左 斌
(同煤集團(tuán)四老溝礦,山西大同 037001)
通過對現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行研究,當(dāng)綜掘巷道內(nèi)部的掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí),其截割頭極易出現(xiàn)各種狀況的磨損,這不僅對掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行效率造成了較大影響,而且對該設(shè)備的運(yùn)行造成了不良影響。作者通過到綜掘工作面對掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行深入研究,對截割頭配套單元的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析得出,在截割煤層的過程中,其截割頭主要存在以下幾點(diǎn)問題:(1)截割頭所配置的截齒出現(xiàn)了嚴(yán)重的損壞,需要頻繁更換,對生產(chǎn)效率造成了影響;(2)在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的過程中,因截割頭出現(xiàn)了切入問題,導(dǎo)致其出現(xiàn)過載停機(jī)的問題;(3)在工作的過程中,因截割頭尾端存在較大的振動現(xiàn)象,導(dǎo)致截割頭因受力不均勻而受到破壞。因此,在對截割頭的配套設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)當(dāng)對截割過程中產(chǎn)生的問題進(jìn)行綜合考慮,與實(shí)際運(yùn)用相結(jié)合,并設(shè)計(jì)出截割頭配套體系的優(yōu)化方案,確保其穩(wěn)定運(yùn)行[1]。
針對現(xiàn)階段我國煤礦所采用的懸臂式掘進(jìn)機(jī),對其截割頭及其配套體系進(jìn)行深入分析與運(yùn)算。通過對某個(gè)型號的懸臂式掘進(jìn)機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行收集:電機(jī)的功率為260/110 kW,轉(zhuǎn)速是37 r/min,扭矩是37.4 kN·m;直徑與長度分別為1 036 mm和1 120 mm;截齒量為50個(gè);傳輸?shù)男蔬_(dá)到95%。借助計(jì)算機(jī)仿真模擬輔助系統(tǒng)來進(jìn)行截割頭及其配套體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)將掘進(jìn)機(jī)的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行記錄,并將巖石截割時(shí)的受力狀況進(jìn)行模擬。對掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)及截齒的排列情況進(jìn)行深入分析,以完成截割頭及其配套設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)的截割頭與巷道煤層產(chǎn)生接觸,并出現(xiàn)相應(yīng)的壓力時(shí),經(jīng)過實(shí)際測量得出壓力大于等于300 MPa,截割頭進(jìn)行負(fù)載進(jìn)刀時(shí)的扭矩為35 kN·m;當(dāng)截割頭進(jìn)行煤層切入的時(shí)候,其扭矩大約為59 kN·m,超過了最大的扭矩值。因此,在綜掘巷道的煤層中,若截割頭及其配套體系所處的截割部位越深入,其承受扭矩值就會越大,受損振動問題就會越嚴(yán)重,截割頭的穩(wěn)定性就會越低,故障發(fā)生率就會越高[3]。
首先,應(yīng)當(dāng)對截割頭的直徑及其所承載的扭矩進(jìn)行調(diào)整,并在基于截割頭的電機(jī)扭矩為主來開展配套設(shè)備的模擬試驗(yàn),通過降低截割頭的扭矩來減少截割頭的直徑,這樣就可以對截割頭進(jìn)行有效控制,如圖1所示。
當(dāng)掘進(jìn)機(jī)正常運(yùn)行時(shí),截割頭將會以轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn),其回轉(zhuǎn)中心做水平運(yùn)動,通過計(jì)算來進(jìn)行取點(diǎn),并創(chuàng)建相應(yīng)的三維坐標(biāo)模型,對截割后斷面所呈現(xiàn)出的形狀進(jìn)行模擬[4]。如圖所示,形狀呈現(xiàn)為月牙狀,這是由于掘進(jìn)機(jī)的截割頭直徑出現(xiàn)變化,導(dǎo)致受力出現(xiàn)差異,因此截割斷面也存在一定的差別。在進(jìn)行優(yōu)化改善之后,截割頭的直徑變?yōu)? 050 mm。
圖1 掘進(jìn)機(jī)截割頭橫擺工況截割所受阻力
