滾筒結構對裝煤效率的影響及煤流運動軌跡研究

張亮華

(霍州煤電集團有限責任公司，山西 霍州 031400)

采煤機滾筒結構性能測試的傳統方法是采用實體滾筒及煤壁的模型進行的，實驗成本高，測試時間較長。模擬測試過程的煤壁停留時間短，采用傳感器采集數據分析裝煤效率，對于滾筒內煤塊運動軌跡以及運動軌跡對滾筒結構性能的影響則不能確定[1]. 采用離散元仿真分析的方法可將煤塊進行分散處理，模擬分析煤塊運動軌跡，研究煤塊與滾筒結構的相互影響，能夠對滾筒裝煤效率進行分析，對于高效采煤意義重大。本文以木瓜煤礦MG-500/1200-WD型采煤機為研究對象，采用離散元仿真方法對裝煤過程煤流運動軌跡進行了分析，對煤流與葉片的相關影響機理進行了研究，得出了滾筒逆轉和滾筒順轉的裝煤效率影響[2].

1 滾筒結構的特點及其三維模型建立

木瓜煤礦MG-500/1200-WD型采煤機為變升角螺旋截割滾筒，此滾筒葉片為先凹后凸的曲線螺旋面，端盤處、中點螺旋線與固定升角螺旋滾筒一致。采煤機參數參照表1.螺旋滾筒結構見圖1，圖1a)為葉片展開圖，圖1b)為拋煤示意圖。圖1中曲線1為固定升角的螺旋滾筒葉片展開圖，采煤時煤塊M沿曲線1下滑，最終到達M1點；而曲線2為變升角螺旋滾筒葉片展開圖，采煤時煤塊從M點開始，沿著曲線2下滑，由于曲線2在中間部位外凸，因此在煤塊運動到曲線2中端時被拋出最終在M2點落地，與M1點相比，距離較遠。

表1 MG-500/1200-WD型采煤機參數表

圖1 變升角螺旋滾筒結構示意圖

根據采煤機變升角螺旋滾筒結構及相應參數，通過UG軟件創建螺旋滾筒實體模型，見圖2[3].

圖2 變升角螺旋滾筒模型圖

2 煤流運動軌跡研究的模型建立

本文使用PFC3D離散元仿真軟件對滾筒裝煤過程的煤流運動軌跡進行模擬分析，將UG軟件創建的滾筒模型導出為.stl格式，導入至PFC3D軟件成為三角形面組成的滾筒模型，滾筒葉片截齒和端盤截齒數量龐大，影響計算效率，所以對模型應進行進一步細分[4]. 由于采煤機裝煤過程使用螺旋運送，因此使用3個葉片將滾筒細分為3部分，即1號葉片、2號葉片、3號葉片，相互不干涉，滾筒截割過程見圖3.

3 逆、順轉工況滾筒結構對裝煤效率的影響

3.1 逆轉工況滾筒結構對裝煤效率的影響

導入變升角螺旋滾筒模型至PFC中，對拋射裝煤過程進行模擬。根據實際工況設置滾筒轉速為60 r/min，牽引速度3 m/min. 設定仿真時間為3 s，滾筒葉片轉動后產生300顆粒，取其中20顆進行記錄以描述顆粒運動軌跡[5]，以同樣方法和數據對固定升角的螺旋滾筒進行模擬仿真，結果見圖4.

圖3 滾筒截割狀態圖

圖4 滾筒逆轉顆粒流運動軌跡圖

由圖4可以看出，煤流在滾筒內運動可分為碰撞加速期和穩定滑移期兩個階段。前一階段為截落煤流碰撞葉片后，煤流顆粒受到葉片接觸面法線方向的沖擊作用，重力抵消了豎直分力，剩余水平分力使得煤流顆粒開始進行加速運動，直至煤流完全分布到葉片上。后一階段為穩定狀態的煤流顆粒受到法線方向作用后，重力和摩擦力分別對其進行抵消，從而煤流作勻速直線滑移運動。同時由于變升角螺旋滾筒煤流集中均落入刮板輸送機，而固定升角螺旋滾筒煤流部分落入刮板輸送機外，因此變升角螺旋滾筒提高了裝煤效率。

3.2 順轉工況滾筒結構對裝煤效率的影響

模擬推擠裝煤過程中設定轉速70 r/min，牽引速度3 m/min，仿真時間為2 s. 顆粒d25 mm，取隨機生成的1 360顆粒中的50個進行運動軌跡記錄，仿真后統計滾筒下側、后側、中槽及中槽和煤壁間距中的顆粒數目，見圖5.

圖5 升角螺旋滾筒順轉顆粒流運動軌跡圖

由圖5可以看出，推擠裝煤過程中煤流運動軌跡為：底部煤顆粒先與葉片端盤側接觸，推動煤流向前推移，使滾筒內部煤流堆積；煤顆粒接觸卸載端后在法向作用力下被推出，葉片旋轉加速了煤流被推出，相比固定升角螺旋滾筒，變升角螺旋滾筒提高煤流推出速度，增加裝煤效率。

4 煤流軸向運動與滾筒葉片結構的關系

變升角螺旋滾筒葉片存在凹凸面，作用于煤流的力不斷改變，由煤流軸向力計算公式(1)可以得出：當滾筒速度和牽引速度不變時，煤流受到的軸向拋煤作用力隨螺旋升角增大而減小。煤流加速度和軸向力成正比。

(1)

式中：

v—采煤機的牽引速度，m/min；

K—滾筒裝煤阻力系數，N/m，取3.5×104；

n—采煤機滾筒轉速，r/min；

α—滾筒截割葉片升角，(°)；

f—煤流域截割葉片之間的摩擦系數，取0.59.

變升角與固定升角葉片結構見圖6，當普通螺旋升角為20°，B、D螺旋升角也為20°，A點到B點為加速度減小過程，B點到D點為加速度增加過程，D點到E點為加速度減小過程。

圖6 變升角葉片示意圖

由加速度變化情況對煤流軸向速度進行描述，見圖7. 由圖7可看出，變升角螺旋滾筒的煤流C點拋出后速度更大，拋煤水平高于普通滾筒。

圖7 煤流軸向速度曲線圖

5 結 論

本文通過離散元仿真法對木瓜煤礦MG-500/1200-WD采煤機變升角螺旋滾筒機構進行研究，分別對滾筒順轉和逆轉工況進行了分析，檢驗了滾筒的拋煤能力。通過仿真得出逆轉滾筒能夠使煤流得到更大加速度，減少了滾筒內煤流停留時間，提升了裝煤效率；順轉滾筒則會影響推擠裝煤過程，不利于裝煤。在綜合分析基礎上得出，變升角螺旋滾筒減小葉片摩擦力，增加煤流加速度，提高了采煤機的裝煤效率。