武建飛

（山西華禧建筑安裝有限公司，山西 太原 030024）

引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)為當(dāng)前巷道掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要承擔(dān)著對(duì)巷道的前期掘進(jìn)任務(wù)。截割頭作為與巖巷直接接觸的機(jī)構(gòu)，其壽命及性能直接決定掘進(jìn)效率和掘進(jìn)成本。對(duì)于掘進(jìn)機(jī)截割頭而言，其結(jié)構(gòu)參數(shù)復(fù)雜、種類繁多，這些參數(shù)相互制約又促進(jìn)?？偟膩碇v，掘進(jìn)機(jī)截割頭結(jié)構(gòu)參數(shù)不合理將影響掘進(jìn)效率和可靠性[1]。EBZ-135掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際掘進(jìn)任務(wù)時(shí)存在截割頭振動(dòng)嚴(yán)重，而且不同區(qū)域截齒的壽命差距較大，上述問題嚴(yán)重制約了設(shè)備的掘進(jìn)效率和可靠性。本文將對(duì)EBZ-135掘進(jìn)機(jī)截割頭的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減緩設(shè)備振動(dòng)，提升其截割性能的目的。

1 掘進(jìn)機(jī)截割頭數(shù)值模擬研究

1.1 數(shù)值模擬模型的建立及參數(shù)設(shè)置

為了能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)截割頭在實(shí)際掘進(jìn)任務(wù)中各截齒所承受載荷的定量分析，本節(jié)將基于UG三維軟件建立掘進(jìn)機(jī)截割頭三維模型，并通過ANSYS仿真軟件對(duì)截割頭在橫切和鉆進(jìn)巖層兩種工況下截割頭的受力情況進(jìn)行模擬研究[2]。結(jié)合EBZ-135掘進(jìn)機(jī)截割頭的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)分別建立截齒、齒座、頭體等三維模型，并根據(jù)其各部件的相對(duì)位置及約束條件進(jìn)行裝配，得出如圖1所示的三維模型。

圖1 掘進(jìn)機(jī)截割頭三維模型

將上述三維模型導(dǎo)入ANSYS仿真軟件中，分別模擬截割頭橫切和鉆進(jìn)巖層的工況，并分別建立其有限元仿真模型，其中將截割頭劃分為307 676個(gè)單元，將巖層劃分為127 099單元。根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)工況，橫切巖層時(shí)對(duì)應(yīng)截割頭的轉(zhuǎn)速為44 r/min，掘進(jìn)速度為1.8 m/min，設(shè)定仿真時(shí)間為5.45 s，；鉆進(jìn)巖層時(shí)對(duì)應(yīng)截割頭的轉(zhuǎn)速為44 r/min，掘進(jìn)速度為1.2 m/min，設(shè)定仿真時(shí)間為4.09 s；同時(shí)，截割頭除了掘進(jìn)和旋轉(zhuǎn)方向外限值其他四個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)；限制巖層的所有自由度。

EBZ-135掘進(jìn)機(jī)截割頭上分布有36個(gè)截齒，不同工況下各個(gè)截齒的受力情況具體闡述如下：

1.2 仿真結(jié)果分析

1.2.1 橫切工況下截齒及截割頭仿真結(jié)果分析

根據(jù)橫切工況的實(shí)際情況，設(shè)定仿真時(shí)間為5.45 s，對(duì)應(yīng)截割頭的旋轉(zhuǎn)速度為44 r/min；為確保仿真結(jié)果可以全面反映截齒及截割頭在橫切工況下的受力情況，要求截割頭每轉(zhuǎn)動(dòng)2°就對(duì)截齒的受力值進(jìn)行采集，并對(duì)在仿真時(shí)間內(nèi)所采集的每個(gè)截齒的受力值取平均值，得出如圖2所示的結(jié)果：

圖2 橫切工況下各截齒受力平均值

如圖2所示，掘進(jìn)機(jī)在橫切工況下各個(gè)截齒受力平均值的差異性較大。而且，在整個(gè)橫切工況下34—36號(hào)截齒不參與截割任務(wù)，而1—3號(hào)截齒與截面的距離非常小，其對(duì)應(yīng)的受力平均值也較小，對(duì)應(yīng)的差異系數(shù)為0.553。

總的來講，在橫切工況下掘進(jìn)機(jī)截割頭的所受外力的波動(dòng)較大，導(dǎo)致截割頭的振動(dòng)劇烈[3]。

1.2.2 鉆進(jìn)工況下截齒及截割頭仿真結(jié)果分析

根據(jù)鉆進(jìn)工況的實(shí)際情況，設(shè)定仿真時(shí)間為4.09 s，對(duì)應(yīng)截割頭的旋轉(zhuǎn)速度為44 r/min；為確保仿真結(jié)果可以全面反映截齒及截割頭在橫切工況下的受力情況，要求截割頭每轉(zhuǎn)動(dòng)2°就對(duì)截齒的受力值進(jìn)行采集，并對(duì)在仿真時(shí)間內(nèi)所采集的每個(gè)截齒的受力值取平均值，得出如圖3所示的結(jié)果。

