郝晉民

（大同煤礦集團陽方口礦業(yè)有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進步、電子計算機的普及，同時模擬理論也進行了完善，當前已經(jīng)使用計算機模擬的方法對截割頭載荷進行計算。由于很多企業(yè)沒有在這方面進行研究，因此在實際計算中還存在很多問題有待解決，下面就根據(jù)具體案例，分析確定截割頭載荷的方法與載荷的模擬問題，以達到良好的效果。

1 截割頭載荷獲取的方法

截割頭是掘進機械上直接切割巖石的旋轉(zhuǎn)部件，在實際工況下工作時，掘進機截割頭承擔一定的載荷。為了確保相關(guān)施工工作的順利進行，必須深入分析掘進機截割頭載荷譜。在此之前進行截割頭載荷計算時通常都使用估算法，得到的數(shù)值和實際情況相差很遠，同時也不能說明實際問題，極大地限制了人們對截割頭進行深入研究。對于懸臂式斷面掘進機而言，其懸臂會擺動，而截割頭也會圍繞自身軸進行回轉(zhuǎn)，通過安裝在截割頭上的截割齒對煤巖進行截割。針對這一情況就可以了解到，掘進機在截割過程中，其截齒受力合成就是截割頭的載荷[1]。

2 模擬程序設(shè)計分析

研究中如果將其連續(xù)旋轉(zhuǎn)的一周分成很多個離散點，對其進行逐一計算，就可以準確得到截割頭連續(xù)變化的曲線，也被稱之為載荷譜。當離散點越多，得到的結(jié)果就越精確，但是計算量也相應(yīng)地增大。如果取的離散點數(shù)太少，相應(yīng)的計算量減少，計算速度變快，但是得到的結(jié)果不精確，最終模擬結(jié)果和實際情況存在較大差距。當電動機運行時，功率因素是不斷變化的，變化大小和負載有直接關(guān)系，當其處于空載狀態(tài)運行時，其功率因素比較低。如果電動機帶上負載運行時，必須將機械功率輸出，此時定子繞組的有功電流分量增加，功率因素也會增加[2]。

3 掘進機截割頭載荷分析

通過表1可以得知，在截割開啟和停止時其受到的最大轉(zhuǎn)矩是45.58 kN·m，最小值是6.344 kN·m，得到的平均值是16.02 kN·m，和最大值、最小值的均值相比，出現(xiàn)較大的偏離，由此可見斷定存在靜載荷分量。通過分析圖1，發(fā)現(xiàn)有數(shù)段值在10 kN·m以下的平滑時間段，就可以印證上述的結(jié)論。對截割頭的受力情況進行分析，不僅需要截割煤壁做功，還需要其克服自身的重力旋轉(zhuǎn)做功，這樣就可以得到一個近似的公式：截割頭載荷=靜載荷+動載荷=克服自重+截割煤壁。

