采煤機滾筒截齒截線距仿真分析優化

李 東

（陽煤集團五人小組管理部， 山西 陽泉 045000）

引言

滾筒式采煤機破煤能力大、適應性強，廣泛應用于煤礦長臂綜采中。滾筒式采煤機的主要部件中的螺旋滾筒是保證采煤機高效工作的重要因素，滾筒上截齒的布置對其工作能力有直接的影響。這其中，截線距是螺旋滾筒截齒布置的重要參數，截線距的大小直接影響塊煤率、受力及截割比能耗(即截割效率)[1]。本文采用離散元分析方法PFC動態仿真截線距滾筒的截割過程，獲取了不同截線距下截齒所受截割力和截割比能耗。通過分析對比，得到截線距與截齒受力、截割比能耗之間的關系，為采煤機滾筒的結構設計提供參考和依據。

1 滾筒截割性能分析

如圖1所示為滾筒的結構。

圖1 滾筒結構示意圖

在采煤機工作過程中，滾筒要盡可能的符合截割比能耗低、載荷波動小和良好的破煤和裝煤能力等要求。除滾筒的運動狀態之外，滾筒的結構也影響其截割性能，主要包括以下參數[2]。

1.1 滾筒直徑

滾筒直徑對于塊煤率有直接影響，滾筒直徑越大，則線速度越小，塊煤率越高。但同時存在著直徑越大，增大截割機構重量，對于工作穩定性有一定影響，而且導致連續工作的截割比能耗增大。

1.2 螺旋葉片升角

螺旋葉片升角的大小，影響到帶煤能力的大小。在一定量的破落煤量下，大的螺旋升角有助于將破落的煤塊集中到刮板機，但大的螺旋升角同時會使得工作面煤塵飛揚，而且帶煤能力過大，會增加煤的循環系數，使得滾筒內的煤塊重復破碎，增加能量損耗。

1.3 螺旋葉片頭數及截齒排列形式

螺旋葉片頭數影響滾筒螺旋升角及圍包角，大的圍包角會增加葉片間的重疊系數，從而增加同時工作的截齒數，由此可以降低滾筒載荷的波動。螺旋葉片頭數，常用的有2、3、4三種形式，葉片的頭數決定截線上的截齒數，影響到截齒的排列形式，對滾筒載荷及塊煤率產生作用。截齒的排列形式可以分為交叉式排列和順序式排列。兩種形式在工作過程中，截割過程及受力的不同，使得相同工況下，交叉式排列得到的塊煤率要好于順序式排列[3]。

1.4 截線距

截線距是構成滾筒結構的重要參數，截線距對于塊煤率有重要的影響，而且截線距的合理選擇，對于截割效率有重要的影響。較小的截線距，會減少單齒的受力，但同時會降低塊煤率；過大的截線距，容易造成封閉式切削，有利于提高塊煤率，但增加工作時的能耗，使得截齒的磨損加劇[4]。

1.5 截齒安裝角

截齒安裝角的大小影響截割效果及截割受力，較大的安裝角，會使截割阻力減小，利于破煤；但過大的安裝角，會增加齒身與煤體干涉的可能性，從而造成截齒損耗，截割機構工作阻力增大[5]。

對于采煤機滾筒截割性能的評價主要從三方面進行：一是滾筒受力狀態；二是截割比能耗；三是塊煤率。滾筒工作過程中，在一定的裝煤效果下，越小的截割比能耗越好。截割比能耗、截線距及螺旋升角三者構成冪函數的關系。塊煤率是評價煤炭質量的重要指標，塊煤率越高越好，大的塊煤率所含有的粉塵量越小，可以改善工作環境，同時越低的粉塵量，可以增加開采的安全性[6]。

2 不同截線距滾筒截割性能的仿真分析

2.1 不同截線距滾筒截割煤壁過程模擬

針對截線距對截割性能的影響進行分析，建立3種不同截線距的螺旋滾筒，截線距分別設置為65 mm、70mm、75mm，進行截割過程的仿真，得出截割中滾筒受到的截割力，截落煤的體積以及截割比能耗進行分析。

在建模軟件UG中分別建立三頭順序式螺旋滾筒及煤壁的三維模型，滾筒模型截線距分別為65 mm、70mm、75mm，將滾筒模型導入離散元仿真軟件PFC中，使用墻體特性命令調整墻體與煤壁的位置，如圖2所示為70mm截線距時的截割圖。

圖2 70mm截線距滾筒截割圖

模擬滾筒截割煤壁時，設置主要參數如下：密度為1 450 kg/m3；彈性模量為3×103MPa；強度極限為30MPa；滾筒轉速為57 r/min；采煤機牽引速度為0.04 m/s；每條截線上截齒數為3；仿真時間步長為2e-6 s。

2.2 不同截線距滾筒截割煤壁模擬結果

針對仿真得到的數據，采用matlab進行后處理，針對滾筒和截齒的受力進行后處理分析，圖3—圖5分別表示截線距為65mm、70mm、75mm時的滾筒受力曲線。

圖3 65mm截線距受力圖

圖4 70mm截線距受力圖

圖5 75mm截線距受力圖

切割過程中，滾筒上截齒的分布，按照與煤壁接觸的先后順序，依次標記為1號齒、2號齒。將仿真得到的受力數據導入matlab軟件，對采煤機滾筒上截齒的截割力求解平均值，1號齒數據見表1，2號齒數據見表2。

表1 1號齒截割力統計數據表

表2 2號齒截割力統計數據表

從表中數據可以看出：1號齒受力相差不大，其中70mm截線距時受力平均值略大于其他兩種情況，此時的波動較大；而2號齒的受力差別較大，截線距為70mm時的受力明顯小于其他兩種，整體受力平穩。

3 截割比能耗分析

螺旋滾筒的截割比能耗可由下式求得

式中：Hw為截割比能耗，kW·h/m3；t為截割時間，s；Vm為截落模擬煤壁的體積，m3；n為滾筒轉速，r/min；為扭矩均值，N·m。

為對比不同截線距的截割比能耗，首先求解三種截線距下的滾筒扭矩，由受力平均值可計算得出滾筒扭矩均值，見表3。

表3 扭矩均值表

對落煤體積進行計算，首先對在離散元仿真軟件PFC中，應用顆粒統計的功能，統計截落煤巖的顆粒數量，再根據體積公式求出落煤體積，見表4。

表4 落煤體積表

將得到數據，代入上述公式中，即可計算得出截線距截割比能耗，見表5。

表5 截割比能耗表

從上述表4—表5中可以看出，70mm時的落煤體積要大，而同時截割比能耗低，消耗的能量小，由此，通過滾筒受力分析及截割比能耗對比，70mm截線距的滾筒性能明顯優于其他兩種情況，較好的滿足所分析的工況使用。由此，截線距存在以特定值，使得滾筒的性能達到最優化，在設計優化滾筒時，應根據實際工況，尋找此特定值。

4 結論

本文利用離散元仿真軟件PFC對三種不同截線距的滾筒截割過程進行仿真分析，通過仿真過程中的數據分析可得出以下結論：截線距是影響截齒及滾筒受力的重要參數，截線距的大小直接影響到截割比能耗，在文中工況下，同等切削條件下，70 mm截線距時的滾筒性能明顯優于其他兩種情況，而對于實際工作情況下，應設法找尋最優的截線距數值，使得滾筒性能最優。本文研究結果對于滾筒結構的設計及優化有重要的參考意義。