掘進機截齒在不同工況下的截割阻力分析

李 剛

（山西天地煤機裝備有限公司，山西 太原 030006）

引言

掘進機是對煤礦進行巷道開采的主要設備，由于我國煤炭的開采量較大，對掘進機的應用較多。掘進機在工作過程中，其振動是引起故障的主要原因，這是由于掘進機在運行過程中，由于礦井下煤層的分布不均[1]，礦井中巖石的含量不同，造成截割頭受到的外部載荷較為復雜，且由于自身減速器的誤差及嚙合產生的激振力，造成截割頭受到綜合的非線性載荷，引起掘進機的振動[2]。針對掘進機截齒在工作過程中受到的截割阻力進行分析，采用非線性的動力學分析軟件對橫截及鉆進兩種不同工況下的截割阻力進行仿真分析，從而對掘進機的振動研究提供基礎，盡量減小掘進機的振動，提高掘進機工作的穩定性和可靠性。

1 掘進機截齒兩種典型工況分析模型的建立

掘進機進行煤巖截割的過程即截齒進行煤巖的截割，截齒不僅受到煤巖對截齒的反作用力，同時由于截割頭的旋轉及進給，還受到摩擦力的作用，截齒受到的作用力可以分為沿截割方向的截割阻力，沿進給方向的牽引阻力，沿截齒側向的側向力，截割頭受到的作用力即為所有截齒作用力的合力[3]。

掘進機進行掘進的過程中，依據截割頭進給的方向不同，可以分為橫截及鉆進兩種工況，對截割的過程進行仿真模型的建立。首先建立兩種工況的幾何模型，在建模過程中，為了簡化運算，僅保留截割頭的輪廓及截齒，對兩種典型工況分別進行建模，得到截齒兩種工況下的截割幾何模型如圖1 所示。

圖1 兩種典型工況幾何模型

利用分析軟件，可對截割頭及煤巖的性質進行定義。采用實體單元進行模型的網格劃分，選擇自由網格劃分的，對橫截工況的煤巖采用掃掠網格劃分，對鉆進工況的煤巖采用自由網格劃分[4]，可以得到兩種工況的截齒截割有限元模型如圖2 所示。

圖2 兩種典型工況有限元模型

對所建立的模型進行材料的設定，截齒及截割頭作為剛性體，且主要分析截齒所受到的載荷，其變形可以忽略，采用一定的剛體材料。根據煤層中的巖石及相關材料，煤層占比約為10%～20%，其余為砂巖層，由于煤層的組成較為復雜，在軟件的材料庫中選擇與巖層性質相近的材料[5]。截齒在截割過程中，受到煤巖的擠壓及剪切作用，設定接觸池與煤巖的接觸類型為侵蝕接觸，截齒為接觸面，煤巖為目標面，所接觸煤巖的外部單元失效后，剩下的單元仍然作為接觸單元。完成對截齒截割模型的建立及設定，即可對兩種典型工況下的載荷作用進行分析。

2 掘進機截齒典型工況截割阻力的仿真分析

2.1 橫截工況載荷仿真

對截割頭的運動參數進行設定，橫截工況時，設定截割頭的旋轉速度為42 r/min，進給速度為0.03 m/s。時間步長的控制可以對仿真的質量縮放及時間步長因子進行控制，設定時間步長因子為0.7，由此對橫截時截齒的載荷作用進行分析。對仿真模擬的結果進行后處理分析，設置求解時間為10 s，可以得到如圖3 所示的截割頭受到的三向作用力隨時間的變化曲線，其中Fx表示截割頭受到的牽引阻力，Fy表示截割頭受到的側向阻力，Fz表示截割頭受到的截割阻力。

圖3 橫截工況截割頭的受力變化曲線

2.2 鉆進工況載荷仿真

對截割頭的運動參數進行設定，鉆進工況時，設定截割頭的旋轉速度為42 r/min，進給速度為0.02 m/s。設定時間步長因子為0.7，對鉆進時截齒的載荷作用進行分析。對仿真模擬的結果進行后處理分析，設置求解時間為20 s，可以得到如圖4 所示的截割頭受到的三向作用力隨時間的變化曲線，其中Fx表示截割頭受到的牽引阻力，Fy表示截割頭受到的側向阻力，Fz表示截割頭受到的截割阻力。

從圖3、圖4 中可以看出，在兩種不同的工況下，截割頭所受到的三向力變化呈現一定的隨機性，沒有確定的規律變化；在三種分力中，所受到的牽引阻力最大，側向阻力及截割阻力次之；在三向力變化的過程中，隨機地出現一些數值較大的載荷，造成截割頭受到沖擊作用，從而引起截割頭的振動，所受到的載荷越大，則越容易引起振動。在仿真過程中，設定的煤巖為單一材質，而實際進行截割時，煤層的巖層變化不一，掘進機截割頭受到的沖擊更加復雜，截割頭的振動比較強烈。在實際進行截割過程中，應綜合考慮煤巖的性質，選擇合理的工況進行煤巖的截割。

圖4 鉆進工況截割頭的受力變化曲線

3 結語

掘進機是進行煤礦開采巷道掘進的重要設備，掘進機在使用過程中的振動較強，容易引起掘進機的故障。截齒作為直接進行煤巖截割的部件，在截割過程中受到煤巖的阻力及摩擦力作用引起截割頭的振動。針對橫截和鉆進兩種典型工況下截齒的受力變化進行建模仿真分析，結果表明，在兩種不同的工況下，截割頭受到的三向作用力變化具有一定的隨機性，在三種作用力中，牽引阻力最大，側向阻力和截割阻力次之。三者之間隨機的出現沖擊作用，引起截割頭的振動，在進行掘進的過程中，應綜合考慮煤巖的性質，選擇合理的工況進行煤巖的截割，減少截割頭的振動，提高掘進機的可靠性，為煤礦的開采提供穩定的掘進作業，提高煤礦的開采效率。