提升采煤機截割滾筒截齒受力均衡性的優化研究

曹 瓊

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州031412）

0 引言

礦井提升機截割滾筒是采煤過程中關鍵的設備，據相關資料查閱可知，截割滾筒作業消耗的功耗可以達到整個采煤作業的90%左右。因此，截割滾筒割煤的工作效率對煤礦企業的生產效率以及經濟性有著較大的影響。截割滾筒截齒是直接接觸煤炭，利用其自身強度及結構進行掘進開采的關鍵構件[1]。在實際生產工程中發現滾筒截齒在受到煤炭物料切割阻力的工況下，其結構受力不均勻，產生了磨損、斷裂、裂痕等破壞形式，各種形式的破壞常常集中于某幾個截齒[2]。上述現象說明截齒在切割煤炭作業過程中受力不均勻，沒有充分發揮每個截齒的工作性能，對開采煤層的工作效率造成的影響，提高了無用工作過程在整個工作中所占的比例。根據實際工況建立起仿真模型，以降低受力載荷波動為優化目標，降低各個截齒的受力載荷數值的差異率，達到截齒受力均衡性的目標，使整個采煤機的工作過程更加的平穩高效[3]。

1 采煤機滾筒結構分析

滾筒式采煤機以螺旋運動形式通過滾筒機構可以實現切割煤炭和傳送煤炭，最終實現落煤的采煤機械。通過一定運轉速度的旋轉，按照一定的角度切入礦井的側壁，被割落下的煤炭將落入至螺旋葉片，然后被推入工作面的刮板運輸機當中。滾筒式的采煤機可按各種類型進行分類，可按結構機構進行分類、按適用煤層厚度進行分類、按電機布置方法進行分類、按機身設置方式進行分類、按牽引控制方式進行分類等[4]。每種類型的滾筒采煤機均可分為截割部分、牽引部分、電器部分及輔助裝置組成，滾筒采煤機的滾筒結構部分如圖1所示。

圖1 采煤機滾筒結構示意圖

2 采煤機滾筒結構建模

2.1 三維模型

由于采煤機結構部分有多種零部件組成，包括滾筒、擋板等結構，但是最重要的關鍵結構為滾筒，它由螺旋葉片、端盤、截齒、齒座和輪轂等部件組成。以上部件的組成才帶動了整個采煤機滾筒裝置的運轉，但本文研究內容為截齒受力平衡研究，因此忽略其他傳動部件，以最重要的滾筒結構為研究對象，將一些零散部件進行消除并合理配送至滾筒三維模型中[5]，通過UG建模軟件對截割滾筒結構進行建模，如圖2所示為截止結構和輪轂模型的建立。

圖2 截齒及輪轂結構示意圖

此外還應建立截割滾筒螺旋葉片以及端盤三維模型圖使其組成一個完整的結構，上述結構均采用1:1的比例進行建模。

完成截割滾筒結構的建模后，應對地下煤礦環境進行模擬，由于地下煤礦實體為無限大結構，建立無限大模型將不切實際。因此設置煤礦側壁表面為無反射邊際[6]，提高模擬煤礦實體的精確性，并將已建立的截割滾筒模型與煤礦模型進行組合，如圖3所示.

圖3 滾筒和煤壁的三維模型

2.2 仿真模型

利用UG軟件和LS-DYNA軟件的通訊接口，在LS-DYNA軟件中劃分單元網格，并對每一個網格單元的類型進行定義，最重要的為確保仿真結果的真實性應對材料模型進行準確的定義。為表現出煤礦在截齒作用下的破碎效果，應在仿真軟件中對是失效參數進行設置。

滾筒、煤壁的網格單元分別采用SOLID168、SOLID164單元，將每一層定義為各項異性非均勻布置的物質，控制煤塊單元的長度為30mm。并根據實際情況對滾筒結構的金屬材料進行，具體材料參數如表1、表2所示。

表1 滾筒及截齒的材料參數

表2 煤壁的材料參數

2.3 仿真工況參數

根據現場實際應用的三一重工MG300/710-WD采煤機型號的性能參數作為本次仿真的參數設置條件，對截割滾筒結構施加相應的力矩作用使其按照一定的轉速進行旋轉切入煤層進行切割，具體工況參數如表3所示。

表3 工況參數表

3 仿真結果分析

完成上述設置之后，LS-DYNA軟件將輸出k文件進行運算求解，如圖4所示為截割滾筒在轉動過程中切割煤層的示意圖，共計有38個截齒參與到本次切割仿真過程當中，當煤層應力值超過極限值的時候就會出現破碎脫落的現象，整個仿真過程的時間設置為6.25s，每個5ms對38個截齒進行相應數值的提取，并生成每個截齒的平均合力值。

仿真結果顯示38個截齒的受力情況很不均勻，出現了較大的波動，其中15號截止的受力最大，為61518.4N，12號截止的受力最小，為1888.2N。由此可知各個截齒的平均合力差異較大，詳細數據統計如圖5所示。38個截尺的平均值波動達到了接近1800N，最小為3862N，最大為2190N，波動范圍較大，不利于發揮每一個截齒的工作性能。

圖4 滾筒截割煤壁過程示意圖

圖5 截齒受力平均值

4 優化后結果分析

通過MATLAB數值分析軟件的優化模塊，對于截割滾筒結構的相關參數進行優選，以載荷波動系數為優化目標函數，通過軟件分析得出結論，應優化平均截線距、螺旋升角、平均截距三個滾筒結構的相關參數，優化后數值顯示，平均截線距應為31.2mm、螺旋升角應為19.2°、平均截距為248mm，相比與原有數值分別提高了11.78%、3.92%、5.16%。

將上述優化參數重新建立仿真模型，并按照同樣的邊界條件和參數進行仿真數值計算，截取38個截齒平均合力數值繪制曲線與原有結構的曲線圖進行對照比較，如圖6所示。

圖6 優化前后截齒受力平均值

由圖6可知，優化后滾筒結構截齒所受的載荷作用力更加的均勻，波動范圍更小。38個截齒的平均合力均分布于500～1500N之間，經統計分析，優化前結構各個截齒的平均合力值為1178.3N，優化后的數值為915.4N，變化率為-14.99%。38個的合力差異系數由優化前的0.423減小為0.244，數值變化率為-41.9%，數值下降變化明顯。每一個截齒的受力分布狀況得到了良好的改善，經現場對截齒工作狀態的分析可知各個截齒的磨損受損狀況較為一致，試驗結果表明結構優化設計合理，提升了提升機滾筒結構的工作性能及使用壽命。

5 結 語

礦井煤層地質結構復雜，提升機截割滾筒裝置的截齒構件在切割煤層的時候受到各種形式的載荷作用力。如滾筒結構的設計不合理，就會造成每個截齒受力不均，造成每一個截齒的磨損程度不一致，在每一次切削過程中就會降低生產效率，還會對整體結構產生振動破壞效應，影響正常的開采作業。通過有限元仿真技術提取了38個截齒的平均合力數值，在現有結構截齒受力不均衡的條件下，提出以載荷波動系數為優化目標，通過優化平均截線距、螺旋升角、平均截距目標值，找到三個目標值的最優組合，通過優化滾筒結構，達到使截齒受力更加均勻的目的。仿真結果顯示優化后結構使截齒各個齒的受力平衡性得到了良好的改善，從而解決了在實際作業過程中滾筒結構振動較為嚴重的問題，提高了采煤機開采作業的效率，對煤礦企業的經濟價值產出有積極的作用。