掘進機截割及行走系統的優化研究

顏軍杰

（山西蘭花科技創業股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 晉城 048400）

引言

掘進機是煤礦井下巷道掘進的核心設備，在截割作業過程中依靠截割滾筒將煤炭不斷地從煤壁上截割下來，利用行走機構控制掘進機在煤礦井下巷道內的進給運動，滿足巷道的掘進需求。通過對掘進機截割作業過程的分析，由于煤壁結構強度較大，作用在截割滾筒截齒上的截割力呈交變趨勢變化[1]，再加上截割滾筒上截齒的分布不均勻，因此導致了截齒磨損嚴重，使用壽命低。而掘進機的行走機構在井下巷道復雜地質條件下行走時，履帶板的強度不足，在受力情況下容易出現塑性變形，進而導致履帶板斷裂，給掘進機的運行可靠性帶來了嚴重的影響。

結合仿真及結構優化技術的發展，本文提出了一種新的掘進機截割及行走系統優化方案，對掘進機的截割機構、截齒分布、行走系統進行了結構優化，并利用仿真分析和實際驗證的方案，對優化后的掘進機使用可靠性進行分析。結果表明，優化后掘進機截齒的使用壽命提高了17.9%，掘進機的傳動系統故障降低了90.8%，有效地提升了掘進機的使用可靠性。

1 掘進機截割機構受力分析

掘進機的截割系統主要包括截齒、截齒安裝座、截割滾筒等，截齒位于截割滾筒的外側，呈一定的規制排列，掘進機在工作時，截割滾筒按一定截割轉速運行，帶動截齒深入煤壁把煤炭從煤壁上截割下來，在不同的時間段內參與截割的截齒數量及截齒的工作狀態存在較大差異，導致不同位置的截齒在截割作業時的受力存在較大不均勻性[2]。

利用三維建模軟件按1∶1 的尺寸比例建立采煤機截割滾筒的三維模型，將其導入到ANSYS[3]仿真分析軟件中，分別對采煤機在平直運動和進給運動情況下采煤機截齒上的受力分布情況進行分析，結果如圖1 所示。

圖1 不同工況下采煤機截齒受力變化曲線

由圖1 可知，當采煤機在進行平直運動的時候，采煤機的截齒是處在非連續性截割狀態，采煤機截割滾筒上的截齒受力存在著較大的差異性，受力最大的截齒為第6 號截齒，最大受力約為404.6 N，受力最小的截齒為第36 號截齒，最小受力約為13.9 N。為了對采煤機截齒受力的不均勻性進行描述，本文引入了變異系數的概念，其等于不同截齒受力的均方差和平均值之間的比值，變異系數越大表示受力越不均勻，經過計算，采煤機截齒在平直運動狀態下的變異系數約為0.839。

當采煤機在進給工況下運行時，各個截齒的受力同樣存在著較大的不均勻性，當截齒與煤壁接觸時的受力較大，未和煤壁接觸的截齒處于非受力狀態，其中受力最大的截齒為第28 號截齒，最大的受力為313.8 N，受力最小截齒的受力為0 N，通過計算，在該工況下采煤機截齒的變異系數為1.357，存著極大的不均勻性。

2 采煤機截割機構優化

根據分析表明，采煤機截齒之間的截線間距對受力的影響較大，因此可以通過優化截齒的截線間距來對采煤機的截割特性進行改善，以采煤機截割作業時的截齒受力為依據，對不同位置的截齒間距進行調整，不同截齒間的截線間距優化前后對比如圖2 所示，優化后的截齒間距比優化前平均降低了0.9 mm，改善了截割作業時作用在截齒上的受力情況。

圖2 優化前后采煤機截齒間距對比示意圖

采煤機截割機構優化后，利用ANSYS 仿真分析軟件，在相同的工況下對采煤機在平直運動和進給運動情況的截割受力情況進行對比。在平直工況下，優化后截齒的受力變異系數由最初的0.839 降低到了0.526，比優化前降低了37.3%。在進給工況下，優化后截齒的受力變異系數由最初的1.357 降低到了0.938，比優化前降低了30.9%。由此可知，優化后顯著提升了掘進機截割作業時的可靠性，截齒的平均使用時間由最初的44.3 d 提升到了52.3 d，優化后掘進機截齒的使用壽命提高了17.9%，對降低截齒磨損、提高截齒使用壽命具有十分重要的意義。

3 采煤機行走系統改造方案

采煤機行走系統的主要問題在于，履帶板的強度不足，在受力情況下容易出現塑性變形和斷裂，因此在對采煤機行走系統進行分析后，提出了一種新的結構優化方案。維持采煤機履帶板的節距不變，然后對履帶板的整體尺寸和筋板位置進行調整，在履帶板的架體上設置了輔助支撐結構，改善其受力狀態，確保了履帶板在工作時能夠處在彈性變形區域，減少發生塑性變形的概率。

為了提高行走機構在復雜地形條件下的緩沖性，采用了150 mm 推移千斤頂來作為采煤機行走系統的輔助液壓裝置，在推移千斤頂的前面設置了一個導向套，對千斤頂進行封閉，提高在復雜地質條件下的使用可靠性。為了進一步提高采煤機行走系統和底板之間的摩擦系數，提高行走系統在行走時和地面的附著力，提高應力承受能力，液壓系統的推進裝置的動力來自于液壓泵站，在液壓系統的控制下，提高工作壓力，進而提升了系統工作時的輸出轉矩，保證了采煤機在不同工況下的可靠性，優化后采煤機履帶板整體結構如圖3 所示。

圖3 優化后履帶板結構示意圖

通過對采煤機履帶板的優化，提升了履帶板的結構強度，進而提升了在不同工況下的工作穩定性，根據實際應用表明，優化后采煤機行走系統故障數量由最初的1.2 次/d 降低到了目前的0.11 次/d，故障率降低了90.8%，顯著提升了采煤機行走系統的工作穩定性和可靠性。

4 結論

1）采煤機截齒之間的截線間距對受力的影響較大，可以通過優化截齒的截線間距來對采煤機的截割特性進行改善；采煤機行走機構強度不足可以通過優化結構、提高履帶結構強度等方案來加強；

2）優化后掘進機截齒的使用壽命提高了17.9%，掘進機的傳動系統故障率降低了90.8%，對提升掘進機工作穩定性和可靠性具有十分重要的意義。