煤礦聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性分析

王耀華

（山西高河能源有限公司，山西長治 047100）

0 引言

對聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性能展開探討是決定部件型號及設(shè)備應(yīng)用的有力依據(jù)，這種機(jī)型在作業(yè)過程中起到承載作用的部位是截割頭部位，但該部位承載的電荷量跟結(jié)構(gòu)性能、掘進(jìn)工作性能、實(shí)際工作情況以及煤礦特性等因素相關(guān)。由于影響因素復(fù)雜，相互之間不受約束，目前計(jì)算出截割頭處承載電荷量的限值還具有很大的挑戰(zhàn)，國內(nèi)當(dāng)前利用經(jīng)驗(yàn)和理論知識來推理研究截割頭受力情況，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠性還待考究，無法真實(shí)地反映實(shí)際狀況[1]。

本文研究的核心是聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)在所有工作模式下截割頭的受力狀況，掘進(jìn)機(jī)在工作時(shí)應(yīng)用截割方式有水平搖擺截割、垂直搖擺截割和縱向往復(fù)截割3種，這3種截割方式結(jié)合起來更有利于掘進(jìn)機(jī)的工作進(jìn)程。通過研究截割頭部件上所有截齒在作業(yè)過程中承載力的狀況，根據(jù)力的合成途徑推算出掘進(jìn)機(jī)截割頭部位承載的總負(fù)載力，為探討聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)在惡劣工作環(huán)境下呈現(xiàn)的穩(wěn)定性提供理論依據(jù)。

1 聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)整機(jī)承載分析

聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)時(shí)，不僅受到重力的作用，同時(shí)也受到了截割阻力和往復(fù)阻力的共同作用。截割過程中由于情形不同又具體劃分成了水平搖擺截割和垂直搖擺截割。截割進(jìn)行的差異性會(huì)引起承載力的變化，不過全部都能歸類為水平方向截割阻力、垂直方向截割阻力、往復(fù)截割阻力和截割力矩等[2]，具體情況如表1所示。

表1 多種工況中截割頭承載情況

設(shè)備承載力的研究以截割頭承載電荷量為前提，探討掘進(jìn)機(jī)工作的穩(wěn)固性能時(shí)，常常以這3種截割阻力以及截割力矩的承載極限來分析，如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)承載示意圖

2 聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定性研究

2.1 非運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定性研究

聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)在非運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)分為靜止?fàn)顟B(tài)和移動(dòng)狀態(tài)，在靜止?fàn)顟B(tài)下開展對掘進(jìn)機(jī)性能的研究毫無意義，所以研究設(shè)備在非運(yùn)行狀態(tài)下的穩(wěn)定性實(shí)則是研究設(shè)備在移動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定性[3]。本文對聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)在3種不平面的移動(dòng)情況展開探討，如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)過程受力示意圖

聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)在移動(dòng)過程中發(fā)生傾翻，事故原因主要是傾覆力矩大于底部履帶和煤層間的運(yùn)動(dòng)摩擦力。若履帶和煤層的摩擦力明顯低于掘進(jìn)機(jī)向下坡運(yùn)行時(shí)的重力分量，掘進(jìn)機(jī)便會(huì)失控，發(fā)生下滑、偏移或者傾翻事故。在分析時(shí)假設(shè)坡面傾斜角度是α，如果想要保持設(shè)備的穩(wěn)定性，就必須使其摩擦力高于重力分量，即符合μGcosα≥Gsinα，則有：

式中：μ為底部履帶和煤層之間的摩擦因數(shù)，按照實(shí)際工作狀況，μ=0.3；G為聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)機(jī)身質(zhì)量。

代入公式后得到α≤16.7°。

數(shù)據(jù)分析顯示：為保證非運(yùn)行時(shí)聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)固，設(shè)備的機(jī)身向后仰、向前傾以及側(cè)翻時(shí)把握的角度需要低于坡面角度16.7°。

