截齒圓柱段旋轉(zhuǎn)角對掘進(jìn)機截割特性影響的研究

田文靜

（晉城宏圣建筑工程有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

掘進(jìn)機作為一種煤礦井下掘進(jìn)設(shè)備，其工作時的穩(wěn)定性和效率直接關(guān)系到巷道掘進(jìn)的效率和經(jīng)濟(jì)性。掘進(jìn)機依靠安裝在截割滾筒上的截齒實現(xiàn)掘進(jìn)作業(yè)，截齒主要包括圓柱段、圓錐段和球冠段三個部分[1]，安裝時的不同旋轉(zhuǎn)角會對截割作業(yè)時的截割載荷、截割載荷波動、截割能耗比等造成較大的影響，目前學(xué)術(shù)界對掘進(jìn)機截割性能和穩(wěn)定性的分析主要集中在截齒排布方式、截齒直徑、截齒安裝角等，對截齒圓柱段的旋轉(zhuǎn)角對截割性能的影響鮮有研究。本文采用了離散元仿真分析的方案對單個截齒在不同的圓柱段安裝角情況下對掘進(jìn)機截割穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析，以獲取最佳的截齒圓柱段安裝角。

1 圓柱段旋轉(zhuǎn)角及評價量分析

掘進(jìn)機截齒圓柱段的旋轉(zhuǎn)角主要是指截齒的中心線和截齒截割作業(yè)時的回轉(zhuǎn)平面之間的夾角，掘進(jìn)機截齒圓柱段旋轉(zhuǎn)角如圖1所示[2]，其表示截齒截割作業(yè)時的空間立體結(jié)構(gòu)模型，其中HB表示截齒圓柱段的中心線、H點表示截齒圓柱段與截割滾筒的中心點，B點表示截齒的端部，HGLK平面表示截割作業(yè)時的回轉(zhuǎn)平面，因此圖1中ε就表示截齒圓柱段的旋轉(zhuǎn)角。

掘進(jìn)機在截割作業(yè)過程中截齒的受力處在不斷變化的過程中，因此若需要對掘進(jìn)機的截割狀態(tài)進(jìn)行評價就需要建立起合適的數(shù)字評價模型，對評價指標(biāo)進(jìn)行量化，確保對掘進(jìn)機評價結(jié)果的可靠性。通過對截割作業(yè)過程中不同截割指標(biāo)的分析，最終確定了截割載荷、截割載荷波動量以及截割能效比三個指標(biāo)作為對掘進(jìn)機截割特性的評價量，其中截割載荷表明了作用在截齒上的截割阻力的大小，能夠反映出對截齒的磨損量，截割載荷越小，截齒工作時的磨損量就越小，壽命就越長[3]。截割載荷波動量則是指截割作業(yè)過程中的截齒受力的變化量，能夠反映出截割作業(yè)過程中對截割機構(gòu)的沖擊量的大小，載荷波動量越小表明工作時的穩(wěn)定性越高，巷道截割成型質(zhì)量越好。截割能效比則是指截割作業(yè)過程中的能量消耗，能夠反映出截割經(jīng)濟(jì)性，截割能效比越小，表明截割經(jīng)濟(jì)性就越好[4]。

本文以EBZ160掘進(jìn)機為分析對象，其截齒的切削角為55°，截齒的安裝角為11°，分別對旋轉(zhuǎn)角為 0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°，共8種情況下的截割特性進(jìn)行分析。

圖1 截齒圓柱段旋轉(zhuǎn)角空間立體示意圖

2 掘進(jìn)機截割特性分析

掘進(jìn)機截齒工作時的截割載荷變化情況如圖2所示。

圖2 不同圓柱旋轉(zhuǎn)角下的截割載荷變化曲線

由圖2可知，截割作業(yè)過程中作用在截齒上的截割阻力、牽引阻力、側(cè)向阻力、平均截割力矩，基本上是隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而逐漸增大，當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為12.5°時，各個力均有了一個明顯的低谷區(qū)，之后隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而急劇增大，因此表明此工況下當(dāng)截齒旋轉(zhuǎn)角為12.5°的情況下具有最小的截割載荷，對截齒的磨損最低。

掘進(jìn)機截齒工作時的截割載荷波動變化情況如圖3所示，截割阻力變差系數(shù)是一個表示標(biāo)準(zhǔn)差相對于平均數(shù)大小的相對量[5]，能夠反映出數(shù)值波動量的大小。

圖3 不同圓柱旋轉(zhuǎn)角下的截割載荷波動變化曲線

由圖3可知，在截割作業(yè)過程中作用在截齒上的阻力變差系數(shù)呈現(xiàn)了不規(guī)則的波動，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角為12°的情況下掘進(jìn)機的牽引阻力、截割阻力的變差系數(shù)均達(dá)到最小，側(cè)向阻力變差系數(shù)隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而逐漸的降低。截割力矩變差系數(shù)和牽引阻力變差系數(shù)的分布趨勢一致，因此綜合分析可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角為12°的情況下掘進(jìn)機的截齒具有最小的載荷波動量，對截割機構(gòu)的截割穩(wěn)定性的影響最小，能夠最大限度地確保穩(wěn)定截割的作業(yè)需求。

掘進(jìn)機截齒工作時的截割載能效比變化情況如圖4所示。

由圖4可知，隨著截齒圓柱旋轉(zhuǎn)角的增加，掘進(jìn)機的截割能效比呈現(xiàn)了明顯的波動，在0°～10°之間，掘進(jìn)機的截割能效比隨著角度的增加而增加，在10°～12°之間掘進(jìn)機的截割能效比隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而逐漸降低，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角超過12°時，掘進(jìn)機的截割能效比迅速增加，因此可知，該工況下當(dāng)掘進(jìn)機的截齒圓柱旋轉(zhuǎn)角為12°時，掘進(jìn)機具有最佳的截割經(jīng)濟(jì)性。

綜合不同旋轉(zhuǎn)角下掘進(jìn)機的截割載荷、截割載荷波動量以及截割能效比變化情況，最終可確定，當(dāng)截齒圓柱旋轉(zhuǎn)角為12°時，掘進(jìn)機具有最佳的截割特性，能夠顯著降低截齒的磨損，提高截割穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。

圖4 不同圓柱旋轉(zhuǎn)角下的截割能效比變化曲線

3 結(jié)論

1）用截割載荷、截割載荷波動量以及截割能效比三個指標(biāo)作為對掘進(jìn)機截割特性的評價量，作為掘進(jìn)機截割特性的評價指標(biāo)能夠精確地對掘進(jìn)機的截割穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、使用壽命進(jìn)行評價；

2）當(dāng)截齒圓柱旋轉(zhuǎn)角為12°時，掘進(jìn)機具有最佳的截割特性，能夠顯著降低截齒的磨損，提高截割穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性。