李世杰

（陽煤集團壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部掘進二隊， 山西 壽陽 045400）

礦井掘進機作為煤礦井下最重要的掘進設(shè)備，主要用于巷道掘進，對井下的綜采作業(yè)效率具有直接的影響。掘進機的截割滾筒上按一定規(guī)律分布著截齒，在截割傳動機構(gòu)的驅(qū)動下截割滾筒帶的截齒以一定的轉(zhuǎn)速進行旋轉(zhuǎn)，截齒與巖壁接觸對巖壁形成一個擠壓，將巖塊從巖壁上剝落下來，在這個過程中巖壁會對截齒產(chǎn)生一個巨大的截割阻力作用，在長期截割摩擦力的作用下截齒會快速的被磨損，導(dǎo)致截齒斷裂、截割滾筒在截割過程中因各截齒受力不均勻產(chǎn)生振動現(xiàn)象，不僅極大的影響了煤礦井下綜采作業(yè)的效率，而且還給煤炭生產(chǎn)企業(yè)造成了較大的經(jīng)濟損失[1]。因此本文以EBZ-135 型掘進機為分析對象，利用三維建模軟件建立掘進機截割作業(yè)過程中的三維模型，通過接口軟件將其導(dǎo)入到ANSYS 仿真分析軟件中對截割過程中的截齒受力情況進行分析并提出了截齒分布優(yōu)化方案，根據(jù)實際驗證表明，優(yōu)化后截齒在截割作業(yè)過程中的受力比優(yōu)化前降低了10.5%極大的提升了采煤機截齒的使用壽命和采煤機的工作穩(wěn)定性，具有極大的應(yīng)用推廣價值。

1 截割機構(gòu)及巖壁的三維模型

首先對EBZ-135 型掘進機的截齒分布情況進行分析，利用三維建模軟件建立掘進機截割機構(gòu)和巖壁的三維模型，在建立巖壁的三維模型時，為了避免大體積的巖壁在網(wǎng)格劃分時數(shù)量多，影響分析計算速度，因此采用了先建立一個1 500 mm×1 000 mm×1 500 mm 的長方體結(jié)構(gòu)來模擬巖壁，在進行巖壁物料條件設(shè)定時選擇在各個表面上施加無反射邊界條件來模擬無限大的空間[2]。

由于網(wǎng)格劃分直接影響到仿真分析時的分析精度和可靠性，越小的網(wǎng)格劃分計算分析結(jié)果越準確，但實際運算時的分析時間就越長，而且對設(shè)備的配置要求越高，經(jīng)過對比分析，最終確認采用映射網(wǎng)格劃分的方案，每個網(wǎng)格邊長均為20 mm，網(wǎng)格劃分后的掘進機構(gòu)三維模型如圖1 所示。

圖1 截割機構(gòu)掘進作業(yè)三維模型

在進行仿真參數(shù)設(shè)置時，根據(jù)實際測量，巖壁的密度為1 500 kg/m3，彈性模量為3×109Pa，膨脹系數(shù)為1.5，截齒的密度為8 400 kg/m3，彈性模量為3×109Pa[3]。

2 截齒截割受力分析

對掘進機截割作業(yè)過程進行仿真分析時[4]，設(shè)置掘進機的截割滾筒的截割作業(yè)實際時間為40 s，轉(zhuǎn)速為0.003 8°/s，對整個掘進作業(yè)過程中的掘進機各截齒的的截割受力情況進行分析，該截割滾筒上各截齒的受力變化情況如下頁圖2 所示。

