掘進機截割速度變化過程分析

楊尚武 任艷東

（1.三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027；2.沈陽匯眾汽車底盤系統有限公司，遼寧 沈陽 110041）

0 引言

懸臂式掘進機作為煤礦井下最重要的掘進設備，主要用于巷道掘進，對煤礦開采的推進工作產生直接影響作用。懸臂式掘進機本身以懸臂回轉、俯仰的方式完成煤巖切割，并且實際工作中對機身、巷道底板依賴性非常大，這期間的摩擦力與截割位置阻力變化是保證懸臂式掘進機平衡的關鍵。所以研究截割速度變化過程的分析對掘進機截割效率及穩定性有巨大價值。

掘進機的截割頭上裝有螺旋排列的截齒，通常采用三條式螺旋線結構的截割頭，在截割臂內的傳動軸的驅動下，截割頭的截齒相對截割臂軸線進行旋轉運動。截齒與煤巖壁觸碰，對煤巖壁施加相應的擠壓，將破碎物料從煤巖壁上剝離掉。在此工作進行中會產生截割阻力，作用在截齒上，在日積月累的截割摩擦力的作用下，消耗截齒，導致截齒斷裂、消耗不均、截齒座受損等問題。截割頭在截割過程中因各截齒受力不均勻產生振動現象，影響了煤炭生產企業的開采掘進效率，而且還會造成較大的經濟損失。該文對掘進機截割速度變化、截割頭受力情況進行對比及研討，綜合分析出最適合的速度，為截割工作的經濟性與高效性提供了一定的參考依據。

1 模擬截割思路分析

標準掘進設備中，截割頭的材料為鑄鋼與尺座材料為35CrMo，碳當量=0.49%，齒座材料為35CrMo，碳當量=0.65%。以上兩種金屬的含碳量比較高，硬度也是相對較高，截割頭上裝有螺旋排列的截齒，截齒由貫穿齒座、卡簧等組裝在截割頭上，通常采用三條式螺旋線結構的截割頭，也有小型設備為兩條式螺旋線結構的截割頭。該文討論的是三條式螺旋線結構的截割頭。

LS_DYNA模擬軟件是全球最知名的通用顯式動力分析程序，可以模擬任何復雜的結構計算問題，特別適合求解碰撞、爆炸、侵徹等非線性動力問題。該文討論的設備平行截割物料的分析屬于這類動力學研討的特點，所以使用這個應用程序模擬試驗比較合適。

采用LS_DYNA程序模擬截齒截割煤巖的動力學過程：1） 由于煤巖材料不屬于物質完全彈性體，它既不是完全彈性體，也不具有脆性體常規特征，但又無法塑性變形，正確概況總結煤巖被掘進時的物理特質、變化形式和損壞模式，合理選擇模擬材料模型，才可以將該文討論的平行截割煤巖的模擬的動力學分析精準。2） 利用ANSYS/LS_DYNA軟件模擬截齒在旋轉和進給復合工況下截割煤巖的動力學過程，獲得截割過程中受到的截割阻力及煤巖的應力云圖。3） 選取相同的截齒截割角，對截割頭截割侵入速度做出改變，對此過程進行模擬，獲得不同設計下截齒在截割煤巖過程中受到的動態載荷的變化曲線。對比分析獲得的結果，提供指導信息。

2 截割工作分析

2.1 幾何模型及有限元模型的建立

在CREO中創造出掘進機截割頭及煤巖的三維模型，煤巖設置可以在數值模擬程序ANSYS/LS-DYNA中對有限表面添加無反射邊界條件來模擬無限大的地下空間，所以建立一個立方體即可體現模擬，尺寸邊長均1200mm即可，加載進ANSYS程序內。掘進機截割過程主要分兩個工作種類，平行截割工作和鉆進截割工作。破壞煤巖、截割物料的絕大多數時候采用的都是第一種平行截割，所以該文分析平行截割工作不同速度的影響。

平行截割截割頭劃分100180單元及煤巖劃分116160的模型如圖1所示。

圖1 平行截割有限元模型

2.2 定義接觸類型

該文研究的是掘進機截割頭平行截割煤巖破壞的過程，煤巖物料會因截齒的擠壓侵入而被破壞，在軟件中表現為煤巖單元的失效，需要選取面面接觸算法分析，在內部確定為侵蝕接觸分析法。（CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE），即表面單元接觸1面～2面時會觸發材料失效，單元中依舊計算剩余單元的接觸，比較適合掘進機截割頭平行截割物料時的模擬分析。在分析前，導入模型后的準備工作包括分別定義相同單元的類型，將截割部定義為剛體可提高計算速度，截割頭定義為CONTACT PART，煤巖定義為TARGET PART。

