采煤機滾筒截齒最優參數的研究分析

王九懷

（山西中陽華潤聯盛南山煤業有限公司， 山西 呂梁 033000）

引言

采煤機作為煤礦的主要開采設備，由于其工況較為復雜，所以極易發生磨損破壞[1-2]。滾筒作為采煤機的核心部件，一旦發生磨損，采煤機的工作效率將會大打折扣，所以為了提升采煤機的滾筒及截齒的工作性能，眾多學者對滾筒及截齒的優化[3-4]進行過一定的研究。本論文以采煤機的滾筒及截齒為研究對象，對其受力形式進行了一定研究，通過對其截割煤壁的過程進行模擬研究，分析了截齒距對采煤機工作性能的影響，給出了采煤機最優截齒距，較好地提升了采煤機滾筒的工作性能。

1 采煤機滾筒及截齒受力的分析

采煤機的截齒受力情況是優化采煤機滾筒結構參數的重要前提，為了對采煤機的滾筒結構參數進行優化，首先對截齒工作狀態下的受力情況進行分析。截齒在進行截割過程中，截齒的尖端部位受到煤巖給予的反作用力，所以截割力可以化分為截割阻力、側向阻力及牽引阻力。其中截割阻力可以表示為:

式中：Z0為截割阻力，N；A為平均截割抗阻，一般取240 N/mm；d為滾筒直徑，mm；h為平均切割厚度，mm；B為煤巖的脆性參數；t為平均截線距，mm；KZ為自由表面的影響系數；KY為截齒截角的影響系數；KC為截齒的排距影響系數；KQ為截齒前端影響系數；Kot為礦壓影響系數；θ 為安裝的角度，（°）。牽引阻力Y0可以表示為：

式中：Kq表示為截齒受到的牽引阻力與截割阻力間的比值。在采煤機的截齒進行截割的過程中，由于煤巖屬性的不同，會使得截齒間出現側向力，側向力的大小與截割阻力及截割的厚度、寬度等有著密切的關系。順序式的截齒側向力及棋盤式的截齒側向力分別可以表示為：

在采煤機工作的某一時間點進行受力分析，滾筒的受力分解圖如圖1 所示。

圖1 滾筒的受力分解圖

根據力的分解可以將三向力分解為：

式中：Ai、Bi、Ci分別為第i個截齒在各個方向上的分力；Zi、Yi、Xi分別為滾筒第i個截齒受到的截割阻力、牽引阻力及側向阻力；αi為截齒在滾筒的位置角。所以滾筒的受力情況為所有截齒在某一時刻的受力矢量和。

2 截齒安裝參數對截割性能影響的分析

為了更好地分析采煤機在截割過程中的截齒的結構參數對滾筒工作性能的影響，對采煤機的截齒安裝角度進行模擬分析，截齒的齒尖進入煤壁，在剪切及拉伸作用下造成煤壁出現裂縫，后在力的作用下發生碎落。不同的安裝角度采煤機滾筒的截割阻力等均不同，所以首先對采煤機滾筒截齒的安裝角度進行分析。

首先進行滾筒的建模，根據實際的工作參數，選擇滾筒的直徑為1 250 mm，葉片的外圈直徑為1 100 mm，對模擬影響較小的結構進行忽略，截齒的安裝角度分別選擇40°、45°及50°進行分析。對模型進行網格劃分，由于網格劃分的精確與否對模擬計算的結果有著一定的影響，但網格劃分過于密集對計算機的工作性能要求較大，所以選擇合適網格劃分至關重要，完成網格劃分后對滾筒的牽引速度及滾筒的轉速等進行設定。牽引速度為0.04 m/s，轉速為60 r/min，初始的切削厚度設定為15 mm。完成設定后進行模擬計算。將模擬的數據導入到matlab 中進行繪制，得出滾筒的截割力曲線，曲線如圖2 所示。

