掘進機截割頭振動機理研究及測試驗證

王 永

（山西西山晉興公司斜溝煤礦，呂梁 興縣033699）

引言

掘進機是工作面巷道施工必不可少的設備，雖然我國自主研發的掘進機已經能夠初步滿足工作面的掘進需求，但是其功率系數、可靠性以及關鍵零部件與發達國家有一定的差距，進而導致設備截割性能以及整機可靠性與實際生產需求還存在差距。在實際掘進過程中，由于煤巖特性的動態變化常結合經驗改變截割功率以適應掘進的需求，導致無法充分提出掘進機的截割效率[1]。因此，需加強對掘進機的振動特性的分析，從掘進機本身結構參數及運動參數對截割頭應力的影響研究著手，為提高設備的掘進機效率和適應性提供理論指導。

1 掘進機概述

本文以目前工作面應用最為廣泛的懸臂式掘進機為載體，研究其不同結構參數及截割運動參數對設備截割特性的影響，并進行仿真分析，建立掘進機截割頭截割特性的測試平臺，通過理論分析與試驗測試的手段對設備的截割特性進行綜合分析，為保證設備截割效率和可靠性奠定基礎[2]。本文所研究掘進機的基本結構如圖1所示。

圖1 掘進機基本機構

2 掘進機截割頭應力變化的仿真分析

針對掘進機截割頭截割特性的理論分析依托LS-DYNA仿真軟件進行。根據掘進機實際截割工況建立設備的橫切工況和鉆進工況，并根據工作面煤層、巖層以及設備零部件的材料對模型中對應的參數進行設置，分析不同結構參數對設備截割特性的影響[3]。

2.1 截齒角度對截割頭應力的影響

掘進機截割頭的傾斜角和切削角為其關鍵結構參數。從理論上分析，截割頭切削角的布置將直接影響其截齒載荷的分布狀態，本節將對切削角分別為35°、40°、45°以及50°等情況下截齒的載荷分布進行仿真分析。其中，對應截割頭的切削厚度為40 mm，截齒的推進速度為3 m/min。仿真結果如表1所示。

表1 不同截割頭切削角度對截齒應力變化的影響

從表1中可看出，當截割頭切削角度為45°時，截齒所承受的最大應力值和平均應力值最接近，說明截割頭切削角度為45°時，截齒所承受應力的變化幅值最小，即振動幅度最小。因此，可將掘進機截割頭的切削角設定為45°。

結合上述仿真結果，對切削角為45°，切削厚度為40 mm，截割頭轉速為80 r/min下傾斜角為5°、10°、15°以及20°時截齒的應力變化進行仿真分析，仿真結果如下頁表2所示。

如表2所示，截割頭傾斜角為15°時對應截齒的切削力和側向力的平均值和最大值的差值最小，即在該種狀態下截齒所承受載荷的波動最小，對應截齒的振動幅度也最小。因此，可將掘進機截割頭的傾斜角設定為15°。

表2 不同截割頭傾斜角度對截齒應力變化的影響

2.2 截線距對截齒載荷的影響

所謂截線距指的是截割頭相鄰截線之間的距離。從理論上講，截線距將直接影響掘進機截割載荷、對煤層巖層的破碎效果以及整機的功率消耗[4]。本節對掘進機截割頭截線距分別為70 mm、80 mm、85 mm以及90 mm截線距下截割頭所承受載荷的變化進行仿真分析，其他仿真參數設置為切削角度為45°，傾斜角度為15°，切削厚度為30 mm。仿真結果如表3所示。

表3 不同截線距下截割效率仿真分析結果

由表3可知，隨著截線距的增加，對應截割力和截割力矩增加，功率消耗也隨之增加，當對應的落煤量在截線距為80 mm時最大。因此，綜合考慮掘進機的載荷大小、落煤量以及功率消耗最終確定其最佳截線距為80 mm。

除此之外，針對結構參數還對截割頭不同切削厚度下截齒的載荷情況進行仿真分析。經仿真分析可知，隨著切削厚度的增加對應截齒所承受截割力和截割力矩增加，載荷的波動范圍也較大。因此，需根據煤層、巖層特性以及實際工況和掘進機的運動參數，最終綜合確定截割頭的截割厚度。

針對運動參數對截齒振動特性的研究，本文著重從轉速參數進行分析。其中，轉速分別為30 r/min、50 r/min、70 r/min以及85 r/min時，隨著轉速的增加，截齒對應的應力值減少。即說明，隨著截割頭轉速的增加其振動越小。因此，在保證生產能力的前提下應盡可能增大截割頭的轉速。

3 截割頭振動特性的測試

為準確分析掘進機截割頭在截割煤壁時的振動情況，建立如圖2所示的截割試驗臺。

圖2 截割試驗臺結構框圖

如圖2所示，所搭建的截割頭試驗平臺基于扭矩轉速傳感器、測力傳感器以及振動傳感器對截割頭在實際截割煤壁過程中的振動特性進行綜合分析。其中，所選型扭矩傳感器的具體型號為ZHCPN-200，測量傳感器可對截割頭的軸向力、徑向力以及側向力進行測量。在試驗期間采用LXCG-80的位移傳感器對截割頭的移動速度進行測量，并將所采集的數據通過DASP軟件進行處理[5]。得出如表4所示的截割變化情況。

表4 截割頭轉速對應的截齒應力變化值

如表4所示，隨著轉速的增加，對應截齒所承受的載荷減小，且最大值與平均值的差值也隨之越小，即截割頭振動越小，與仿真結果一致。因此，經試驗可知，當前煤層特性對應截割頭的最佳轉速為70 r/min。

4 結語

掘進機截割頭為與煤層巖層直接接觸的部件，該部件的可靠性直接決定掘進機的采掘效率。因此，在實際生產中需根據煤巖特性及工況最終綜合確定最佳的截割參數，保證截割頭的振動最小，并獲得最大截割效率。