矩形掘进机截割试验架的设计与应用

戴建平

(中国煤炭科工集团 上海有限公司， 上海 200030)

0 引言

矩形掘进机主要用于煤矿巷道的掘进，截割矩形断面的刀盘设计新颖，采用前后双刀盘组合结构，整体结构如图1所示。刀盘通过复合运动最终截割成近似正方形的拟合断面，见图2。

1-电动机；2-减速器；3-传动箱；4-方刀盘；5-圆刀盘。图1 刀盘结构示意图

图2 刀盘截割断面形状示意图

为检验矩形掘进机的应用效果，针对关键部件刀盘，研制了一种专用试验台，在地面试验场地进行刀盘截割假煤壁试验，通过试验观察刀盘实际截割断面形状、截割力学关系、排渣出煤效果等，分析验证矩形掘进机截割刀盘设计的合理性。

1 刀盘功率及推力确定

1.1 刀盘推力计算

刀盘推力可采用两种方法计算:

1) 方法Ⅰ：参考北方重工矩形掘进机(3.8 m×5.8 m)刀盘推力实际验证数据，类比矩形小刀盘(1.9 m×1.9 m),得出最大推力参考值,见表1。

表1 方法Ⅰ刀盘推力计算

2) 方法Ⅱ：按标准刀型截齿切割中硬煤岩的参考值,用公式计算,见表2。

表2 方法Ⅱ刀盘推力计算

为尽可能保证可靠性，采用方法Ⅰ确定最大推力,其参考值为46 t。

1.2 刀盘截割功率计算

刀盘截割功率可采用两种方法进行估算：

方法Ⅰ：比能耗值估算刀盘功率。按实际刀盘结构和标准刀型截齿切割中硬煤岩的比能耗估值，根据公式计算刀盘功率,见表3。

方法Ⅱ：根据刀盘截割阻力近似估算，见表4。

小刀盘功率(电动机)实际设计值为150 kW，低于表3中的计算值,但考虑小刀盘前后为双刀盘结构，实际工况只有约2/3全断面切割，故表3的计算取值较保守。因此,保持实际设计值为150 kW不变，实践结果有待试验进一步验证。

2 刀盘截割试验方案设计

2.1 试验方法

通过专用试验台，在地面试验场地进行小刀盘切割假煤壁试验，近似模拟实际切煤工况，再通过数据分析，测评小刀盘的实际工效。

表3 方法Ⅰ刀盘功率计算

表4 方法Ⅱ刀盘功率计算

在试验过程中，通过采集加载油缸的压力值、位移值及油缸的结构参数，计算出不同推进速度时的推进力，得到推进力、推进速度、位移的关系曲线。通过采集刀盘电动机的电流测定刀盘功率的变化。在试验台的不同测试工位，可以调整测试位置进行全断面和不同的部分断面切割假煤壁试验，并随着不同的煤壁切割状况，监控和测量各种相关试验参数(电流、流量、压力)的变化，通过分析统计，从多种工况试验数据验证推进速度和推进力以及刀盘扭矩的关系。试验过程中，观察切煤、排渣效果，以及中架溜台出渣情况是否流畅,有无堆积卡阻现象。

2.2 试验台的总体布局

刀盘截割假煤壁试验台由假煤壁和截割试验架组成,总体布置如图3所示。

1-主架；2-滑架；3-刀盘电动机；4-主推缸；5-头架；6-刀盘；7-假煤壁；8-三角托架。图3 试验台总体布置

2.3 试验台的主要特征

1) 假煤壁模拟实际截割煤岩，坚固性系数f=3～4。

2) 截割试验架可以移动工位进行不同工况的多次测试试验，见图4。

1-液压泵站；2-电控箱；3-阀控箱；4-主架；5-主推缸；6-滑架；7-刀盘装置；8-头架。图4 截割试验架的整体结构

3 刀盘截割试验架的研制

3.1 整体结构和主要功能

截割试验架主要由液压泵站、电控箱、阀控箱、主架、滑架、主推缸、头架和刀盘装置等组成。整体结构配置如图5所示。

截割试验架的主要用于承载刀盘装置，在截割试验时能够控制和推进刀盘向前截割运动。

3.2 机械部分

1) 刀盘装置。刀盘为试验的主要研究对象，将其固定在头架上并随之轴向滑移，提供旋转截割运动。

图5 截割试验架测试工位

2) 头架。头架为刀盘安装基座，与滑架相连，承载刀盘并支撑于地面进行滑移运动。

3) 滑架。前部与头架相连，后部多组滑轮定位，可以沿着主架轨道轴向移动。

4) 主推缸。连接主架和滑架，为刀盘提供截割推力，最大行程1 m。

5) 主架。主架为试验台基座，焊接固定在地坪预埋钢板上，承受刀盘截割反力和扭矩。

3.3 动力部分

动力部分主要由电源(380 V+3.3 kV)、液压泵站、阀控箱、电控箱、刀盘电动机等组成，提供整个试验系统的电液动力，并能控制和监测相关参数。

3.4 试验台截割机构主要技术参数

试验台截割机构主要技术参数见表5。

4 工况试验及应用

4.1 空载行程试验

试验台首先固定在1#工位，进行空载行程试验，小刀盘初始空载行程约80 mm，来回推拉试验，其速度、推拉力曲线如图6所示，工况1空载行程试验现场如图7所示。

表5 试验台截割机构主要技术参数

图6 空载速度、推拉力曲线

(a)

(b)图7 空载行程试验

4.2 刀盘截割推进试验

假煤壁截割、推进试验、推进速度、推进力曲线如图8所示，截割推进试验现场如图9所示。

图8 截割推进速度、推进力曲线

(a)

(b)图9 工况1刀盘截割推进试验

4.3 刀盘复位试验

试验台1#工位推进截割结束后，刀盘回拖复位，回拖速度、回拖力曲线如图10所示。然后移至2#工位继续试验，工况2刀盘截割试验现场如图11所示。

图10 复位回拖速度、回拖力曲线

(a)

(b)图11 工况2刀盘截割试验

4.4 试验结果验证

通过两次工位的试验结果，验证刀盘截割状态及出渣效果。试验过程中,刀盘截割状态如图12所示，中架溜台出渣效果如图13所示。

(a)

(b)图12 刀盘截割状态

图13 出渣效果

5 结论

通过研制刀盘截割试验架，在地面试验场地进行矩形掘进机刀盘截割假煤壁试验，近似模拟实际截煤工况，通过试验及数据分析，测评刀盘的实际工效，其试验结果表明:该截割试验架结构简单、可靠，推进顺利，刀盘截割煤壁、排煤拨煤出渣顺畅，无堆积卡阻现象，可以在不同测试工位进行全断面和不同的部分断面截割假煤壁试验，并随着不同的煤壁截割状况，监控和测量各种相关试验参数(电流、流量、压力)的变化，达到设计要求。