基于LS-DYNA 的掘進(jìn)機(jī)截齒旋轉(zhuǎn)角的優(yōu)化研究

賈曉峰

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司， 山西 太原 030012）

引言

隨著科技水平的不斷發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)作為一種高效的截割作業(yè)設(shè)備已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到了煤礦井下巷道掘進(jìn)作業(yè)中，掘進(jìn)機(jī)的截齒作為直接截割機(jī)構(gòu)，其工作時的特性直接決定了掘進(jìn)機(jī)的截割作業(yè)性能。目前多數(shù)學(xué)者對掘進(jìn)機(jī)截齒截割性能的研究主要集中在截齒材質(zhì)、直徑、形狀等對截割特性的影響，但較少對截齒安裝時的旋轉(zhuǎn)角對截割特性的影響進(jìn)行研究。掘進(jìn)機(jī)截齒的旋轉(zhuǎn)角直接決定了截齒在截割作業(yè)時的圓周磨損和側(cè)磨損，同時其也決定著截割時截齒切入巖層的姿態(tài)、截割阻力和截割能耗。

本文以某型掘進(jìn)機(jī)為分析目標(biāo)，采用離散建模、三維仿真相結(jié)合的方法對截齒截割作業(yè)時旋轉(zhuǎn)角的影響進(jìn)行研究，確定最佳截齒旋轉(zhuǎn)角，為降低截齒磨損、降低截割能耗、提升截割效率奠定基礎(chǔ)。

1 截齒旋轉(zhuǎn)角截割性能評價

截割機(jī)構(gòu)截齒的旋轉(zhuǎn)角是指截齒的回轉(zhuǎn)平面和截齒的軸線之間的夾角，截齒在截割作業(yè)過程中受巖壁走向、掘進(jìn)機(jī)懸臂跳動等影響，使作用在截齒上的力不斷地發(fā)生變化，因此為了對截齒的截割特性進(jìn)行量化評價，本文建立了截齒截割特性評價指標(biāo)。截割作業(yè)過程中截齒的受力如圖1 所示，圖中ω 為截割角速度。

掘進(jìn)機(jī)截齒在截割作業(yè)過程中，截齒第i次轉(zhuǎn)動到某一個點位時，作用在截齒上的力可分解為豎切截割阻力Fai、縱切截割阻力Fbi以及推進(jìn)阻力Fci，由于其在截割作業(yè)過程中變化較大，因此為了便于定量分析計算，可將截齒的受力簡化為沿著切線方向上的截割阻力Fzi，沿著截割頭軸向的側(cè)向阻力Fxi以及沿著截割頭方向的牽引阻力Fyi，同時其在截割時的截割力矩可表示為Mi，由圖1 分析可知，各受力可表示為[1]：

式中：r為截齒的截割半徑，mm；φ 為截齒的安裝角，（°）。由此可求得截割作業(yè)過程中截齒的平均截割阻力，截齒的平均牽引阻力截齒的平均側(cè)向阻力以及截割作業(yè)過程中的截割力矩其中n為在統(tǒng)計時的總的截割數(shù)據(jù)取樣次數(shù)。

為了直觀地對截割作業(yè)過程中截齒各個方向上的力的變化情況進(jìn)行表示，本文引入了震蕩指數(shù)的概念，其分別可表達(dá)為[2]：

式中：δ（Fx）為作用在截齒上的側(cè)向阻力震蕩指數(shù)；δ（Fy）為作用在截齒上的牽引阻力震蕩指數(shù)；δ（Fz）為作用在截齒上的截割阻力震蕩指數(shù)；δ（M）為作用在截齒上的截割力矩震蕩指數(shù)。

截割作業(yè)過程中截齒消耗的電能占據(jù)了掘進(jìn)機(jī)消耗電能的60%以上，因此為了描述截齒截割特性對能耗的影響，本文引入了掘進(jìn)機(jī)的截割比能耗的概念，用于描述不同旋轉(zhuǎn)角情況下掘進(jìn)機(jī)截齒的截割功耗，可表示為[3]：

