徐 盛

（晉能控股煤業(yè)集團大斗溝煤業(yè)公司機安隊，山西 大同 037000）

引言

國民經(jīng)濟的快速發(fā)展對能源的需求也越來越大。煤礦掘進的快速高效是影響整個煤礦開采效率的關鍵，懸臂式掘進機作為井下巷道綜掘施工的主要設備，其載荷分布及動力分配是否合理，直接關系到設備的穩(wěn)定可靠運行，同時也直接關系到井下安全生產(chǎn)及煤礦的高效運行。掘進機截割刀盤直接參與掘進過程中的煤巖截割，其載荷特性能直接反映出掘進機的截割性能和工作狀態(tài)，因此，對掘進機截割刀盤的載荷特性分析具有重要的意義。

1 刀盤靜態(tài)載荷分析

截割刀盤的截齒直接進行煤巖截割，其工作載荷通過截齒傳遞至截割刀盤，因此，要對截割刀盤的載荷特性分析，首先從截齒載荷分析入手。

刀盤鉆進工況時，各截齒受力均勻，截割刀盤受力較為簡單。在橫向截割時，單側截齒受到擠壓力及摩擦力的作用，根據(jù)力線平移原理[1]，將各截齒所受合力等效至刀盤回轉(zhuǎn)中心，即可得到橫向掘進過程中，截割刀盤的瞬時載荷。刀盤截割受力關系如圖1所示。

圖1 截割刀盤受力關系圖

刀盤受到的載荷為：

式中：φi為第i 個截齒的位置角；ri為第i 個截齒的截割半徑；n 為參與截割的截齒個數(shù)。

由于截齒的位置角φi在截割刀盤運動過程中是個變量，在計算時，各截齒位置角均以刀盤上某一截齒所處的位置為參考進行定義[2]。截割刀盤載荷計算流程如圖2 所示。

圖2 刀盤載荷計算流程圖

2 刀盤載荷仿真分析

根據(jù)上述橫向截割工況時刀盤的受力分析，對該工況進行建模。由于截齒相對于煤巖的截割斷裂形變小，其自身應變可忽略不計，采用RIGID 剛體材料截齒進行賦值，刀盤采用鋼材賦值[3]，由于煤巖屬于非均值的各項異形材料，且其在各方向上又表現(xiàn)出一定的隨機性，因此，對煤巖材料賦予MAT_DRUCKER_PRAGER 材料，同時對煤壁定義為彈性材料。截割刀盤工作過程為劇烈碰撞、振動的過程，因此采用SOLID164 單元、MASS166 單元等對適用于較大形變或材料失效的不規(guī)則幾何體結構的單元進行網(wǎng)格劃分。為了縮短仿真求解時間，采用單點積分算法進行煤壁邊界分析。煤巖結構整體初始塊為規(guī)則形狀，采用六面體網(wǎng)格，截割刀盤形狀較為復雜，采用四面體網(wǎng)格，同時對截齒部分進行智能加密網(wǎng)格。根據(jù)上述分析，對刀盤橫向截割工況進行有限元模型建立，設置煤壁外側不參與截割面六自由度約束，同時將其設置為無反射邊界。對上述模型進行求解，得到截割刀盤應力云圖及刀盤各向載荷數(shù)值，具體仿真結果如圖3 所示。

圖3 橫向截割工況仿真結果

對上述仿真過程中截割刀盤的合力及三個方向的分力進行提取，得到刀盤載荷隨時間變化如圖4所示。

圖4 截割刀盤載荷時變曲線

根據(jù)上述有限元仿真分析，截割刀盤所受載荷在較大范圍波動，最大合外力達到672 kN，X 向最大載荷為662 kN，Y 向最大載荷為391 kN，Z 向最大載荷為571 kN。

在橫切工況下，截割刀盤的舉升載荷及縱向載荷可通過液壓缸的緩沖作用進行減震[4]，而橫切力波動將較大幅度地影響設備整機的力學性能[5]，因此對橫切力（即Y 向分力）進行濾波分析，截割刀盤轉(zhuǎn)動過程中，橫切載荷整體呈現(xiàn)正弦變化趨勢，且波動幅度最大。通過調(diào)整截割刀盤的俯仰角及升降油缸的縱向進給載荷，對截割刀盤載荷變化進行分析。對俯仰角進行-26°～44°范圍的變量賦值，分別取升降油缸為6 MPa、8 MPa、10 MPa、12 MPa 對應得進給載荷，得到截割刀盤橫切載荷變化如圖5 所示。

圖5 截割刀盤橫切載荷變化曲線

由圖5 可以看出，當升降油缸提供的縱向進給載荷一定時，刀盤橫切載荷隨刀盤俯仰角θ 先減小后增加，載荷最小值出現(xiàn)在0°～5°之間，當俯仰角繼續(xù)增大時，橫切載荷急劇增加。進給載荷出現(xiàn)變化時，俯仰角與橫切載荷變化的趨勢不變，但在負角度區(qū)域和正角度區(qū)域，橫切載荷與進給載荷間變化關系相反，但進給載荷對橫切載荷的變化影響較小。

3 結論

1）對截割刀盤橫切工況的受力關系進行分析，得到該工況下刀盤的各分載荷計算方法，并對刀盤載荷的計算流程進行了分析；

2）通過建立橫切工況截割刀盤有限元模型，對該工況下截割過程進行仿真，得到了刀盤在初始輸入條件下各向載荷的時變曲線，且各曲線均有較大幅值的波動；

3）對刀盤俯仰角橫切載荷的影響進行仿真并提取其關系曲線，得到橫切載荷最小值出現(xiàn)在俯仰0°～5°之間；

4）截割刀盤橫切載荷與進給載荷在俯仰負角度區(qū)域和正角度區(qū)域變化關系相反，且進給載荷對橫切載荷的變化影響較小。