掘进机截割横切速度及钻进速度对截割性能的影响分析

龚伟华

（晋能控股煤业集团有限公司马脊梁矿，山西 大同 037003）

引言

在煤矿开采过程中，自动化的综采掘进能够有效地提高开采的效率，降低开采的成本，提高矿井的经济效益。掘进机是进行自动化开采的关键设备，截割头作为直接的开采部件，其割煤的效率决定了掘进机的截割效率[1]。截割头的运动速度与自身受到的载荷及截割比能耗具有直接的关系。在进行矿井的掘进过程中，运动速度的不同影响着掘进机的效率及使用寿命[2]。针对截割头运动速度的影响，采用有限元分析的方式，对截割头的横切速度和钻进速度分别进行分析，从而确定最优的截割状态及截割性能，获得合理的运动参数，提高截割的性能。

1 掘进机截割煤壁模型的建立

对掘进机的横切速度及钻进速度进行分析，包含了横截工况及钻进工况，采用UG 进行截割头及煤壁三维模型的建立，设定选取的煤壁规格（长×宽×高）为1 200 mm×1 200 mm×1 200 mm，将所建立的实体模型导入到LS-DYNA 分析软件中。LS-DYNA 是动力分析软件，在工程领域具有广泛的应用，对结构、冲击、地质变化等结构分析问题具有较高的可靠性[3]。

由于截齿及截割头的形状复杂，采用四面体单元的形式对其进行网格划分，设定单元的边长为50 mm 进行智能网格划分，得到如图1 所示的有限元模型。设定截齿和截割头的材料模型为20 号RIGID刚体材料，煤岩的材料模型为D-P 弹性材料，由此对掘进截割的横切速度及钻进速度进行仿真分析。

图1 截割模型的建立

2 掘进机截割速度对截割性能的影响分析

掘进机在进行截割的过程中，截割头在进行绕轴线旋转的同时，还要沿着垂直于轴线的方向进给，从而进行煤壁的剥落。在截割过程中，截割头的横切速度及钻进速度与截齿的截割性能具有直接的关系，因此对两者的影响作用分别进行分析。

2.1 横切速度对截割性能的影响

对截齿的横切速度进行分析，选取四种不同的横切速度分别为1.8 m/min、3.0 m/min、3.6 m/min、4.8 m/min，设定截割转速为30 r/min，切削的厚度为30 mm，对四种不同的横切速度下的截割过程进行仿真分析。如图2 所示为横切速度为1.8 m/min 时截割载荷的仿真结果。

图2 横切速度1.8 m/min 时的载荷（Pa）作用图

依次统计不同横切速度下的截割载荷平均值及截割比能耗，得到如下页图3 所示的变化曲线。从图3 中可以看出，随着横切速度的增加，截割力的平均值呈现逐渐增加的趋势，而截割比能耗随着横切速度的增加，呈现逐渐减小的趋势。这说明，在掘进机进行截割的过程中，横切速度越高，则截割头的截割能力越强，截割的效率越高，截割煤壁的厚度也有所增加，截割缠身的块煤率增大，此时截割产生的经济效益更好[4]。同时，随着截割头横切速度的增加，受到的截割载荷作用也随之增加，截齿受力较大，容易造成截齿的磨损，降低了截齿及齿座的使用寿命，会增加掘进采煤的成本。当产生截齿的损坏时，需要在井下的环境中对截齿进行维修更换，需要消耗大量的人力物力，不利于掘进过程的进行[5]。在实际生产中，对于横切速度的选取，要综合考虑截割的效率及截齿的寿命，选取合理的横切速度。

图3 截割载荷平均值及截割比能耗与横切速度关系曲线

2.2 钻进速度对截割性能的影响

对截齿的钻进速度进行分析，选取四种不同的钻进速度分别为1.8 m/min、3.0 m/min、3.6 m/min、4.8 m/min，设定截割转速为30 r/min，切削的厚度为30 mm，对四种不同的钻进速度下的截割过程进行仿真分析。依次统计不同钻进速度下的截割载荷平均值及截割比能耗，得到如图4 所示的变化曲线。从图4中可以看出，随着钻进速度的增加，截割头上的截割力载荷平均值逐渐增加，截割比能耗则呈现逐渐递减的趋势。这说明，在掘进机进行截割的过程中，钻进速度越大，则截割头的钻进能力越强，掘进效率越高，此时在单位时间内截割头的钻进深度越大，截割产生的块煤率越大。截割深度越大，则截割头受到的载荷作用越大，并且产生一定的载荷波动，这是由于截齿截割工作的不连续造成的，且截割头的排屑效果不佳，从而造成接的截割的效率降低，并且煤壁在工作过程中的脆性崩落，加剧了载荷的波动，严重时会造成掘进机不能正常进行截割。同时，截齿受到的载荷作用较大时，会增加截齿及齿座的磨损，不利于截割过程的进行[6]。在实际生产过程中，应依据截割头结构参数及煤岩的性质，合理地选择钻进速度。

图4 截割载荷平均值及截割比能耗与钻进速度关系曲线

3 结论

掘进机是进行煤矿自动化开采的重要设备，在进行掘进的过程中，掘进机截割头的转速对截割性能具有重要的影响。采用LS-DYNA 有限元分析的方式对截割头的横切速度及钻进速度的影响作用进行分析。结果表明，在两种不同的工况下，横切速度或钻进速度增加时，截割力载荷作用逐渐增加，而截割比能耗呈现减小的趋势。在实际进行掘进截割时，应依据截割效率、截齿寿命及煤岩的性质，合理地选择横切速度及钻进速度，实现截齿掘进的最优化，从而提高掘进机截割的效率，提高煤矿的生产效率。