戴建平

(中國煤炭科工集團(tuán) 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

矩形掘進(jìn)機(jī)主要用于煤礦巷道的掘進(jìn)，截割矩形斷面的刀盤設(shè)計新穎，采用前后雙刀盤組合結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。刀盤通過復(fù)合運(yùn)動最終截割成近似正方形的擬合斷面，見圖2。

1-電動機(jī)；2-減速器；3-傳動箱；4-方刀盤；5-圓刀盤。圖1 刀盤結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 刀盤截割斷面形狀示意圖

為檢驗(yàn)矩形掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用效果，針對關(guān)鍵部件刀盤，研制了一種專用試驗(yàn)臺，在地面試驗(yàn)場地進(jìn)行刀盤截割假煤壁試驗(yàn)，通過試驗(yàn)觀察刀盤實(shí)際截割斷面形狀、截割力學(xué)關(guān)系、排渣出煤效果等，分析驗(yàn)證矩形掘進(jìn)機(jī)截割刀盤設(shè)計的合理性。

1 刀盤功率及推力確定

1.1 刀盤推力計算

刀盤推力可采用兩種方法計算:

1) 方法Ⅰ：參考北方重工矩形掘進(jìn)機(jī)(3.8 m×5.8 m)刀盤推力實(shí)際驗(yàn)證數(shù)據(jù)，類比矩形小刀盤(1.9 m×1.9 m),得出最大推力參考值,見表1。

表1 方法Ⅰ刀盤推力計算

2) 方法Ⅱ：按標(biāo)準(zhǔn)刀型截齒切割中硬煤巖的參考值,用公式計算,見表2。

表2 方法Ⅱ刀盤推力計算

為盡可能保證可靠性，采用方法Ⅰ確定最大推力,其參考值為46 t。

1.2 刀盤截割功率計算

刀盤截割功率可采用兩種方法進(jìn)行估算：

方法Ⅰ：比能耗值估算刀盤功率。按實(shí)際刀盤結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)刀型截齒切割中硬煤巖的比能耗估值，根據(jù)公式計算刀盤功率,見表3。

方法Ⅱ：根據(jù)刀盤截割阻力近似估算，見表4。

小刀盤功率(電動機(jī))實(shí)際設(shè)計值為150 kW，低于表3中的計算值,但考慮小刀盤前后為雙刀盤結(jié)構(gòu)，實(shí)際工況只有約2/3全斷面切割，故表3的計算取值較保守。因此,保持實(shí)際設(shè)計值為150 kW不變，實(shí)踐結(jié)果有待試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

2 刀盤截割試驗(yàn)方案設(shè)計

2.1 試驗(yàn)方法

通過專用試驗(yàn)臺，在地面試驗(yàn)場地進(jìn)行小刀盤切割假煤壁試驗(yàn)，近似模擬實(shí)際切煤工況，再通過數(shù)據(jù)分析，測評小刀盤的實(shí)際工效。

表3 方法Ⅰ刀盤功率計算

表4 方法Ⅱ刀盤功率計算

在試驗(yàn)過程中，通過采集加載油缸的壓力值、位移值及油缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算出不同推進(jìn)速度時的推進(jìn)力，得到推進(jìn)力、推進(jìn)速度、位移的關(guān)系曲線。通過采集刀盤電動機(jī)的電流測定刀盤功率的變化。在試驗(yàn)臺的不同測試工位，可以調(diào)整測試位置進(jìn)行全斷面和不同的部分?jǐn)嗝媲懈罴倜罕谠囼?yàn)，并隨著不同的煤壁切割狀況，監(jiān)控和測量各種相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)(電流、流量、壓力)的變化，通過分析統(tǒng)計，從多種工況試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證推進(jìn)速度和推進(jìn)力以及刀盤扭矩的關(guān)系。試驗(yàn)過程中，觀察切煤、排渣效果，以及中架溜臺出渣情況是否流暢,有無堆積卡阻現(xiàn)象。

2.2 試驗(yàn)臺的總體布局

刀盤截割假煤壁試驗(yàn)臺由假煤壁和截割試驗(yàn)架組成,總體布置如圖3所示。

1-主架；2-滑架；3-刀盤電動機(jī)；4-主推缸；5-頭架；6-刀盤；7-假煤壁；8-三角托架。圖3 試驗(yàn)臺總體布置

2.3 試驗(yàn)臺的主要特征

1) 假煤壁模擬實(shí)際截割煤巖，堅固性系數(shù)f=3～4。

2) 截割試驗(yàn)架可以移動工位進(jìn)行不同工況的多次測試試驗(yàn)，見圖4。

1-液壓泵站；2-電控箱；3-閥控箱；4-主架；5-主推缸；6-滑架；7-刀盤裝置；8-頭架。圖4 截割試驗(yàn)架的整體結(jié)構(gòu)

