截齿圆柱段旋转角对掘进机截割特性影响的研究

田文静

（晋城宏圣建筑工程有限公司， 山西 晋城 048000）

引言

掘进机作为一种煤矿井下掘进设备，其工作时的稳定性和效率直接关系到巷道掘进的效率和经济性。掘进机依靠安装在截割滚筒上的截齿实现掘进作业，截齿主要包括圆柱段、圆锥段和球冠段三个部分[1]，安装时的不同旋转角会对截割作业时的截割载荷、截割载荷波动、截割能耗比等造成较大的影响，目前学术界对掘进机截割性能和稳定性的分析主要集中在截齿排布方式、截齿直径、截齿安装角等，对截齿圆柱段的旋转角对截割性能的影响鲜有研究。本文采用了离散元仿真分析的方案对单个截齿在不同的圆柱段安装角情况下对掘进机截割稳定性的影响进行分析，以获取最佳的截齿圆柱段安装角。

1 圆柱段旋转角及评价量分析

掘进机截齿圆柱段的旋转角主要是指截齿的中心线和截齿截割作业时的回转平面之间的夹角，掘进机截齿圆柱段旋转角如图1所示[2]，其表示截齿截割作业时的空间立体结构模型，其中HB表示截齿圆柱段的中心线、H点表示截齿圆柱段与截割滚筒的中心点，B点表示截齿的端部，HGLK平面表示截割作业时的回转平面，因此图1中ε就表示截齿圆柱段的旋转角。

掘进机在截割作业过程中截齿的受力处在不断变化的过程中，因此若需要对掘进机的截割状态进行评价就需要建立起合适的数字评价模型，对评价指标进行量化，确保对掘进机评价结果的可靠性。通过对截割作业过程中不同截割指标的分析，最终确定了截割载荷、截割载荷波动量以及截割能效比三个指标作为对掘进机截割特性的评价量，其中截割载荷表明了作用在截齿上的截割阻力的大小，能够反映出对截齿的磨损量，截割载荷越小，截齿工作时的磨损量就越小，寿命就越长[3]。截割载荷波动量则是指截割作业过程中的截齿受力的变化量，能够反映出截割作业过程中对截割机构的冲击量的大小，载荷波动量越小表明工作时的稳定性越高，巷道截割成型质量越好。截割能效比则是指截割作业过程中的能量消耗，能够反映出截割经济性，截割能效比越小，表明截割经济性就越好[4]。

本文以EBZ160掘进机为分析对象，其截齿的切削角为55°，截齿的安装角为11°，分别对旋转角为 0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°、16°，共8种情况下的截割特性进行分析。

图1 截齿圆柱段旋转角空间立体示意图

2 掘进机截割特性分析

掘进机截齿工作时的截割载荷变化情况如图2所示。

图2 不同圆柱旋转角下的截割载荷变化曲线

由图2可知，截割作业过程中作用在截齿上的截割阻力、牵引阻力、侧向阻力、平均截割力矩，基本上是随着旋转角的增加而逐渐增大，当截齿旋转角为12.5°时，各个力均有了一个明显的低谷区，之后随着旋转角的增加而急剧增大，因此表明此工况下当截齿旋转角为12.5°的情况下具有最小的截割载荷，对截齿的磨损最低。

掘进机截齿工作时的截割载荷波动变化情况如图3所示，截割阻力变差系数是一个表示标准差相对于平均数大小的相对量[5]，能够反映出数值波动量的大小。

图3 不同圆柱旋转角下的截割载荷波动变化曲线

由图3可知，在截割作业过程中作用在截齿上的阻力变差系数呈现了不规则的波动，当旋转角为12°的情况下掘进机的牵引阻力、截割阻力的变差系数均达到最小，侧向阻力变差系数随着旋转角的增加而逐渐的降低。截割力矩变差系数和牵引阻力变差系数的分布趋势一致，因此综合分析可知，当旋转角为12°的情况下掘进机的截齿具有最小的载荷波动量，对截割机构的截割稳定性的影响最小，能够最大限度地确保稳定截割的作业需求。

掘进机截齿工作时的截割载能效比变化情况如图4所示。

由图4可知，随着截齿圆柱旋转角的增加，掘进机的截割能效比呈现了明显的波动，在0°～10°之间，掘进机的截割能效比随着角度的增加而增加，在10°～12°之间掘进机的截割能效比随着旋转角的增加而逐渐降低，当旋转角超过12°时，掘进机的截割能效比迅速增加，因此可知，该工况下当掘进机的截齿圆柱旋转角为12°时，掘进机具有最佳的截割经济性。

综合不同旋转角下掘进机的截割载荷、截割载荷波动量以及截割能效比变化情况，最终可确定，当截齿圆柱旋转角为12°时，掘进机具有最佳的截割特性，能够显著降低截齿的磨损，提高截割稳定性和经济性。

图4 不同圆柱旋转角下的截割能效比变化曲线

3 结论

1）用截割载荷、截割载荷波动量以及截割能效比三个指标作为对掘进机截割特性的评价量，作为掘进机截割特性的评价指标能够精确地对掘进机的截割稳定性、经济性、使用寿命进行评价；

2）当截齿圆柱旋转角为12°时，掘进机具有最佳的截割特性，能够显著降低截齿的磨损，提高截割稳定性和经济性。