穩(wěn)定性，降低了剪切力造成的破壞，當(dāng)內(nèi)聚力每增大1 MPa，轉(zhuǎn)速將提升4.0 r/min，因此可以通過增加轉(zhuǎn)速?zèng)_擊力造成的破壞。

分析圖3(c)可知，煤體內(nèi)摩擦角與截割頭轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)負(fù)線性關(guān)系，在煤巖體內(nèi)聚力固定時(shí)，當(dāng)煤巖體內(nèi)摩擦角增大時(shí)，煤巖體強(qiáng)度提高，抗破壞能力增強(qiáng)，故造成截割頭轉(zhuǎn)速下降。當(dāng)內(nèi)摩擦角增大1°時(shí)，轉(zhuǎn)速降低0.4 r/min。比較內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角與轉(zhuǎn)速變化速率，說明內(nèi)聚力對截割轉(zhuǎn)速影響遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角。

分析圖3(d)～(f)可知，截割頭半徑與截割速度呈現(xiàn)指數(shù)降低關(guān)系。由于截割頭半徑和壁厚增加，截割頭強(qiáng)度逐漸提高，截割沖擊力提高，，當(dāng)沖擊力一定時(shí)，轉(zhuǎn)速將持續(xù)降低，當(dāng)半徑每增加1 mm時(shí)，轉(zhuǎn)速降低0.15 r/min，當(dāng)壁厚每增加1 mm時(shí)，轉(zhuǎn)速降低0.12 r/min，同理圖3(e)，當(dāng)截齒高度增大時(shí)，截割頭轉(zhuǎn)速呈指數(shù)降低趨勢，其變化關(guān)系與公式(5)表達(dá)內(nèi)容一致。

依據(jù)各因素對轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響由高到低排序分別為：沖擊時(shí)間、內(nèi)聚力、截齒直徑、內(nèi)摩擦角、截齒高度、截割頭半徑和壁厚。上述結(jié)論表明，在確定煤巖體力學(xué)參數(shù)前提下，優(yōu)化截割頭截割參數(shù)，合理控制截割頭作用時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)臨界轉(zhuǎn)速[4-5]。

4 結(jié) 語

本文基于EBZ120型懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割臨界轉(zhuǎn)速分析優(yōu)化，通過利用微元法和彈性力學(xué)建立力學(xué)模型，確定臨界狀態(tài)下，截割頭轉(zhuǎn)速解析解。并通過分析多重因素對截割轉(zhuǎn)速的影響分析，確定沖擊力發(fā)生作用的時(shí)間、截割頭尺寸形狀和煤巖體力學(xué)參數(shù)等多因素對截割轉(zhuǎn)速影響的次序，為臨界轉(zhuǎn)速的確定提供實(shí)際操作提供條件。