矩形掘進機截割試驗架的設計與應用

戴建平

(中國煤炭科工集團 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

矩形掘進機主要用于煤礦巷道的掘進，截割矩形斷面的刀盤設計新穎，采用前后雙刀盤組合結構，整體結構如圖1所示。刀盤通過復合運動最終截割成近似正方形的擬合斷面，見圖2。

1-電動機；2-減速器；3-傳動箱；4-方刀盤；5-圓刀盤。圖1 刀盤結構示意圖

圖2 刀盤截割斷面形狀示意圖

為檢驗矩形掘進機的應用效果，針對關鍵部件刀盤，研制了一種專用試驗臺，在地面試驗場地進行刀盤截割假煤壁試驗，通過試驗觀察刀盤實際截割斷面形狀、截割力學關系、排渣出煤效果等，分析驗證矩形掘進機截割刀盤設計的合理性。

1 刀盤功率及推力確定

1.1 刀盤推力計算

刀盤推力可采用兩種方法計算:

1) 方法Ⅰ：參考北方重工矩形掘進機(3.8 m×5.8 m)刀盤推力實際驗證數據，類比矩形小刀盤(1.9 m×1.9 m),得出最大推力參考值,見表1。

表1 方法Ⅰ刀盤推力計算

2) 方法Ⅱ：按標準刀型截齒切割中硬煤巖的參考值,用公式計算,見表2。

表2 方法Ⅱ刀盤推力計算

為盡可能保證可靠性，采用方法Ⅰ確定最大推力,其參考值為46 t。

1.2 刀盤截割功率計算

刀盤截割功率可采用兩種方法進行估算：

方法Ⅰ：比能耗值估算刀盤功率。按實際刀盤結構和標準刀型截齒切割中硬煤巖的比能耗估值，根據公式計算刀盤功率,見表3。

方法Ⅱ：根據刀盤截割阻力近似估算，見表4。

小刀盤功率(電動機)實際設計值為150 kW，低于表3中的計算值,但考慮小刀盤前后為雙刀盤結構，實際工況只有約2/3全斷面切割，故表3的計算取值較保守。因此,保持實際設計值為150 kW不變，實踐結果有待試驗進一步驗證。

2 刀盤截割試驗方案設計

2.1 試驗方法

通過專用試驗臺，在地面試驗場地進行小刀盤切割假煤壁試驗，近似模擬實際切煤工況，再通過數據分析，測評小刀盤的實際工效。

表3 方法Ⅰ刀盤功率計算

表4 方法Ⅱ刀盤功率計算

在試驗過程中，通過采集加載油缸的壓力值、位移值及油缸的結構參數，計算出不同推進速度時的推進力，得到推進力、推進速度、位移的關系曲線。通過采集刀盤電動機的電流測定刀盤功率的變化。在試驗臺的不同測試工位，可以調整測試位置進行全斷面和不同的部分斷面切割假煤壁試驗，并隨著不同的煤壁切割狀況，監控和測量各種相關試驗參數(電流、流量、壓力)的變化，通過分析統計，從多種工況試驗數據驗證推進速度和推進力以及刀盤扭矩的關系。試驗過程中，觀察切煤、排渣效果，以及中架溜臺出渣情況是否流暢,有無堆積卡阻現象。

2.2 試驗臺的總體布局

刀盤截割假煤壁試驗臺由假煤壁和截割試驗架組成,總體布置如圖3所示。

1-主架；2-滑架；3-刀盤電動機；4-主推缸；5-頭架；6-刀盤；7-假煤壁；8-三角托架。圖3 試驗臺總體布置

2.3 試驗臺的主要特征

1) 假煤壁模擬實際截割煤巖，堅固性系數f=3～4。

2) 截割試驗架可以移動工位進行不同工況的多次測試試驗，見圖4。

1-液壓泵站；2-電控箱；3-閥控箱；4-主架；5-主推缸；6-滑架；7-刀盤裝置；8-頭架。圖4 截割試驗架的整體結構

3 刀盤截割試驗架的研制

3.1 整體結構和主要功能

截割試驗架主要由液壓泵站、電控箱、閥控箱、主架、滑架、主推缸、頭架和刀盤裝置等組成。整體結構配置如圖5所示。

截割試驗架的主要用于承載刀盤裝置，在截割試驗時能夠控制和推進刀盤向前截割運動。

3.2 機械部分

1) 刀盤裝置。刀盤為試驗的主要研究對象，將其固定在頭架上并隨之軸向滑移，提供旋轉截割運動。

圖5 截割試驗架測試工位

2) 頭架。頭架為刀盤安裝基座，與滑架相連，承載刀盤并支撐于地面進行滑移運動。

3) 滑架。前部與頭架相連，后部多組滑輪定位，可以沿著主架軌道軸向移動。

4) 主推缸。連接主架和滑架，為刀盤提供截割推力，最大行程1 m。

5) 主架。主架為試驗臺基座，焊接固定在地坪預埋鋼板上，承受刀盤截割反力和扭矩。

3.3 動力部分

動力部分主要由電源(380 V+3.3 kV)、液壓泵站、閥控箱、電控箱、刀盤電動機等組成，提供整個試驗系統的電液動力，并能控制和監測相關參數。

3.4 試驗臺截割機構主要技術參數

試驗臺截割機構主要技術參數見表5。

4 工況試驗及應用

4.1 空載行程試驗

試驗臺首先固定在1#工位，進行空載行程試驗，小刀盤初始空載行程約80 mm，來回推拉試驗，其速度、推拉力曲線如圖6所示，工況1空載行程試驗現場如圖7所示。

表5 試驗臺截割機構主要技術參數

圖6 空載速度、推拉力曲線

(a)

(b)圖7 空載行程試驗

4.2 刀盤截割推進試驗

假煤壁截割、推進試驗、推進速度、推進力曲線如圖8所示，截割推進試驗現場如圖9所示。

圖8 截割推進速度、推進力曲線

(a)

(b)圖9 工況1刀盤截割推進試驗

4.3 刀盤復位試驗

試驗臺1#工位推進截割結束后，刀盤回拖復位，回拖速度、回拖力曲線如圖10所示。然后移至2#工位繼續試驗，工況2刀盤截割試驗現場如圖11所示。

圖10 復位回拖速度、回拖力曲線

(a)

(b)圖11 工況2刀盤截割試驗

4.4 試驗結果驗證

通過兩次工位的試驗結果，驗證刀盤截割狀態及出渣效果。試驗過程中,刀盤截割狀態如圖12所示，中架溜臺出渣效果如圖13所示。

(a)

(b)圖12 刀盤截割狀態

圖13 出渣效果

5 結論

通過研制刀盤截割試驗架，在地面試驗場地進行矩形掘進機刀盤截割假煤壁試驗，近似模擬實際截煤工況，通過試驗及數據分析，測評刀盤的實際工效，其試驗結果表明:該截割試驗架結構簡單、可靠，推進順利，刀盤截割煤壁、排煤撥煤出渣順暢，無堆積卡阻現象，可以在不同測試工位進行全斷面和不同的部分斷面截割假煤壁試驗，并隨著不同的煤壁截割狀況，監控和測量各種相關試驗參數(電流、流量、壓力)的變化，達到設計要求。