掘進機截齒截割作業時的受力特性研究

趙福喜

（華陽集團壽陽開元礦業有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

0 引言

隨著煤礦綜采作業技術的不斷進步，煤炭開采深度不斷增加，由于深部巖層具有更復雜的地質結構和應力分布情況，因此會對掘進機的截割機構產生更加顯著的影響，不僅導致截割穩定性顯著降低，而且還會在交變應力的作用下使截齒的磨損加劇。根據統計，當深部巖層的普氏系數達到5 以上時，其每掘進1 m，便會消耗70 把截齒，極大地影響了井下掘進效率和掘進的經濟性。

為了提高在深部巖層中的掘進速度，張強等人對不同卸壓工況下井下巖層的鉆孔破碎特性進行了研究，為分析截割作業時截齒的受力特性奠定了基礎。宗凱等人則對截割頭載荷對掘進機機身的偏斜特性進行了研究，為優化截割機構的截割特性奠定了基礎。在前人研究的基礎上，文章利用仿真分析的方案，對不同截割角情況下掘進機的受力特性進行了分析，確定了最佳截割作業參數。根據實際應用表明，新的截割參數下，能夠將掘進機的截割效率提升7.3%，將截齒的磨損量降低33.6%。

1 三維模型及仿真參數分析

1.1 三維模型建立

以EBZ50 型懸臂式掘進機為研究對象，其截齒為鎬型截齒，在井下截割作業時的經濟速度為1.9 m/s，截齒的截割深度為0.08 m，截齒結構及尺寸如圖1所示[1]。

圖1 EBZ50 型掘進機截齒結構示意圖（單位：mm）

該截齒端部材料的彈性模量為6.1×105MPa，材料泊松比為0.26，材料密度為1.47 g/cm3。掘進機截齒在截割作業時所受的截割力分布和井下巖層分布狀態有直接的關系，因此以井下1 400 m 巖層為研究對象，其巖體的彈性模量為7.6×104MPa，巖石材料泊松比為0.3，材料密度為2.57×103kg/m3。在截割作業時假設巖體表明不會產生位移，因此在分析時給巖體施加三個方向的約束，并對巖體施加60 MPa 的高地應力。

為了保證截割作業時仿真分析的精確性，在進行仿真分析模型網格劃分時，在截割區域采用了精細化的網格劃分方案[2]，在巖體受擠壓破碎的區域設置了六面體網格劃分方案。精細化網格劃分區域的網格節點為3 mm，六面體區域的網格劃分節點為80 mm，在完成網格劃分后，共計有283 913 個網格。巖石在受擠壓破壞時的分析模型采用了shear damage 網格劃分方案[3]，在分析過程中的失效部分會被即時刪除，提高仿真分析的效率和精確性。巖石及截齒模型如圖2 所示。

圖2 巖層及截齒仿真分析模型

1.2 仿真方案設定

為了保證數據分析的準確性，在進行仿真分析時采用了模擬對照分析的方法。設置一個實驗組和一個對照組，實驗組在分析時要先按參考文獻所提供的方法選定60 MPa 地應力多孔卸壓參數條件下的巖體進行分析[4]，對照組則選定60 MPa 地應力多孔未卸壓參數條件下的巖體進行分析。截齒在截割作業時應根據實際情況，作用在鉆孔周圍約為100 mm 的位置，實驗組和對照組設定如圖3 所示。

圖3 實驗組和對照組分析

2 截割分析結果

掘進機在截割作業過程中的截割狀態會同時受到截齒角度、截割速度、截割深度等多方面因素的影響[5]，由于截割速度和截割深度在實際應用過程中會根據井下的實際情況進行調整。為了簡化分析難度，將截割作業時的截割速度和截割深度保持不變，對截齒角度變化時的截割狀態進行分析[6]。

截齒在截割作業的過程中會受到作用于Z 軸方向上的截割阻力、作用于X 軸方向上的推進阻力、作用于Y 軸方向上的側向力作用，因此可用通過對不同截割角度情況下截齒受力情況的分析來確定掘進機的截割狀態[7]。

2.1 不同截割角度下截割情況分析

根據實際仿真分析結果，仿真分析過程中截割速度為1.9 m/s、截割深度為0.08 m 保持不變。當截割角度為30°情況下截齒的受力變化如圖4-1 所示；當截割角度為45°情況下截齒的受力變化如圖4-2 所示；截割角度為60°情況下截齒的受力變化如圖4-3所示。

圖4 不同截割角情況下受力分析結果

由實際仿真分析結果可知，隨著截割角度的增加，在截割作業過程中X 軸、Y 軸、Z 軸方向上的受力變化趨勢基本一致。當截割角度為60°的情況下各個截齒的受力分布均勻性更好，X 軸方向上的最大受力為3.87×104N，Y 軸方向上的最大受力為2.64×104N，Z 軸方向上的最大受力為7.89×104N，表現出了更高的截割穩定性。

2.2 不同截割間距對截割影響分析

對截割間距為70 mm、75 mm、80 mm 情況下的截齒截割特性進行分析，結果如圖5 所示。

圖5 不同截割間距情況下受力分析結果

由仿真分析結果可知，隨著截割間距的增加，作用在X 軸方向的力先減少后增加，作用在Y 軸方向上的力逐步降低，作用在Z 軸方向上的力則是先增加后降低。綜合各處的受力情況，確定當截割間距為75mm的情況下具有最佳的截割特性。此時作用在X 軸上的截割力為223.11 N，作用在Y 軸上的截割力為139.72 N，作用在Z 軸上的截割力為65.6 N。

2.3 對照組截割特性分析

根據2.1 分析結果，設定截割角度為60°、截割速度為1.9 m/s、截割深度為0.08 m，對地應力為60 MPa未卸壓的硬質巖層進行模擬截割對比試驗，作用在X軸、Y 軸、Z 軸方向上的受力情況如圖6 所示。

圖6 對照組截齒受力情況

由實際驗證可知，對照組截割試驗時，作用在X軸方向上的受力最大，截齒受力為5.4×103N；作用在Y 軸方向上的受力情況最小，截齒受力為0.8×103N。和模擬組相比在截割作業過程中作用在各個截齒上的力的均值均下降了40%以上，表明了在同等條件下，通過對巖層的開孔卸壓能夠有效的減少截割作業時的截齒受力，減少截齒磨損、提高掘進效率。

3 結論

利用ANSYS 仿真分析的方法對截齒在不同截割角、不同截割距離情況下懸臂式掘進機的截割特性進行了研究，結果表明：

1）當截割角度為60°、截割距離為75 mm 的情況下各個截齒的受力分布均勻性更好，能夠降低截齒在截割過程中的受力和磨損；

2）在同等條件下，通過對巖層的開孔卸壓能夠有效地減少截割作業時的截齒受力，減少截齒磨損、提高掘進效率。