通過深入分析綜掘巷道所具有的條件,以增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)的工作效率為目的,運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真模擬的辦法,適當(dāng)調(diào)整截齒的排列狀況。首先,對截割頭內(nèi)部的截齒進(jìn)行編號,在一定的限制范圍之內(nèi)將截線的間距及周邊的間隔角進(jìn)行改變,同時(shí)對部分截齒的角度進(jìn)行再次設(shè)定。在進(jìn)行截割的過程中,可以將配套截齒的受損狀況加以改善,從而對截割頭的截齒加以保護(hù)。在對截齒的分布狀況進(jìn)行轉(zhuǎn)變的時(shí)候,應(yīng)當(dāng)遵循相應(yīng)的原則,增強(qiáng)截割頭的工作效率,使改良之后的截割頭可以高效穩(wěn)定運(yùn)行[5]。
(1)截線間距所處的范圍為2~6 mm。
(2)周向間隔角所處的范圍為15°~60°。
(3)截割功率的限制:
Pe-Pj>0
式中:Pe和Pj分別為截割功率的額定數(shù)值和改善之后的截割功率。
(4)截齒分布的限制:
βm>85°
式中:βm為最內(nèi)側(cè)截齒的傾斜角。
(5)截齒安裝間距的限制:
Lk>80 mm
式中:Lk為相鄰截齒的齒尖距離。
原先所采用的掘進(jìn)機(jī)的截割頭截齒的排列狀況并無法適應(yīng)生產(chǎn)的需求,導(dǎo)致截割頭不具備迅速的平移速度,而截齒的損壞速度也會加快,通過優(yōu)化改善,將截割頭頂部的截齒進(jìn)行增加,并與改良之后的截齒角度相結(jié)合,通過開展計(jì)算機(jī)仿真模擬試驗(yàn)將截齒的數(shù)量設(shè)置為39個(gè),當(dāng)接觸數(shù)得到確認(rèn)之后,各個(gè)截齒之間所承受的合外力差異不斷減少,隨著時(shí)間的不斷變化,截割頭所受的外力也逐漸降低,極大緩解了截割頭的振動現(xiàn)象[6]。對于掘進(jìn)機(jī)而言,這種調(diào)整使截割頭的平移速度不斷加快,而在對截齒的排列狀況進(jìn)行優(yōu)化改良時(shí),也對截割頭切入到煤層的情況加以改善,在對截齒的排列進(jìn)行轉(zhuǎn)變時(shí),需要對切入與平移的水平加以考慮,基于受力條件的背景下進(jìn)行調(diào)整,同時(shí)對截割頭的底座加以保護(hù)。
在對截割頭的直徑、截齒的數(shù)量及角度進(jìn)行改良之后,截割頭運(yùn)行時(shí)的受力狀況不斷增加,使截割頭尾端的受損狀況得以改善,因此應(yīng)盡可能改善截割頭尾端的磨損狀況。在對截割頭的尾端進(jìn)行改良時(shí),應(yīng)當(dāng)基于改良之后的截齒數(shù)來進(jìn)行優(yōu)化,切實(shí)保證截割頭部及尾部的性能。在選擇截割頭部及尾部的制作材料時(shí),首先需要選擇進(jìn)口合金,這種合金不僅可以使截割頭的穩(wěn)定性與耐磨性得以提升,而且使截割頭底座的使用壽命得以延長,極大改善了截割頭的切入狀態(tài)。在選用合金材質(zhì)的時(shí)候,應(yīng)當(dāng)重視煤層及巖層的地質(zhì)狀況,盡量延長底座的使用時(shí)間,從而使其創(chuàng)造出更大的價(jià)值[7]。
將改良之后的截割頭應(yīng)用于某煤礦實(shí)際生產(chǎn),其應(yīng)用結(jié)果如下。
(1)切割效率得到顯著提升。截割頭在改良之后可以與環(huán)境更加適應(yīng),截齒與巖層之間存在的夾角與力學(xué)特征更為相符,切入的深度也得到加強(qiáng),同時(shí)截齒所具有的屬性、硬性等于所切割巖層的屬性更加吻合,最大化地降低了磨損狀況,確保了截割的穩(wěn)定性。
(2)截割性能得到改善。通過對截割頭中截齒的數(shù)量、排列狀況等進(jìn)行改善,使其使用壽命得到提升,并取得較好的應(yīng)用效果。
(3)磨損程度得到極大改善。通過對截齒的數(shù)量及角度進(jìn)行調(diào)整,使截割頭上部的截齒磨損降至最低,提高截齒的使用時(shí)間,同時(shí)在截割的過程中維持截割頭的完整性。
(4)綜合性能得到極大提升。截割頭在改良之后,其截割效率、受損狀況等均得到了改善,在對掘進(jìn)機(jī)的截割頭進(jìn)行優(yōu)化改良之后,使煤層與截割頭配套系統(tǒng)的結(jié)合度更高,使截割頭所具有的性能得到極大改善。
(5)生產(chǎn)效率得到顯著提升。在將截割頭及其配套設(shè)施進(jìn)行優(yōu)化改良之后,該設(shè)施的生產(chǎn)性能、生產(chǎn)效率得到了極大提升,創(chuàng)造了較大的價(jià)值[8]。
通過對截割頭的配套設(shè)施加以優(yōu)化,將配套設(shè)施的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,截割頭的其他參數(shù)不加以改變,極大緩解了截割頭配套設(shè)施的振動及受損狀況,防止其出現(xiàn)過載停機(jī)的問題,增強(qiáng)掘進(jìn)機(jī)的工作效率。對于新型截割頭的設(shè)計(jì)而言,改良之后的截割頭配套體系對其具有較大的參考意義。