實際工況下的掘進機截割頭載荷譜研究

郝晉民

（大同煤礦集團陽方口礦業有限公司， 山西 忻州 036702）

引言

隨著科學技術的進步、電子計算機的普及，同時模擬理論也進行了完善，當前已經使用計算機模擬的方法對截割頭載荷進行計算。由于很多企業沒有在這方面進行研究，因此在實際計算中還存在很多問題有待解決，下面就根據具體案例，分析確定截割頭載荷的方法與載荷的模擬問題，以達到良好的效果。

1 截割頭載荷獲取的方法

截割頭是掘進機械上直接切割巖石的旋轉部件，在實際工況下工作時，掘進機截割頭承擔一定的載荷。為了確保相關施工工作的順利進行，必須深入分析掘進機截割頭載荷譜。在此之前進行截割頭載荷計算時通常都使用估算法，得到的數值和實際情況相差很遠，同時也不能說明實際問題，極大地限制了人們對截割頭進行深入研究。對于懸臂式斷面掘進機而言，其懸臂會擺動，而截割頭也會圍繞自身軸進行回轉，通過安裝在截割頭上的截割齒對煤巖進行截割。針對這一情況就可以了解到，掘進機在截割過程中，其截齒受力合成就是截割頭的載荷[1]。

2 模擬程序設計分析

研究中如果將其連續旋轉的一周分成很多個離散點，對其進行逐一計算，就可以準確得到截割頭連續變化的曲線，也被稱之為載荷譜。當離散點越多，得到的結果就越精確，但是計算量也相應地增大。如果取的離散點數太少，相應的計算量減少，計算速度變快，但是得到的結果不精確，最終模擬結果和實際情況存在較大差距。當電動機運行時，功率因素是不斷變化的，變化大小和負載有直接關系，當其處于空載狀態運行時，其功率因素比較低。如果電動機帶上負載運行時，必須將機械功率輸出，此時定子繞組的有功電流分量增加，功率因素也會增加[2]。

3 掘進機截割頭載荷分析

通過表1可以得知，在截割開啟和停止時其受到的最大轉矩是45.58 kN·m，最小值是6.344 kN·m，得到的平均值是16.02 kN·m，和最大值、最小值的均值相比，出現較大的偏離，由此可見斷定存在靜載荷分量。通過分析圖1，發現有數段值在10 kN·m以下的平滑時間段，就可以印證上述的結論。對截割頭的受力情況進行分析，不僅需要截割煤壁做功，還需要其克服自身的重力旋轉做功，這樣就可以得到一個近似的公式：截割頭載荷=靜載荷+動載荷=克服自重+截割煤壁。

表1 截割頭轉矩時域參數 kN·m

圖1 載荷循環的雨流直方圖

使用數據雨流計算方法進行處理，利用Range-Mean圖同時繪制圖例，可以參考圖1進行分析。

通過上述對數據的整理分析，發現當不同截齒排列方式不同、截割頭尺寸不同、錐角不同，得到的截割頭載荷曲線也存在很大的差別。通過對表1中的數據分析，發現各個合力出現的波動都比較大，對掘進機工作的穩定性產生較大的影響。通過觀察圖1可知，X軸表示載荷循環的幅值，Y軸表示雨流循環的均值，Z軸表示循環頻次，結合這些數據就可以繪制出相應的圖例，通過分析發現這兩個值不是同一種循環，其關系為交叉，要克服截割頭自重做轉矩，將靜載荷分量值估計為7.86 kN，上下波動為0.5 kN，分析其煤壁受到的動載荷時，可以把原始數據中的這個部分去除掉，將較大的誤差去除掉即可。一方面，當截割頭正常運行時，其產生合力的作用點也開始不斷變化，通過這一點進行推論就可以得知，截割頭工作中會受到偏心載荷的變化，偏心載荷的大小、作用點都在不斷變化，因此運行過程中設備會出現明顯的振動問題。結合這一事實情況，在以后工作中，有必要對掘進機安裝輔助支撐裝置。另一方面，通過對數據的分析，發現當提高橫向切割速度時，截割頭自身的荷載也會出現較大的變化，通過深入研究發現，當增加橫向切割速度之后，其實際切削厚度開始增加，同時截齒內的截割阻力不斷增加，當這兩點向這些方向發展，必然會導致截割頭載荷的增加。通過對數據的研究分析，發現平均截割功率和截割比能耗以及橫切速度有直接關系，當橫切速度不斷增大時，實際需要的截割功率也開始增加，此時截割比能耗是根據雙曲線規律進行變化的，這和所參考的文獻[3]得到的結果是一致的。根據荷載模擬得到的結果進行計算，求解出截割頭最大的截割功率是32 kW。根據這一數據，對工作機構的傳動效率進行分析。原有機械所使用的截割機功率是37 kW，使用過程中出現了明顯的過載問題，針對這一情況，為了保證工作效率以及延長設備的使用壽命，技術人員在使用中要選用功率較大的電機，因此需增大這一設備的電機功率。綜合分析之后發現截割頭載荷變化和截齒排列方式、截割頭形體尺寸、煤巖性質等有關，而且和工作參數有關?；谶@一事實，以后在掘進機設計過程中，要對上述影響因素進行綜合分析，確保設計得到的截割頭可以滿足實際使用要求并且可以發揮良好的截割作用[3]。4 結語

通過以上對實際工況下的掘進機截割頭載荷譜的分析，發現其對工程施工有很大影響，因此必須確保掘進機截割頭使用的科學性。研究中通過計算機對截割頭荷載進行模擬，達到了理想的效果。對不同截割頭進行不同條件的測試，在測試中發現其具有經濟性好的特點，可以對現場使用條件進行模擬，操作靈活方便，工作效率高。通過對截割頭載荷進行模擬，獲得了回轉機構、伸縮機構、掘進機構等機構的有效數據依據，相關人員可以參考這些數據進行設計，并對設計進行很好的優化和創新。在以后的發展中，要對掘進機截割頭載荷譜做更深入的研究，提高整體的技術水平，為以后長遠的發展奠定基礎。

參考文獻

[1]張蘭勝，趙元宇，田劼，等.實際工況下的掘進機截割頭載荷譜研究[J].煤炭工程，2016，48（1）：133-135.

[2]張蘭勝,趙元宇,吳淼.基于井下實驗數據的EBZ-160型掘進機截割頭載荷研究[J].煤炭技術，2016，35（10）：245-248.

[3]李建成，王義亮，楊兆建.懸臂掘進機鉆進工況下的載荷譜分析[J].煤炭技術，2015，34（8）：12-13.