不同截線距參數對掘進機截割性能的影響研究

孫亞鵬

（晉能控股煤業集團馬脊梁礦， 山西 大同 037000）

引言

掘進機是一種煤礦用綜合掘進設備，組成部分包括行走機構、裝運機構及截割機構等，常用于煤礦巷道的掘進及隧道的開挖，其中懸臂式掘進機還具有適應性強、機身小及調用靈活等優點，可滿足不同工況生產需求，具有更大的應用前景[1]。其中，對于掘進機截割部，其作為掘進機的工作部件，即與煤巖直接接觸的掘進機機構部件，利用截割頭帶動截齒旋轉完成煤巖截割動作，組成部件有截割頭、懸臂段、截割減速器及截割電機等；對于本體部，其四周同油箱、鏟板部、操作臺、回轉臺和第一運輸機相連接，本體部是利用行走部、后支撐對其起支撐作用；對于行走部，組成部件有行走減速機、驅動輪、履帶鏈、履帶架、漲緊輪組、漲緊油缸、行走馬達及輔助零件；對于鏟板部，鏟板部作為掘進機的收集轉運裝置，利用旋轉作用的五齒星輪，通過鏟板將截割落下的煤體運輸至第一輸送機內；此外，還有對掘進機起支撐作用的后支撐，其可降低掘進機在掘進工作時機體的振動，同時可避免機體出現側向滑動現象；電控箱是采用橡膠減震墊與后支撐座相連接。截割頭作為掘進機的核心工作部件，主要工作是破碎煤巖，截割頭性能的好壞會直接影響掘進機的效率、可靠性及煤炭開采的經濟性等[2]。

1 不同截線距參數對掘進機截割性能的影響

截線距的定義是兩條相鄰截線之間的軸向長短距離，其大小的設置，同截割頭截割煤巖的大小和順利程度、截割阻力所做的有用功大小、截割頭的載荷大小等密切相關，因此，在實際應用中，截線距值的設置直接關系著掘進機截齒布置效果的好壞及截割頭的設計[3]。

本文設定掘進機參數：截割頭轉速是30 r/min，截齒傾斜角是15°、切削角是45°，截深是30 mm，截割時間是6 s，研究不同截線距參數對掘進機截割頭性能的影響，截線距值分別為70 mm、80 mm、90 mm。

圖1 是在截線距參數是70 mm 時得到的掘進機截割頭截割力、截割力矩同時間的變化關系圖，此時，掘進機截割力均值是330 N，截割力矩均值是365 N·m。

圖1 截線距是70 mm 時掘進機截割頭截割力和力矩變化曲線

下頁圖2 是在截線距參數是80 mm 時得到的掘進機截割頭截割力、截割力矩變化關系圖，此時，掘進機截割力均值是531 N，截割力矩均值是607 N·m。

圖2 截線距是80 mm 時掘進機截割頭截割力和力矩變化曲線

下頁圖3 是在截線距參數是90 mm 時，得到的掘進機截割頭截割力、截割力矩變化關系圖，此時，截割力均值是796 N，截割力矩均值882 N·m。

圖3 截線距是90 mm 時掘進機截割頭截割力和力矩變化曲線

從圖1、圖2 和圖3 對比可以看出，隨著截線距的增大，掘進機截齒的截割力和截割力矩也逐漸增大，這是因為隨著截線距的不斷增大，相鄰截割槽間的距離也隨之增大，這就造成兩個截割槽間的一部分煤不能被截割完成，產生的煤脊較厚，導致截割載荷的持續遞增。

繼續深入對掘進機截割頭截落煤壁的數量進行分析，并利用LS-PREPOST 后處理軟件得到圖4 所示結果。

圖4 截線距是70 mm 時截割頭截割煤壁完成后剩余的單元數量

從圖4 可知，當截線距參數是70 mm 時，掘進機截割頭截割煤壁前，煤壁單元總數是13 824，模擬研究6 s 結束后，煤壁剩余單元總數是12 974，通過計算可得出，被截割頭截落的煤壁單元總數是850，而單個單元的體積是1.25×10-4m3，因此，根據以上參數，就可得到在整個截割進程中截割頭截落煤壁體積是0.106 3 m3。繼續對截線距是80 mm、90 mm參數下的截割頭截落的煤壁體積進行分析計算，得到當截線距是80 mm 時，截齒截落的煤壁體積是0.113 3 m3；當截線距是90 mm 時，截齒截落的煤壁體積是0.107 9 m3。

為了進一步分析截線距對掘進機截割性能的影響，截割比能耗計算公式如下：

式中：Hw是截割比能耗，kW·h/m3；t 是截割時間，s；n是滾筒轉速，r/min；是截割力扭矩均值，N·m；Vm是截割截落的煤壁體積，m3。通過計算得到不同截線距參數下，掘進機截割頭截割煤壁的截割比能耗大小。當截線距是70 mm 時截割比能耗0.018 kW·h/m3；當截線距是80 mm 時截割比能耗0.028 kW·h/m3；當截線距是90 mm 時截割比能耗0.040 3 kW·h/m3。由此可對比看出，隨著截線距值的增大，掘進機截割比能耗逐漸增大。

截線距參數設置不合理時會影響采煤的效果，如果設置太小，相鄰截割兩槽間距太近，盡管使截齒的截割力降低，但是卻不能有效發揮出煤壁的崩落效應，造成崩落的煤塊體積小，使煤礦開采效率降低；如果設置太大，相鄰截割槽間的煤體就會出現難以脫落的現象，使現場截割煤層的粉塵濃度上升，造成煤炭開采不環保、不經濟。綜上，在掘進機截深參數一定的前提下，存在一個最優的截線距值，其不僅可以很好地發揮煤壁的崩落效應，使崩落的煤體體積大，且可使截割頭截割阻力所做功大幅降低[4]。

2 結論

由于掘進機截割頭性能的好壞會直接影響掘進機的效率及煤炭開采的經濟性等，因此，本文就主要分析不同截線距參數對掘進機截割頭性能的影響，結論如下：

1）隨著截線距的增大，掘進機截齒的截割力和截割力矩也逐漸增大。

2）隨著截線距的增大，掘進機截割比能耗逐漸增大。

3）截線距參數設置不合理時會影響采煤的效果，在截深一定時，存在的最優截線距，不僅可以很好地發揮煤壁的崩落效應，使崩落的煤體體積大，且可使截割頭截割阻力所做功大幅降低。