從圖2 可以看出，采煤機截齒的安裝角度不同，滾筒的截割力曲線出現的趨勢大致相同，當滾筒剛開始作業時，此時的滾筒受到的截割力較大，此時采煤機滾筒剛進入煤壁，從0.35 s 開始截割力的曲線呈現出周期性的變化，在一個周期以內，截割力呈現出先增大后減小的趨勢。在個別時刻位置，采煤機的滾筒受到的截割力出現突然的波動，這是由于煤壁顆粒間的黏結力不同，切割煤壁產生的瞬間切割力也就不同，當煤壁顆粒脫落后，由于顆粒間存在一定的孔隙，所以會出現零值，當滾筒截齒再次接觸煤壁后，滾筒的截割力會有大幅度的增大，這與實際的割煤過程較為相似。

對不同安裝角度下的滾筒截割力曲線進行研究，根據截齒受到的合力的平均值及標準差分析滾筒的截割性能，確定最優的截齒安裝角度。不同安裝角度下的截齒合力的標準差及平均值如表1 所示。

圖2 不同安裝角度下滾筒截割力曲線

表1 不同安裝角度下合力的標準差及平均值

根據表1 可以看出，當截齒的安裝角度為40°時，此時滾筒受到的合力均值較大，當截齒的安裝角度為50°時，此時滾筒受到的合力均值較小，當截齒的安裝角度為45°時，滾筒受到的合力均值處于兩者之間。分析標準差發現，截齒的安裝角度為40°時，此時滾筒受力的波動幅度較大，截齒的安裝角度為50°次之，而截齒的安裝角度為45°滾筒的振動最小，所以截齒的安裝角度為45°時，滾筒的工作性能最佳。

選擇同樣的方法對不同截齒距下的滾筒工作性能進行分析，選擇截齒距分別為60 mm、70 mm 及80 mm 進行分析，將模擬后的數據導入matlab 中進行繪圖，不同截齒距下的滾筒合力曲線如下頁圖3 所示。

將先與煤壁進行接觸的截齒記為A，后與煤壁接觸的截齒記為B。從圖3 可以看出，當截齒A 先行與煤壁進行接觸時（0～0.5 s），此時的滾筒所受合力在不同截齒距下的差距并不大。當B 截齒接觸到煤壁時（0.5 s 之后），此時的截齒A 受到截齒B 的影響，由于截齒距的不同出現影響的時間間隔也是不同的。當截齒A 接觸煤壁后煤壁顆粒間的內聚力發生破壞，當截齒B 截齒煤壁后部分煤壁顆粒開始脫落，所以截齒B 受到的合力要小于截齒A 受到的合力。對不同截齒距下的標準差及均值進行統計，統計結果如表2 所示。

圖3 不同安裝角度下滾筒截割力曲線

表2 不同截齒距下合力的標準差及平均值

從表2 可以看出，當截齒距為80 mm 時，此時滾筒受到的合力均值最大，當截齒的安裝角度為70 mm 時，此時滾筒受到的合力均值最小，當截齒距為60 mm 時，滾筒受到的合力均值處于兩者之間。分析標準差發現，截齒距為60 mm 時，此時滾筒受力的波動幅度較大，截齒距為80 mm 次之，而截齒距為70 mm 滾筒的振動最小，所以截齒距為70 mm 時，滾筒的工作性能最佳。

3 結論

1）給出了截割力及截割阻力、側向阻力及牽引阻力的表達公式，分析了采煤機滾筒及截齒受力情況，為后期的數值模擬提供條件。

2）利用數值模擬軟件對截齒安裝角度40°、45°及50°時滾筒的受力情況進行分析，給出了受力曲線，通過計算方差與標準差確定了合理的截齒安裝角度45°。

3）對截齒距60 mm、70 mm 及80 mm 時滾筒的受力情況進行分析，給出了受力曲線，通過計算方差與標準差確定了合理的截齒距為70 mm。