圖3 鉆進(jìn)工況下各截齒受力平均值

如圖3所示，在鉆進(jìn)工況下掘進(jìn)機(jī)截割頭各個(gè)截齒所受外力的差異性更大，具體表現(xiàn)如下：1—8號(hào)截齒幾乎不參與整個(gè)鉆進(jìn)掘進(jìn)的截割任務(wù)；9—22號(hào)截齒雖然參與鉆進(jìn)截割任務(wù)，但各個(gè)截齒所承受的外力平均值較?。?3—36號(hào)截齒所承受外力平均值較大，且28號(hào)截齒所承受外力的平均值最大，對(duì)應(yīng)的差異系數(shù)為0.894。

綜上所述，不論在橫切還是在鉆進(jìn)工況下，掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒的受力平均值差異明顯是導(dǎo)致截割頭振動(dòng)劇烈的根本原因。因此，需對(duì)截割頭截齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得各個(gè)截齒所受外力相對(duì)均勻，減輕其振動(dòng)情況，最終提升設(shè)備的截割能力[4]。

2 掘進(jìn)機(jī)截割頭結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

掘進(jìn)機(jī)截割頭結(jié)構(gòu)參數(shù)包括有截線間距、螺旋升角、截割頭的數(shù)量、切削角、轉(zhuǎn)角等，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)需根據(jù)掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用工況及工作方式綜合確定。其中，截齒的切削角根據(jù)現(xiàn)場巖層的硬度確定；轉(zhuǎn)角是為保證截齒在各個(gè)方向均受磨損，延長其使用壽命。在眾多結(jié)構(gòu)參數(shù)中，相鄰截齒齒尖的距離稱為截線距，該結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)截割頭截齒的受力情況及巖層的破碎效果影響最大[5]。因此，本節(jié)將著重對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭的截線距進(jìn)行優(yōu)化。

根據(jù)截割頭截齒的布置情況，將其劃分為五個(gè)區(qū)段，并分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)以及5號(hào)。各個(gè)區(qū)段的截割頭截線距的優(yōu)化前后的尺寸對(duì)比如下：

1號(hào)區(qū)段：該區(qū)段共包含有5個(gè)截齒。目前，1號(hào)、2號(hào)截齒與3號(hào)截齒的距離為24 mm，3號(hào)與4號(hào)截齒之間的距離為24 mm，4號(hào)與5號(hào)截齒之間的距離為23 mm；優(yōu)化后1號(hào)、2號(hào)截齒與3號(hào)截齒的距離為25.5 mm，3號(hào)與4號(hào)截齒之間的距離為22.5 mm，4號(hào)與5號(hào)截齒之間的距離為23 mm。

2號(hào)區(qū)段：該區(qū)段共包含有3個(gè)截齒。目前，6號(hào)與7號(hào)截齒的距離為24 mm，7號(hào)與8號(hào)截齒的距離為23 mm；優(yōu)化后6號(hào)與7號(hào)截齒的距離為23 mm，7號(hào)與8號(hào)截齒的距離為24 mm。

3號(hào)區(qū)段：該區(qū)段共包含有3個(gè)截齒。目前，20號(hào)與21號(hào)截齒的距離為23 mm，21號(hào)與22號(hào)截齒的距離為22 mm；優(yōu)化后20號(hào)與21號(hào)截齒的距離為22 mm，21號(hào)與22號(hào)截齒的距離為23 mm。

4號(hào)區(qū)段：該區(qū)段共包含有3個(gè)截齒。目前，27號(hào)與28號(hào)截齒的距離為17 mm，28號(hào)與28號(hào)截齒的距離為16 mm；優(yōu)化后27號(hào)與28號(hào)截齒的距離為15.5 mm，28號(hào)與29號(hào)截齒的距離為17.5 mm。

5號(hào)區(qū)段：該區(qū)段共包含有3個(gè)截齒。目前，32號(hào)與33號(hào)截齒的距離為7 mm，33號(hào)與34號(hào)截齒的距離為5 mm；優(yōu)化后，32號(hào)與33號(hào)截齒的距離為6 mm，33號(hào)與34號(hào)截齒的距離為6 mm。

3 截割頭優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)的驗(yàn)證

為驗(yàn)證本次截割頭結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后各個(gè)截齒的受力情況的改善效果，根據(jù)優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)原三維模型進(jìn)行調(diào)整后導(dǎo)入ANSYS仿真軟件中，并分別對(duì)橫切和鉆進(jìn)工況下對(duì)應(yīng)截齒的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬，尤其是對(duì)優(yōu)化前后兩種工況下截齒受力的差異系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示：

表1 截割頭截線距優(yōu)化后各截齒受力差異對(duì)比

如表1所示，截割頭截線距優(yōu)化后再橫切和鉆進(jìn)工況下各截齒受力的差異系數(shù)明顯減小，即各個(gè)截齒的受力較優(yōu)化前更加均勻，從而減緩截割頭在掘進(jìn)過程中的振動(dòng)情況。

4 結(jié)語

掘進(jìn)機(jī)作為巷道掘進(jìn)的關(guān)鍵設(shè)備，其掘進(jìn)效率影響后續(xù)綜采效率。由于各個(gè)巷道巖層、煤層等條件的不同，在實(shí)際掘進(jìn)過程中由于各個(gè)截齒受力不均勻?qū)е陆馗铑^振動(dòng)距離，縮短截齒的使用壽命，延緩其掘進(jìn)效率。為此，對(duì)于掘進(jìn)機(jī)截割頭截線距參數(shù)的確定需本著截割頭振動(dòng)最小的原則進(jìn)行，使各個(gè)截齒受力的差異系數(shù)為最小。