基于螺旋滾筒模型的采煤機裝煤性能研究

喬 晉

（晉能控股集團大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

螺旋滾筒作為采煤機的核心部件，對采煤機工作效率有直接影響，許多研究人員對此做了一系列研究。曹現剛等[1]基于神經網絡算法，提出了一種新的采煤機工作狀態的評估方法，并通過實際案例進行了驗證，結果表明該方法精度較高。李明昊等[2]通過剛柔耦合虛擬樣機技術，對采煤機進行了仿真模擬，研究了薄煤層采煤機截割部殼體的可靠性和抗疲勞特性。李澤宇[3]對MG650/1630-WD 型采煤機進行了一系列優化改進設計，提升了采煤機的穩定性和安全性。包從望等[4]提出了一種針對不同工況的采煤機故障診斷遷移學習方法，能夠解決采煤機故障診斷時樣本不足的問題。

近年來，隨著計算機科學的發展，離散元方法已經證明了其在MG400/930 型采煤機的裝煤性能模擬方面具有良好的有效性，是一種較為可靠的研究方式[5-6]。因此，本文基于離散元數值模擬理論，選定了煤顆粒接觸模型，對MG400/930 型采煤機的裝煤性能進行了研究，并基于螺旋滾筒模型，分析了螺旋升角、滾筒直徑、筒轂直徑、截割深度和滾筒轉速對采煤機裝煤率的影響程度。

1 離散元數值模擬理論

離散元方法的關鍵在于接觸模型的構建，通過離散體之間的接觸模型來進行整體的數值分析模擬。在本研究中，將煤顆粒看作球體進行考慮，圖1 展示了煤顆粒的接觸模型。圖中，v1、v2分別表示兩顆球體的速度，ω1、ω2表示兩顆球體的角速度，R1、R2表示煤顆粒的半徑，Fcn為法向接觸力，Fct為切向接觸力，Fdn為法向接觸阻尼力，Fdt為切向接觸阻尼力。

圖1 煤顆粒離散元接觸模型

在煤顆粒運動過程中，其法向剛度kn和切向剛度ks通過下式進行表示：

式中：μ表示煤顆粒的泊松比；E表示煤顆粒的彈性模量；Fn表示在碰撞過程中煤顆粒的法向力。

在采煤機工作過程中，煤層的截割是通過螺旋滾筒中的截齒實現的，然后通過螺旋葉片進行裝煤。

2 螺旋滾筒裝煤性能分析

2.1 物理力學特性

使用切割機制作煤標準試樣，通過電阻應變片、試驗機、烘干法、比重瓶以及搗碎法測得煤樣的物理力學參數。結果顯示，煤樣的抗壓強度為17.82 MPa，抗拉強度為1.12 MPa，彈性模量為4412 MPa，泊松比為0.22，天然含水率為8.72%，孔隙率為9.47%，密度為1 344.6 kg/m3，堅固系數為2.0。

2.2 耦合模型

根據上述測得的煤樣物理參數，通過離散元軟件建立了螺旋滾筒截齒耦合模型，研究對象為MG400/930 型采煤機。螺旋滾筒選用TY1150 順序式排列型，截割方式為拋射截割。

2.3 裝煤性能分析

以0.1 s 為計算步長，進行了10 s 仿真模擬。設置采煤機滾筒轉速為58 r/min，牽引速度為4 m/min，統計了采煤機裝煤的分布情況。通過對煤顆粒進行統計，裝煤顆粒數為8031，未成功裝煤顆粒數為5324，裝煤率為60.13%。

3 裝煤率影響因素分析

研究了裝煤率的幾個主要影響因素，分別為旋轉升角、滾筒直徑、筒轂直徑、截割深度和滾筒轉速。初始參數設置如下：旋轉升角13°，滾筒直徑1150 mm，筒轂直徑525 mm，截割深度800 mm，滾筒轉速58 r/min，通過單因素法研究了各因素對裝煤率的影響情況。

3.1 螺旋升角

其余初始參數不變，研究了螺旋升角分別為8°、11°、13°、15°和18°時的采煤機的裝煤率。圖2 展示了裝煤率隨螺旋升角的變化情況。

圖2 裝煤率隨螺旋升角變化曲線

由圖2 可知，隨著螺旋升角的提高，裝煤率隨之上升，裝煤率與螺旋升角呈現正相關關系。增大螺旋升角，會提升煤顆粒與螺旋葉片的接觸速度，進而導致落入區域Ⅰ的煤顆粒增多，使得裝煤率提高。螺旋升角為8°時，裝煤率僅為53.82%；螺旋升角13°時，裝煤率為60.13%，提升了6.31%；螺旋升角15°時，裝煤率為63.42%，提升了9.6%；螺旋升角18°時，裝煤率為63.97%，提升了10.15%。由此可見，曲線斜率在11°～15°間較大，裝煤率隨螺旋升角增加而大幅上漲，在11°前和15°后，變化幅度較小，曲線較為平緩。

