程云飛

（陽(yáng)泉市南莊煤炭責(zé)任有限公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤礦開采過(guò)程中掘進(jìn)機(jī)發(fā)揮著不可替代的作用，掘進(jìn)機(jī)優(yōu)越的綜合性能有助于煤礦開采效率的提升[1]。截割頭是掘進(jìn)機(jī)中最為關(guān)鍵的零部件，其作用是對(duì)煤壁進(jìn)行截割[2]。截割頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)較為復(fù)雜，不同結(jié)構(gòu)參數(shù)之間又相互聯(lián)系與制約[3]。截齒的排列方式會(huì)直接影響截割頭的工作效率，如果截齒的排列方式不合理，導(dǎo)致不同截齒的受力存在明顯差異[4]，不僅無(wú)法在最大限度上發(fā)揮截齒應(yīng)有的作用，還會(huì)對(duì)截齒的維護(hù)保養(yǎng)帶來(lái)一定難度。如何優(yōu)化截齒的排列方式是提升掘進(jìn)機(jī)工作效率的重點(diǎn)[5-6]。本文主要以EBZ135型礦用掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)截割頭中截齒的受力情況進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)截止的排列進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1 掘進(jìn)機(jī)截割頭的結(jié)構(gòu)分析

圖1 所示為EBZ135型掘進(jìn)機(jī)截割頭的結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，截割頭主要由旋轉(zhuǎn)葉片、截割頭體、截齒以及齒座等部分構(gòu)成，齒座安裝在截割頭體上，而截齒安裝在齒座上。從外形上看，截割頭整體上可以劃分成為三大部分，上部位置為球冠段，中部位置為圓錐段，下部位置為圓柱段。掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)截割頭會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)截齒對(duì)煤壁進(jìn)行切割，以達(dá)到采煤的目的?？梢?，截割頭工作時(shí)每個(gè)截齒都要承受較大的工作載荷。但由于不同截齒的排列方式不同，其工作狀態(tài)也存在一定的差異，導(dǎo)致不同截齒的受力狀態(tài)存在不均勻性。不僅會(huì)影響截割頭工作的穩(wěn)定性和可靠性，還對(duì)其日常維護(hù)保養(yǎng)工作帶來(lái)困難。

圖1 EBZ135型掘進(jìn)機(jī)截割頭的結(jié)構(gòu)示意圖

2 截割頭模型的建立

2.1 三維幾何模型的建立

根據(jù)EBZ135型礦用掘進(jìn)機(jī)截割頭的實(shí)際尺寸，利用UG 三維造型軟件建立截割頭的幾何模型。需要特別說(shuō)明的是，在建立三維幾何模型時(shí)對(duì)一些非重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略處理，比如圓角、倒角、小孔等部位。因?yàn)檫@些小的結(jié)構(gòu)不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生明顯影響，但是會(huì)顯著延長(zhǎng)模型的計(jì)算時(shí)間。

2.2 有限元模型的建立

將建立好的三維模型導(dǎo)入到ANSYS 軟件中。首先需要設(shè)置截割頭的材料屬性，考慮到截割頭工作時(shí)需要承受比較大的載荷，因此主要通過(guò)合金鋼材料來(lái)生產(chǎn)制作。需要輸入到模型中的材料屬性主要為彈性模量、泊松比和密度，其對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為46 GPa、0.3 和7 800 kg/m3。還需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，軟件中提供了多種形式的網(wǎng)格單元類型，本研究中通過(guò)六面體網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)單元?jiǎng)澐?，得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為14 358 個(gè)和17 634 個(gè)。

3 截割頭截齒受力分析結(jié)果

由于礦用掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)截割頭不僅會(huì)做平直運(yùn)動(dòng)，還會(huì)做軸向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。因此研究了截割頭做平直運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)兩種工況下的受力情況。完成模型的建立工作后利用軟件對(duì)截割頭截齒的受力情況進(jìn)行分析，提取并計(jì)算得到了所有截齒的平均受力情況，圖2 所示為兩種工況條件下截割頭截齒的平均受力統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖2 兩種工況條件下截割頭截齒平均受力統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.1 平直運(yùn)動(dòng)工況時(shí)的受力分析

