掘進機截割頭不同截齒間距下掘進效果的分析

楊海玉

（晉能控股煤業集團安全監管五人小組， 山西 大同 037003）

引言

掘進機是進行煤炭及礦產開采的綜合性設備，可實現截割、裝載運輸及噴霧等一體化功能。掘進機進行截割作業的主要執行部件是截割頭，截割頭通過伸縮部連接在截割電機上，通過截割頭的旋轉實現對煤巖等的切割。截割頭的截齒直接作用于煤巖，在進行工作的過程中，不同位置的截齒所受到的作用力各不相同，作用力的差異化容易引發截割頭的振動，并且使得截齒的使用壽命不同，不利于截割作業的持續進行及截齒的修配[1]。針對截割頭的截齒在不同間距下的掘進效果進行分析，以此減小截齒的受力差異，降低截割頭的振動，從而可以提高截齒的使用壽命及截割性能，并且減少修配作業的時間，提高整體的工作效率[2]。

1 截割頭截齒間距的排列

截割頭的主要結構包括截齒、母體、水孔、噴嘴及葉片等，截齒是進行截割作業的直接零件，在工作過程中受到多個方向的力的綜合作用，其矢量和稱為截割頭的載荷。截割頭由圓柱段、圓錐段及球冠段三部分組成[3]，截齒依據三段的螺旋形式安裝在截割頭上，如圖1 所示，其中1—7 號截齒位于圓柱段上，8—25 號截齒位于圓錐段上，26—36 號截齒位于球冠段上。

截割頭的截齒間距是截割頭重要的結構參數，指相鄰截齒之間的縱向距離，接線間距的大小不僅與截割頭自身的運動相關，還與截割煤巖的性質相關，對于截割的效果、載荷及功率消耗等具有較大的影響。截齒間距過大時，使得截割表面形成相互獨立的截割槽，且相鄰截割槽之間的煤炭和矸石不易脫落，造成截割的阻力增加，粉塵量變大，不利于截割過程；截齒間距過小時，則形成的截割槽相互靠近，截割阻力變小，但不能充分利用煤巖的破碎，造成截割功率的浪費，降低截割的效率[4]。

圖1 截割頭結構圖

對截齒的間距進行分析，主要分析球冠段的截齒，這一部位的截齒承受較大的工作載荷，在進行鉆進時，首先與煤巖進行接觸破碎，承受較大的載荷。球冠段的截齒間距應當被適當減小，保證軸向距離上截齒的排列緊密，減輕各截齒的受力情況。依據煤層壓張效應的變化，將球冠段的截割阻力與截齒的傾斜角度β 及截齒間距t 近似呈正比，可得到截齒間距的變化如下式[5]：

式中：k1為比例常數；βi為各截齒傾斜角；t25為圓錐段最后截齒的截齒間距。

通過公式計算，可以得出進行優化的截齒間距變化如表1 所示。

通過優化后的截齒間距如下頁圖2 所示，從圖2中可以看出，優化后的截齒間距逐漸遞減，這和截割頭受到的截割阻力和煤層的壓張效應相關[6]，由此進行掘進效果的分析。

表1 球冠段優化截齒間距 mm

圖2 截齒間距的描述圖

2 不同截齒間距的掘進效果分析

針對煤巖的截割過程，采用ABAQUS 軟件進行破壞過程的分析，ABAQUS 可以對固體及結構力學進行線性及非線性的分析，在科研和工程領域被廣泛應用。在Pro/E 中建立一定體積的長方體模擬地下煤巖的分布，設定煤層的材料參數，將其模型導入到ABAQUS 中。依據截割頭的截齒間距，分別建立優化前后兩種不同的截割頭模型，采用智能網格的形式進行網格的劃分，提取截割頭的受力情況作為有限元分析的結果。設定截割過程中的接觸類型為ESTS，在截割過程中煤巖隨著截割頭的運動而逐漸脫落，設定截割頭與煤巖間的靜摩擦系數為0.05，動摩擦系數為0.1，截割運動的初始條件為44 r/min，限制截割頭的四個自由度，及煤巖的全部自由度，進行橫切工況后，施加0.2 m/min 的縱向鉆進速度，由此進行截割運動的仿真運算，提取截割頭的受力作用作為運算的結果進行后處理輸出。

通過仿真分析得到優化前后的截齒受力情況，圖3 表示在橫切工況下優化前后的截齒受力圖，圖4 表示在鉆進工況下優化前后的截齒受力圖。

圖3 優化前后橫切工況時的截齒受力圖

圖4 優化前后鉆進工況時的截齒受力圖

從圖3 中可以看出，在進行橫切工況時，優化后的大多數截齒受力有所減小，其中具有代表性的4、10、11、14 等截齒的減小幅度較大，以19 號為代表的部分截齒受力有所增加，但增加幅度較小，整體上看，在橫切工況時，優化后的截齒受力有一定減小；從圖4 中可以看出，在進行鉆進工況時，5、6、7、8、32、34 號等截齒的受力均有所減小，其中 6、7、8 號截齒的減小幅度較大，13 號截齒為代表的少數截齒的受力有所增加，增加幅度較小，整體上看，在鉆進工況時，大部分截齒的受力有所減小。綜合來看，優化后的截齒受力在幅值上大部分有所減小，同時各截齒的受力分布更加均勻，由此，截割過程中的振動較小，各截齒的使用壽命趨于一致，便于進行截齒的修配。

3 結論

掘進機截割頭是進行煤巖切割的主要部件，對于截齒的分布間距不同造成截齒的受力不同，引起截割頭的振動。針對這一問題，采用優化的方式重新分布截齒的間距，依據優化后的截齒間距，采用ABAQUS 軟件進行截齒受力的仿真分析，在橫切和鉆進兩種不同工況下，對優化前后的截齒受力進行計算。結果表明，優化后的截齒間距截齒受力整體有所減小，分布更加均勻，從而可以減小截割頭的振動，提高截齒的使用壽命，提高掘進機的工作效率。