基于LS-DYNA 的掘进机截齿旋转角的优化研究

贾晓峰

（山西省煤炭建设监理有限公司， 山西 太原 030012）

引言

随着科技水平的不断发展，掘进机作为一种高效的截割作业设备已经被广泛地应用到了煤矿井下巷道掘进作业中，掘进机的截齿作为直接截割机构，其工作时的特性直接决定了掘进机的截割作业性能。目前多数学者对掘进机截齿截割性能的研究主要集中在截齿材质、直径、形状等对截割特性的影响，但较少对截齿安装时的旋转角对截割特性的影响进行研究。掘进机截齿的旋转角直接决定了截齿在截割作业时的圆周磨损和侧磨损，同时其也决定着截割时截齿切入岩层的姿态、截割阻力和截割能耗。

本文以某型掘进机为分析目标，采用离散建模、三维仿真相结合的方法对截齿截割作业时旋转角的影响进行研究，确定最佳截齿旋转角，为降低截齿磨损、降低截割能耗、提升截割效率奠定基础。

1 截齿旋转角截割性能评价

截割机构截齿的旋转角是指截齿的回转平面和截齿的轴线之间的夹角，截齿在截割作业过程中受岩壁走向、掘进机悬臂跳动等影响，使作用在截齿上的力不断地发生变化，因此为了对截齿的截割特性进行量化评价，本文建立了截齿截割特性评价指标。截割作业过程中截齿的受力如图1 所示，图中ω 为截割角速度。

掘进机截齿在截割作业过程中，截齿第i次转动到某一个点位时，作用在截齿上的力可分解为竖切截割阻力Fai、纵切截割阻力Fbi以及推进阻力Fci，由于其在截割作业过程中变化较大，因此为了便于定量分析计算，可将截齿的受力简化为沿着切线方向上的截割阻力Fzi，沿着截割头轴向的侧向阻力Fxi以及沿着截割头方向的牵引阻力Fyi，同时其在截割时的截割力矩可表示为Mi，由图1 分析可知，各受力可表示为[1]：

式中：r为截齿的截割半径，mm；φ 为截齿的安装角，（°）。由此可求得截割作业过程中截齿的平均截割阻力，截齿的平均牵引阻力截齿的平均侧向阻力以及截割作业过程中的截割力矩其中n为在统计时的总的截割数据取样次数。

为了直观地对截割作业过程中截齿各个方向上的力的变化情况进行表示，本文引入了震荡指数的概念，其分别可表达为[2]：

式中：δ（Fx）为作用在截齿上的侧向阻力震荡指数；δ（Fy）为作用在截齿上的牵引阻力震荡指数；δ（Fz）为作用在截齿上的截割阻力震荡指数；δ（M）为作用在截齿上的截割力矩震荡指数。

截割作业过程中截齿消耗的电能占据了掘进机消耗电能的60%以上，因此为了描述截齿截割特性对能耗的影响，本文引入了掘进机的截割比能耗的概念，用于描述不同旋转角情况下掘进机截齿的截割功耗，可表示为[3]：

式中：Hw为截齿的截割比能耗，MJ/m3；W为掘进机截割作业时作用在截齿上的截割阻力所做的功，MJ；V为单位时间内截齿切割下来的岩石的体积，m3。

2 旋转角对截割特性的影响研究

利用离散元法建立煤岩颗粒的物料结构模型[4]模拟井下煤岩特性，以某型掘进机为对象，在其截齿安装角为11°，截齿切削角为48°情况下对其旋转角在不同时的掘进机的截割特利用LS-DYNA 仿真分析软件进行研究，截割作业过程中作用在截齿上的力矩随着截齿旋转角的变化如图2 所示。

图2 作用在截齿上的截割载荷及截割力矩随旋转角的波动曲线

由图2 可知，当截齿的旋转角在36°～44°之间时，各力均呈现了逐渐降低的趋势，当其旋转角在44°～46°范围内时，除平均侧向阻力外各力基本保持不变，当其旋转角在46°～52°时，各力呈现了逐渐增加的趋势，由此可知，当截齿的旋转角为44°～46°各力基本保持在最低的情况，此时截齿的受力最小，工作稳定性最好。

截齿工作过程中各方向上的阻力震荡指数随着截齿旋转角的变化情况如图3 所示。

由图3 可知，截齿上的侧向阻力震荡指数随着截齿旋转角度的变化一直在0.31～0.42 之间变动，而其他三种当截齿旋转角低于46°时呈现了逐渐降低趋势，而当超过46°后又呈现了逐渐增加的趋势，作为拐点，当在46°时各力的震荡指数综合最低，使截齿具有最优的截割稳定性，在截割作业过程中，采煤机截齿上的截割阻力震荡指数和牵引阻力震荡指数变化情况一致。

图3 各阻力震荡指数随旋转角的波动曲线

图4 截割比能耗随旋转角的变化曲线

截割作业时的截割比能耗随着截齿旋转角的变化曲线如图4 所示。

由图4 可知，随着旋转角的增加掘进机的截割比能耗逐渐降低，当在旋转角为44°的时候最小，然后再逐渐增大，因此当旋转角为44°时掘进机具有最小的能耗，其截割作业时具有最好的经济性。

综合当掘进机截齿旋转角变化时作用在截齿上的力、力矩、震荡指数及截割比能耗的变化趋势，可知当截齿旋转角为44°时，其具有最佳的截割综合性能。

3 结论

1）当截齿的旋转角为44°～46°各力基本保持在最低的情况，此时截齿的受力最小，工作稳定性最好；

2）当旋转角为44°时掘进机具有最小的能耗，其截割作业时具有最好的经济性；

3）当在46°时各力的震荡系数综合最低，使截齿具有最优的截割稳定性；

4）掘进机截齿旋转角变化时作用在截齿上的力、力矩、震荡指数及截割比能耗的变化趋势，可知当截齿旋转角为44°时，其具有最佳的截割综合性能。