煤矿掘进机截割头转速优化探析

王兵胜

（山西煤炭运销集团七一煤业有限公司，山西晋城 048400）

0 引言

目前，矿山已普遍采用掘进机来开采煤巷或半煤岩巷。掘进机通过与带式输送机、桥式转载机等相结合，形成了一种常用的机械化作业线，以开展掘进、装载及运输等一系列操作，极大提升了巷道掘进工作效率。截割头运行的转速对掘进工作造成一定的影响，通过实际应用可知，截割头存在的转速将会对煤体的冲击力造成影响，如果转速过小，冲击力也会较小，不能达到破岩效果或者破岩效果不好；而转速较大，冲击力也会较大。一则将会导致巷道围岩破坏区的面积增加，对围岩的稳定性造成影响；二则对巷道断面的尺寸及形状产生阻碍，导致成巷的难度越来越高；三则设备运行所消耗的功率会持续增加，导致能源出现一定的浪费［1］。因此，对截割头的转速加以控制，可以极大提升掘进工作效率，满足绿色施工的实际需求。基于此，根据弹性力学及冲击力学的相关理论，创建有效的涡合力学模型，深入分析截割头的转速，以取得相应的解析式来反映出煤岩处于临界破坏状态时截割头的转速，并对影响转速的各个因素进行分析，为截割头转速的选择明确提供科学合理的理论依据。

1 力学模型

当截割头运行时，煤体会受到径向及切向的冲击力。径向冲击力影响最大，是粉碎煤体的关键作用力；切向冲击力影响较小，是粉碎煤体的辅助力。本文只对主要作用力进行研究，针对截割头进行分析［2］，创建相应的力学模型，如图1所示。

图1 力学模型示意图

通过力学模型研究截割头，R 为半径；θ为转角；dF 为其单元体所受到的径向冲击力；dθ 为其单元体转角；dm 为其单元体质量；ω 为角速度；R1和R*分别为内半径、外半径；r为筒上任何一点P与圆心之间的距离；q为筒内壁中截割头单元体质量［3］。

式中：ρ为截割头的材料密度，kg/m3；δ 为截割头的壁厚，m；h为截齿的高度，m。

根据力的反作用原理可知，截割头所受到的力将会与煤体的大小相同，并假设截割头的线速度由0成为v，根据冲量原理可知：

即：

式中：t为冲击力发生作用的时间，s。

dF的作用面积为：

式中：d为截齿的直径。m。

在截齿上发挥作用的应力为dq ＝dF/s，因此可计算出煤岩体与截割头之间形成的冲击应力为：

针对煤体创建起相应的圆筒模型，基于弹性力学可知，当R*→∞时，圆筒所受到的径向应力为：

切向应力为：

根据莫尔库伦定律可知，由于受到冲击力的影响，煤岩体在产生临界破坏时，满足：

式中：G为煤岩体内聚力，MPa。

根据式（5）和式（8）可知，仅仅对截割头附近的煤岩体粉碎状况加以考虑，当r 与R 相同时，截割头的转速最为节能。

以EBZ-120掘进机为案例进行研究，根据表1 所示的各个算例得出，式（9）所得结果要小于设计手册中要求的结果，表明截割头还可以进行深入地减速优化。

表1 算例计算结果表

2 对临界转速造成影响的因素

经过改良后的截割头转速，由于各个因素造成的影响，与截割头的尺寸及形状、冲击力发生作用的时间、煤岩体的力学参数存在一定的关系［4］。其中参数与ω之间存在的关系产生变化的规律如图2 ～7所示。

图2 转速与冲击时间的关系

图3 转速与内聚力的关系

图4 转速与内摩擦角的关系

图5 转速与截割头半径的关系

图6 转速与截割头壁厚的关

图7 转速与截齿高度的关系

由图2可知，随着冲击发生作用时间的不断延长，转速将会呈现出线性增长趋势，即每推迟0.1 s，转速就会增加20 r/min。这是因为截割头与煤体间相互作用的时间在推迟之后，冲击所产生的时间效应也会不断减小，从而使因冲击而受到的损坏不断改善，此时应当提升转速来缓解冲击力［5］。

由图3 ～4 可知，随着煤体内摩擦角及内聚力的不断增加，转速将会呈现出指数降低和线性提升的趋势。这是由于抗剪力将会随着内聚力的增加而不断增大，导致剪切力造成的破坏问题得以改善，因此可以通过增加转速来缓解冲击力造成的破坏；而在压剪应力的条件下，当内聚力达到相应数值时，其造成煤岩体破坏的正应力将会随着内摩擦角的增大而降低，因此破坏冲击力不断降低，截割转速也会减小。每当内聚力增大1 MPa时，转速就会提升3.8 r/min；而当摩擦角提高1°时，转速就会降低0.2 r/min，这就说明，就转速来讲，内聚力产生的影响要远远大于内摩擦角，因此在破岩过程中应当重视内聚力这一参数［6］。

由图5 ～6可知，截割头的转速将会随着其壁厚及半径的增加而以指数的形式不断降低。由于壁厚及半径的增加，意味着截割头的质量不断增强，而冲击力与质量之间的关系为正相关。因此，当冲击力固定不变时，转速就会持续降低［7］。其中，半径也会对转速造成较大影响，每当壁厚与半径增加1 mm时，转速将会减少0.12 r/min和0.13 r/min。通过对图7进行详细分析可知，转速和截齿高度发生变化的规律及原因之间的关系与其和形体参数之间的关系相一致。

由上述可知，针对各个因素对转速产生影响的程度来进行排序，由大到小分别为：冲击的时间、内聚力、截齿的直径、内摩擦角、截齿的高度、截割头的半径和壁厚，其占比分别为61.1%、33.6%、3.5%、0.61%、0.42%、0.39%和0.37%。这就表明，只需要对冲击作用的时间加以控制、将煤岩体的剪切强度进行精确测量、将截齿的直径加以明确，就可以精确测量出截割头的临界转速［8］。

3 结束语

（1）基于冲击原理来取得截割头对煤体产生的冲击力，基于此，再将冲击力作为临界条件来建立相应的圆筒模型，对煤体所具有的应力状态进行分析，并与莫尔—库伦准则相结合，得到截割头处于临界破岩状态下的转速表达式。

（2）针对各个因素对临界转速所造成的影响及其形成规律进行研究，根据结果可知转速与内聚力、冲击时间之间的关系为线性增加；与截齿直径的关系为指数增加；与截齿的高度、半径及内摩擦角之间的关系为指数降低。并且得到了各个影响因素的次序。