王學(xué)章

（潞安集團(tuán)寺家莊有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046299）

引言

掘進(jìn)機(jī)為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著對(duì)巷道的掘進(jìn)任務(wù)，其掘進(jìn)效率和設(shè)備性能直接決定巷道的成型質(zhì)量和工期。掘進(jìn)機(jī)截割頭為直接與圍巖接觸的部件，其性能直接決定對(duì)工作面圍巖的破巖效率和整機(jī)的能耗[1]。截齒為直接與圍巖接觸的零件，從理論上分析，實(shí)現(xiàn)截割頭截齒的優(yōu)化布置，降低設(shè)備的振動(dòng)、減小截齒的受力對(duì)降低整機(jī)的能耗具有重要意義。本文將著重對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒優(yōu)化布置。

1 截割頭截齒參數(shù)的確定

本節(jié)將著重對(duì)截割頭的參數(shù)、截齒的布置形式、安裝角度、截割角范圍、鉆進(jìn)截割角或者橫掃截割角等參數(shù)進(jìn)行初步確定。

1.1 截割頭參數(shù)的初步確定

從理論上講，截割頭的形狀和相應(yīng)尺寸是決定掘進(jìn)機(jī)截割效率的關(guān)鍵，也是影響后期巷道成型質(zhì)量的核心。截割頭的參數(shù)包括有截割長(zhǎng)度、截割頭直徑以及截割頭錐角等。

1）截割頭長(zhǎng)度的初步確定。截割頭的長(zhǎng)度指的是截割頭在軸線旋轉(zhuǎn)方向的具體尺寸，其主要影響整機(jī)的收料能力和清底能力。一般的，截割頭的長(zhǎng)度不得小于700 mm。因此，本文將初步確定截割頭的長(zhǎng)度為800 mm。

2）截割頭直徑的初步確定。截割頭直徑指的是在垂直于軸線方向的長(zhǎng)度，其主要影響整機(jī)的截割能力和上方布置截齒的壽命。結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，可通過(guò)減小截割頭直徑提升設(shè)備的截割力。但是，在實(shí)際制造過(guò)程中很難將截割頭直徑做到小于800 mm。因此，初步確定截割頭的直徑為800 mm。

3）截割頭錐角的初步確定。截割頭的錐角將直接決定最終巷道的成形質(zhì)量，尤其對(duì)巷道底板的平坦程度影響最大。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，一般將截割頭直徑控制在25°~35°之間。本文取截割頭的錐角為30°。

1.2 截齒排布參數(shù)的初步確定

截割頭截齒的排布參數(shù)指的是截割按照一定規(guī)律均勻分布于截割頭外型輪廓上，其對(duì)應(yīng)的參數(shù)包括有截齒的螺旋頭數(shù)、截齒的螺旋升角、截線之間的間距等。

1）截齒螺旋頭數(shù)的初步確定。截齒螺旋頭數(shù)直接影響設(shè)備的截割能力和收料效果。從理論上講，螺旋頭數(shù)越少對(duì)應(yīng)截齒螺旋升角越小，對(duì)應(yīng)的排料能力較差；螺旋頭數(shù)過(guò)大對(duì)應(yīng)截齒螺旋升角越大，將會(huì)影響截齒在截割頭上的排列[2]。一般工程實(shí)踐中常將螺旋頭數(shù)設(shè)定為3頭。

2）螺旋升角的初步確定。所謂螺旋升角指的是，截齒螺旋線與截齒運(yùn)動(dòng)軌跡之間的夾角。從理論上講，螺旋升角將直接決定截割頭的導(dǎo)料能力。結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)，一般將截割頭截齒的螺旋升角控制在12°~30°之間。

1.3 截割角的初步確定

截割頭上所布置截齒的基本尺寸如圖1所示。

圖1 截割頭截齒尺寸示意圖（單位：mm）

1）鉆進(jìn)截割角的初步確定。根據(jù)實(shí)際工況，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割頭處于鉆進(jìn)工況時(shí)其對(duì)應(yīng)的截割半徑為105 mm，分別對(duì)截割頭截齒齒座與煤巖接觸、截割頭截齒齒座與煤巖不接觸以及截齒與齒槽不接觸時(shí)對(duì)應(yīng)截割角的具體數(shù)值[3]。結(jié)合計(jì)算公式可知：當(dāng)截割頭截齒齒座與煤巖接觸時(shí)，對(duì)應(yīng)截割角為57°；當(dāng)截割頭截齒齒座與煤巖不接觸時(shí)對(duì)應(yīng)截割角的范圍為32°~48°；當(dāng)截齒與齒槽不接觸時(shí)對(duì)應(yīng)截割角為51°。因此，對(duì)應(yīng)掘進(jìn)機(jī)在鉆進(jìn)工況下對(duì)應(yīng)的截割角不得小于57°。

