掘进机截齿安装角的优化研究

毋韶杰

（西山煤电（集团）有限责任公司机电厂，山西 太原 030053）

引言

掘进机是依靠截割滚筒从岩壁上剥落岩石的机械设备，截割滚筒截割作业时的稳定性直接决定了掘进机截割作业的效率和经济性。截齿是截割滚筒执行截割作业的核心，针对目前掘进机截齿磨损速度快、使用寿命短，需要频繁更换截齿，影响截割效率的情况。提出利用离散元分析的方法对不同截齿安装角下掘进机的截割特性进行分析，确定截齿的最佳安装角，提升掘进机的截割稳定性和经济性。本文以某型掘进机为研究对象，利用离散元仿真分析软件对掘进机不同截齿安装角下的截割过程进行分析。

1 截割仿真分析模型建立

利用三维建模软件建立掘进机截割滚筒、刮板输送机中部槽和煤壁三部分的三维模型[1]，为了确保分析结果的准确性，在进行三维建模时依据某型掘进机的实际结构参数进行，截割滚筒的直径为1 700 mm，截割滚筒的宽度为1 000 mm，截割滚筒的螺旋叶片升角为27°，截齿在截割滚筒上排列时采用了顺序排列的的方式，截齿之间的线距为78 mm，截齿安装时的锥角为82°。刮板输送机的中部槽和煤壁之间的距离为300 mm，截割滚筒下侧和刮板输送机中部槽之间的距离为900 mm。根据煤矿井下实际地质监测，在截割作业时煤壁的顶板压力为1.3×107N，煤岩的抗压强度为17 MPa。利用离散元仿真分析软件进行仿真分析时设置掘进机的截割速度为3.5 m/min，截割滚筒的截割转速设置为29 r/min，截割时的截割深度设置为900 mm，截割作业时不同位置的煤炭剥离速度如图1所示。

图1 掘进机截割作业仿真示意图

2 不同安装角时的截割性能分析

掘进机截齿的安装角主要是指截齿的轴线和截齿端部运动方向切线的夹角，对掘进机截割作业时的截割比能耗、装煤率、截割阻力均会产生一定的影响。目前掘进机的截割安装角一般设置为41°，但并没有对不同安装角下掘进机的截割特性进行系统的分析，因此本文对安装角为30°、35°、40°、45°、50°情况下掘进机的截割比能耗、装煤率、截割阻力进行分析。

装煤率是指掘进机在截割作业过程中煤炭从煤壁上被剥离下来后落到刮板输送机中部槽的煤炭比例，在对装煤率进行分析时可以在仿真模型中划分不同的统计区，将掘进机截割滚筒后侧的采空区划分为统计I区，将刮板输送机中部槽未覆盖的区域设置为统计II区[2]。通过对不同区域内煤壁颗粒所累积的质量占割煤总重的分析即可获取此截割状态下的装煤率。根据仿真分析结果，不同安装角下的装煤率分布如表1所示。

表1 不同安装角下的装煤率分布汇总表

由仿真分析结果可知，随着掘进机截齿安装角的增加，掘进机的装煤率先升高后降低，当掘进机的截齿安装角为45°的情况下装煤率最高，达到了80.04%。

截割阻力是指掘进机在截割作业时作用在各个截齿上的截割载荷的和[3]，不同截齿安装角情况下掘进机的截割阻力变化情况如图2所示。

由图2可知，不同安装角下作用在掘进机截割滚筒上的截割阻力均呈现了在一定范围内不规律的波动，这主要是由于在滚筒截割作业过程中截齿位置、偏角、煤层硬度均不断变化而导致的，因此在截割作业过程中的截割阻力并不会呈现规律性的变化。通常用掘进机截割滚筒在截割作业时的载荷波动系数来表示截割阻力的变化情况，载荷波动系数越小，说明截割稳定性越好。根据计算当截齿安装角为40°时载荷波动系数为5.7%，当截齿安装角为45°时的载荷波动系数为5.2%，其他几种情况下的载荷波动系数均超过了6%，因此当截齿安装角为45°或者40°时具有较好的截割稳定性。

图2 不同安装角下截齿上截割阻力变化情况

截割比能耗是指截齿截割单位体积的煤或岩石时所消耗的能量[4]，不同截齿安装角下掘进机的截割比能耗变化曲线如图3所示。

图3 不同安装角下截割比能耗变化情况

由分析结果可知，在不同的截齿安装角情况下掘进机的截割比能耗均随着截割时间的增加而逐渐增大，在截割作业过程中受掘进机的进给速度、截割速度变化的影响，掘进机的截割比能耗也出现了较为明显的波动，但该波动相对随意，缺乏规律性。当掘进机截齿的安装角为45°的情况下其平均截割比能耗为1.2 kW·h/m3，其他情况下掘进机的截割比能耗均超过了1.6 kW·h/m3，由此可见当安装角为45°时具有最佳的截割比能耗。

经过综合分析，当掘进机的截齿安装角设置为45°时具有最佳的截割比能耗、最小的截割阻力及最高的装煤率，可以显著提升掘进机综采作业时的经济性和使用寿命。

3 结论

1）三维建模、离散元仿真分析的方法有效地模拟了掘进机在截割作业过程中的受力情况，对提升掘进机结构参数合理性具有十分重要的意义。

2）掘进机的截齿安装角为45°时的装煤率达到了80.04%，载荷波动系数为5.2%，平均截割比能耗为1.2 kW·h/m3，具有最佳的截割比能耗、最小的截割阻力及最高的装煤率，可以显著提升掘进机综采作业时的经济性和使用寿命。