全尺寸单齿煤岩截割试验研究_刘洋飞.pdf

全尺寸单齿煤岩截割试验研究刘洋飞（华阳集团新能股份有限公司一矿，山西阳泉045000）摘要：在采掘机械煤岩截割的大背景下，展开了煤岩截割试验结构的研制及试验研究，基于机械系统、液压系统和测控系统的设计，通过试验装置进行不同截割速度和不同截割深度的截割试验，通过相关参数的变化，分析其对截割三向力、截割碎屑粒度的分布及截割比能耗等因素的影响。关键词：煤岩截割截齿全尺寸单齿中图分类号：TD421.6文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0022-03引言井下采掘机械在完成截割动作时，截割部的截齿是直接接触煤岩的部分，其截割性能的优劣在一定程度上影响着采煤机滚筒以及掘进机截割部等核心部位的功能及使用寿命，此外，还关系到煤炭企业的经济收益1。当煤岩的岩性一定时，截齿自身的性能是对截割性能产生影响的最大因素，比如截齿的尺寸、截齿的形状、截齿的运动参数以及截齿的结构参数等，能否找到合适的性能参数将关系到截齿乃至截割部的工作性能。本次试验的主要目的就是寻找单齿截割性能与截齿本身参数之间的具体关系，本文通过改变截割深度与截割速度的大小，来研究其对截割性能的影响。此外，在参数衡量标准层次上，本文具体通过截割三向力、截割碎屑粒度的分布以及截割比能耗等指标来实现。1试验截齿和煤岩试样国内传统的采煤机和掘进机上采用的截齿主要有两种，即镐型与刀型，在破岩机理上，二者的原理近似相同，然而在破岩能力方面，二者则有所差异，其中刀型的能力较弱，镐型的能力较强2，所以本文的煤岩截割试验采用的是镐型截齿，具体类型选用 U 型截齿，镐型截齿的结构如图 1 所示。换个角度想，作为截齿截割的载体，煤岩的性能参数将直接涉及截齿的受力情况、截割的效率大小、截割比能耗大小或者使用寿命等方面，试验的煤岩试件材料主要是沙子与水泥，配比是 12.5，此外还要加入一定的水混合而成，长宽高分别为 0.9 m、0.6 m、0.6 m，待固定完成后，方可作为试验试用。通过岩石力学的性能测试仪器对试件进行测试，依照所测得的参数大小，计算得到用于试验的煤岩试件的普氏系数为 2.9。2截割速度的影响在本次试验中，控制截割深度、截割角度以及截割间距的大小不变，改变截割速度的大小。通过试验来观察截割速度对截割三向力、截割碎屑粒度分级以及截割比能耗的影响。2.1截割速度对截割三向力的影响图 2 为截割速度变化时，截割三向力跟随截割速度推进变化的曲线，观察图 2 可以知道，通过试验煤岩试件，当截割速度变大时，截割力的大小出现起伏的现象，即没有明显的变化特征趋势。在进行截割煤岩操作时，大多数情况下，煤岩的破坏都表现为脆性破坏。在特有的采掘机械煤岩截割深度的基础上，截割速度的变化对截割力的变化影响不大。由此可以说明，在试件条件一定的情况下，截割速度并不能对截割三向力造成较为明显的影响。收稿日期：2022-01-24作者简介：刘洋飞（1993），男，河南睢县人，硕士研究生，毕业于中国矿业大学（北京）采矿工程专业，采矿助理工程师，从事煤矿井下一线工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.008图 1镐型截齿结构（单位：mm）25628038155U135-25合金头直径 25 mm头部高度 80 mm底 62 mm图 2截割三向力随截割速度推进变化的曲线截割速度/（m s-1）6050403020100-100.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22力/kN截割力侧向力法向力试验研究2023 年第 2 期2.2截割速度对截割碎屑粒度分布的影响图 3 为截割碎屑粒度在不同截割速度条件下的分布图。从图 3 中可以发现，随着截割速度 v 的增加，截割碎屑的质量也随之增加，也就是说二者是近似正比的关系。如果截割速度达到了某个特定的点，那么碎屑块的占比就会出现由增大到变小的趋势，然而在另一些特定的点，处在该范围内的碎屑块的占比就会出现单调递增的趋势。由此看出，在进行截割煤岩操作时，如果截割的速度大于某个特定值或者极限值，那么随着截割速度的变化，截割碎屑块的占比将变化得比较小。2.3截割速度对截割比能耗的影响图 4 为截割比能耗随截割速度变化曲线，观察图4 可以知道，当截割速度增大时，截割比能耗会呈现由减小到逐渐变大的势头，这样的变化趋势恰好与粒度指数分布情况在同等情况下变化的趋势相反，因此可以进一步推测出截割比能耗与粒度指数分布情况存在某种相关性。当截割速度达到某个特殊点时，截割比能耗出现最小值，对应的就是截割比能耗最低时的截割速度，这一处的截割速度成为截割过程中的最佳工况点以及最佳效益点。3截割深度的影响在本次试验中，控制截割速度、截割角度以及截割间距的大小不变，改变截割深度的大小。通过试验来观察截割深度对截割三向力、粒度分布指数以及截割比能耗的影响。3.1截割深度对截割三向力的影响图 5 为截割三向力随截割深度变化的曲线，观察图 5 可以得知，当截割深度变大时，截割力与法向力的大小呈正比关系，反观侧向力的大小则不随截割参数的变化而变化，此外，截割力的变化幅度会跟随截割深度的增加而增大。当截割深度一点点增加时，截齿接触到煤岩的范围也进一步扩大，就会致使其工作阻力也随深度逐渐变大，因而可以得出，随着截割深度的增加，截割力与法向力的大小呈正比的关系。3.2截割深度对粒度分布指数及截割比能耗的影响如图 6 所示，为粒度分布指数随截割深度变化的曲线，通过观察图 6 可以知道，当截割深度的大小逐渐增大时，粒度分布指数也随之越来越大。下页图 7为截割比能耗随截割深度的变化曲线，观察图 7 可以得知，当截割深度增加时，截割比能耗反而降低，这一现象与前者相比恰好相反，这一现象也说明了通过粒度分布指数的大小去推测截割比能耗的可能性。