田曉艦

（山西焦煤凌志達煤業(yè)有限公司，山西 長治 046606）

引言

懸臂式掘進機作為一種綜合機械設備，主要用于煤礦巷道的掘進以及煤礦開采工作面的布置，進而為井下煤礦的順利開采做好準備工作。懸臂式掘進機的工作原理是：掘進機內部的升降機構、回轉油缸帶動截割臂進行上下左右的擺動動作，再加上截割頭的旋轉動作，會在截割頭的作用下完成煤巖的截落[1]。因此，掘進機截割動作有縱向鉆進及擺動截割兩種作業(yè)模式，并可依據(jù)井下斷面的實際情況，上下左右擺動掘進機截割頭完成聯(lián)動動作，進而使其沿弧線或斜線進行截割作業(yè)。所以，懸臂式掘進機作為礦井巷道掘進的關鍵設備，煤巖的堅硬程度、截齒形狀及截割順序等因素都會對掘進機的截割性能產生極大的影響，尤其是掘進機的最大截割效果就與截齒的截割速度密切相關，而截割速度的確定需要根據(jù)被截割煤巖的性質決定，如果設置太大，反而會降低截割效率；同樣，擺動截割速度也與煤巖性質有關，如果巖石太硬，其速度要相應地設置小一些，否則會出現(xiàn)截割不充分或者截割頭卡在煤巖中等現(xiàn)象[2]。本文主要分析掘進機工況參數(shù)，即不同截齒數(shù)、擺動截割速度及煤巖性質對其截割機構的影響分布，提高掘進機截割工作效率，進而實現(xiàn)礦井機械化作業(yè)的高產高效。

1 懸臂式掘進機組成及其截割機構工作原理介紹

懸臂式掘進機組成機構有行走部、鏟板部、截割部、電氣和水系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、后支撐及第一運輸機等，掘進機是集截割、行走、裝載及輸送于一體的綜合機械設備。在煤巖截割過程中，利用截割頭的旋轉、懸臂的上下左右擺動來完成礦井巷道的掘進，同時還可利用截割臂的擺動來截割出滿足要求的任一斷面形狀。其中，截割頭主要作用就是利用截割頭的旋轉動作將巷道斷面上的煤巖截割下來；截割臂主要作用是利用液壓缸帶動截割臂上下左右擺動來實現(xiàn)截割斷面的形狀，此外，截割臂還具有伸縮動作，在緊挨截割頭的位置設有噴霧頭，在實際工作中，噴霧頭的持續(xù)噴水可達到降低井下煤巖灰塵的目的；對于回轉臺部件，位于掘進機兩側的液壓缸對回轉臺進行轉動，使回轉臺圍繞中心進行回轉旋轉，從而帶動截割臂完成水平轉動動作；配電箱作為掘進機供配電的樞紐，其制作結構通常采用防爆裝置[3]。

截割機構工作原理是：在掘進機作業(yè)時，通過觀察截割頭在巷道斷面掘進開挖進程中的運動位置，并操作控制臺上的操作手柄，可調大或調小液壓油缸供油的節(jié)流閥，同時控制其對應的液壓缸工作行程，進而可改變截割頭在井下截割巷道斷面的位置，并持續(xù)重復此過程，最后形成滿足要求的截割斷面形狀和尺寸。截割機構主要工作部件有截割頭、截割減速器及截割電機，其中，截割減速器是傳動部件，截割電機是驅動部件，截割減速器可驅動截割頭在大轉矩、低速條件下工作[4]。

2 掘進機工況參數(shù)對其截割機構截割頭性能的影響分析

本文中，掘進機截割頭參數(shù)設置如下：截割頭阻尼系數(shù)是400 N·m·s/rad，轉動慣量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，剛度系數(shù)是6.31107 N·m/rad，齒頻誤差初始相位角Φspi=Φrpi=0，齒向誤差幅值Espi=Erpi=10 μm，各齒輪副側隙均是100 μm，嚙合剛度取為平均剛度。

2.1 不同截齒數(shù)對掘進機截割機構截割頭性能的影響

首先對比分析在煤巖接觸強度Pk=1 000 MPa，且擺動截割速度vb是0.75 m/min 時，分析不同截齒數(shù)n 對掘進機截割機構的影響。

下頁圖1 和圖2 分別是在截齒數(shù)n=40 和50時，得到的掘進機截割頭功率關系曲線，當n=40 時，截割功率均值是259.27 kW；當n=50 時，截割功率均值是286.53 kW，對比可知，隨著截齒數(shù)的增大，掘進機截割功率也增大，這是因為隨著截齒齒數(shù)的增加，掘進機截割運動相對平穩(wěn)，但截割頭載荷隨之增大，造成相應的截割功率也增大。在煤礦實際開采中，對于截齒數(shù)值的選取，還會受到截齒所能承受的單刀截割阻力影響，所以，截割頭截齒數(shù)的確定，需要綜合多因素優(yōu)化的結果。

圖1 截齒數(shù)n=40 時掘進機截割頭功率變化曲線

圖2 截齒數(shù)n=50 時掘進機截割頭功率變化曲線

2.2 不同擺動截割速度對掘進機截割機構截割頭性能的影響

對比分析在煤巖接觸強度Pk=1 000 MPa，且截齒數(shù)n=50 時，分析不同擺動截割速度對掘進機截割機構的影響。

圖2 和圖3 分別是在擺動截割速度vb為0.75 m/min 和0.6 m/min 時，得到的掘進機截割頭關系曲線。當vb=0.6 m/min 時，截割功率均值是208.03 kW；當vb=0.75 m/min 時，截割功率均值是286.53 kW。對比可知，隨著擺動截割速度的增大，掘進機截割功率大幅增加，主要是因為增大擺動截割速度，掘進機截齒的截割阻力增大，截割頭的截割阻力矩也增大，進而截割功率也相應增大。

圖3 擺動截割速度vb=0.6 m/min 時掘進機截割頭功率變化曲線

2.3 不同煤巖接觸強度對掘進機截割機構截割頭性能的影響

對比分析在截齒數(shù)n=50、擺動截割速度vb=0.75 m/min 時，分析不同煤巖性質對掘進機截割機構的影響。

圖2 和圖4 分別是在煤巖接觸強度Pk=1 000 MPa 和Pk=1 200 MPa 時，得到的掘進機截割頭功率關系曲線。當Pk=1 000 MPa 時，截割功率均值是286.53 kW；當Pk=1 200 MPa 時，截割功率均值是336.89 kW。對比可知，隨著煤巖接觸強度的增大，掘進機截割頭功率明顯也增大。

圖4 煤巖性質Pk=1 200 MPa 時掘進機截割頭功率變化曲線

3 結論

由于掘進機的振動沖擊主要集中在截割頭部位，為提高掘進機的截割工作性能，進而實現(xiàn)礦井高產高效開采，因此，本文就主要分析掘進機工況參數(shù)，即不同截齒數(shù)、擺動截割速度及煤巖性質對其截割機構的影響分布規(guī)律，結論如下：

1）隨著截齒數(shù)的增大，掘進機截割功率也增大。

2）隨著擺動截割速度的增大，掘進機截割功率大幅增加。

3）隨著煤巖接觸強度的增大，掘進機截割頭功率明顯也增大。