3 刀盤截割試驗(yàn)架的研制

3.1 整體結(jié)構(gòu)和主要功能

截割試驗(yàn)架主要由液壓泵站、電控箱、閥控箱、主架、滑架、主推缸、頭架和刀盤裝置等組成。整體結(jié)構(gòu)配置如圖5所示。

截割試驗(yàn)架的主要用于承載刀盤裝置，在截割試驗(yàn)時能夠控制和推進(jìn)刀盤向前截割運(yùn)動。

3.2 機(jī)械部分

1) 刀盤裝置。刀盤為試驗(yàn)的主要研究對象，將其固定在頭架上并隨之軸向滑移，提供旋轉(zhuǎn)截割運(yùn)動。

圖5 截割試驗(yàn)架測試工位

2) 頭架。頭架為刀盤安裝基座，與滑架相連，承載刀盤并支撐于地面進(jìn)行滑移運(yùn)動。

3) 滑架。前部與頭架相連，后部多組滑輪定位，可以沿著主架軌道軸向移動。

4) 主推缸。連接主架和滑架，為刀盤提供截割推力，最大行程1 m。

5) 主架。主架為試驗(yàn)臺基座，焊接固定在地坪預(yù)埋鋼板上，承受刀盤截割反力和扭矩。

3.3 動力部分

動力部分主要由電源(380 V+3.3 kV)、液壓泵站、閥控箱、電控箱、刀盤電動機(jī)等組成，提供整個試驗(yàn)系統(tǒng)的電液動力，并能控制和監(jiān)測相關(guān)參數(shù)。

3.4 試驗(yàn)臺截割機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

試驗(yàn)臺截割機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)見表5。

4 工況試驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 空載行程試驗(yàn)

試驗(yàn)臺首先固定在1#工位，進(jìn)行空載行程試驗(yàn)，小刀盤初始空載行程約80 mm，來回推拉試驗(yàn)，其速度、推拉力曲線如圖6所示，工況1空載行程試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示。

表5 試驗(yàn)臺截割機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)

圖6 空載速度、推拉力曲線

(a)

(b)圖7 空載行程試驗(yàn)

4.2 刀盤截割推進(jìn)試驗(yàn)

假煤壁截割、推進(jìn)試驗(yàn)、推進(jìn)速度、推進(jìn)力曲線如圖8所示，截割推進(jìn)試驗(yàn)現(xiàn)場如圖9所示。

圖8 截割推進(jìn)速度、推進(jìn)力曲線

(a)

(b)圖9 工況1刀盤截割推進(jìn)試驗(yàn)

4.3 刀盤復(fù)位試驗(yàn)

試驗(yàn)臺1#工位推進(jìn)截割結(jié)束后，刀盤回拖復(fù)位，回拖速度、回拖力曲線如圖10所示。然后移至2#工位繼續(xù)試驗(yàn)，工況2刀盤截割試驗(yàn)現(xiàn)場如圖11所示。

圖10 復(fù)位回拖速度、回拖力曲線

(a)

(b)圖11 工況2刀盤截割試驗(yàn)

4.4 試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

通過兩次工位的試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證刀盤截割狀態(tài)及出渣效果。試驗(yàn)過程中,刀盤截割狀態(tài)如圖12所示，中架溜臺出渣效果如圖13所示。

(a)

(b)圖12 刀盤截割狀態(tài)

圖13 出渣效果

5 結(jié)論

通過研制刀盤截割試驗(yàn)架，在地面試驗(yàn)場地進(jìn)行矩形掘進(jìn)機(jī)刀盤截割假煤壁試驗(yàn)，近似模擬實(shí)際截煤工況，通過試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，測評刀盤的實(shí)際工效，其試驗(yàn)結(jié)果表明:該截割試驗(yàn)架結(jié)構(gòu)簡單、可靠，推進(jìn)順利，刀盤截割煤壁、排煤撥煤出渣順暢，無堆積卡阻現(xiàn)象，可以在不同測試工位進(jìn)行全斷面和不同的部分?jǐn)嗝娼馗罴倜罕谠囼?yàn)，并隨著不同的煤壁截割狀況，監(jiān)控和測量各種相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)(電流、流量、壓力)的變化，達(dá)到設(shè)計要求。