掘进机截齿在不同工况下的截割阻力分析

李 刚

（山西天地煤机装备有限公司，山西 太原 030006）

引言

掘进机是对煤矿进行巷道开采的主要设备，由于我国煤炭的开采量较大，对掘进机的应用较多。掘进机在工作过程中，其振动是引起故障的主要原因，这是由于掘进机在运行过程中，由于矿井下煤层的分布不均[1]，矿井中岩石的含量不同，造成截割头受到的外部载荷较为复杂，且由于自身减速器的误差及啮合产生的激振力，造成截割头受到综合的非线性载荷，引起掘进机的振动[2]。针对掘进机截齿在工作过程中受到的截割阻力进行分析，采用非线性的动力学分析软件对横截及钻进两种不同工况下的截割阻力进行仿真分析，从而对掘进机的振动研究提供基础，尽量减小掘进机的振动，提高掘进机工作的稳定性和可靠性。

1 掘进机截齿两种典型工况分析模型的建立

掘进机进行煤岩截割的过程即截齿进行煤岩的截割，截齿不仅受到煤岩对截齿的反作用力，同时由于截割头的旋转及进给，还受到摩擦力的作用，截齿受到的作用力可以分为沿截割方向的截割阻力，沿进给方向的牵引阻力，沿截齿侧向的侧向力，截割头受到的作用力即为所有截齿作用力的合力[3]。

掘进机进行掘进的过程中，依据截割头进给的方向不同，可以分为横截及钻进两种工况，对截割的过程进行仿真模型的建立。首先建立两种工况的几何模型，在建模过程中，为了简化运算，仅保留截割头的轮廓及截齿，对两种典型工况分别进行建模，得到截齿两种工况下的截割几何模型如图1 所示。

图1 两种典型工况几何模型

利用分析软件，可对截割头及煤岩的性质进行定义。采用实体单元进行模型的网格划分，选择自由网格划分的，对横截工况的煤岩采用扫掠网格划分，对钻进工况的煤岩采用自由网格划分[4]，可以得到两种工况的截齿截割有限元模型如图2 所示。

图2 两种典型工况有限元模型

对所建立的模型进行材料的设定，截齿及截割头作为刚性体，且主要分析截齿所受到的载荷，其变形可以忽略，采用一定的刚体材料。根据煤层中的岩石及相关材料，煤层占比约为10%～20%，其余为砂岩层，由于煤层的组成较为复杂，在软件的材料库中选择与岩层性质相近的材料[5]。截齿在截割过程中，受到煤岩的挤压及剪切作用，设定接触池与煤岩的接触类型为侵蚀接触，截齿为接触面，煤岩为目标面，所接触煤岩的外部单元失效后，剩下的单元仍然作为接触单元。完成对截齿截割模型的建立及设定，即可对两种典型工况下的载荷作用进行分析。

2 掘进机截齿典型工况截割阻力的仿真分析

2.1 横截工况载荷仿真

对截割头的运动参数进行设定，横截工况时，设定截割头的旋转速度为42 r/min，进给速度为0.03 m/s。时间步长的控制可以对仿真的质量缩放及时间步长因子进行控制，设定时间步长因子为0.7，由此对横截时截齿的载荷作用进行分析。对仿真模拟的结果进行后处理分析，设置求解时间为10 s，可以得到如图3 所示的截割头受到的三向作用力随时间的变化曲线，其中Fx表示截割头受到的牵引阻力，Fy表示截割头受到的侧向阻力，Fz表示截割头受到的截割阻力。

图3 横截工况截割头的受力变化曲线

2.2 钻进工况载荷仿真

对截割头的运动参数进行设定，钻进工况时，设定截割头的旋转速度为42 r/min，进给速度为0.02 m/s。设定时间步长因子为0.7，对钻进时截齿的载荷作用进行分析。对仿真模拟的结果进行后处理分析，设置求解时间为20 s，可以得到如图4 所示的截割头受到的三向作用力随时间的变化曲线，其中Fx表示截割头受到的牵引阻力，Fy表示截割头受到的侧向阻力，Fz表示截割头受到的截割阻力。

从图3、图4 中可以看出，在两种不同的工况下，截割头所受到的三向力变化呈现一定的随机性，没有确定的规律变化；在三种分力中，所受到的牵引阻力最大，侧向阻力及截割阻力次之；在三向力变化的过程中，随机地出现一些数值较大的载荷，造成截割头受到冲击作用，从而引起截割头的振动，所受到的载荷越大，则越容易引起振动。在仿真过程中，设定的煤岩为单一材质，而实际进行截割时，煤层的岩层变化不一，掘进机截割头受到的冲击更加复杂，截割头的振动比较强烈。在实际进行截割过程中，应综合考虑煤岩的性质，选择合理的工况进行煤岩的截割。

图4 钻进工况截割头的受力变化曲线

3 结语

掘进机是进行煤矿开采巷道掘进的重要设备，掘进机在使用过程中的振动较强，容易引起掘进机的故障。截齿作为直接进行煤岩截割的部件，在截割过程中受到煤岩的阻力及摩擦力作用引起截割头的振动。针对横截和钻进两种典型工况下截齿的受力变化进行建模仿真分析，结果表明，在两种不同的工况下，截割头受到的三向作用力变化具有一定的随机性，在三种作用力中，牵引阻力最大，侧向阻力和截割阻力次之。三者之间随机的出现冲击作用，引起截割头的振动，在进行掘进的过程中，应综合考虑煤岩的性质，选择合理的工况进行煤岩的截割，减少截割头的振动，提高掘进机的可靠性，为煤矿的开采提供稳定的掘进作业，提高煤矿的开采效率。