掘進機截齒安裝角的優化研究

毋韶杰

（西山煤電（集團）有限責任公司機電廠，山西 太原 030053）

引言

掘進機是依靠截割滾筒從巖壁上剝落巖石的機械設備，截割滾筒截割作業時的穩定性直接決定了掘進機截割作業的效率和經濟性。截齒是截割滾筒執行截割作業的核心，針對目前掘進機截齒磨損速度快、使用壽命短，需要頻繁更換截齒，影響截割效率的情況。提出利用離散元分析的方法對不同截齒安裝角下掘進機的截割特性進行分析，確定截齒的最佳安裝角，提升掘進機的截割穩定性和經濟性。本文以某型掘進機為研究對象，利用離散元仿真分析軟件對掘進機不同截齒安裝角下的截割過程進行分析。

1 截割仿真分析模型建立

利用三維建模軟件建立掘進機截割滾筒、刮板輸送機中部槽和煤壁三部分的三維模型[1]，為了確保分析結果的準確性，在進行三維建模時依據某型掘進機的實際結構參數進行，截割滾筒的直徑為1 700 mm，截割滾筒的寬度為1 000 mm，截割滾筒的螺旋葉片升角為27°，截齒在截割滾筒上排列時采用了順序排列的的方式，截齒之間的線距為78 mm，截齒安裝時的錐角為82°。刮板輸送機的中部槽和煤壁之間的距離為300 mm，截割滾筒下側和刮板輸送機中部槽之間的距離為900 mm。根據煤礦井下實際地質監測，在截割作業時煤壁的頂板壓力為1.3×107N，煤巖的抗壓強度為17 MPa。利用離散元仿真分析軟件進行仿真分析時設置掘進機的截割速度為3.5 m/min，截割滾筒的截割轉速設置為29 r/min，截割時的截割深度設置為900 mm，截割作業時不同位置的煤炭剝離速度如圖1所示。

圖1 掘進機截割作業仿真示意圖

2 不同安裝角時的截割性能分析

掘進機截齒的安裝角主要是指截齒的軸線和截齒端部運動方向切線的夾角，對掘進機截割作業時的截割比能耗、裝煤率、截割阻力均會產生一定的影響。目前掘進機的截割安裝角一般設置為41°，但并沒有對不同安裝角下掘進機的截割特性進行系統的分析，因此本文對安裝角為30°、35°、40°、45°、50°情況下掘進機的截割比能耗、裝煤率、截割阻力進行分析。

裝煤率是指掘進機在截割作業過程中煤炭從煤壁上被剝離下來后落到刮板輸送機中部槽的煤炭比例，在對裝煤率進行分析時可以在仿真模型中劃分不同的統計區，將掘進機截割滾筒后側的采空區劃分為統計I區，將刮板輸送機中部槽未覆蓋的區域設置為統計II區[2]。通過對不同區域內煤壁顆粒所累積的質量占割煤總重的分析即可獲取此截割狀態下的裝煤率。根據仿真分析結果，不同安裝角下的裝煤率分布如表1所示。

表1 不同安裝角下的裝煤率分布匯總表

由仿真分析結果可知，隨著掘進機截齒安裝角的增加，掘進機的裝煤率先升高后降低，當掘進機的截齒安裝角為45°的情況下裝煤率最高，達到了80.04%。

截割阻力是指掘進機在截割作業時作用在各個截齒上的截割載荷的和[3]，不同截齒安裝角情況下掘進機的截割阻力變化情況如圖2所示。

由圖2可知，不同安裝角下作用在掘進機截割滾筒上的截割阻力均呈現了在一定范圍內不規律的波動，這主要是由于在滾筒截割作業過程中截齒位置、偏角、煤層硬度均不斷變化而導致的，因此在截割作業過程中的截割阻力并不會呈現規律性的變化。通常用掘進機截割滾筒在截割作業時的載荷波動系數來表示截割阻力的變化情況，載荷波動系數越小，說明截割穩定性越好。根據計算當截齒安裝角為40°時載荷波動系數為5.7%，當截齒安裝角為45°時的載荷波動系數為5.2%，其他幾種情況下的載荷波動系數均超過了6%，因此當截齒安裝角為45°或者40°時具有較好的截割穩定性。

圖2 不同安裝角下截齒上截割阻力變化情況

截割比能耗是指截齒截割單位體積的煤或巖石時所消耗的能量[4]，不同截齒安裝角下掘進機的截割比能耗變化曲線如圖3所示。

圖3 不同安裝角下截割比能耗變化情況

由分析結果可知，在不同的截齒安裝角情況下掘進機的截割比能耗均隨著截割時間的增加而逐漸增大，在截割作業過程中受掘進機的進給速度、截割速度變化的影響，掘進機的截割比能耗也出現了較為明顯的波動，但該波動相對隨意，缺乏規律性。當掘進機截齒的安裝角為45°的情況下其平均截割比能耗為1.2 kW·h/m3，其他情況下掘進機的截割比能耗均超過了1.6 kW·h/m3，由此可見當安裝角為45°時具有最佳的截割比能耗。

經過綜合分析，當掘進機的截齒安裝角設置為45°時具有最佳的截割比能耗、最小的截割阻力及最高的裝煤率，可以顯著提升掘進機綜采作業時的經濟性和使用壽命。

3 結論

1）三維建模、離散元仿真分析的方法有效地模擬了掘進機在截割作業過程中的受力情況，對提升掘進機結構參數合理性具有十分重要的意義。

2）掘進機的截齒安裝角為45°時的裝煤率達到了80.04%，載荷波動系數為5.2%，平均截割比能耗為1.2 kW·h/m3，具有最佳的截割比能耗、最小的截割阻力及最高的裝煤率，可以顯著提升掘進機綜采作業時的經濟性和使用壽命。