不同截线距参数对掘进机截割性能的影响研究

孙亚鹏

（晋能控股煤业集团马脊梁矿， 山西 大同 037000）

引言

掘进机是一种煤矿用综合掘进设备，组成部分包括行走机构、装运机构及截割机构等，常用于煤矿巷道的掘进及隧道的开挖，其中悬臂式掘进机还具有适应性强、机身小及调用灵活等优点，可满足不同工况生产需求，具有更大的应用前景[1]。其中，对于掘进机截割部，其作为掘进机的工作部件，即与煤岩直接接触的掘进机机构部件，利用截割头带动截齿旋转完成煤岩截割动作，组成部件有截割头、悬臂段、截割减速器及截割电机等；对于本体部，其四周同油箱、铲板部、操作台、回转台和第一运输机相连接，本体部是利用行走部、后支撑对其起支撑作用；对于行走部，组成部件有行走减速机、驱动轮、履带链、履带架、涨紧轮组、涨紧油缸、行走马达及辅助零件；对于铲板部，铲板部作为掘进机的收集转运装置，利用旋转作用的五齿星轮，通过铲板将截割落下的煤体运输至第一输送机内；此外，还有对掘进机起支撑作用的后支撑，其可降低掘进机在掘进工作时机体的振动，同时可避免机体出现侧向滑动现象；电控箱是采用橡胶减震垫与后支撑座相连接。截割头作为掘进机的核心工作部件，主要工作是破碎煤岩，截割头性能的好坏会直接影响掘进机的效率、可靠性及煤炭开采的经济性等[2]。

1 不同截线距参数对掘进机截割性能的影响

截线距的定义是两条相邻截线之间的轴向长短距离，其大小的设置，同截割头截割煤岩的大小和顺利程度、截割阻力所做的有用功大小、截割头的载荷大小等密切相关，因此，在实际应用中，截线距值的设置直接关系着掘进机截齿布置效果的好坏及截割头的设计[3]。

本文设定掘进机参数：截割头转速是30 r/min，截齿倾斜角是15°、切削角是45°，截深是30 mm，截割时间是6 s，研究不同截线距参数对掘进机截割头性能的影响，截线距值分别为70 mm、80 mm、90 mm。

图1 是在截线距参数是70 mm 时得到的掘进机截割头截割力、截割力矩同时间的变化关系图，此时，掘进机截割力均值是330 N，截割力矩均值是365 N·m。

图1 截线距是70 mm 时掘进机截割头截割力和力矩变化曲线

下页图2 是在截线距参数是80 mm 时得到的掘进机截割头截割力、截割力矩变化关系图，此时，掘进机截割力均值是531 N，截割力矩均值是607 N·m。

图2 截线距是80 mm 时掘进机截割头截割力和力矩变化曲线

下页图3 是在截线距参数是90 mm 时，得到的掘进机截割头截割力、截割力矩变化关系图，此时，截割力均值是796 N，截割力矩均值882 N·m。

图3 截线距是90 mm 时掘进机截割头截割力和力矩变化曲线

从图1、图2 和图3 对比可以看出，随着截线距的增大，掘进机截齿的截割力和截割力矩也逐渐增大，这是因为随着截线距的不断增大，相邻截割槽间的距离也随之增大，这就造成两个截割槽间的一部分煤不能被截割完成，产生的煤脊较厚，导致截割载荷的持续递增。

继续深入对掘进机截割头截落煤壁的数量进行分析，并利用LS-PREPOST 后处理软件得到图4 所示结果。

图4 截线距是70 mm 时截割头截割煤壁完成后剩余的单元数量

从图4 可知，当截线距参数是70 mm 时，掘进机截割头截割煤壁前，煤壁单元总数是13 824，模拟研究6 s 结束后，煤壁剩余单元总数是12 974，通过计算可得出，被截割头截落的煤壁单元总数是850，而单个单元的体积是1.25×10-4m3，因此，根据以上参数，就可得到在整个截割进程中截割头截落煤壁体积是0.106 3 m3。继续对截线距是80 mm、90 mm参数下的截割头截落的煤壁体积进行分析计算，得到当截线距是80 mm 时，截齿截落的煤壁体积是0.113 3 m3；当截线距是90 mm 时，截齿截落的煤壁体积是0.107 9 m3。

为了进一步分析截线距对掘进机截割性能的影响，截割比能耗计算公式如下：

式中：Hw是截割比能耗，kW·h/m3；t 是截割时间，s；n是滚筒转速，r/min；是截割力扭矩均值，N·m；Vm是截割截落的煤壁体积，m3。通过计算得到不同截线距参数下，掘进机截割头截割煤壁的截割比能耗大小。当截线距是70 mm 时截割比能耗0.018 kW·h/m3；当截线距是80 mm 时截割比能耗0.028 kW·h/m3；当截线距是90 mm 时截割比能耗0.040 3 kW·h/m3。由此可对比看出，随着截线距值的增大，掘进机截割比能耗逐渐增大。

截线距参数设置不合理时会影响采煤的效果，如果设置太小，相邻截割两槽间距太近，尽管使截齿的截割力降低，但是却不能有效发挥出煤壁的崩落效应，造成崩落的煤块体积小，使煤矿开采效率降低；如果设置太大，相邻截割槽间的煤体就会出现难以脱落的现象，使现场截割煤层的粉尘浓度上升，造成煤炭开采不环保、不经济。综上，在掘进机截深参数一定的前提下，存在一个最优的截线距值，其不仅可以很好地发挥煤壁的崩落效应，使崩落的煤体体积大，且可使截割头截割阻力所做功大幅降低[4]。

2 结论

由于掘进机截割头性能的好坏会直接影响掘进机的效率及煤炭开采的经济性等，因此，本文就主要分析不同截线距参数对掘进机截割头性能的影响，结论如下：

1）随着截线距的增大，掘进机截齿的截割力和截割力矩也逐渐增大。

2）随着截线距的增大，掘进机截割比能耗逐渐增大。

3）截线距参数设置不合理时会影响采煤的效果，在截深一定时，存在的最优截线距，不仅可以很好地发挥煤壁的崩落效应，使崩落的煤体体积大，且可使截割头截割阻力所做功大幅降低。