表1 截割頭轉(zhuǎn)矩時域參數(shù) kN·m

圖1 載荷循環(huán)的雨流直方圖

使用數(shù)據(jù)雨流計算方法進行處理，利用Range-Mean圖同時繪制圖例，可以參考圖1進行分析。

通過上述對數(shù)據(jù)的整理分析，發(fā)現(xiàn)當不同截齒排列方式不同、截割頭尺寸不同、錐角不同，得到的截割頭載荷曲線也存在很大的差別。通過對表1中的數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)各個合力出現(xiàn)的波動都比較大，對掘進機工作的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。通過觀察圖1可知，X軸表示載荷循環(huán)的幅值，Y軸表示雨流循環(huán)的均值，Z軸表示循環(huán)頻次，結(jié)合這些數(shù)據(jù)就可以繪制出相應(yīng)的圖例，通過分析發(fā)現(xiàn)這兩個值不是同一種循環(huán)，其關(guān)系為交叉，要克服截割頭自重做轉(zhuǎn)矩，將靜載荷分量值估計為7.86 kN，上下波動為0.5 kN，分析其煤壁受到的動載荷時，可以把原始數(shù)據(jù)中的這個部分去除掉，將較大的誤差去除掉即可。一方面，當截割頭正常運行時，其產(chǎn)生合力的作用點也開始不斷變化，通過這一點進行推論就可以得知，截割頭工作中會受到偏心載荷的變化，偏心載荷的大小、作用點都在不斷變化，因此運行過程中設(shè)備會出現(xiàn)明顯的振動問題。結(jié)合這一事實情況，在以后工作中，有必要對掘進機安裝輔助支撐裝置。另一方面，通過對數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)當提高橫向切割速度時，截割頭自身的荷載也會出現(xiàn)較大的變化，通過深入研究發(fā)現(xiàn)，當增加橫向切割速度之后，其實際切削厚度開始增加，同時截齒內(nèi)的截割阻力不斷增加，當這兩點向這些方向發(fā)展，必然會導(dǎo)致截割頭載荷的增加。通過對數(shù)據(jù)的研究分析，發(fā)現(xiàn)平均截割功率和截割比能耗以及橫切速度有直接關(guān)系，當橫切速度不斷增大時，實際需要的截割功率也開始增加，此時截割比能耗是根據(jù)雙曲線規(guī)律進行變化的，這和所參考的文獻[3]得到的結(jié)果是一致的。根據(jù)荷載模擬得到的結(jié)果進行計算，求解出截割頭最大的截割功率是32 kW。根據(jù)這一數(shù)據(jù)，對工作機構(gòu)的傳動效率進行分析。原有機械所使用的截割機功率是37 kW，使用過程中出現(xiàn)了明顯的過載問題，針對這一情況，為了保證工作效率以及延長設(shè)備的使用壽命，技術(shù)人員在使用中要選用功率較大的電機，因此需增大這一設(shè)備的電機功率。綜合分析之后發(fā)現(xiàn)截割頭載荷變化和截齒排列方式、截割頭形體尺寸、煤巖性質(zhì)等有關(guān)，而且和工作參數(shù)有關(guān)?；谶@一事實，以后在掘進機設(shè)計過程中，要對上述影響因素進行綜合分析，確保設(shè)計得到的截割頭可以滿足實際使用要求并且可以發(fā)揮良好的截割作用[3]。4 結(jié)語

通過以上對實際工況下的掘進機截割頭載荷譜的分析，發(fā)現(xiàn)其對工程施工有很大影響，因此必須確保掘進機截割頭使用的科學(xué)性。研究中通過計算機對截割頭荷載進行模擬，達到了理想的效果。對不同截割頭進行不同條件的測試，在測試中發(fā)現(xiàn)其具有經(jīng)濟性好的特點，可以對現(xiàn)場使用條件進行模擬，操作靈活方便，工作效率高。通過對截割頭載荷進行模擬，獲得了回轉(zhuǎn)機構(gòu)、伸縮機構(gòu)、掘進機構(gòu)等機構(gòu)的有效數(shù)據(jù)依據(jù)，相關(guān)人員可以參考這些數(shù)據(jù)進行設(shè)計，并對設(shè)計進行很好的優(yōu)化和創(chuàng)新。在以后的發(fā)展中，要對掘進機截割頭載荷譜做更深入的研究，提高整體的技術(shù)水平，為以后長遠的發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]張?zhí)m勝，趙元宇，田劼，等.實際工況下的掘進機截割頭載荷譜研究[J].煤炭工程，2016，48（1）：133-135.

[2]張?zhí)m勝,趙元宇,吳淼.基于井下實驗數(shù)據(jù)的EBZ-160型掘進機截割頭載荷研究[J].煤炭技術(shù)，2016，35（10）：245-248.

[3]李建成，王義亮，楊兆建.懸臂掘進機鉆進工況下的載荷譜分析[J].煤炭技術(shù)，2015，34（8）：12-13.