平直運(yùn)動(dòng)工況條件下，截割頭截齒處于間歇性截割狀態(tài)，當(dāng)截齒運(yùn)動(dòng)到與煤壁接觸時(shí)才會(huì)工作，離開煤壁時(shí)就會(huì)停止工作。由圖2 可知，該工況條件下，36 個(gè)截齒的平均受力非常不均勻，6 號(hào)截齒的平均受力值最大，為403.53 N，36 號(hào)截齒的平均受力最小，為14.67 N。利用變異系數(shù)來(lái)描述截割頭中所有截齒之間受力的不均勻性，其中變異系數(shù)為不同截齒載荷的均方差與平均值之間的比值。變異系數(shù)越大，意味著不同截齒之間的受力越不均勻。基于此，可以計(jì)算得到平直運(yùn)動(dòng)工況條件下，截割頭截齒的變異系數(shù)為0.842。

3.2 軸向進(jìn)給工況時(shí)的受力分析

軸向進(jìn)給工況條件下，截割頭截齒同樣處于間歇性截割狀態(tài)，部分截齒與煤壁接觸發(fā)生作用力，部分截齒沒(méi)有與煤壁發(fā)生接觸，此時(shí)作用力為零。從圖2 中可以看出，該工況條件下，36 個(gè)截齒的平均受力也不均勻，28 號(hào)截齒的平均受力值最大，為314.12 N，1—4 號(hào)截齒的平均受力最小，為0。計(jì)算得到該工況條件下截割頭截齒的變異系數(shù)為1.361。

4 截割頭截齒的優(yōu)化改進(jìn)研究

4.1 優(yōu)化思路

基于以上分析可以看出，兩種工況條件下截割頭截齒的受力表現(xiàn)出嚴(yán)重的不均勻性，不利于設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)截齒進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。已有的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明，在截割頭整體結(jié)構(gòu)不變的情況下，截齒截線間距對(duì)其受力影響最為顯著，其中截線間距表示相鄰截齒在軸向方向上的間距，圖3 所示為截齒截線間距示意圖。以截線間距為優(yōu)化對(duì)象，以不同截齒之間的受力均勻性為優(yōu)化目標(biāo)，在ANSYS 軟件中開展優(yōu)化改進(jìn)工作。

圖3 截齒截線間距示意圖

4.2 優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果

ANSYS 軟件在開展優(yōu)化改進(jìn)工作時(shí)，就是不斷地調(diào)整相鄰截齒之間的截線間距并建立模型開展計(jì)算工作，對(duì)不同結(jié)果進(jìn)行對(duì)比得到最優(yōu)結(jié)果，圖4 所示為優(yōu)化前后截割頭相鄰截齒的截線間距。由圖可知，兩頭部位截齒截線間距的變化相對(duì)較小，中間部位截齒接線間距的變化相對(duì)較大。

圖4 優(yōu)化前后截割頭相鄰截齒的截線間距

基于優(yōu)化改進(jìn)后截割頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次利用UG 和ANSYS 軟件建立截割頭的有限元模型并開展受力分析工作，對(duì)計(jì)算結(jié)果提取分析，得到36 個(gè)截齒的平均受力情況。平直運(yùn)動(dòng)工況條件下，6 號(hào)截齒的平均受力值最大，為376.48 N，36 號(hào)截齒的平均受力最小，為40.59 N。該工況條件下截割頭截齒的變異系數(shù)為0.637，與優(yōu)化前相比較降低了24.35%；軸向鉆進(jìn)工況條件下，26 號(hào)截齒的平均受力值最大，為320.96 N，1、3、5 號(hào)截齒的平均受力最小，為0。該工況條件下截割頭截齒的變異系數(shù)為1.013，與優(yōu)化前相比較降低了25.57%。

通過(guò)對(duì)截割頭截齒截線間距的優(yōu)化改進(jìn)，使得掘進(jìn)機(jī)在兩種工況條件下截齒的受力變得更加均勻，這樣可以保障所有截齒的使用壽命均等，有利于設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)。同時(shí)，還可以在最大限度上發(fā)揮所有截齒的效果，從而提升掘進(jìn)效率。

5 應(yīng)用效果分析

將上述的截割頭截齒優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到EBZ135型礦用掘進(jìn)機(jī)工程實(shí)踐中，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了連續(xù)三個(gè)月時(shí)間的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)取得了較好的效果。測(cè)試期間截割頭運(yùn)行穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)故障問(wèn)題。初步統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為，通過(guò)對(duì)截割頭截齒的優(yōu)化改進(jìn)，不僅顯著降低了截割頭部位的故障率，為煤礦企業(yè)節(jié)省了設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本，同時(shí)還在一定程度上提升了掘進(jìn)機(jī)的工作效率。綜上，通過(guò)對(duì)截割頭截齒的優(yōu)化改進(jìn)使得掘進(jìn)機(jī)的性能得到進(jìn)一步提升，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。