截齒圓柱段旋轉角對掘進機截割特性影響的研究

田文靜

（晉城宏圣建筑工程有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

掘進機作為一種煤礦井下掘進設備，其工作時的穩定性和效率直接關系到巷道掘進的效率和經濟性。掘進機依靠安裝在截割滾筒上的截齒實現掘進作業，截齒主要包括圓柱段、圓錐段和球冠段三個部分[1]，安裝時的不同旋轉角會對截割作業時的截割載荷、截割載荷波動、截割能耗比等造成較大的影響，目前學術界對掘進機截割性能和穩定性的分析主要集中在截齒排布方式、截齒直徑、截齒安裝角等，對截齒圓柱段的旋轉角對截割性能的影響鮮有研究。本文采用了離散元仿真分析的方案對單個截齒在不同的圓柱段安裝角情況下對掘進機截割穩定性的影響進行分析，以獲取最佳的截齒圓柱段安裝角。

1 圓柱段旋轉角及評價量分析

掘進機截齒圓柱段的旋轉角主要是指截齒的中心線和截齒截割作業時的回轉平面之間的夾角，掘進機截齒圓柱段旋轉角如圖1所示[2]，其表示截齒截割作業時的空間立體結構模型，其中HB表示截齒圓柱段的中心線、H點表示截齒圓柱段與截割滾筒的中心點，B點表示截齒的端部，HGLK平面表示截割作業時的回轉平面，因此圖1中ε就表示截齒圓柱段的旋轉角。

掘進機在截割作業過程中截齒的受力處在不斷變化的過程中，因此若需要對掘進機的截割狀態進行評價就需要建立起合適的數字評價模型，對評價指標進行量化，確保對掘進機評價結果的可靠性。通過對截割作業過程中不同截割指標的分析，最終確定了截割載荷、截割載荷波動量以及截割能效比三個指標作為對掘進機截割特性的評價量，其中截割載荷表明了作用在截齒上的截割阻力的大小，能夠反映出對截齒的磨損量，截割載荷越小，截齒工作時的磨損量就越小，壽命就越長[3]。截割載荷波動量則是指截割作業過程中的截齒受力的變化量，能夠反映出截割作業過程中對截割機構的沖擊量的大小，載荷波動量越小表明工作時的穩定性越高，巷道截割成型質量越好。截割能效比則是指截割作業過程中的能量消耗，能夠反映出截割經濟性，截割能效比越小，表明截割經濟性就越好[4]。

本文以EBZ160掘進機為分析對象，其截齒的切削角為55°，截齒的安裝角為11°，分別對旋轉角為 0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°，共8種情況下的截割特性進行分析。

圖1 截齒圓柱段旋轉角空間立體示意圖

2 掘進機截割特性分析

掘進機截齒工作時的截割載荷變化情況如圖2所示。

圖2 不同圓柱旋轉角下的截割載荷變化曲線

由圖2可知，截割作業過程中作用在截齒上的截割阻力、牽引阻力、側向阻力、平均截割力矩，基本上是隨著旋轉角的增加而逐漸增大，當截齒旋轉角為12.5°時，各個力均有了一個明顯的低谷區，之后隨著旋轉角的增加而急劇增大，因此表明此工況下當截齒旋轉角為12.5°的情況下具有最小的截割載荷，對截齒的磨損最低。

掘進機截齒工作時的截割載荷波動變化情況如圖3所示，截割阻力變差系數是一個表示標準差相對于平均數大小的相對量[5]，能夠反映出數值波動量的大小。

圖3 不同圓柱旋轉角下的截割載荷波動變化曲線

由圖3可知，在截割作業過程中作用在截齒上的阻力變差系數呈現了不規則的波動，當旋轉角為12°的情況下掘進機的牽引阻力、截割阻力的變差系數均達到最小，側向阻力變差系數隨著旋轉角的增加而逐漸的降低。截割力矩變差系數和牽引阻力變差系數的分布趨勢一致，因此綜合分析可知，當旋轉角為12°的情況下掘進機的截齒具有最小的載荷波動量，對截割機構的截割穩定性的影響最小，能夠最大限度地確保穩定截割的作業需求。

掘進機截齒工作時的截割載能效比變化情況如圖4所示。

由圖4可知，隨著截齒圓柱旋轉角的增加，掘進機的截割能效比呈現了明顯的波動，在0°～10°之間，掘進機的截割能效比隨著角度的增加而增加，在10°～12°之間掘進機的截割能效比隨著旋轉角的增加而逐漸降低，當旋轉角超過12°時，掘進機的截割能效比迅速增加，因此可知，該工況下當掘進機的截齒圓柱旋轉角為12°時，掘進機具有最佳的截割經濟性。

綜合不同旋轉角下掘進機的截割載荷、截割載荷波動量以及截割能效比變化情況，最終可確定，當截齒圓柱旋轉角為12°時，掘進機具有最佳的截割特性，能夠顯著降低截齒的磨損，提高截割穩定性和經濟性。

圖4 不同圓柱旋轉角下的截割能效比變化曲線

3 結論

1）用截割載荷、截割載荷波動量以及截割能效比三個指標作為對掘進機截割特性的評價量，作為掘進機截割特性的評價指標能夠精確地對掘進機的截割穩定性、經濟性、使用壽命進行評價；

2）當截齒圓柱旋轉角為12°時，掘進機具有最佳的截割特性，能夠顯著降低截齒的磨損，提高截割穩定性和經濟性。