采煤機截割機構截齒受力監控系統

楊 超

(山西蘭花科技創業股份有限公司 望云煤礦分公司， 山西 晉城 048400)

采煤機截割機構截齒工作時的狀態直接決定了采煤機的綜采作業效率和穩定性。由于煤礦井下綜采作業環境復雜，截齒在進行割煤時會受到沖擊，導致截齒發生磨損、移位等，影響采煤機綜采作用。對截齒截割狀態進行有效判定的前提是對截齒在截割作業過程中的受力狀態進行監控，并及時進行調整。本文利用應變式傳感器，通過設置在截齒的應變片的受力變化對截齒截割作業過程中的受力進行監控，及時對截齒受力情況進行調整，以提升截齒使用壽命和采煤機綜采作業的穩定性。

1 截割機構截齒的受力分析

采煤機在截割作業過程中的截齒斷裂原因主要包括截割作業過程中快速換向時的觸碰巖壁、截齒質量缺陷、截齒長期受交變應力作用產生疲勞破壞等，通過對礦山各類斷齒原因的統計分析，采煤機截齒長期受交變應力作用而導致的疲勞損壞占87.3%，是導致采煤機截齒斷裂的最主要因素。因此，對采煤機截割作業過程中截齒的受力進行分析。

根據采煤機綜采作業時的截煤理論分析，以某型采煤機磨鈍后的截齒為例，其在截割作業時的截割阻力的平均值FZ0及在x,y,z方向(x方向表示沿截齒軸線方向，y方向表示垂直向上方向，z方向表示沿截割作業的水平方向)上的受力FX、FY、FZ可表示為[1]：

(1)

式中：

Ky—井下巷道內的煤巖體壓擴張系數；

A—煤巖的平均截割阻抗，N/mm；

bp—采煤機截齒的計算寬度，mm；

β0—截齒截割時的楔入角，(°)；

B—煤層的脆性系數；

h—截齒的切削厚度，mm；

Km—煤層巖體的裸露系數；

Ka—截齒的截角影響系數；

Kf—截齒形狀影響系數；

Kp—截割機構截齒的配置影響系數；

Kδ—煤巖的崩落角影響系數；

Z0—截齒截割時的正向作用力，N；

f′—截齒截割作業時的阻力系數；

K′y—截齒的平均接觸應力與單向抗壓強度的比值；

σy—煤層的單向抗壓強度；

Sd—采煤機截齒的磨損面積，mm2.

2 應變片設置方式及受力測量原理

對截齒工作時的受力監控，核心是應變片的設置方式。經過多次驗證，采用將采煤機截齒分為上下兩部分，將應變片設置到軸段I處，其結構見圖1，利用應變片來實現對截割機構截齒受力的監控，利用應變花來實現對截割過程中作用在截齒上轉矩的監控。

圖1 應變片在截齒上設置的結構示意圖

該應變片是由敏感柵等構成用于測量應變的元件，截齒受力時會產生一定的形變，對應變片產生一定的壓力，使應變片發生變形，其電阻值相應的發生變化，這種現象稱為“應變效應”，通過其電流變化可顯示出截齒上所受的力。

為了精確反應截割作業過程中作用在截割機構截齒上截割力的變化情況，獲得連續的截割力變化曲線，需要對截割機構上帶有應變片的截齒進行合理分布。以典型的d1 600 mm的采煤機截割滾筒為例，其測點分布結構見圖2.

圖2 截割滾筒上測點分布示意圖

當軸段處發生扭轉時，其應變花產生的應變和扭轉力矩呈現一種線性關系，其可表示為[2]：

(2)

式中：

M—轉矩，N·m；

G—彈性模量，MPa.

在測定前，首先將應變片和應變花變形所對應的力和轉矩進行標定，通過其截割過程中產生的應變和扭轉，利用智能控制系統快速地確定對應的截割力。

3 截齒的力學特性測試

為了驗證該受力監控系統工作可靠性，建立力學分析試驗平臺對其監控效果進行測試，監控時，以某型采煤機為例，其工作時的穩定轉速為26.7 r/min，截齒作業時的截割深度約為550 mm，其進給速度為1.2 m/min，煤層硬度系數為4.7，截齒安裝角度為40°，截齒的錐角為41°，截割作業過程中的切削角度為45°，測試系統結構見圖3.

圖3 截割機構測試及傳輸系統圖

在工作中，通過對截齒的改造，在齒座下端設置相應的應變片[3]，將應變片的數據傳輸線連接到傳輸系統的無線數據處理模塊上，利用無線數據傳輸方式將測定的數據傳輸到處理系統中，與系統預先設定好的數據進行對比，獲取其作用在滾筒截齒上的力，然后通過監控到的截割機構的截割轉速、進給速度等分析截齒與其的對應關系，通過對數據的模糊修正獲取最終的精確變化情況。

試驗過程中以作用在截齒x軸的作用力和力矩值為對象，其變化趨勢見圖4.

由圖4可知，在截割作業過程中截齒的受力表現出了較強的周期性，作用在X軸方向上的力的最大值約為0.69 kN，表明了該受力監控系統對截齒受力監控的實用性，通過對截齒受力的監測，設定一個控制上限值，當截割力超標時系統將通過調整截割作業時的截割轉速或者采煤機的進給速度，使截割受力降低，確保截齒受力的穩定性。

圖4 截齒受力監控系統監控結果圖

4 結 論

為了對采煤機截割機構截齒截割作業過程中的受力情況進行監控，提出了一種新的基于應變傳感器的受力監控系統，通過在截齒根部設置應變傳感器對截齒在截割作業過程中的受力進行監控，通過試驗驗證表明：

1) 在截割作業過程中截齒的受力表現出了較強的周期性，作用在X軸方向上力的最大值約為0.69 kN，表明該監控系統能夠有效的對截割作業過程中的受力情況進行監測。

2) 該截割監控系統能夠對截齒受力過程進行不間斷監控，根據受力變化情況及時對截齒的工作狀態進行調整，避免影響截割作業的效率。