再观察截割碎屑分布情况可以发现，当截割深度达到一定值以后，截割碎屑的尺寸大于 25 mm 的占比就会很大，因此无需将岩石进行细致的粉碎工作，也就会使得单位体积的岩石在截割时消耗的能量会比较小，由此得出结论，当截割深度达到一定时，截割比能耗会变得很小。图 3截割碎屑粒度在不同截割速度条件下的分布5040302010015粒度/mm百分比/%v=0.064 m/sv=0.123 m/sv=0.158 m/sv=0.195 m/s图 4截割比能耗随截割速度变化曲线截割速度/（m s-1）302724211815120.0500.0750.1000.1250.1500.1750.2000.225截割比能耗/（kWh m-3）图 5截割三向力随截割深度变化的曲线截割深度/mm50454035302520151050-51215182124369力/kN截割力法向力侧向力图 6粒度分布指数随截割深度变化的曲线截割深度/mm750700650600550500246810121416182022粒度分布指数刘洋飞：全尺寸单齿煤岩截割试验研究23机械管理开发第 38 卷4截割碎屑粒度分布与比能耗关系如图 8 所示，当粒度分布指数的大小逐渐增大时，截割比能耗反而减小，根据统计学的角度出发可以知道，截割比能耗与粒度分布指数之间存在一定的相关关系，相关系数约为 0.9，可以证明二者间存在较高的指数相关性。此外，同时观察粒度分布指数及截割比能耗与截割深度或截割速度之间的变化关系，可以发现二者恰好相反，所以可以利用这一点来推测煤岩截割效率的高低。5结论1）控制截割深度、截割角度以及截割间距不变，通过改变截割速度来展开截割试验，从而得到了截割三向力的大小不随速度的变化而明显变化；截割试验产生的碎屑质量随着速度的提升而增加；当截割速度增加时，截割比能耗呈现出先降低后上升的现象，当截割比能耗降到最低时，那一点就是截割的最佳工况点以及最佳收益点。2）控制截割速度、截割角度以及截割间距不变，通过改变截割深度来展开截割试验可以发现，当截割深度逐渐增加时，截割力与法向力的大小呈正比的关系；在具体的截割深度逐渐增大时，超过 25 mm 的截割碎屑块率的大小占所有碎屑块的比例也就愈来愈大，所以通过上述现象可以知道，截割深度的增大对截割碎屑块率的大小也是一种促进的影响，通过分析截割力频率，当频率在 0 Hz以下时，截割力的峰值点将会随着截割深度的增长而改变，并且，随着截割深度的增长也会增大截割碎屑块的比例，并由此会导致在截割过程中静力破坏值的增加。因此截割比能耗和粒度分布指数在一定程度上满足了相关指数分布，所以可以利用这一点来推测煤岩截割效率的高低3。参考文献1王世聪.煤体截割破坏及产尘规律实验研究D.青岛：山东科技大学，2020.2刘炜煌.截割头截割煤岩的模拟D.太原：太原理工大学，2014.3朱术林.煤岩截割试验装置设计与试验研究D.徐州：中国矿业大学，2015.（编辑：李俊慧）图 7截割比能耗随截割深度的变化曲线151296346810121416182022截割深度/mm截割比能耗/（kWh m-3）3028262422201816141210864450500550600650700750粒度分布指数图 8截割比能耗随粒度分布指数的变化曲线截割比能耗/（kWh m-3）Experimental Study on Full-Size Single-Tooth Coal Rock Cut-OffLiu Yangfei（Huayang Group Xinneng Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi 045000）Abstract:In the context of coal rock cutting of mining machinery,the development and experimental research of the coal rock cutting teststructure was carried out.Based on the design of mechanical system,hydraulic system and measurement and control system,cutting testswith different cutting speeds and cutting depths were carried out by the test device,and the influence of the relevant parameters on thethree-way force of cutting,the distribution of particle size of cutting debris and the energy consumption of cutting ratio was analyzedthrough the change of relevant parameters.Key words:coal rock cutting;cutting tooth;full size;single toothDesign and Industrial Test Analysis of Underground Coal Mine Water Bin CleanerHu Qiang（Ximing Mine,Shanxi Xishan Coal and Electric Power Company Limited,Taiyuan Shanxi 030052）Abstract:A coal mine underground water bin cleaning machine is designed,its working characteristics are analyzed by numericalsimulation,and industrial tests are conducted to ad