基于數值分析的掘進機截割結構的研究

武 哲

（山西潞安郭莊煤業有限責任公司， 山西 長治 046200）

引言

為了實現煤炭的低成本、高效率、集約化的開采，必須對開采設備進行深層次的研究。掘進機作為一種連續、高效的綜掘設備，在煤礦巷道掘進、煤炭開采等生產活動中起著不可替代的重要作用[1]。截割頭是掘進機的截割煤巖的核心部件，掘進機工作時的大部分功率均消耗在截割頭，因此，截割頭的截割性能對整機的負載穩定性、能源利用率、截割效率、工作面粉塵濃度及整機壽命均有直接影響。截割頭是由多參數同時影響的復雜系統，其截齒的材料性能、截割頭結構排布、截齒分布、頭體尺寸、截齒角度、截線間距等參數均會直接影響著掘進機的可靠性、工作效率及掘進面粉塵濃度等[2]。因此對截割頭進行結構分析，并進行數值模擬分析具有較大的現實意義。

1 截割頭載荷的分析

截割頭所受載荷是截割頭上參與工作的截齒受外力的合成。當截割頭工作時，在某一位置時受力情況如圖1 所示。

圖1 截割頭受力示意圖

當截割頭處于某一位置j時，截割頭受到側向阻力Raj、牽引阻力Rbj、頂推力Rcj、圓周力Foj以及負載轉矩Mcj[3]。其分別表示為：

式中：ri為第i個截齒的截割半徑；φi為第i個截齒的位置角。截割頭鉆進運動時，截割煤巖的塊度與截割頭進刀量即切削厚度有關，當截割頭旋轉一周，各個截齒進行周期性切削，其受截割阻力也周期性變化[4]。

2 截割頭模型的建立

在截割頭工作過程中，煤壁發生顯著破壞，因此采用顯示算法的LS-DYDA 軟件對截割頭進行數值分析。采用三維建模軟件建立鉆進工況下截割頭模型及1.2 m×1.2 m×1.2 m 的煤巖模型，并采用SOILD168 四面體單元進行網格劃分，并將材料賦值為剛體材料，簡化截齒及截割頭內應力。煤巖按照表1 進行參數設定[5]。

表1 煤巖材料參數

得到如圖2 的截割頭鉆進工況有限元模型。

圖2 鉆進工況有限元模型

3 截割頭結構的優化

當截割頭鉆進速度為3 m/min，轉速為30 r/min時，對上述模型進行瞬態仿真6 s，得到截割頭所受合力曲線如圖3 所示。

圖3 鉆進工況截割頭合力曲線

由上述仿真結果可以看出，隨著切削深度的增加，參與截割齒數隨之增加，同時，截割阻力逐漸增大，3.3 s 左右截割阻力急劇增大，可能是煤巖崩落及截齒交替導致的隨機載荷。

截割頭的優化目標為截齒載荷、扭矩波動系數減小；截割阻力耗能減小；工作面粉塵濃度降低等。由于截割頭的截齒分布、頭體尺寸、截齒角度、截線間距等參數均會對上述目標產生影響，因此采用控制變量法對截齒角度及截線間距兩個參數進行優化分析。

截齒角度與截割煤巖時截割阻力大小密切相關，最優的截齒角度可以降低切削阻力、減小粉塵濃度，且切削過程易于落煤。下面分別對截齒角度為35°、45°進行截割仿真，得到截割阻力曲線如圖4所示。

圖4 不同截齒角度工況截割阻力曲線

由上述仿真結果可以看出，35°時截割阻力均值為10 N，最大值為58 N；45°時截割阻力均值為11 N，最大值為31 N。截齒角度由35°變為45°時，截割阻力峰值顯著減小，曲線波動幅度減小，切削平穩，截齒受力狀態良好。

截線間距主要影響截割頭載荷、落煤狀態及截割阻力消耗有用功的大小等。下面分別對截線間距為70 mm 與80 mm 進行截割仿真，得到截割力矩曲線如圖5 所示。

圖5 不同截線間距工況截割阻力曲線

由上述仿真結果可以看出，截線間距為70 mm時截割力矩均值為365 N·m；80 mm 時截割力矩均值為607 N·m。截線間距的增大導致截割力矩顯著增大，且波動幅值變大，同時截割線間有較厚的煤脊剩余。

根據上述優化分析，對截割頭截齒角度及截線間距進行優化分析，并根據分析結果進行對應的優化設計，可顯著提高截割頭工作穩定性，從而提高截割頭工作壽命。

4 結論

本文通過對掘進機截割頭受力狀態分析，并建立截割頭鉆進工況仿真模型對截割頭進行優化分析，可知：

1）截割頭鉆進工況下參與截割各截齒受力不同，各個截齒進行周期性切削，其受截割阻力也周期性變化，且截割煤巖的塊度與截割頭進刀量有關；

2）截割頭截齒角度對截割阻力影響明顯，優化的截齒角度可有效降低截割阻力波動，使截割頭平穩工作；

3）截割頭截線間距對截割阻力及截割力矩均有較大的影響，對截線間距進行優化后，截割力矩及其波動均明顯減小，且截割煤巖壁表面平整，無較大煤脊凸起。