顏軍杰

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 晉城 048400）

引言

掘進機是煤礦井下巷道掘進的核心設(shè)備，在截割作業(yè)過程中依靠截割滾筒將煤炭不斷地從煤壁上截割下來，利用行走機構(gòu)控制掘進機在煤礦井下巷道內(nèi)的進給運動，滿足巷道的掘進需求。通過對掘進機截割作業(yè)過程的分析，由于煤壁結(jié)構(gòu)強度較大，作用在截割滾筒截齒上的截割力呈交變趨勢變化[1]，再加上截割滾筒上截齒的分布不均勻，因此導(dǎo)致了截齒磨損嚴重，使用壽命低。而掘進機的行走機構(gòu)在井下巷道復(fù)雜地質(zhì)條件下行走時，履帶板的強度不足，在受力情況下容易出現(xiàn)塑性變形，進而導(dǎo)致履帶板斷裂，給掘進機的運行可靠性帶來了嚴重的影響。

結(jié)合仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展，本文提出了一種新的掘進機截割及行走系統(tǒng)優(yōu)化方案，對掘進機的截割機構(gòu)、截齒分布、行走系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并利用仿真分析和實際驗證的方案，對優(yōu)化后的掘進機使用可靠性進行分析。結(jié)果表明，優(yōu)化后掘進機截齒的使用壽命提高了17.9%，掘進機的傳動系統(tǒng)故障降低了90.8%，有效地提升了掘進機的使用可靠性。

1 掘進機截割機構(gòu)受力分析

掘進機的截割系統(tǒng)主要包括截齒、截齒安裝座、截割滾筒等，截齒位于截割滾筒的外側(cè)，呈一定的規(guī)制排列，掘進機在工作時，截割滾筒按一定截割轉(zhuǎn)速運行，帶動截齒深入煤壁把煤炭從煤壁上截割下來，在不同的時間段內(nèi)參與截割的截齒數(shù)量及截齒的工作狀態(tài)存在較大差異，導(dǎo)致不同位置的截齒在截割作業(yè)時的受力存在較大不均勻性[2]。

利用三維建模軟件按1∶1 的尺寸比例建立采煤機截割滾筒的三維模型，將其導(dǎo)入到ANSYS[3]仿真分析軟件中，分別對采煤機在平直運動和進給運動情況下采煤機截齒上的受力分布情況進行分析，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同工況下采煤機截齒受力變化曲線

由圖1 可知，當(dāng)采煤機在進行平直運動的時候，采煤機的截齒是處在非連續(xù)性截割狀態(tài)，采煤機截割滾筒上的截齒受力存在著較大的差異性，受力最大的截齒為第6 號截齒，最大受力約為404.6 N，受力最小的截齒為第36 號截齒，最小受力約為13.9 N。為了對采煤機截齒受力的不均勻性進行描述，本文引入了變異系數(shù)的概念，其等于不同截齒受力的均方差和平均值之間的比值，變異系數(shù)越大表示受力越不均勻，經(jīng)過計算，采煤機截齒在平直運動狀態(tài)下的變異系數(shù)約為0.839。

當(dāng)采煤機在進給工況下運行時，各個截齒的受力同樣存在著較大的不均勻性，當(dāng)截齒與煤壁接觸時的受力較大，未和煤壁接觸的截齒處于非受力狀態(tài)，其中受力最大的截齒為第28 號截齒，最大的受力為313.8 N，受力最小截齒的受力為0 N，通過計算，在該工況下采煤機截齒的變異系數(shù)為1.357，存著極大的不均勻性。

2 采煤機截割機構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)分析表明，采煤機截齒之間的截線間距對受力的影響較大，因此可以通過優(yōu)化截齒的截線間距來對采煤機的截割特性進行改善，以采煤機截割作業(yè)時的截齒受力為依據(jù)，對不同位置的截齒間距進行調(diào)整，不同截齒間的截線間距優(yōu)化前后對比如圖2 所示，優(yōu)化后的截齒間距比優(yōu)化前平均降低了0.9 mm，改善了截割作業(yè)時作用在截齒上的受力情況。

圖2 優(yōu)化前后采煤機截齒間距對比示意圖

采煤機截割機構(gòu)優(yōu)化后，利用ANSYS 仿真分析軟件，在相同的工況下對采煤機在平直運動和進給運動情況的截割受力情況進行對比。在平直工況下，優(yōu)化后截齒的受力變異系數(shù)由最初的0.839 降低到了0.526，比優(yōu)化前降低了37.3%。在進給工況下，優(yōu)化后截齒的受力變異系數(shù)由最初的1.357 降低到了0.938，比優(yōu)化前降低了30.9%。由此可知，優(yōu)化后顯著提升了掘進機截割作業(yè)時的可靠性，截齒的平均使用時間由最初的44.3 d 提升到了52.3 d，優(yōu)化后掘進機截齒的使用壽命提高了17.9%，對降低截齒磨損、提高截齒使用壽命具有十分重要的意義。

3 采煤機行走系統(tǒng)改造方案

采煤機行走系統(tǒng)的主要問題在于，履帶板的強度不足，在受力情況下容易出現(xiàn)塑性變形和斷裂，因此在對采煤機行走系統(tǒng)進行分析后，提出了一種新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。維持采煤機履帶板的節(jié)距不變，然后對履帶板的整體尺寸和筋板位置進行調(diào)整，在履帶板的架體上設(shè)置了輔助支撐結(jié)構(gòu)，改善其受力狀態(tài)，確保了履帶板在工作時能夠處在彈性變形區(qū)域，減少發(fā)生塑性變形的概率。

為了提高行走機構(gòu)在復(fù)雜地形條件下的緩沖性，采用了150 mm 推移千斤頂來作為采煤機行走系統(tǒng)的輔助液壓裝置，在推移千斤頂?shù)那懊嬖O(shè)置了一個導(dǎo)向套，對千斤頂進行封閉，提高在復(fù)雜地質(zhì)條件下的使用可靠性。為了進一步提高采煤機行走系統(tǒng)和底板之間的摩擦系數(shù)，提高行走系統(tǒng)在行走時和地面的附著力，提高應(yīng)力承受能力，液壓系統(tǒng)的推進裝置的動力來自于液壓泵站，在液壓系統(tǒng)的控制下，提高工作壓力，進而提升了系統(tǒng)工作時的輸出轉(zhuǎn)矩，保證了采煤機在不同工況下的可靠性，優(yōu)化后采煤機履帶板整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化后履帶板結(jié)構(gòu)示意圖

通過對采煤機履帶板的優(yōu)化，提升了履帶板的結(jié)構(gòu)強度，進而提升了在不同工況下的工作穩(wěn)定性，根據(jù)實際應(yīng)用表明，優(yōu)化后采煤機行走系統(tǒng)故障數(shù)量由最初的1.2 次/d 降低到了目前的0.11 次/d，故障率降低了90.8%，顯著提升了采煤機行走系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

1）采煤機截齒之間的截線間距對受力的影響較大，可以通過優(yōu)化截齒的截線間距來對采煤機的截割特性進行改善；采煤機行走機構(gòu)強度不足可以通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高履帶結(jié)構(gòu)強度等方案來加強；

2）優(yōu)化后掘進機截齒的使用壽命提高了17.9%，掘進機的傳動系統(tǒng)故障率降低了90.8%，對提升掘進機工作穩(wěn)定性和可靠性具有十分重要的意義。