不同形状截割头对掘进机稳定性影响分析_吴迪.pdf

第42卷第03期2023年03月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.03Mar.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.03.0450引言我国是世界第一的能源生产和使用大国，煤炭能源的开采，更是多年来位居世界首位。由于环境和地理位置的影响，使得我国呈现“富煤、贫油、少气”的资源结构，因此，煤矿开采问题成为众多问题中的重中之重。随着科学技术水平的不断提升，智能化开采日益受到关注，也成了必然发展趋势。基于此，采煤机械相关问题的研究，也逐渐成为专家学者关注的热门话题。掘进机作为采煤机械的核心设备，其采煤特性相关研究，具有重要价值和意义。横轴式掘进机适用于切割抗压强度较高的岩石，具有耐冲击、截割过程振动小、截割头横向力小以及截割功率大等优点，以此为背景，以当前国内常见的3种形状横轴掘进机截割头作为研究对象，分析其工作特性及载荷情况，旨在提高掘进机采煤平稳性等问题。1不同种类截割头性能分析（1）截割头分类目前我国使用中的横轴式掘进机主要有抛物线形截割头、椭球形截割头以及锥台形截割头3种，如图1所示。（a）抛物线形截割头（b）椭球形截割头（c）锥台形截割头图1截割头形状将3种截割头截齿齿尖所形成的包络面进行划分，如图2所示。（2）稳定性分析横轴式掘进机当截割头向下截割时，截割头受力情况如图3所示，通用模型中设置掘进机重心偏移。*国家自然科学基金青年科学基金项目（51904142）不同形状截割头对掘进机稳定性影响分析*吴迪1，刘治翔2，李玉岐2（1.辽宁工业大学 机械工程与自动化学院，辽宁 锦州121001；2.辽宁工程技术大学 辽宁省高等学校矿产资源开发利用技术及装备研究院，辽宁 阜新123000）摘要：针对掘进机工作过程中稳定性问题，以国内常见的3种形状横轴掘进机截割头为研究对象。通过分析不同形状截割头的工作特性，以掘进机工作过程中稳定系数为参考依据，建立的载荷影响机身稳定数学模型。分析拟合抛物线形截割头、椭球形截割头以及锥台形截割头在横向摆动、向上截割、向下截割以及稳定状态的极限位置稳定指标变化曲。通过稳态数值得出，物线形截割头的掘进机工作稳定系数较高，锥台形次之，椭球形截割头较差。关键词：掘进机；截割头；截割载荷；稳定系数中图分类号：TD421文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）03 229 05Analysis of Influence of Different Shape Cutting Head on Stability ofHeading MachineWU Di1，LIU Zhixiang2，LI Yuqi2(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology,Jinzhou 121001，China；2.Liaoning Institute of Mineral Resources Exploitation and Utilization Technology and Equipment,Liaoning TechnicalUniversity,Fuxin 123000，China）Abstract:Aiming at the stability problem of heading machine in the working process,the cutting headof three common shapes of horizontal axis heading machine as the research object.By analyzing theworking characteristics of different shapes of cutting heads and taking the stability coefficient ofheading machine as reference,a mathematical model of the influence of load on the stability of thebody was established.The variation curve of limit position stability index of parabolic cutting head,ellipsoid cutting head and conical platform cutting head in transverse swing,upward cutting,downwardcutting and stable state was analyzed.The steady state numerical results show that the working stabilitycoefficient of the heading machine with the object line cutter head is higher,the conical table cutterhead is second,and the ellipsoid cutter head is worse.Key words:heading machine；cutting head；cutting load；stability factor229（a）抛物线形截割头（b）椭球形截割头（c）锥台形截割头图2截割头齿尖包络面图（a）主视图（b）俯视图图3掘进机截割受力图当掘进机向下截割时，最不稳定的情况是绕掘进机履带后轮轴向后倾翻，其倾翻力矩M1=（Racos 2-Rccos 1sin 2）（a+b+c+Lcos 1cos 2）+（Rccos 1cos 2-Rbsin 1+Rasin 2）（H+Lcos 1sin 2）（1）式中L悬臂的长度，m；H悬臂水平位置时的高度，m；1悬臂在横向的任意摆角，（）；2悬臂在纵向的任意摆角，（）；a机器重心到履带后轮轴的距离，m；b机器重心到履带前轮轴的距离，m；c履带前轮轴至悬臂纵向摆动中心的水平距离，m；Ra截割头竖直方向载荷；Rb截割头推进方向载荷；Rc截割头横切方向载荷。