掘進機截割橫切速度及鉆進速度對截割性能的影響分析

龔偉華

（晉能控股煤業(yè)集團有限公司馬脊梁礦，山西 大同 037003）

引言

在煤礦開采過程中，自動化的綜采掘進能夠有效地提高開采的效率，降低開采的成本，提高礦井的經(jīng)濟效益。掘進機是進行自動化開采的關(guān)鍵設(shè)備，截割頭作為直接的開采部件，其割煤的效率決定了掘進機的截割效率[1]。截割頭的運動速度與自身受到的載荷及截割比能耗具有直接的關(guān)系。在進行礦井的掘進過程中，運動速度的不同影響著掘進機的效率及使用壽命[2]。針對截割頭運動速度的影響，采用有限元分析的方式，對截割頭的橫切速度和鉆進速度分別進行分析，從而確定最優(yōu)的截割狀態(tài)及截割性能，獲得合理的運動參數(shù)，提高截割的性能。

1 掘進機截割煤壁模型的建立

對掘進機的橫切速度及鉆進速度進行分析，包含了橫截工況及鉆進工況，采用UG 進行截割頭及煤壁三維模型的建立，設(shè)定選取的煤壁規(guī)格（長×寬×高）為1 200 mm×1 200 mm×1 200 mm，將所建立的實體模型導(dǎo)入到LS-DYNA 分析軟件中。LS-DYNA 是動力分析軟件，在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，對結(jié)構(gòu)、沖擊、地質(zhì)變化等結(jié)構(gòu)分析問題具有較高的可靠性[3]。

由于截齒及截割頭的形狀復(fù)雜，采用四面體單元的形式對其進行網(wǎng)格劃分，設(shè)定單元的邊長為50 mm 進行智能網(wǎng)格劃分，得到如圖1 所示的有限元模型。設(shè)定截齒和截割頭的材料模型為20 號RIGID剛體材料，煤巖的材料模型為D-P 彈性材料，由此對掘進截割的橫切速度及鉆進速度進行仿真分析。

圖1 截割模型的建立

2 掘進機截割速度對截割性能的影響分析

掘進機在進行截割的過程中，截割頭在進行繞軸線旋轉(zhuǎn)的同時，還要沿著垂直于軸線的方向進給，從而進行煤壁的剝落。在截割過程中，截割頭的橫切速度及鉆進速度與截齒的截割性能具有直接的關(guān)系，因此對兩者的影響作用分別進行分析。

2.1 橫切速度對截割性能的影響

對截齒的橫切速度進行分析，選取四種不同的橫切速度分別為1.8 m/min、3.0 m/min、3.6 m/min、4.8 m/min，設(shè)定截割轉(zhuǎn)速為30 r/min，切削的厚度為30 mm，對四種不同的橫切速度下的截割過程進行仿真分析。如圖2 所示為橫切速度為1.8 m/min 時截割載荷的仿真結(jié)果。

圖2 橫切速度1.8 m/min 時的載荷（Pa）作用圖

依次統(tǒng)計不同橫切速度下的截割載荷平均值及截割比能耗，得到如下頁圖3 所示的變化曲線。從圖3 中可以看出，隨著橫切速度的增加，截割力的平均值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，而截割比能耗隨著橫切速度的增加，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。這說明，在掘進機進行截割的過程中，橫切速度越高，則截割頭的截割能力越強，截割的效率越高，截割煤壁的厚度也有所增加，截割纏身的塊煤率增大，此時截割產(chǎn)生的經(jīng)濟效益更好[4]。同時，隨著截割頭橫切速度的增加，受到的截割載荷作用也隨之增加，截齒受力較大，容易造成截齒的磨損，降低了截齒及齒座的使用壽命，會增加掘進采煤的成本。當(dāng)產(chǎn)生截齒的損壞時，需要在井下的環(huán)境中對截齒進行維修更換，需要消耗大量的人力物力，不利于掘進過程的進行[5]。在實際生產(chǎn)中，對于橫切速度的選取，要綜合考慮截割的效率及截齒的壽命，選取合理的橫切速度。

圖3 截割載荷平均值及截割比能耗與橫切速度關(guān)系曲線

2.2 鉆進速度對截割性能的影響

對截齒的鉆進速度進行分析，選取四種不同的鉆進速度分別為1.8 m/min、3.0 m/min、3.6 m/min、4.8 m/min，設(shè)定截割轉(zhuǎn)速為30 r/min，切削的厚度為30 mm，對四種不同的鉆進速度下的截割過程進行仿真分析。依次統(tǒng)計不同鉆進速度下的截割載荷平均值及截割比能耗，得到如圖4 所示的變化曲線。從圖4中可以看出，隨著鉆進速度的增加，截割頭上的截割力載荷平均值逐漸增加，截割比能耗則呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢。這說明，在掘進機進行截割的過程中，鉆進速度越大，則截割頭的鉆進能力越強，掘進效率越高，此時在單位時間內(nèi)截割頭的鉆進深度越大，截割產(chǎn)生的塊煤率越大。截割深度越大，則截割頭受到的載荷作用越大，并且產(chǎn)生一定的載荷波動，這是由于截齒截割工作的不連續(xù)造成的，且截割頭的排屑效果不佳，從而造成接的截割的效率降低，并且煤壁在工作過程中的脆性崩落，加劇了載荷的波動，嚴重時會造成掘進機不能正常進行截割。同時，截齒受到的載荷作用較大時，會增加截齒及齒座的磨損，不利于截割過程的進行[6]。在實際生產(chǎn)過程中，應(yīng)依據(jù)截割頭結(jié)構(gòu)參數(shù)及煤巖的性質(zhì)，合理地選擇鉆進速度。

圖4 截割載荷平均值及截割比能耗與鉆進速度關(guān)系曲線

3 結(jié)論

掘進機是進行煤礦自動化開采的重要設(shè)備，在進行掘進的過程中，掘進機截割頭的轉(zhuǎn)速對截割性能具有重要的影響。采用LS-DYNA 有限元分析的方式對截割頭的橫切速度及鉆進速度的影響作用進行分析。結(jié)果表明，在兩種不同的工況下，橫切速度或鉆進速度增加時，截割力載荷作用逐漸增加，而截割比能耗呈現(xiàn)減小的趨勢。在實際進行掘進截割時，應(yīng)依據(jù)截割效率、截齒壽命及煤巖的性質(zhì)，合理地選擇橫切速度及鉆進速度，實現(xiàn)截齒掘進的最優(yōu)化，從而提高掘進機截割的效率，提高煤礦的生產(chǎn)效率。