龔偉華

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司馬脊梁礦，山西 大同 037003）

引言

在煤礦開采過程中，自動(dòng)化的綜采掘進(jìn)能夠有效地提高開采的效率，降低開采的成本，提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益。掘進(jìn)機(jī)是進(jìn)行自動(dòng)化開采的關(guān)鍵設(shè)備，截割頭作為直接的開采部件，其割煤的效率決定了掘進(jìn)機(jī)的截割效率[1]。截割頭的運(yùn)動(dòng)速度與自身受到的載荷及截割比能耗具有直接的關(guān)系。在進(jìn)行礦井的掘進(jìn)過程中，運(yùn)動(dòng)速度的不同影響著掘進(jìn)機(jī)的效率及使用壽命[2]。針對(duì)截割頭運(yùn)動(dòng)速度的影響，采用有限元分析的方式，對(duì)截割頭的橫切速度和鉆進(jìn)速度分別進(jìn)行分析，從而確定最優(yōu)的截割狀態(tài)及截割性能，獲得合理的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提高截割的性能。

1 掘進(jìn)機(jī)截割煤壁模型的建立

對(duì)掘進(jìn)機(jī)的橫切速度及鉆進(jìn)速度進(jìn)行分析，包含了橫截工況及鉆進(jìn)工況，采用UG 進(jìn)行截割頭及煤壁三維模型的建立，設(shè)定選取的煤壁規(guī)格（長(zhǎng)×寬×高）為1 200 mm×1 200 mm×1 200 mm，將所建立的實(shí)體模型導(dǎo)入到LS-DYNA 分析軟件中。LS-DYNA 是動(dòng)力分析軟件，在工程領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，對(duì)結(jié)構(gòu)、沖擊、地質(zhì)變化等結(jié)構(gòu)分析問題具有較高的可靠性[3]。

由于截齒及截割頭的形狀復(fù)雜，采用四面體單元的形式對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定單元的邊長(zhǎng)為50 mm 進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，得到如圖1 所示的有限元模型。設(shè)定截齒和截割頭的材料模型為20 號(hào)RIGID剛體材料，煤巖的材料模型為D-P 彈性材料，由此對(duì)掘進(jìn)截割的橫切速度及鉆進(jìn)速度進(jìn)行仿真分析。

圖1 截割模型的建立

2 掘進(jìn)機(jī)截割速度對(duì)截割性能的影響分析

掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行截割的過程中，截割頭在進(jìn)行繞軸線旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，還要沿著垂直于軸線的方向進(jìn)給，從而進(jìn)行煤壁的剝落。在截割過程中，截割頭的橫切速度及鉆進(jìn)速度與截齒的截割性能具有直接的關(guān)系，因此對(duì)兩者的影響作用分別進(jìn)行分析。

2.1 橫切速度對(duì)截割性能的影響

對(duì)截齒的橫切速度進(jìn)行分析，選取四種不同的橫切速度分別為1.8 m/min、3.0 m/min、3.6 m/min、4.8 m/min，設(shè)定截割轉(zhuǎn)速為30 r/min，切削的厚度為30 mm，對(duì)四種不同的橫切速度下的截割過程進(jìn)行仿真分析。如圖2 所示為橫切速度為1.8 m/min 時(shí)截割載荷的仿真結(jié)果。

圖2 橫切速度1.8 m/min 時(shí)的載荷（Pa）作用圖

依次統(tǒng)計(jì)不同橫切速度下的截割載荷平均值及截割比能耗，得到如下頁(yè)圖3 所示的變化曲線。從圖3 中可以看出，隨著橫切速度的增加，截割力的平均值呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，而截割比能耗隨著橫切速度的增加，呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。這說明，在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割的過程中，橫切速度越高，則截割頭的截割能力越強(qiáng)，截割的效率越高，截割煤壁的厚度也有所增加，截割纏身的塊煤率增大，此時(shí)截割產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益更好[4]。同時(shí)，隨著截割頭橫切速度的增加，受到的截割載荷作用也隨之增加，截齒受力較大，容易造成截齒的磨損，降低了截齒及齒座的使用壽命，會(huì)增加掘進(jìn)采煤的成本。當(dāng)產(chǎn)生截齒的損壞時(shí)，需要在井下的環(huán)境中對(duì)截齒進(jìn)行維修更換，需要消耗大量的人力物力，不利于掘進(jìn)過程的進(jìn)行[5]。在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于橫切速度的選取，要綜合考慮截割的效率及截齒的壽命，選取合理的橫切速度。

圖3 截割載荷平均值及截割比能耗與橫切速度關(guān)系曲線

2.2 鉆進(jìn)速度對(duì)截割性能的影響

對(duì)截齒的鉆進(jìn)速度進(jìn)行分析，選取四種不同的鉆進(jìn)速度分別為1.8 m/min、3.0 m/min、3.6 m/min、4.8 m/min，設(shè)定截割轉(zhuǎn)速為30 r/min，切削的厚度為30 mm，對(duì)四種不同的鉆進(jìn)速度下的截割過程進(jìn)行仿真分析。依次統(tǒng)計(jì)不同鉆進(jìn)速度下的截割載荷平均值及截割比能耗，得到如圖4 所示的變化曲線。從圖4中可以看出，隨著鉆進(jìn)速度的增加，截割頭上的截割力載荷平均值逐漸增加，截割比能耗則呈現(xiàn)逐漸遞減的趨勢(shì)。這說明，在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割的過程中，鉆進(jìn)速度越大，則截割頭的鉆進(jìn)能力越強(qiáng)，掘進(jìn)效率越高，此時(shí)在單位時(shí)間內(nèi)截割頭的鉆進(jìn)深度越大，截割產(chǎn)生的塊煤率越大。截割深度越大，則截割頭受到的載荷作用越大，并且產(chǎn)生一定的載荷波動(dòng)，這是由于截齒截割工作的不連續(xù)造成的，且截割頭的排屑效果不佳，從而造成接的截割的效率降低，并且煤壁在工作過程中的脆性崩落，加劇了載荷的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成掘進(jìn)機(jī)不能正常進(jìn)行截割。同時(shí)，截齒受到的載荷作用較大時(shí)，會(huì)增加截齒及齒座的磨損，不利于截割過程的進(jìn)行[6]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)依據(jù)截割頭結(jié)構(gòu)參數(shù)及煤巖的性質(zhì)，合理地選擇鉆進(jìn)速度。

圖4 截割載荷平均值及截割比能耗與鉆進(jìn)速度關(guān)系曲線

3 結(jié)論

掘進(jìn)機(jī)是進(jìn)行煤礦自動(dòng)化開采的重要設(shè)備，在進(jìn)行掘進(jìn)的過程中，掘進(jìn)機(jī)截割頭的轉(zhuǎn)速對(duì)截割性能具有重要的影響。采用LS-DYNA 有限元分析的方式對(duì)截割頭的橫切速度及鉆進(jìn)速度的影響作用進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在兩種不同的工況下，橫切速度或鉆進(jìn)速度增加時(shí)，截割力載荷作用逐漸增加，而截割比能耗呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在實(shí)際進(jìn)行掘進(jìn)截割時(shí)，應(yīng)依據(jù)截割效率、截齒壽命及煤巖的性質(zhì)，合理地選擇橫切速度及鉆進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)截齒掘進(jìn)的最優(yōu)化，從而提高掘進(jìn)機(jī)截割的效率，提高煤礦的生產(chǎn)效率。