圖3 聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程受力示意圖

2.2 運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定性研究

對掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程中的承載力進(jìn)行研究，可以分析得到其運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性大小。在作業(yè)過程中的承載力情況如圖3所示。圖中：α為懸臂的搖擺角度；L0為懸臂的總長；L1為掘進(jìn)機(jī)的重力和后面支撐力的平行距離；L2為掘進(jìn)機(jī)重力和懸臂旋轉(zhuǎn)中心的平行距離；L3為懸臂旋轉(zhuǎn)中心和前面支撐力的平行距離；h1為設(shè)備重心與地面之間的高度差；h2為懸臂旋轉(zhuǎn)中心與地面之間的高度差；H為設(shè)備的水平寬度[5]。在進(jìn)行向上傾斜的垂直搖擺截割時(shí)，阻力最大的是向下與擺臂相垂直，假設(shè)為Fv1；在進(jìn)行向下傾斜的垂直搖擺截割時(shí)，阻力最大的是向上與擺臂相垂直，假設(shè)為Fv2；同上，若掘進(jìn)機(jī)水平搖擺截割煤層的方向是向右時(shí)，最大阻力朝向左，假設(shè)為FH1；若水平搖擺截割煤層的方向是向左時(shí)，最大阻力朝右，假設(shè)為FH2。另外，需要額外考慮的還有往復(fù)截割阻力FZ，方向是指向截割頭，并且和其余截割阻力結(jié)合，共同組成了傾翻力矩[4]。

（1）在進(jìn)行縱向搖擺截割時(shí)，按照受力公式，向上傾斜的垂直搖擺截割煤層的力間矩是：

向下傾斜的垂直搖擺截割煤層的力間矩為：

為保證掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程的性能穩(wěn)固，需要達(dá)到以下要求：

（2）掘進(jìn)機(jī)水平搖擺截割時(shí)，重心與截割頭的差距較大，作業(yè)時(shí)承受的總阻力無法導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)水平傾翻，但是會(huì)使得設(shè)備的水平轉(zhuǎn)動(dòng)，也是影響了掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定性[6]。在截割頭承載的阻力處于最大值時(shí)，懸臂是水平截割，這時(shí)的搖擺力矩為：

為保證設(shè)備在工作過程中保持穩(wěn)固，需要達(dá)到以下要求：

（3）當(dāng)設(shè)備處于縱向和垂直搖擺截割時(shí)，截割阻力朝向掘進(jìn)機(jī)，機(jī)身進(jìn)而向后移動(dòng)。向上傾的垂直搖擺截割阻力為：

這時(shí)設(shè)備底層和煤層之間的摩擦力需要為：

為研究聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)時(shí)的性能穩(wěn)固，第一步是明確典型工作部位，如圖4所示。將前面使用的作業(yè)參數(shù)應(yīng)用到表2中，利用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行判斷設(shè)備作業(yè)穩(wěn)定性。

圖4 掘進(jìn)機(jī)典型工作位置示意圖

表2 聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)典型位置穩(wěn)定性分析表

由此可知，聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)在任何一個(gè)部位作業(yè)，穩(wěn)定力矩均明顯高于傾翻力矩和搖擺力矩，這就表示設(shè)備在作業(yè)時(shí)穩(wěn)定性良好[7]。

綜上所述，截割頭運(yùn)行處于最低部位時(shí)的穩(wěn)定性最小，若是分析作業(yè)時(shí)的波動(dòng)載荷，結(jié)果只會(huì)更差。所以，若想使聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，必須要提高截割臂剛度、減小掘進(jìn)機(jī)重力和添加輔助性支撐材料[8]。

3 結(jié)束語

（1）聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)時(shí)，不僅受到重力的作用，同時(shí)也受到了搖擺截割阻力和往復(fù)阻力的共同作用，具體劃分成了水平搖擺截割和垂直搖擺截割。

（2）為保證掘進(jìn)機(jī)在非運(yùn)行時(shí)的性能穩(wěn)固，需要將停放傾翻角度高于16.7°。

（3）聯(lián)絡(luò)巷掘進(jìn)機(jī)不管在任何部位作業(yè)，穩(wěn)定力矩均高于傾翻力矩和搖擺力矩，這就表明設(shè)備作業(yè)時(shí)較穩(wěn)定。