不同工況參數(shù)對掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)截割頭性能的影響分析

田曉艦

（山西焦煤凌志達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長治 046606）

引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為一種綜合機(jī)械設(shè)備，主要用于煤礦巷道的掘進(jìn)以及煤礦開采工作面的布置，進(jìn)而為井下煤礦的順利開采做好準(zhǔn)備工作。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的工作原理是：掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部的升降機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)油缸帶動截割臂進(jìn)行上下左右的擺動動作，再加上截割頭的旋轉(zhuǎn)動作，會在截割頭的作用下完成煤巖的截落[1]。因此，掘進(jìn)機(jī)截割動作有縱向鉆進(jìn)及擺動截割兩種作業(yè)模式，并可依據(jù)井下斷面的實際情況，上下左右擺動掘進(jìn)機(jī)截割頭完成聯(lián)動動作，進(jìn)而使其沿弧線或斜線進(jìn)行截割作業(yè)。所以，懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為礦井巷道掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，煤巖的堅硬程度、截齒形狀及截割順序等因素都會對掘進(jìn)機(jī)的截割性能產(chǎn)生極大的影響，尤其是掘進(jìn)機(jī)的最大截割效果就與截齒的截割速度密切相關(guān)，而截割速度的確定需要根據(jù)被截割煤巖的性質(zhì)決定，如果設(shè)置太大，反而會降低截割效率；同樣，擺動截割速度也與煤巖性質(zhì)有關(guān)，如果巖石太硬，其速度要相應(yīng)地設(shè)置小一些，否則會出現(xiàn)截割不充分或者截割頭卡在煤巖中等現(xiàn)象[2]。本文主要分析掘進(jìn)機(jī)工況參數(shù)，即不同截齒數(shù)、擺動截割速度及煤巖性質(zhì)對其截割機(jī)構(gòu)的影響分布，提高掘進(jìn)機(jī)截割工作效率，進(jìn)而實現(xiàn)礦井機(jī)械化作業(yè)的高產(chǎn)高效。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)組成及其截割機(jī)構(gòu)工作原理介紹

懸臂式掘進(jìn)機(jī)組成機(jī)構(gòu)有行走部、鏟板部、截割部、電氣和水系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、后支撐及第一運(yùn)輸機(jī)等，掘進(jìn)機(jī)是集截割、行走、裝載及輸送于一體的綜合機(jī)械設(shè)備。在煤巖截割過程中，利用截割頭的旋轉(zhuǎn)、懸臂的上下左右擺動來完成礦井巷道的掘進(jìn)，同時還可利用截割臂的擺動來截割出滿足要求的任一斷面形狀。其中，截割頭主要作用就是利用截割頭的旋轉(zhuǎn)動作將巷道斷面上的煤巖截割下來；截割臂主要作用是利用液壓缸帶動截割臂上下左右擺動來實現(xiàn)截割斷面的形狀，此外，截割臂還具有伸縮動作，在緊挨截割頭的位置設(shè)有噴霧頭，在實際工作中，噴霧頭的持續(xù)噴水可達(dá)到降低井下煤巖灰塵的目的；對于回轉(zhuǎn)臺部件，位于掘進(jìn)機(jī)兩側(cè)的液壓缸對回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行轉(zhuǎn)動，使回轉(zhuǎn)臺圍繞中心進(jìn)行回轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)，從而帶動截割臂完成水平轉(zhuǎn)動動作；配電箱作為掘進(jìn)機(jī)供配電的樞紐，其制作結(jié)構(gòu)通常采用防爆裝置[3]。

截割機(jī)構(gòu)工作原理是：在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時，通過觀察截割頭在巷道斷面掘進(jìn)開挖進(jìn)程中的運(yùn)動位置，并操作控制臺上的操作手柄，可調(diào)大或調(diào)小液壓油缸供油的節(jié)流閥，同時控制其對應(yīng)的液壓缸工作行程，進(jìn)而可改變截割頭在井下截割巷道斷面的位置，并持續(xù)重復(fù)此過程，最后形成滿足要求的截割斷面形狀和尺寸。截割機(jī)構(gòu)主要工作部件有截割頭、截割減速器及截割電機(jī)，其中，截割減速器是傳動部件，截割電機(jī)是驅(qū)動部件，截割減速器可驅(qū)動截割頭在大轉(zhuǎn)矩、低速條件下工作[4]。

