不同工况参数对掘进机截割机构截割头性能的影响分析

田晓舰

（山西焦煤凌志达煤业有限公司，山西 长治 046606）

引言

悬臂式掘进机作为一种综合机械设备，主要用于煤矿巷道的掘进以及煤矿开采工作面的布置，进而为井下煤矿的顺利开采做好准备工作。悬臂式掘进机的工作原理是：掘进机内部的升降机构、回转油缸带动截割臂进行上下左右的摆动动作，再加上截割头的旋转动作，会在截割头的作用下完成煤岩的截落[1]。因此，掘进机截割动作有纵向钻进及摆动截割两种作业模式，并可依据井下断面的实际情况，上下左右摆动掘进机截割头完成联动动作，进而使其沿弧线或斜线进行截割作业。所以，悬臂式掘进机作为矿井巷道掘进的关键设备，煤岩的坚硬程度、截齿形状及截割顺序等因素都会对掘进机的截割性能产生极大的影响，尤其是掘进机的最大截割效果就与截齿的截割速度密切相关，而截割速度的确定需要根据被截割煤岩的性质决定，如果设置太大，反而会降低截割效率；同样，摆动截割速度也与煤岩性质有关，如果岩石太硬，其速度要相应地设置小一些，否则会出现截割不充分或者截割头卡在煤岩中等现象[2]。本文主要分析掘进机工况参数，即不同截齿数、摆动截割速度及煤岩性质对其截割机构的影响分布，提高掘进机截割工作效率，进而实现矿井机械化作业的高产高效。

1 悬臂式掘进机组成及其截割机构工作原理介绍

悬臂式掘进机组成机构有行走部、铲板部、截割部、电气和水系统、润滑系统、液压系统、后支撑及第一运输机等，掘进机是集截割、行走、装载及输送于一体的综合机械设备。在煤岩截割过程中，利用截割头的旋转、悬臂的上下左右摆动来完成矿井巷道的掘进，同时还可利用截割臂的摆动来截割出满足要求的任一断面形状。其中，截割头主要作用就是利用截割头的旋转动作将巷道断面上的煤岩截割下来；截割臂主要作用是利用液压缸带动截割臂上下左右摆动来实现截割断面的形状，此外，截割臂还具有伸缩动作，在紧挨截割头的位置设有喷雾头，在实际工作中，喷雾头的持续喷水可达到降低井下煤岩灰尘的目的；对于回转台部件，位于掘进机两侧的液压缸对回转台进行转动，使回转台围绕中心进行回转旋转，从而带动截割臂完成水平转动动作；配电箱作为掘进机供配电的枢纽，其制作结构通常采用防爆装置[3]。

截割机构工作原理是：在掘进机作业时，通过观察截割头在巷道断面掘进开挖进程中的运动位置，并操作控制台上的操作手柄，可调大或调小液压油缸供油的节流阀，同时控制其对应的液压缸工作行程，进而可改变截割头在井下截割巷道断面的位置，并持续重复此过程，最后形成满足要求的截割断面形状和尺寸。截割机构主要工作部件有截割头、截割减速器及截割电机，其中，截割减速器是传动部件，截割电机是驱动部件，截割减速器可驱动截割头在大转矩、低速条件下工作[4]。

2 掘进机工况参数对其截割机构截割头性能的影响分析

本文中，掘进机截割头参数设置如下：截割头阻尼系数是400 N·m·s/rad，转动惯量721.54 kg·m2，角位移初始值是φ=0，角速度初始值是φ=2.4 rad/s，刚度系数是6.31107 N·m/rad，齿频误差初始相位角Φspi=Φrpi=0，齿向误差幅值Espi=Erpi=10 μm，各齿轮副侧隙均是100 μm，啮合刚度取为平均刚度。

2.1 不同截齿数对掘进机截割机构截割头性能的影响

首先对比分析在煤岩接触强度Pk=1 000 MPa，且摆动截割速度vb是0.75 m/min 时，分析不同截齿数n 对掘进机截割机构的影响。

下页图1 和图2 分别是在截齿数n=40 和50时，得到的掘进机截割头功率关系曲线，当n=40 时，截割功率均值是259.27 kW；当n=50 时，截割功率均值是286.53 kW，对比可知，随着截齿数的增大，掘进机截割功率也增大，这是因为随着截齿齿数的增加，掘进机截割运动相对平稳，但截割头载荷随之增大，造成相应的截割功率也增大。在煤矿实际开采中，对于截齿数值的选取，还会受到截齿所能承受的单刀截割阻力影响，所以，截割头截齿数的确定，需要综合多因素优化的结果。

图1 截齿数n=40 时掘进机截割头功率变化曲线

图2 截齿数n=50 时掘进机截割头功率变化曲线

2.2 不同摆动截割速度对掘进机截割机构截割头性能的影响

对比分析在煤岩接触强度Pk=1 000 MPa，且截齿数n=50 时，分析不同摆动截割速度对掘进机截割机构的影响。

图2 和图3 分别是在摆动截割速度vb为0.75 m/min 和0.6 m/min 时，得到的掘进机截割头关系曲线。当vb=0.6 m/min 时，截割功率均值是208.03 kW；当vb=0.75 m/min 时，截割功率均值是286.53 kW。对比可知，随着摆动截割速度的增大，掘进机截割功率大幅增加，主要是因为增大摆动截割速度，掘进机截齿的截割阻力增大，截割头的截割阻力矩也增大，进而截割功率也相应增大。

图3 摆动截割速度vb=0.6 m/min 时掘进机截割头功率变化曲线

2.3 不同煤岩接触强度对掘进机截割机构截割头性能的影响

对比分析在截齿数n=50、摆动截割速度vb=0.75 m/min 时，分析不同煤岩性质对掘进机截割机构的影响。

图2 和图4 分别是在煤岩接触强度Pk=1 000 MPa 和Pk=1 200 MPa 时，得到的掘进机截割头功率关系曲线。当Pk=1 000 MPa 时，截割功率均值是286.53 kW；当Pk=1 200 MPa 时，截割功率均值是336.89 kW。对比可知，随着煤岩接触强度的增大，掘进机截割头功率明显也增大。

图4 煤岩性质Pk=1 200 MPa 时掘进机截割头功率变化曲线

3 结论

由于掘进机的振动冲击主要集中在截割头部位，为提高掘进机的截割工作性能，进而实现矿井高产高效开采，因此，本文就主要分析掘进机工况参数，即不同截齿数、摆动截割速度及煤岩性质对其截割机构的影响分布规律，结论如下：

1）随着截齿数的增大，掘进机截割功率也增大。

2）随着摆动截割速度的增大，掘进机截割功率大幅增加。

3）随着煤岩接触强度的增大，掘进机截割头功率明显也增大。