圖2 優(yōu)化前掘進作業(yè)過程中同一時刻各截齒的受力情況

由仿真分析結(jié)果可知，在截割作業(yè)過程中前30號截齒的截割受力變化較大，低30～36 號截齒這的受力逐漸降低，主要是由于在此工況下該部分截齒所接觸的巖壁量逐漸的減少，因此巖壁上作用在截齒上的作用力逐漸的降低，參與截割作業(yè)的截齒中低6 號截齒所受到的截割力最大，約為400 N，此時第6 號截齒處于和巖壁接觸量最大的位置，在截割作業(yè)過程中巖壁最大的截割阻力均分布在該截齒上，隨著掘進作業(yè)的進行，作用在截齒上的力將沿著7、8 等依次轉(zhuǎn)移，截割作業(yè)過程中截齒上的作用力大于150 N 的截齒數(shù)量占截齒總數(shù)達到83.3%，由此可知，此工況下各截齒的所受的作用力較大，對截齒的使用壽命將產(chǎn)生較大的影響，降低截齒工作時的經(jīng)濟性。

3 截齒分布的優(yōu)化

根據(jù)分析結(jié)果，采用遺傳算法方案對掘進機截齒的受力分布情況進行優(yōu)化，以作用在截齒上的截割力為優(yōu)化結(jié)果，以截齒之間的間距和各截齒之間的周向分布角度為研究變量，對其進行迭代優(yōu)化，經(jīng)過8 次的迭代優(yōu)化最終獲得了最佳的截齒之間的間距的截齒周向分布角度[5]，各截齒之間的間距由最初的3.4 mm 降低到優(yōu)化后的2.7 mm，各個截齒之間的周向角度分布由最初的6.4°增加到優(yōu)化后的7.9°，此時優(yōu)化后的各截齒在掘進機截割滾筒上的分布如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后掘進作業(yè)過程中同一時刻各截齒的受力情況

在相同條件下對截齒截割作業(yè)時的受力情況進行仿真分析，優(yōu)化后各截齒的受力情況如圖4 所示。

由仿真分析結(jié)果可知，在截割作業(yè)過程中第19～30 號截齒的截割受力變化較大，在同一時刻各截齒受力情況逐漸增加，截割作業(yè)過程中受力最大的截齒為第26 號截齒，最大受力約為315 N，比優(yōu)化前截齒的最大受力降低了10.5%，且受力在150 N 以上的截齒由優(yōu)化前的30 個，降低到了優(yōu)化后的16 個，數(shù)量降低了46.7%，極大的優(yōu)化了掘進機截割作業(yè)過程中截齒的受力情況，使各截齒的受力均勻性獲得了極大的提升，顯著的提升了掘進機在掘進作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，提升了各截齒的使用壽命。

圖3 優(yōu)化后掘進作業(yè)過程中同一時刻各截齒的受力情況

4 結(jié)論

為了解決現(xiàn)有掘進機截割機構(gòu)截齒分布不規(guī)則，掘進作業(yè)過程中截齒磨損量大，嚴重影響掘進機截割作業(yè)穩(wěn)定性和可靠性的現(xiàn)狀，本文利用三維建模軟件ANSYS 仿真分析軟件對截齒截割作業(yè)過程中的受力情況進行仿真分析，同時利用遺傳算法方案對掘進機截割機構(gòu)上的截齒分布情況進行優(yōu)化，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果表明：

1）優(yōu)化前，割作業(yè)過程中截齒上的作用力大于150 N 的截齒數(shù)量占截齒總數(shù)達到83.3%，由此可知，此工況下各截齒的所受的作用力較大，對截齒的使用壽命將產(chǎn)生較大的影響，降低截齒工作時的經(jīng)濟性。

2）優(yōu)化后，受力在150 N 以上的截齒由優(yōu)化前的30 個，降低到了優(yōu)化后的16 個，數(shù)量降低了46.7%，極大的優(yōu)化了掘進機截割作業(yè)過程中截齒的受力情況，使各截齒的受力均勻性獲得了極大的提升，顯著的提升了掘進機在掘進作業(yè)過程中的穩(wěn)定性，提升了各截齒的使用壽命。

3）優(yōu)化后截齒上的最大受力由400 N 降低到了315 N，比優(yōu)化前降低了10.5%。