李世杰

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部掘進(jìn)二隊， 山西 壽陽 045400）

礦井掘進(jìn)機(jī)作為煤礦井下最重要的掘進(jìn)設(shè)備，主要用于巷道掘進(jìn)，對井下的綜采作業(yè)效率具有直接的影響。掘進(jìn)機(jī)的截割滾筒上按一定規(guī)律分布著截齒，在截割傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下截割滾筒帶的截齒以一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，截齒與巖壁接觸對巖壁形成一個擠壓，將巖塊從巖壁上剝落下來，在這個過程中巖壁會對截齒產(chǎn)生一個巨大的截割阻力作用，在長期截割摩擦力的作用下截齒會快速的被磨損，導(dǎo)致截齒斷裂、截割滾筒在截割過程中因各截齒受力不均勻產(chǎn)生振動現(xiàn)象，不僅極大的影響了煤礦井下綜采作業(yè)的效率，而且還給煤炭生產(chǎn)企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此本文以EBZ-135 型掘進(jìn)機(jī)為分析對象，利用三維建模軟件建立掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程中的三維模型，通過接口軟件將其導(dǎo)入到ANSYS 仿真分析軟件中對截割過程中的截齒受力情況進(jìn)行分析并提出了截齒分布優(yōu)化方案，根據(jù)實際驗證表明，優(yōu)化后截齒在截割作業(yè)過程中的受力比優(yōu)化前降低了10.5%極大的提升了采煤機(jī)截齒的使用壽命和采煤機(jī)的工作穩(wěn)定性，具有極大的應(yīng)用推廣價值。

1 截割機(jī)構(gòu)及巖壁的三維模型

首先對EBZ-135 型掘進(jìn)機(jī)的截齒分布情況進(jìn)行分析，利用三維建模軟件建立掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)和巖壁的三維模型，在建立巖壁的三維模型時，為了避免大體積的巖壁在網(wǎng)格劃分時數(shù)量多，影響分析計算速度，因此采用了先建立一個1 500 mm×1 000 mm×1 500 mm 的長方體結(jié)構(gòu)來模擬巖壁，在進(jìn)行巖壁物料條件設(shè)定時選擇在各個表面上施加無反射邊界條件來模擬無限大的空間[2]。

由于網(wǎng)格劃分直接影響到仿真分析時的分析精度和可靠性，越小的網(wǎng)格劃分計算分析結(jié)果越準(zhǔn)確，但實際運算時的分析時間就越長，而且對設(shè)備的配置要求越高，經(jīng)過對比分析，最終確認(rèn)采用映射網(wǎng)格劃分的方案，每個網(wǎng)格邊長均為20 mm，網(wǎng)格劃分后的掘進(jìn)機(jī)構(gòu)三維模型如圖1 所示。

圖1 截割機(jī)構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)三維模型

在進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置時，根據(jù)實際測量，巖壁的密度為1 500 kg/m3，彈性模量為3×109Pa，膨脹系數(shù)為1.5，截齒的密度為8 400 kg/m3，彈性模量為3×109Pa[3]。

2 截齒截割受力分析

對掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程進(jìn)行仿真分析時[4]，設(shè)置掘進(jìn)機(jī)的截割滾筒的截割作業(yè)實際時間為40 s，轉(zhuǎn)速為0.003 8°/s，對整個掘進(jìn)作業(yè)過程中的掘進(jìn)機(jī)各截齒的的截割受力情況進(jìn)行分析，該截割滾筒上各截齒的受力變化情況如下頁圖2 所示。

圖2 優(yōu)化前掘進(jìn)作業(yè)過程中同一時刻各截齒的受力情況

由仿真分析結(jié)果可知，在截割作業(yè)過程中前30號截齒的截割受力變化較大，低30～36 號截齒這的受力逐漸降低，主要是由于在此工況下該部分截齒所接觸的巖壁量逐漸的減少，因此巖壁上作用在截齒上的作用力逐漸的降低，參與截割作業(yè)的截齒中低6 號截齒所受到的截割力最大，約為400 N，此時第6 號截齒處于和巖壁接觸量最大的位置，在截割作業(yè)過程中巖壁最大的截割阻力均分布在該截齒上，隨著掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行，作用在截齒上的力將沿著7、8 等依次轉(zhuǎn)移，截割作業(yè)過程中截齒上的作用力大于150 N 的截齒數(shù)量占截齒總數(shù)達(dá)到83.3%，由此可知，此工況下各截齒的所受的作用力較大，對截齒的使用壽命將產(chǎn)生較大的影響，降低截齒工作時的經(jīng)濟(jì)性。

3 截齒分布的優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果，采用遺傳算法方案對掘進(jìn)機(jī)截齒的受力分布情況進(jìn)行優(yōu)化，以作用在截齒上的截割力為優(yōu)化結(jié)果，以截齒之間的間距和各截齒之間的周向分布角度為研究變量，對其進(jìn)行迭代優(yōu)化，經(jīng)過8 次的迭代優(yōu)化最終獲得了最佳的截齒之間的間距的截齒周向分布角度[5]，各截齒之間的間距由最初的3.4 mm 降低到優(yōu)化后的2.7 mm，各個截齒之間的周向角度分布由最初的6.4°增加到優(yōu)化后的7.9°，此時優(yōu)化后的各截齒在掘進(jìn)機(jī)截割滾筒上的分布如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后掘進(jìn)作業(yè)過程中同一時刻各截齒的受力情況

在相同條件下對截齒截割作業(yè)時的受力情況進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化后各截齒的受力情況如圖4 所示。

由仿真分析結(jié)果可知，在截割作業(yè)過程中第19～30 號截齒的截割受力變化較大，在同一時刻各截齒受力情況逐漸增加，截割作業(yè)過程中受力最大的截齒為第26 號截齒，最大受力約為315 N，比優(yōu)化前截齒的最大受力降低了10.5%，且受力在150 N 以上的截齒由優(yōu)化前的30 個，降低到了優(yōu)化后的16 個，數(shù)量降低了46.7%，極大的優(yōu)化了掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程中截齒的受力情況，使各截齒的受力均勻性獲得了極大的提升，顯著的提升了掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，提升了各截齒的使用壽命。

圖3 優(yōu)化后掘進(jìn)作業(yè)過程中同一時刻各截齒的受力情況

4 結(jié)論

為了解決現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)截齒分布不規(guī)則，掘進(jìn)作業(yè)過程中截齒磨損量大，嚴(yán)重影響掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性的現(xiàn)狀，本文利用三維建模軟件ANSYS 仿真分析軟件對截齒截割作業(yè)過程中的受力情況進(jìn)行仿真分析，同時利用遺傳算法方案對掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)上的截齒分布情況進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果表明：

1）優(yōu)化前，割作業(yè)過程中截齒上的作用力大于150 N 的截齒數(shù)量占截齒總數(shù)達(dá)到83.3%，由此可知，此工況下各截齒的所受的作用力較大，對截齒的使用壽命將產(chǎn)生較大的影響，降低截齒工作時的經(jīng)濟(jì)性。

2）優(yōu)化后，受力在150 N 以上的截齒由優(yōu)化前的30 個，降低到了優(yōu)化后的16 個，數(shù)量降低了46.7%，極大的優(yōu)化了掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)過程中截齒的受力情況，使各截齒的受力均勻性獲得了極大的提升，顯著的提升了掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，提升了各截齒的使用壽命。

3）優(yōu)化后截齒上的最大受力由400 N 降低到了315 N，比優(yōu)化前降低了10.5%。