采煤機滾筒運動參數對滾筒截割性能的影響

王翔虎

（山西西山晉興能源有限責任公司，山西 太原 030000）

采煤機作為煤礦作業的主要開采設備，主要負責落煤及運煤，通過其截割部滾筒來實現。滾筒的截割性能優良與否直接關系到整個采煤系統的生產效率。因此，滾筒截割性能的研究對于煤礦生產的高效性與可靠性是十分必要的。采煤機滾筒結構繁雜，其結構參數與運動參數都能直接影響采煤機的截割性能，雖然采煤機截割性能取得了很大進步，但仍難以應對復雜多變的井下生產要求，故障問題依然存在。采煤機滾筒截齒直接作用于煤壁，改變運動參數將改變滾筒的截割特征。因此，對于截齒運動參數與截割性能的關系研究是改善采煤機性能的理論基礎。本文通過PFC3D進行了截割過程仿真實驗，分別對不同采煤機滾筒運動參數進行模擬，得出了各運動參數對截割性能的影響，給采煤機的優化設計提供了研究依據。

1 截割參數與煤壁破壞

煤塊截落的過程是截齒作用于煤壁以及形成裂紋的擴展，對截割過程分析時，近似作為直線截割，沿著切線方向進行，切削厚度不變，以此簡化分析，有利于調整參數再分析。截齒截割過程中，拉伸的作用力大于煤壁的抗拉強度后會產生裂紋，剪切作用力大于煤壁的抗剪強度后會出現剪切裂紋，裂紋擴展后引起煤壁的剝落。建立采煤機的截齒模型和煤壁模型，被截割煤壁長寬高尺寸參數分別為180mm，120mm，60mm，參數設置如表1所示，其余半徑設為2mm，顆粒數為59776。

表1 煤壁模型參數

分別設置不同的截割角、截割線速度和切削厚度進行模擬，截割角設置為 40o、45o、50o、55o，截割線速度為4m/s，5m/s，6m/s，截割距離設置為30mm。觀察煤壁的裂紋擴展情況及破壞情況，如圖1、圖2分別為某個方向的拉伸失效破壞和剪切失效破壞。

圖1 Y方向拉伸失效

圖2 Y方向剪切失效

由圖1、圖2可以看出5000次運算仿真時煤壁未被破壞，7500次運算仿真時齒尖處的煤壁出現了微變形，未發生破壞，13000次運算仿真時煤壁破壞嚴重，煤塊截落，煤炭顆粒發生脫離。由此可見截齒截割開始時，先接觸的煤壁最先破壞，擴展與截齒的移動方向一致，最大擴展區域位于煤壁表面，沿深度方向擴展逐漸平穩。剪切裂紋的產生與拉伸相似，由表面擴展，沿深度方向裂紋擴展趨于穩定，但總體上剪切裂紋擴展沒有拉伸裂紋明顯。

分別改變截割角，設置切削厚度15mm，觀察截割阻力和截割線速度之間的關系，如圖3所示。

圖3 不同截割角的截割阻力變化情況

由圖3可以看出，截割阻力會隨著截割線速度的增大而先減小，隨后增大。由于起始階段截齒速度低，沒有進入煤壁，速度升高后，沖擊作用也明顯加強，煤壁破壞，阻力相應降低，但當截割速度增大到一定程度時，煤量增多造成阻力隨著速度增大而增大。截割角度低時，分力較大，因此阻力也比其他角度的值要大。

2 截割比能耗

單位體積煤消耗能量即為截割比能耗，截割比能耗的數值反映了采煤過程的效率及經濟性。根據有關資料，截割比能耗的計算公式如下：

式中：

F-截割過程的平均阻力，N；

s-截割過程的截割距離，m；

ρ- 截落煤塊密度，kg·m-3；

m-截落煤塊質量，kg。

仿真過程中記錄的截落煤塊的數量及半徑可以作為計算參數，可以導出不同截割角度下的截割比能耗曲線，如圖4所示。

圖4 截割角度和截割線速度對截割比能耗的影響情況

由圖4可以看出，截割比能耗隨著截割速度變化，呈現先降低后升高的趨勢，截割角度55°時比能耗最大，截割角度45°時截割阻力和截割比能耗相對更加均衡。當切削厚度增加時截割比能耗降低，這是由于切削厚度提高后截齒進深越大，利于煤礦截落，減小能耗。但切削厚度太大會破壞截齒，因此切削厚度要在可行范圍內適當提高。

3 結論

本文運用PFC3D技術創建了采煤機滾筒截齒和煤壁的模型，通過改變不同的切削厚度、截割角度以及截割速度，完成了截割過程的仿真。針對不同參數下的截割阻力與截割比能耗進行對比分析，得出在一定范圍內截割線速度的提高有利于煤壁破壞，截割角度的改變會影響煤壁破壞過程，對截割阻力以及截割比能耗影響較大，在截割角45°左右截割比能耗相對較小，可以圍繞此角度進行截割部位優化，切削厚度可以降低截割比能耗，可適當提高。通過本次模擬仿真，為采煤機滾筒的優化設計提供了參考依據。