矿井掘进机截齿分布的优化研究

2020-06-11李世杰

山西冶金 2020年1期

李世杰

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司生产技术部掘进二队，山西寿阳 045400）

矿井掘进机作为煤矿井下最重要的掘进设备，主要用于巷道掘进，对井下的综采作业效率具有直接的影响。掘进机的截割滚筒上按一定规律分布着截齿，在截割传动机构的驱动下截割滚筒带的截齿以一定的转速进行旋转，截齿与岩壁接触对岩壁形成一个挤压，将岩块从岩壁上剥落下来，在这个过程中岩壁会对截齿产生一个巨大的截割阻力作用，在长期截割摩擦力的作用下截齿会快速的被磨损，导致截齿断裂、截割滚筒在截割过程中因各截齿受力不均匀产生振动现象，不仅极大的影响了煤矿井下综采作业的效率，而且还给煤炭生产企业造成了较大的经济损失[1]。因此本文以EBZ-135 型掘进机为分析对象，利用三维建模软件建立掘进机截割作业过程中的三维模型，通过接口软件将其导入到ANSYS 仿真分析软件中对截割过程中的截齿受力情况进行分析并提出了截齿分布优化方案，根据实际验证表明，优化后截齿在截割作业过程中的受力比优化前降低了10.5%极大的提升了采煤机截齿的使用寿命和采煤机的工作稳定性，具有极大的应用推广价值。

1 截割机构及岩壁的三维模型

首先对EBZ-135 型掘进机的截齿分布情况进行分析，利用三维建模软件建立掘进机截割机构和岩壁的三维模型，在建立岩壁的三维模型时，为了避免大体积的岩壁在网格划分时数量多，影响分析计算速度，因此采用了先建立一个1 500 mm×1 000 mm×1 500 mm 的长方体结构来模拟岩壁，在进行岩壁物料条件设定时选择在各个表面上施加无反射边界条件来模拟无限大的空间[2]。

由于网格划分直接影响到仿真分析时的分析精度和可靠性，越小的网格划分计算分析结果越准确，但实际运算时的分析时间就越长，而且对设备的配置要求越高，经过对比分析，最终确认采用映射网格划分的方案，每个网格边长均为20 mm，网格划分后的掘进机构三维模型如图1 所示。

图1 截割机构掘进作业三维模型

在进行仿真参数设置时，根据实际测量，岩壁的密度为1 500 kg/m3，弹性模量为3×109Pa，膨胀系数为1.5，截齿的密度为8 400 kg/m3，弹性模量为3×109Pa[3]。

2 截齿截割受力分析

对掘进机截割作业过程进行仿真分析时[4]，设置掘进机的截割滚筒的截割作业实际时间为40 s，转速为0.003 8°/s，对整个掘进作业过程中的掘进机各截齿的的截割受力情况进行分析，该截割滚筒上各截齿的受力变化情况如下页图2 所示。

图2 优化前掘进作业过程中同一时刻各截齿的受力情况

由仿真分析结果可知，在截割作业过程中前30号截齿的截割受力变化较大，低30～36 号截齿这的受力逐渐降低，主要是由于在此工况下该部分截齿所接触的岩壁量逐渐的减少，因此岩壁上作用在截齿上的作用力逐渐的降低，参与截割作业的截齿中低6 号截齿所受到的截割力最大，约为400 N，此时第6 号截齿处于和岩壁接触量最大的位置，在截割作业过程中岩壁最大的截割阻力均分布在该截齿上，随着掘进作业的进行，作用在截齿上的力将沿着7、8 等依次转移，截割作业过程中截齿上的作用力大于150 N 的截齿数量占截齿总数达到83.3%，由此可知，此工况下各截齿的所受的作用力较大，对截齿的使用寿命将产生较大的影响，降低截齿工作时的经济性。

3 截齿分布的优化

根据分析结果，采用遗传算法方案对掘进机截齿的受力分布情况进行优化，以作用在截齿上的截割力为优化结果，以截齿之间的间距和各截齿之间的周向分布角度为研究变量，对其进行迭代优化，经过8 次的迭代优化最终获得了最佳的截齿之间的间距的截齿周向分布角度[5]，各截齿之间的间距由最初的3.4 mm 降低到优化后的2.7 mm，各个截齿之间的周向角度分布由最初的6.4°增加到优化后的7.9°，此时优化后的各截齿在掘进机截割滚筒上的分布如图3 所示。

图3 优化后掘进作业过程中同一时刻各截齿的受力情况

在相同条件下对截齿截割作业时的受力情况进行仿真分析，优化后各截齿的受力情况如图4 所示。

由仿真分析结果可知，在截割作业过程中第19～30 号截齿的截割受力变化较大，在同一时刻各截齿受力情况逐渐增加，截割作业过程中受力最大的截齿为第26 号截齿，最大受力约为315 N，比优化前截齿的最大受力降低了10.5%，且受力在150 N 以上的截齿由优化前的30 个，降低到了优化后的16 个，数量降低了46.7%，极大的优化了掘进机截割作业过程中截齿的受力情况，使各截齿的受力均匀性获得了极大的提升，显著的提升了掘进机在掘进作业过程中的稳定性，提升了各截齿的使用寿命。