2）橫掃截割角的初步確定。根據(jù)實(shí)際工況，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割頭處于橫掃工況時(shí)其對(duì)應(yīng)的截割半徑為297 mm，分別對(duì)截割齒齒座與煤巖體不接觸、截割齒與齒槽底不接觸以及截齒與齒槽側(cè)不接觸時(shí)對(duì)應(yīng)截割角的具體數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并得出如下結(jié)論：當(dāng)截割齒齒座與煤巖體不接觸時(shí)，對(duì)應(yīng)截割角的范圍為17°~36°；當(dāng)截割齒與齒槽底不接觸時(shí)，對(duì)應(yīng)截割角為49.9°；當(dāng)截齒與齒槽側(cè)不接觸時(shí)，對(duì)應(yīng)截割角為51°。因此，對(duì)應(yīng)掘進(jìn)機(jī)在橫掃工況下對(duì)應(yīng)的截割角不得小于51°。

2 截割頭截齒截割角的優(yōu)化

掘進(jìn)機(jī)截割頭參數(shù)的確定對(duì)應(yīng)截割頭長(zhǎng)度、直徑、錐角以及截割頭截齒的安裝角度、螺旋升角、螺旋頭數(shù)等均可結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算得出相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值。但是，對(duì)于截割頭截齒的截割角參數(shù)其僅能夠根據(jù)理論計(jì)算得出一個(gè)范圍值，無(wú)法得出精確數(shù)值[4]。因此，本文將結(jié)合數(shù)值模擬手段對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭對(duì)應(yīng)的截割角參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化確定。

2.1 鉆進(jìn)截割角的優(yōu)化確定

結(jié)合上述理論計(jì)算結(jié)果，掘進(jìn)機(jī)在鉆進(jìn)工況下對(duì)應(yīng)截割角應(yīng)大于57°。為此，本節(jié)將對(duì)截割角為40°、45°、50°、55°、58°以及60°六組參數(shù)下對(duì)應(yīng)的性能進(jìn)行仿真分析。在本次仿真中所確定模型中的巖石硬度為8，截齒的旋轉(zhuǎn)速度為46 r/min，截齒在Z方向的進(jìn)給速度為0.02 m/s，截割半徑為105 mm。對(duì)應(yīng)的仿真模型如圖2所示。

圖2 鉆進(jìn)工況有限元仿真模型

本次仿真將著重針對(duì)不同截割情況下對(duì)應(yīng)截齒的受力情況，仿真結(jié)果如表1所示。

表1 不同截割角對(duì)應(yīng)鉆進(jìn)工況截齒受力情況匯總kN

如表1所示，當(dāng)截割角度為58°時(shí)對(duì)應(yīng)截齒在鉆進(jìn)工況下的平均推力和合外力最小，且在XY平面的平均合力也相對(duì)較小。而且，在截割角為58°時(shí)，截齒與巖層的截齒最為充分，對(duì)應(yīng)的截割效率最高。因此，最終確定截齒在鉆進(jìn)工況下對(duì)應(yīng)的截割角為58°。

2.2 橫掃截割角的優(yōu)化確定

結(jié)合上述理論計(jì)算結(jié)果，掘進(jìn)機(jī)在橫掃工況下對(duì)應(yīng)截割角應(yīng)大于51°。為此，本節(jié)將對(duì)截割角為40°、48°、50°、52°、55°以及58°六組參數(shù)下對(duì)應(yīng)的性能進(jìn)行仿真分析。在本次仿真中所確定模型中的巖石硬度為8，截齒的旋轉(zhuǎn)速度為46 r/min，截齒在Z方向的進(jìn)給速度為0.02 m/s，截割半徑為297 mm。

本次仿真將著重針對(duì)不同截割下對(duì)應(yīng)截齒的受力情況，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同截割角對(duì)應(yīng)橫掃工況截齒受力情況匯總表kN

如表2所示，當(dāng)截割角度為52°時(shí)，對(duì)應(yīng)截齒的合外力最小，且在X方向和Y方向的應(yīng)力絕對(duì)值也最小。因此，考慮到減小設(shè)備的振動(dòng)確定設(shè)備截割角為52°。

3 結(jié)語(yǔ)

掘進(jìn)機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其主要承擔(dān)著對(duì)巷道的掘進(jìn)成型任務(wù)，其掘進(jìn)效率影響綜采工作面的投入時(shí)間，其能耗影響整個(gè)煤礦的生產(chǎn)成本[5]。截割頭截齒作為與煤巖工作面接觸的零部件，在截割頭上的布置形式和各個(gè)截齒的性能影響實(shí)際生產(chǎn)中設(shè)備的振動(dòng)情況和能耗大小。因此，在設(shè)計(jì)初期需綜合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算對(duì)截齒的布置情況進(jìn)行最優(yōu)設(shè)置。