其稳定力矩Mg1=G（a+1）cos-GHsin（2）式中G掘进机的重力，kN；掘进机工作面坡度角；1掘进机重心在纵向的偏移量，m。当掘进机向上截割时，最不稳定的情况是绕掘进机履带前轮轴向前倾翻，其倾翻力矩M2=（Racos 2+Rccos 1sin 2）（Lcos 2Lcos 1c）+（Rbsin 1-Rasin 2-Rccos 1cos 2）（Lsin 2cos 1+H）（3）其稳定力矩Mg2=G（b-1）cos+GHsin（4）当掘进机摆动截割时，最不稳定的情况是掘进机横向倾翻，但是实际上并不会导致掘进机横向倾翻，但可能使机身横向摆动，其偏转力矩M3=（Rbcos 1+Rcsin 1cos 2）（H+Lcos 2cos 1）+（Racos 2-Rccos 1sin 2）（e+2+Lcos 2sin 1）（5）式中2掘进机重心在横向的偏移量；e重心距履带边缘距离。其稳定力矩Mg3=G（e2）cos（6）当掘进机钻进时，掘进机最不稳定的情况是向后退，掘进机将承受向后退的力F4Rasin 2+Rccos 1cos 2-Rbsin 1（7）其稳定力矩F4Gcos（8）式中履带与底板的附着系数。根据以上分析可知，作用在掘进机上的外力，对掘进机可能产生2种力矩，一种是使掘进机产生倾翻趋势的倾翻力矩，另一种是使掘进机趋于稳定的稳定力矩。稳定力矩与倾翻力矩之比或稳定力与倾翻力之比称为稳定比k=MMg或k=FF（9）当k1时，机器稳定；如果k1，掘进机将产生倾翻；当k1时，掘进机处于要倾翻而又没有倾翻的临界状态。一般情况下取k=1.11.3。2仿真分析给定掘进机截割工程中工作参数：工作面采高H=2 m，截深L=0.4 m，普氏硬度系数f=3，截割头转速n=73.9 r/min，横摆速度v=2.89 m/min，煤的脆性程度指标B=2.5，使用镐形截齿，截刃宽度bp=2 cm，截割角=75，按中等磨损程度考虑，掘进机重量为27 t，a=1.63 m，b=1.2 m，c=0.06 m，e=1.3 m，H=1.26 m，L=2 m。截齿排列图如图4所示，在模拟中不考虑重心位置偏移，1=0，2=0。将截割头连续旋转的1周分成若干个离散点，时间步长与所取的离散点的个数有关，离散点取得越多，时间步长越小，模拟结果就越精确，但计算量也随之增大。反之，如果离散点取得太少，时间步长太大，虽然计算量小，模拟速度快，但可能使结果与实际不符，所以离散点应合理选取。本文选取1 s为时间步长。第42卷第03期不同形状截割头对掘进机稳定性影响分析吴迪，等Vol.42 No.03ZOXYZOXYYZOX2b-1a+1HRbRa1e+2Rc230图4截齿排列图（1）极限位置稳定指标变化曲线通过模拟求得3种截割头在横向摆动、向上截割、向下截割变化曲线如图5图7所示。（a）横向摆动截割（b）向上截割（c）向下截割图5抛物线形截割头极限位置稳定指标变化曲线图由图5（a）、图6（a）、图7（a）可知，在横向截割过程中，3种截割头的稳定系数曲线变化情况相似，均是由大到小再到大，可以说明，在截割头横向截割，截割头在由一端极限位置横摆到中间位置再到另一端极限位置的过程中，参加截割的截齿数量也经历少到多到少的过程，因此，当参加工作的截齿数量较少时，稳定系数较大，反之较小。各截割头稳定系数均在安全范围内，抛物线形截割头变化浮动最小，椭球形次之，锥台形截割头最大。（a）横向摆动截割（b）向上截割（c）向下截割图6椭球形截割头极限位置稳定指标变化曲线图在向上、向下截割头过程中，3种截割头在两极限位置处的稳定系数基本一致，且曲线平稳；在0位置截割过程中，3种截割头分别在不同时间点出现不同程度的波峰、波谷，其原因主要是截齿排列存在一定不合理导致参与工作截齿的数量突然变化所致。（2）工作过程稳定比值分析3种截割头极限位置稳定指标，其模拟曲线如图8所示。第42卷第03期Vol.42 No.03不同形状截割头对掘进机稳定性影响分析吴迪，等30027024021018015012090603003003301002030405060t/s1.301.251.201.151.101.052=582=02=-30稳定指标K1002030405060t/s3.02.82.62.42.22.01.81.61.41.21.01=361=01=-36稳定指标K1=361=01=-361002030405060t/s1.351.301.251.201.151.10稳定指标K1002030405060t/s1.281.261.241.221.201.181.161.141.121.102=582=02=-30稳定指标K1002030405060t/s1.451.401.351.301.251.201.151.101=361=01=-36稳定指标K1002030405060t/s1.91.81.71.61.51.41.31.21.11.01=361=01=-36稳定指标K231（a）横向摆动截割（b）向上截割（c）向下截割图7锥台形截割头极限位置稳定指标变化曲线图通过模拟求得3种截割头在向下截割、向上截割、摆动截割方向极限位置的稳定比值，如表1所示。（a）抛物线形（b）椭球形（c）锥台形图8极限位置稳定指标变化曲线图表1掘进机工作过程稳定比值由表1可以看出，工作稳定状态，3种形状的截割头稳定比值均大于1，掘进机不会出现因载荷波动过大而倾翻的现象，与在实际生产相一致，说明模拟是与实际情况相符合的。总体稳定系数上看，安装抛物线形截割头的掘进机工作稳定系数较高，锥台形次之，椭球形截割头较差。3结语（1）本文以横轴式掘进机抛物线形截割头、椭球形截割头以及锥台形截割为例，通过稳定性