采煤機滾筒和截齒的優化設計

路 寧

（山西焦煤西山煤電官地礦， 山西 太原 030022）

引言

煤礦開采中，采煤機的滾筒和截齒作為將煤層中的煤炭切割下來并完成落煤、裝煤任務的關鍵部件，其切割性能直接影響著煤炭生產企業是否能夠正常、高效的完成煤炭生產任務[1]，雖然隨著科技的進步，采煤機滾筒和截齒工作的可靠性和穩定性均有了大幅的提升，但依然存在著破煤效果較差、能量利用率低下、截割比能耗浪費嚴重的缺點，因此迫切需要對采煤機的滾筒和截齒進行優化。

1 采煤機滾筒和截齒受力特性分析

采煤機在工作的過程中，位于采煤機端部的截齒主要是利用與煤層的切應力和拉應力來嵌入煤層的內部，通過旋轉使煤層逐漸產生形變，形變逐漸累積直至達到煤層抗剪切強度的極限值而使煤塊從煤層中脫離出來[2]，在整個切割的過程中，截齒會受到來自煤層的反作用力，截齒在工作過程中的受力主要包括進給阻力、切割阻力和側向阻力。切割阻力在工作過程中切割力與截齒、煤層間的關系可用數學公式表述為[3]:

式中：Z0為切割阻力；A為煤層的切割阻抗；B為煤層的脆性系數，脆性煤層取B=2.1～3.5；d為截齒直徑；h為截齒切削厚度；KZ為煤層的外漏表面影響系數；t為相鄰截槽的中心距；Kφ為截齒前端影響系數，取 0.9～0.95；Kc為截齒的排列影響系數，取 1；Ky為截齒對切割比的影響系數；θ為截齒安裝角；Kot為礦壓的影響系數，取0.7。

采煤機在工作過程中的進給阻力Y0可表示為：

式中：Kq為截齒工作時的進給阻力與切割阻力的比值，一般取 0.5～0.8。

采煤機的截齒在工作時，因截齒的排列方式不同，在工作時煤層對其的阻力影響也不一致，在切割過程中會產生非對稱結構的切割槽，造成截齒的不均衡受力，產生一個側向切削力，這個側向力X0可表示為：

在采煤機工作的過程中，滾筒在截煤和落煤的時候也會承受包括各種阻力的作用，其作用在滾筒上的力就是在切割過程中的切割力及力矩的矢量和，而由于不同煤層具有不同的物理和力學特性，因此在切割過程中作用在滾筒上的力的大小、方向是無時無刻不在變化，為了對采煤機在工作過程中作用在滾筒上的力進行分析，我們假設在某個時間點，某個截齒上所受到的切割合力分解為沿垂直方向A，沿采煤機的進給方向B和軸向力C，分解圖如下頁圖1所示[4]；

經分析其可用數學式表示為：

式中：Xi為某個截齒在i時刻受到的側向力；Yi為某個截齒在某一時刻受到的進給阻力；Zi為某個截齒在某一時刻受到的切割阻力；αi為某個截齒在滾筒上的位置角。

采煤機的滾筒在某個時刻瞬時載荷可用在該時刻所有參與切割煤層的截齒上的切割力的矢量總和來表示，因此在j時刻，滾筒在圖示三個方向上總的作用力可用表示為：

圖1 采煤機滾筒受力分解圖

在此三個方向上的轉矩可表示為[5]：

式中：Lba、Lca、Lab、Lcb、Lbc、Lac表示滾筒受力點的力臂。

2 采煤機滾筒和煤層數學模型的建立

在對采煤機滾筒和截齒在工作時受力情況進行分析的基礎上，我們采用UG三維建模軟件，對采煤機的滾筒和煤層情況進行建模，便于對其工作過程進行分析，根據某采煤機的實際參數，在進行三維建模時，設定采煤機滾筒的直徑為1200 mm，葉片的直徑設置為1000 mm，筒轂的直徑設置為600 mm，螺旋角為20°，截齒的排列方式選擇為三頭順序式，其三維模型如圖2所示。

圖2 采煤機滾筒三維模型

在建立煤壁的三維模型時，我們使用wall generate操作命令，設置一個2000 mm×800 mm×1700 mm的煤層區域，然后使用ball distribute命令，在墻體內生產顆粒，并設置相應的密度參數，因此采煤機在切割煤層時的模擬仿真如圖3所示。

圖3 采煤機切割煤層示意圖

3 采煤機截齒安裝角度對滾筒切割性能影響的仿真

為了研究采煤機的截齒安裝的角度對采煤機滾筒切割性能的影響，我們采用在滾筒運行速度為60 r/min，采煤機切削時的切削厚度為15 cm，時間步長為2～6 s的情況下對安裝角度為42°、45°、47°和50°的截齒的滾筒的切割過程進行仿真分析，結構如圖4—第37頁圖7所示。

圖4 截齒為42°安裝角時滾筒切削力變化情況

圖5 截齒為45°安裝角時滾筒切削力變化情況

圖6 截齒為47°安裝角時滾筒切削力變化情況

由仿真結果可以看出，在截齒安裝角度不同的情況下，在初始位置，其滾筒的切削力的變化情況基本一致，在剛開始時由于截齒剛進行切削因此力的變化情況比較劇烈，且無規律分布，在約0.4 s之后，其切削力呈現規律性的波動趨勢，在滾筒上的截齒連續工作的過程中，在某些時間點其受力呈現突然變小或者突然增大，這是因為截齒在切入煤層的時候會受到很大的瞬時阻力，當截齒將部分煤塊切下時，煤塊與煤層之間會出現一定的自然分離，這個時候截齒上所受的力會變的非常小，如此，反復不斷地切割過程就呈現出了力的不規則的變化趨勢。

圖7 截齒為50°安裝角時滾筒切削力變化情況

4 結論

根據分析結果可以看出，截齒在工作過程中所受的平均切削力當安裝角為45°時最大，當安裝角為50°時最小，但是在工作過程中安裝角為45°時的滾筒受力變化情況最小，整個工作過程相對平穩，因此在安裝截齒時，其安裝角設置為45°最為合理。

[1]趙麗娟，王乘云.采煤機截割部建模與動力學仿真研究[J].工程設計學報，2010，17（2）：119－123．

[2]曹艷麗.連續采煤機動態特性及結構優化設計的研究[D].阜新:遼寧工程技術大學，2012.

[3]李強，毛君，張明玉，等.采煤機截齒三向力測試方案設計及實驗研究[J].工程設計學報，2016，23（5）：506-512.

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[5]馬輝，朱麗莎，王奇斌.斜齒輪－平行軸轉子系統摸態耦合特性分析[J].中國電機工程學報，2012，32（29）：131－136．