刘玉山

（华阳煤业（集团）有限责任公司二矿生产调度指挥中心，山西 阳泉 045000）

引言

我国的煤炭储量丰富，在全世界储量总量中居于前列。随着社会经济的快速发展，我国在煤炭开采行业的投入越来越深入，包括人力、物力的投入也在不断地增添砝码。经过几十年的发展，虽然在煤炭开采的部分工艺方面有较大的提升，但是作为开采关键环节的掘进部分，受到了较大的技术牵制。掘进机的开采效率较低、安全性较差，整体的技术水平相对落后。面对复杂、恶劣的地层条件，掘进机的生产技术水平还亟待进一步提高[1]。尤其是掘进机截齿的使用寿命较短，其在与煤岩接触过程中很容易发生严重的磨损或结构破坏。目前根据实际工程中所反映的问题说明，截割头的截齿排布方式有待进一步优化，进而充分发挥每颗截齿的切削性能，提升整体结构对煤岩的切削效率。通过软件设计截齿的排布方式，采用仿真技术能够在工程应用前期设计出合理的截齿排布，获得截割头的自主知识产权，打破国外的技术垄断，有利于提高我国煤矿行业掘进机设计研发的创新性。

1 掘进机截割头结构性能评价

1.1 截割头结构分析

目前根据掘进机截割头截齿排布方式，主要将其分为两种形式，一种为以螺旋线设计为主，结合圆周角的排布方式；另一种为基于截线间距排布，结合圆周角的排布方式[2]。无论采用哪种方式，都会对截齿的排布在安装方面造成影响。因此，截割头结构的设计应考虑截齿安装的因素影响。安装主要考虑功能角和工艺角两个因素，其中工艺角受到了工装和焊接两方面的影响。截齿通过齿座安装在截割头上，截齿的包络线通常与截割头外形包络线保持平行，如图1 所示。

图1 截割头与截齿的包络线示意图

1.2 截割性能评价

评价掘进机截割头工作性能的指标主要有截齿载荷、载荷波动、比能耗、截割产尘量4 个[3]。其中截齿载荷和比能耗2 个指标为主要研究指标，前者指标主要分析截齿所受到的载荷合力，由每个截齿的受力组合而成；后者指标通常表示截割头所受到的动态载荷作用，可由载荷变差系数进行确定。2 个主要指标受到地质性质的影响，当煤岩的黏结力越小时，2 个指标参数的数值越小。同时当降低截割头切削速度时，截割头所受到的载荷增大，比能耗指标数值也在增大。

2 截割头排布设计及软件开发

2.1 截齿参数

通过MATLAB GUI 模块对截齿排布的软件界面进行设计，将参数输入、功能命令、输出窗口集成在一个可视界面范围内。对截齿的底圆半径、圆柱段高、圆锥段高、截割头半锥角的形状参数进行输入，可在显示区域内对截齿排布的三维图形和圆周排布图进行显示，每个截齿都在x、y、z 轴上有独立的坐标。设计截齿排布图应符合以下4 个要求：一是截齿圆心角相等；二是轴向间距相等；三是截齿伸出长度相等；四是齿座安装独立[4]。根据设置要求，对截齿三维排布图进行参数优化设计，保持相邻截齿的间距呈比例变化，确保每条截线上都分布有截齿。结合纵向间距和截齿四周同心角设计出三维排布图，如图2 所示。

图2 截齿三维排布示意图

2.2 评价指标软件开发

MATLAB 软件具有强大的数据分析和计算能力，将设计参数导入MATLAB 程序。对截割头的载荷和比能耗的性能指标进行运算，需要通过可视化界面，对性能指标进行直观展示。将截齿的升力、横切阻力、推进阻力的数据拟合成曲线，分别表示为a方向、b 方向、c 方向的合力曲线。同时，功能区对截齿的比能耗在摇摆速度、转速等方面设置功能按钮。通过MATLAB GUI 编写截齿图形的界面程序，如图3 所示。

图3 截割性能指标程序界面示意图

截割性能指标程序除了对三个方向合力进行显示外，还可对截割安装参数进行定义，包括螺旋升角、圆周差角、倾斜角、切削层数、偏载系数等[5]。

3 截割头有限元仿真分析

3.1 有限元模型建立

严格按照MATLAB 软件设计出的截齿排布图，通过Pro/E 软件建立起截割头的三维模型图，并作出如下三种假设：一是去除截割头叶片和喷头等零碎部件；二是忽略截割作业时的钻进工况，仅考虑横摆运动；三是忽略地层各种岩石的硬度，简化为同一种硬度的矿石。

截割头的截齿材料为42CrMo 耐磨材料，顶部合金部分为MK8C，具有较高的硬度和耐磨性能。其在面对花岗岩、大理石岩等高强度岩石冲击时，也能保持结构原状。采用LS-DYNA 动态仿真软件对截齿在切割煤炭时的载荷状态进行分析，煤炭的弹性模量为6 174 MPa、泊松比为0.28、抗压强度34.4 MPa，并且对合金头、齿座等接触部位的力学参数进行设置[6]。LS-DYNA 联合Hyper Mesh 对仿真模型的网格进行划分，采用六面第八节点网格结构单元进行划分，整体网格个数为1 174 458，节点数为4 319 657。通过LS-DYNA 关键字对相关边界条件进行定义，设置仿真时间为3.56 s、截割头转速为52 r/min。截割头仿真模型示意图如图4 所示。

图4 截割头仿真计算示意图

3.2 截割头仿真计算结果分析

采用图4 中截割头仿真计算模型，对整体切削煤炭的过程进行分析计算。由图5 可知，截割阻力变差系数随切削角的增大而增大，切削角从48°～54°,截割阻力变差系数的增大将导致平均牵引阻力不断增大；牵引阻力变差系数随着切削角从48°增大到54°而逐渐变小。牵引阻力变差系数在切削角52°～54°阶段时减小缓慢。由此可知，切削角为48°左右时，截割头受力较为理想。

由图6 所示，平均截割阻力随旋转角增大而增大，其数值在旋转角12°～14°时上升速度最快，在14°左右增加趋势放缓；平均牵引阻力随旋转角增大呈先增大后减小的趋势，且在14°左右达到峰值，随后随着旋转角的增大而下降，因此，旋转角在14°左右截割头受力较为理想。

图6 旋转角与截齿受力关系变化示意图

4 结语

为了提高掘进机截割头的开采工作效率，对截齿的排布进行了优化设计，并根据软件设计结果建立了截割头的整体切削仿真模型，利用LS-DYNA软件对整个截割煤岩的过程进行了仿真，得出了截齿排布的切削角在48°～50°和旋转角在12°～14°时，截割头截割性能最佳。