2.3 載荷及材料

該文主要研究的是掘進機截割頭平行截割運動，需要限制截割頭其余四個自由度上的運動，同時也限制煤巖的移動或旋轉。市場占有率比較高的EBZ200/260機型，截割頭轉速均為44r/min，因此定義旋轉速度為此轉速。平行掘進速度為0.6m/min、1.2m/min及1.8m/min。

在軟件材料庫中選出適合的材料模型，近似泥土材料、具有塑性結構的模型即可，在可選范圍之間選取硬度有巖石特性的即可計算。文中將相應的參數設置為煤體的材料參數，模型材料構建與之接近即可，然后進行對應修改。當掘進機工作時，截割頭及截齒的變形比較小，并且該文在模擬中主要研究整體截割頭的受外力情況，所以無須計量內部應力。分析需要的材料參數見表1。

表1 煤巖和截齒的材料參數

2.4 煤巖破壞參數的設定

ANSYS/LS-DYNA提供了關鍵詞“MAT_ADD_EROSION”用于創建數值模擬系統中的物料破碎失效的特定單元。煤巖的抗剪強度為1.1MPa～16.2MPa，抗拉強度為2.0MPa～4.9MPa。在掘進機截割頭截割物料軟件數據彈窗設定煤巖的抗剪強度為3MPa，抗拉強度為2.3MPa。數值模擬系統中當某些部位煤巖因截割頭上截齒的截割作用使剪切力達到3MPa或拉應力達到2.1MPa時，煤巖發生破壞[4]，在計算分析軟件的彈窗會出現失效的單元格。最終在分析前在K文件中設置關鍵詞可以在數值模擬整個進行內容時監測不同的單元所承載的剪切力和拉應力。

2.5 求解及后處理

在模擬計算后，對應展示結果被寫入輸出窗口內。要了解具體相對真實的截齒截割物料過程，需要對模擬結果進行后處理，讀取和分析數據，然后利用LS-PREPOST插件后處理器對模擬結果進行后處理和分析。在計算機中模擬截割頭平行截割截割頭截割煤巖的過程如圖2所示。

圖2 平行截割截割頭截割煤巖的應力云圖

2.6 不同截割速度對應的結果

該文截割轉速均設定為=44r/min，然后討進行進給速度變化差異分析。當進給速度=0.6m/min時，截割頭在截割煤巖工作過程中，截割頭所受到的三向力曲線及合外力曲線如圖3～圖4所示，最大三向力231.9N，最小三向力-2802.8N，最大合外力2803.2N。

圖3 截割頭的三向力曲線

圖4 截割頭的合力曲線

當進給速度＝1.8m/min時，截割頭在截割煤巖工作過程中，截割頭受到的三向力曲線及合外力曲線如圖5～圖6所示，最大三向力608N，最小三向力-1781.4N，最大合外力1787.4N。

圖5 截割頭的三向力曲線

圖6 截割頭的合力曲線

表2進給速度不同時，截割頭所受到的各向阻力的統計值。

表2 平行截割不同速度時阻力統計值

2.7 結論

截割阻力顯示為力的突變反映，體現出煤巖為整實體情況脫落前截割阻力逐漸增大，然后出現峰值，在壓實核脫落瞬間，截割阻力迅速減小為零，體現了截割煤巖破壞的機理。

不同的平行截割工作速度，截割頭受力表象差異有很大的不同。三向力在截割過程中均呈現出不規則的波動，主要是與煤巖各向異性的性質及煤塊的崩裂有關。

截割進給速度在0.6m/min時，受到的合外力均值最小，對應的截割頭上的截齒消耗也最小，但工作效率會低，工作時間會長。

截割進給速度在1.8m/min時，截割頭承擔的抗拒阻力和仰角向力增大到同截割阻力處于同一水平，使截割頭所受的力相對平衡。所以，進給速度在1.8m/min時，掘進機截割頭的受力相對平穩，工作速率高。

掘進機截割頭平行截割工況的方向所受外力最大，截割頭上受力最大的都是在截齒接觸煤巖的法向面方向。

3 結語

該文進行了掘進機截割頭平行截割不同速度的模擬分析。截割頭在平行截割時的合外力隨時間成長的波動幅度，差異系數也隨之增加，說明截割頭受力差異幅度越震蕩，截割頭振動越激烈。

該文還進行了截割頭整體仿真分析，驗證了優化結構的合理性，可避免過多的截齒試驗，縮小設計周期，降低成本。通過對不同參數的截割煤巖的模擬分析，對截割頭的結構進行優化設計，基于顯式動力學建立截齒截割煤巖的仿真模型，通過分析截割受力情況，為截割頭截齒設計及空間排布提供重要參考，為掘進機日新月異的發展做出了數據支持，也是該模擬試驗的重大價值體現。

在保證掘進機截割部正常掃料落煤的情況下，根據地質條件合理確定進給速度，能降低截割部截齒的受力及損耗，為提高掘進機的井下截割工作效率提高做出了數據支撐，對掘進機實際工作具有一定的參考價值。