式中：Hw為截齒的截割比能耗，MJ/m3；W為掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)時作用在截齒上的截割阻力所做的功，MJ；V為單位時間內(nèi)截齒切割下來的巖石的體積，m3。

2 旋轉(zhuǎn)角對截割特性的影響研究

利用離散元法建立煤巖顆粒的物料結(jié)構(gòu)模型[4]模擬井下煤巖特性，以某型掘進(jìn)機(jī)為對象，在其截齒安裝角為11°，截齒切削角為48°情況下對其旋轉(zhuǎn)角在不同時的掘進(jìn)機(jī)的截割特利用LS-DYNA 仿真分析軟件進(jìn)行研究，截割作業(yè)過程中作用在截齒上的力矩隨著截齒旋轉(zhuǎn)角的變化如圖2 所示。

圖2 作用在截齒上的截割載荷及截割力矩隨旋轉(zhuǎn)角的波動曲線

由圖2 可知，當(dāng)截齒的旋轉(zhuǎn)角在36°～44°之間時，各力均呈現(xiàn)了逐漸降低的趨勢，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)角在44°～46°范圍內(nèi)時，除平均側(cè)向阻力外各力基本保持不變，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)角在46°～52°時，各力呈現(xiàn)了逐漸增加的趨勢，由此可知，當(dāng)截齒的旋轉(zhuǎn)角為44°～46°各力基本保持在最低的情況，此時截齒的受力最小，工作穩(wěn)定性最好。

截齒工作過程中各方向上的阻力震蕩指數(shù)隨著截齒旋轉(zhuǎn)角的變化情況如圖3 所示。

由圖3 可知，截齒上的側(cè)向阻力震蕩指數(shù)隨著截齒旋轉(zhuǎn)角度的變化一直在0.31～0.42 之間變動，而其他三種當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角低于46°時呈現(xiàn)了逐漸降低趨勢，而當(dāng)超過46°后又呈現(xiàn)了逐漸增加的趨勢，作為拐點，當(dāng)在46°時各力的震蕩指數(shù)綜合最低，使截齒具有最優(yōu)的截割穩(wěn)定性，在截割作業(yè)過程中，采煤機(jī)截齒上的截割阻力震蕩指數(shù)和牽引阻力震蕩指數(shù)變化情況一致。

圖3 各阻力震蕩指數(shù)隨旋轉(zhuǎn)角的波動曲線

圖4 截割比能耗隨旋轉(zhuǎn)角的變化曲線

截割作業(yè)時的截割比能耗隨著截齒旋轉(zhuǎn)角的變化曲線如圖4 所示。

由圖4 可知，隨著旋轉(zhuǎn)角的增加掘進(jìn)機(jī)的截割比能耗逐漸降低，當(dāng)在旋轉(zhuǎn)角為44°的時候最小，然后再逐漸增大，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)角為44°時掘進(jìn)機(jī)具有最小的能耗，其截割作業(yè)時具有最好的經(jīng)濟(jì)性。

綜合當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截齒旋轉(zhuǎn)角變化時作用在截齒上的力、力矩、震蕩指數(shù)及截割比能耗的變化趨勢，可知當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為44°時，其具有最佳的截割綜合性能。

3 結(jié)論

1）當(dāng)截齒的旋轉(zhuǎn)角為44°～46°各力基本保持在最低的情況，此時截齒的受力最小，工作穩(wěn)定性最好；

2）當(dāng)旋轉(zhuǎn)角為44°時掘進(jìn)機(jī)具有最小的能耗，其截割作業(yè)時具有最好的經(jīng)濟(jì)性；

3）當(dāng)在46°時各力的震蕩系數(shù)綜合最低，使截齒具有最優(yōu)的截割穩(wěn)定性；

4）掘進(jìn)機(jī)截齒旋轉(zhuǎn)角變化時作用在截齒上的力、力矩、震蕩指數(shù)及截割比能耗的變化趨勢，可知當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為44°時，其具有最佳的截割綜合性能。