基于数值分析的掘进机截割结构的研究

武 哲

（山西潞安郭庄煤业有限责任公司， 山西 长治 046200）

引言

为了实现煤炭的低成本、高效率、集约化的开采，必须对开采设备进行深层次的研究。掘进机作为一种连续、高效的综掘设备，在煤矿巷道掘进、煤炭开采等生产活动中起着不可替代的重要作用[1]。截割头是掘进机的截割煤岩的核心部件，掘进机工作时的大部分功率均消耗在截割头，因此，截割头的截割性能对整机的负载稳定性、能源利用率、截割效率、工作面粉尘浓度及整机寿命均有直接影响。截割头是由多参数同时影响的复杂系统，其截齿的材料性能、截割头结构排布、截齿分布、头体尺寸、截齿角度、截线间距等参数均会直接影响着掘进机的可靠性、工作效率及掘进面粉尘浓度等[2]。因此对截割头进行结构分析，并进行数值模拟分析具有较大的现实意义。

1 截割头载荷的分析

截割头所受载荷是截割头上参与工作的截齿受外力的合成。当截割头工作时，在某一位置时受力情况如图1 所示。

图1 截割头受力示意图

当截割头处于某一位置j时，截割头受到侧向阻力Raj、牵引阻力Rbj、顶推力Rcj、圆周力Foj以及负载转矩Mcj[3]。其分别表示为：

式中：ri为第i个截齿的截割半径；φi为第i个截齿的位置角。截割头钻进运动时，截割煤岩的块度与截割头进刀量即切削厚度有关，当截割头旋转一周，各个截齿进行周期性切削，其受截割阻力也周期性变化[4]。

2 截割头模型的建立

在截割头工作过程中，煤壁发生显著破坏，因此采用显示算法的LS-DYDA 软件对截割头进行数值分析。采用三维建模软件建立钻进工况下截割头模型及1.2 m×1.2 m×1.2 m 的煤岩模型，并采用SOILD168 四面体单元进行网格划分，并将材料赋值为刚体材料，简化截齿及截割头内应力。煤岩按照表1 进行参数设定[5]。

表1 煤岩材料参数

得到如图2 的截割头钻进工况有限元模型。

图2 钻进工况有限元模型

3 截割头结构的优化

当截割头钻进速度为3 m/min，转速为30 r/min时，对上述模型进行瞬态仿真6 s，得到截割头所受合力曲线如图3 所示。

图3 钻进工况截割头合力曲线

由上述仿真结果可以看出，随着切削深度的增加，参与截割齿数随之增加，同时，截割阻力逐渐增大，3.3 s 左右截割阻力急剧增大，可能是煤岩崩落及截齿交替导致的随机载荷。

截割头的优化目标为截齿载荷、扭矩波动系数减小；截割阻力耗能减小；工作面粉尘浓度降低等。由于截割头的截齿分布、头体尺寸、截齿角度、截线间距等参数均会对上述目标产生影响，因此采用控制变量法对截齿角度及截线间距两个参数进行优化分析。

截齿角度与截割煤岩时截割阻力大小密切相关，最优的截齿角度可以降低切削阻力、减小粉尘浓度，且切削过程易于落煤。下面分别对截齿角度为35°、45°进行截割仿真，得到截割阻力曲线如图4所示。

图4 不同截齿角度工况截割阻力曲线

由上述仿真结果可以看出，35°时截割阻力均值为10 N，最大值为58 N；45°时截割阻力均值为11 N，最大值为31 N。截齿角度由35°变为45°时，截割阻力峰值显著减小，曲线波动幅度减小，切削平稳，截齿受力状态良好。

截线间距主要影响截割头载荷、落煤状态及截割阻力消耗有用功的大小等。下面分别对截线间距为70 mm 与80 mm 进行截割仿真，得到截割力矩曲线如图5 所示。

图5 不同截线间距工况截割阻力曲线

由上述仿真结果可以看出，截线间距为70 mm时截割力矩均值为365 N·m；80 mm 时截割力矩均值为607 N·m。截线间距的增大导致截割力矩显著增大，且波动幅值变大，同时截割线间有较厚的煤脊剩余。

根据上述优化分析，对截割头截齿角度及截线间距进行优化分析，并根据分析结果进行对应的优化设计，可显著提高截割头工作稳定性，从而提高截割头工作寿命。

4 结论

本文通过对掘进机截割头受力状态分析，并建立截割头钻进工况仿真模型对截割头进行优化分析，可知：

1）截割头钻进工况下参与截割各截齿受力不同，各个截齿进行周期性切削，其受截割阻力也周期性变化，且截割煤岩的块度与截割头进刀量有关；

2）截割头截齿角度对截割阻力影响明显，优化的截齿角度可有效降低截割阻力波动，使截割头平稳工作；

3）截割头截线间距对截割阻力及截割力矩均有较大的影响，对截线间距进行优化后，截割力矩及其波动均明显减小，且截割煤岩壁表面平整，无较大煤脊凸起。