3.2 滾筒直徑

其余初始參數不變，設置螺旋滾筒直徑分別為1050 mm、1100 mm、1150 mm、1200 mm 和1300 mm，進行了裝煤率計算，計算結果如圖3。

圖3 裝煤率隨滾筒直徑變化曲線

從圖3 中可以看出，采煤機的裝煤率與螺旋滾筒直徑呈正相關關系，滾筒直徑越大，裝煤率越高，曲線斜率也是呈現出先增后減變化趨勢，變化規律與上述螺旋升角情況較為類似。螺旋滾筒直徑增大，會使得采煤機容煤量增加，進而導致更多煤顆粒落在區域Ⅰ上，裝煤率提高。

3.3 筒轂直徑

分別對筒轂直徑475 mm、500 mm、525 mm、550 mm 和570 mm 時的工況進行了計算，其余參數保持不變，計算結果如圖4。

圖4 裝煤率隨筒轂直徑變化曲線

從圖4 中可以看出，筒轂直徑增大，采煤機裝煤率降低，筒轂直徑與裝煤率呈現負相關關系，且變化曲線接近直線，斜率較為穩定。筒轂直徑為475 mm 時，其裝煤率為65.42%；筒轂直徑為570 mm 時，裝煤率僅為57.13%，下降了8.29%。出現這種現象是由于增加筒轂直徑后，會導致采煤機的容量減小，致使裝煤率降低。

3.4 截割深度

截割深度分別設置為600 mm、650 mm、700 mm、750 mm 和800 mm，圖5 展示了五種截割深度工況下裝煤率的變化情況。

圖5 裝煤率隨截割深度變化曲線

從圖5 中可以看出，采煤機裝煤率與截割深度呈現負相關關系，截割深度越大，裝煤率越低，且變化曲線接近于直線。增大截割深度后，開采深度也隨之增大，導致螺旋葉片不能及時排出端盤處的煤顆粒，致使落在區域Ⅱ上的煤顆粒增多，裝煤率下降。截割深度為600 mm 時，裝煤率為66%，截割深度達到800 mm 時，裝煤率僅為60.32%，下降較為明顯。因此，實際工程中應注意截割深度的選取，在加大采煤量的同時，也應注重裝煤率的控制。

3.5 滾筒轉速

設計了滾筒轉速為50 r/min、54 r/min、58 r/min、62 r/min 和66 r/min 五種工況，其余初始參數不變，計算五種工況下的裝煤率，結果如圖6。

圖6 裝煤率隨滾筒轉速變化曲線

從圖6 中可以看出，隨著滾筒轉速的提高，采煤機裝煤率提高。增加滾筒轉速，能使螺旋葉片排出煤顆粒速度加快，進而提高了裝煤率。前期裝煤率增速較快，轉速54 r/min 時出現拐點，曲線斜率下降，增長率降低。滾筒轉速為50 r/min 時，裝煤率為57.6%；滾筒轉速為54 r/min 時，裝煤率達到了59.4%；滾筒轉速為66 r/min 時，裝煤率達到了61.9%，整體提高幅度不是很明顯。

4 結論

本文通過離散元數值模擬手段，研究了MG400/930 型采煤機的裝煤性能。基于螺旋滾筒模型，對螺旋升角、滾筒直徑、筒轂直徑、截割深度和滾筒轉速等參數進行了敏感性分析，得出主要結論如下：

1）隨著螺旋升角的提高，裝煤率隨之上升，裝煤率與螺旋升角呈現正相關關系。滾筒直徑越大，裝煤率越高，曲線斜率也是呈現出先增后減變化趨勢，變化規律與螺旋升角情況較為類似。

2）增加筒轂直徑后，會導致采煤機的容量減小，筒轂直徑越大，采煤機裝煤率越低，筒轂直徑與裝煤率呈現負相關關系，且變化曲線接近直線，斜率較為穩定。

3）采煤機裝煤率與截割深度呈現負相關關系，截割深度越大，裝煤率越低，且變化曲線接近于直線。增大截割深度后，開采深度也隨之增大，導致螺旋葉片不能及時排出端盤處的煤顆粒，致使落在區域Ⅱ上的煤顆粒增多，裝煤率下降。

4）增加滾筒轉速，能使螺旋葉片排出煤顆粒速度加快，進而提高了裝煤率。前期裝煤率增速較快，轉速54 r/min 時出現拐點，曲線斜率下降，增長率降低。