2 掘進(jìn)機(jī)工況參數(shù)對其截割機(jī)構(gòu)截割頭性能的影響分析

本文中，掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)設(shè)置如下：截割頭阻尼系數(shù)是400 N·m·s/rad，轉(zhuǎn)動慣量721.54 kg·m2，角位移初始值是φ=0，角速度初始值是φ=2.4 rad/s，剛度系數(shù)是6.31107 N·m/rad，齒頻誤差初始相位角Φspi=Φrpi=0，齒向誤差幅值Espi=Erpi=10 μm，各齒輪副側(cè)隙均是100 μm，嚙合剛度取為平均剛度。

2.1 不同截齒數(shù)對掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)截割頭性能的影響

首先對比分析在煤巖接觸強(qiáng)度Pk=1 000 MPa，且擺動截割速度vb是0.75 m/min 時，分析不同截齒數(shù)n 對掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的影響。

下頁圖1 和圖2 分別是在截齒數(shù)n=40 和50時，得到的掘進(jìn)機(jī)截割頭功率關(guān)系曲線，當(dāng)n=40 時，截割功率均值是259.27 kW；當(dāng)n=50 時，截割功率均值是286.53 kW，對比可知，隨著截齒數(shù)的增大，掘進(jìn)機(jī)截割功率也增大，這是因為隨著截齒齒數(shù)的增加，掘進(jìn)機(jī)截割運(yùn)動相對平穩(wěn)，但截割頭載荷隨之增大，造成相應(yīng)的截割功率也增大。在煤礦實際開采中，對于截齒數(shù)值的選取，還會受到截齒所能承受的單刀截割阻力影響，所以，截割頭截齒數(shù)的確定，需要綜合多因素優(yōu)化的結(jié)果。

圖1 截齒數(shù)n=40 時掘進(jìn)機(jī)截割頭功率變化曲線

圖2 截齒數(shù)n=50 時掘進(jìn)機(jī)截割頭功率變化曲線

2.2 不同擺動截割速度對掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)截割頭性能的影響

對比分析在煤巖接觸強(qiáng)度Pk=1 000 MPa，且截齒數(shù)n=50 時，分析不同擺動截割速度對掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的影響。

圖2 和圖3 分別是在擺動截割速度vb為0.75 m/min 和0.6 m/min 時，得到的掘進(jìn)機(jī)截割頭關(guān)系曲線。當(dāng)vb=0.6 m/min 時，截割功率均值是208.03 kW；當(dāng)vb=0.75 m/min 時，截割功率均值是286.53 kW。對比可知，隨著擺動截割速度的增大，掘進(jìn)機(jī)截割功率大幅增加，主要是因為增大擺動截割速度，掘進(jìn)機(jī)截齒的截割阻力增大，截割頭的截割阻力矩也增大，進(jìn)而截割功率也相應(yīng)增大。

圖3 擺動截割速度vb=0.6 m/min 時掘進(jìn)機(jī)截割頭功率變化曲線

2.3 不同煤巖接觸強(qiáng)度對掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)截割頭性能的影響

對比分析在截齒數(shù)n=50、擺動截割速度vb=0.75 m/min 時，分析不同煤巖性質(zhì)對掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的影響。

圖2 和圖4 分別是在煤巖接觸強(qiáng)度Pk=1 000 MPa 和Pk=1 200 MPa 時，得到的掘進(jìn)機(jī)截割頭功率關(guān)系曲線。當(dāng)Pk=1 000 MPa 時，截割功率均值是286.53 kW；當(dāng)Pk=1 200 MPa 時，截割功率均值是336.89 kW。對比可知，隨著煤巖接觸強(qiáng)度的增大，掘進(jìn)機(jī)截割頭功率明顯也增大。

圖4 煤巖性質(zhì)Pk=1 200 MPa 時掘進(jìn)機(jī)截割頭功率變化曲線

3 結(jié)論

由于掘進(jìn)機(jī)的振動沖擊主要集中在截割頭部位，為提高掘進(jìn)機(jī)的截割工作性能，進(jìn)而實現(xiàn)礦井高產(chǎn)高效開采，因此，本文就主要分析掘進(jìn)機(jī)工況參數(shù)，即不同截齒數(shù)、擺動截割速度及煤巖性質(zhì)對其截割機(jī)構(gòu)的影響分布規(guī)律，結(jié)論如下：

1）隨著截齒數(shù)的增大，掘進(jìn)機(jī)截割功率也增大。

2）隨著擺動截割速度的增大，掘進(jìn)機(jī)截割功率大幅增加。

3）隨著煤巖接觸強(qiáng)度的增大，掘進(jìn)機(jī)截割頭功率明顯也增大。