礦用EBZ200掘進機截割頭排布設計及結構性能分析

劉玉山

（華陽煤業（集團）有限責任公司二礦生產調度指揮中心，山西 陽泉 045000）

引言

我國的煤炭儲量豐富，在全世界儲量總量中居于前列。隨著社會經濟的快速發展，我國在煤炭開采行業的投入越來越深入，包括人力、物力的投入也在不斷地增添砝碼。經過幾十年的發展，雖然在煤炭開采的部分工藝方面有較大的提升，但是作為開采關鍵環節的掘進部分，受到了較大的技術牽制。掘進機的開采效率較低、安全性較差，整體的技術水平相對落后。面對復雜、惡劣的地層條件，掘進機的生產技術水平還亟待進一步提高[1]。尤其是掘進機截齒的使用壽命較短，其在與煤巖接觸過程中很容易發生嚴重的磨損或結構破壞。目前根據實際工程中所反映的問題說明，截割頭的截齒排布方式有待進一步優化，進而充分發揮每顆截齒的切削性能，提升整體結構對煤巖的切削效率。通過軟件設計截齒的排布方式，采用仿真技術能夠在工程應用前期設計出合理的截齒排布，獲得截割頭的自主知識產權，打破國外的技術壟斷，有利于提高我國煤礦行業掘進機設計研發的創新性。

1 掘進機截割頭結構性能評價

1.1 截割頭結構分析

目前根據掘進機截割頭截齒排布方式，主要將其分為兩種形式，一種為以螺旋線設計為主，結合圓周角的排布方式；另一種為基于截線間距排布，結合圓周角的排布方式[2]。無論采用哪種方式，都會對截齒的排布在安裝方面造成影響。因此，截割頭結構的設計應考慮截齒安裝的因素影響。安裝主要考慮功能角和工藝角兩個因素，其中工藝角受到了工裝和焊接兩方面的影響。截齒通過齒座安裝在截割頭上，截齒的包絡線通常與截割頭外形包絡線保持平行，如圖1 所示。

圖1 截割頭與截齒的包絡線示意圖

1.2 截割性能評價

評價掘進機截割頭工作性能的指標主要有截齒載荷、載荷波動、比能耗、截割產塵量4 個[3]。其中截齒載荷和比能耗2 個指標為主要研究指標，前者指標主要分析截齒所受到的載荷合力，由每個截齒的受力組合而成；后者指標通常表示截割頭所受到的動態載荷作用，可由載荷變差系數進行確定。2 個主要指標受到地質性質的影響，當煤巖的黏結力越小時，2 個指標參數的數值越小。同時當降低截割頭切削速度時，截割頭所受到的載荷增大，比能耗指標數值也在增大。

2 截割頭排布設計及軟件開發

2.1 截齒參數

通過MATLAB GUI 模塊對截齒排布的軟件界面進行設計，將參數輸入、功能命令、輸出窗口集成在一個可視界面范圍內。對截齒的底圓半徑、圓柱段高、圓錐段高、截割頭半錐角的形狀參數進行輸入，可在顯示區域內對截齒排布的三維圖形和圓周排布圖進行顯示，每個截齒都在x、y、z 軸上有獨立的坐標。設計截齒排布圖應符合以下4 個要求：一是截齒圓心角相等；二是軸向間距相等；三是截齒伸出長度相等；四是齒座安裝獨立[4]。根據設置要求，對截齒三維排布圖進行參數優化設計，保持相鄰截齒的間距呈比例變化，確保每條截線上都分布有截齒。結合縱向間距和截齒四周同心角設計出三維排布圖，如圖2 所示。

圖2 截齒三維排布示意圖

2.2 評價指標軟件開發

MATLAB 軟件具有強大的數據分析和計算能力，將設計參數導入MATLAB 程序。對截割頭的載荷和比能耗的性能指標進行運算，需要通過可視化界面，對性能指標進行直觀展示。將截齒的升力、橫切阻力、推進阻力的數據擬合成曲線，分別表示為a方向、b 方向、c 方向的合力曲線。同時，功能區對截齒的比能耗在搖擺速度、轉速等方面設置功能按鈕。通過MATLAB GUI 編寫截齒圖形的界面程序，如圖3 所示。

圖3 截割性能指標程序界面示意圖

截割性能指標程序除了對三個方向合力進行顯示外，還可對截割安裝參數進行定義，包括螺旋升角、圓周差角、傾斜角、切削層數、偏載系數等[5]。

3 截割頭有限元仿真分析

3.1 有限元模型建立

嚴格按照MATLAB 軟件設計出的截齒排布圖，通過Pro/E 軟件建立起截割頭的三維模型圖，并作出如下三種假設：一是去除截割頭葉片和噴頭等零碎部件；二是忽略截割作業時的鉆進工況，僅考慮橫擺運動；三是忽略地層各種巖石的硬度，簡化為同一種硬度的礦石。

截割頭的截齒材料為42CrMo 耐磨材料，頂部合金部分為MK8C，具有較高的硬度和耐磨性能。其在面對花崗巖、大理石巖等高強度巖石沖擊時，也能保持結構原狀。采用LS-DYNA 動態仿真軟件對截齒在切割煤炭時的載荷狀態進行分析，煤炭的彈性模量為6 174 MPa、泊松比為0.28、抗壓強度34.4 MPa，并且對合金頭、齒座等接觸部位的力學參數進行設置[6]。LS-DYNA 聯合Hyper Mesh 對仿真模型的網格進行劃分，采用六面第八節點網格結構單元進行劃分，整體網格個數為1 174 458，節點數為4 319 657。通過LS-DYNA 關鍵字對相關邊界條件進行定義，設置仿真時間為3.56 s、截割頭轉速為52 r/min。截割頭仿真模型示意圖如圖4 所示。

圖4 截割頭仿真計算示意圖

3.2 截割頭仿真計算結果分析

采用圖4 中截割頭仿真計算模型，對整體切削煤炭的過程進行分析計算。由圖5 可知，截割阻力變差系數隨切削角的增大而增大，切削角從48°～54°,截割阻力變差系數的增大將導致平均牽引阻力不斷增大；牽引阻力變差系數隨著切削角從48°增大到54°而逐漸變小。牽引阻力變差系數在切削角52°～54°階段時減小緩慢。由此可知，切削角為48°左右時，截割頭受力較為理想。

由圖6 所示，平均截割阻力隨旋轉角增大而增大，其數值在旋轉角12°～14°時上升速度最快，在14°左右增加趨勢放緩；平均牽引阻力隨旋轉角增大呈先增大后減小的趨勢，且在14°左右達到峰值，隨后隨著旋轉角的增大而下降，因此，旋轉角在14°左右截割頭受力較為理想。

圖6 旋轉角與截齒受力關系變化示意圖

4 結語

為了提高掘進機截割頭的開采工作效率，對截齒的排布進行了優化設計，并根據軟件設計結果建立了截割頭的整體切削仿真模型，利用LS-DYNA軟件對整個截割煤巖的過程進行了仿真，得出了截齒排布的切削角在48°～50°和旋轉角在12°～14°時，截割頭截割性能最佳。