采煤機滾筒結構優化研究

楊帥科

（山西凌志達煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

采煤機作為礦山開采的主要設備，其工作性能一直制約著礦井的高效開采，滾筒作為采煤機的工作結構，其消耗了大部分采煤機功率[1-2]。滾筒主要實現兩個功能，分別為截割和裝煤。在實際工作中，由于采煤機工作環境較為惡劣，使得采煤機截齒極易發生折斷，造成采煤機停止作業，影響正常開采。此前眾多學者對采煤機滾筒進行過優化研究，梁寶英[3]為了解決滾筒破煤效果差、利用率低的問題，對采煤機牽引速度、滾筒轉速、滾筒轉速、葉片螺旋升角等進行研究，給出了采煤機結構的優化設計，優化后采煤機工作性能穩定。周洋[4]對采煤機的滾筒調高系統進行研究，通過輸入人工控制記錄實現優化采煤機運行軌跡的目的。經過實踐發現自動切割調高控制系統不僅能夠更好地調整，而且可以降低采煤工作耗時，提升效率。本文利用數值模擬軟件對采煤機的結構參數進行研究，并給出最優的結構參數。

1 模擬準備階段

采煤機截割部作為采煤機的核心部件，配有獨立電機，是整個采煤機能量消耗最大的部件。采煤機截割部主要的組成結構有滾筒、擋煤板、調高系統等，滾筒作為采煤機截割部的主要部件，其工作性能直接關乎著采煤機的正常運轉，其主要組成零件有截齒、齒座、端盤、螺旋葉片等，由于采煤機工作環境較為惡劣，使得采煤機滾筒部件極易發生折斷、磨損等現象，當煤壁強度較大時，采煤機滾筒極易發生振動應力折斷，所以本文對采煤機滾筒進行研究，旨在設計振動小、能耗低、效率高的采煤機滾筒。

首先利用數值模擬軟件對滾筒的截齒、螺旋葉片進行模型建立，截齒的材料選定位42CrMo 鋼，刀頭的材料選擇為YG-8C，由于采煤機滾筒截齒與煤壁進行直接接觸，所以刀頭及截齒的材料應當具備極高的韌度及強度。由于螺旋葉片為螺旋結構，在實際建模中極難建立，所以選定UG 軟件的掃掠命令，對葉片的截面進行建立，通過命令完成整個螺旋葉片的整合。對于煤壁的建立，由于煤壁體積較大，無法直接建立，所以本文建立長寬高分別為1 100 mm、900 mm、2 400 mm 的模型。完成各部件的建立后，對模型進行裝配，完成裝配后將模型導入ANSYS 模擬軟件中，模型三維圖如1 所示。

圖1 滾筒煤壁三維模型示意圖

完成模型建立后對模型進行網格劃分，由于滾筒的形狀較為復雜，且劃分過細或者過粗均會對模擬產生一定的影響，所以在進行網格劃分時選定SOLID164 單元劃分方式，完成模型劃分后對模型的材料參數進行設定，煤壁的密度為1 400 kg/m3，泊松比為0.36，滾筒的參數為密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3。部件接觸采用單面接觸、面面接觸和點面接觸，接觸因子設定為0.01，對煤壁進行約束設定，固定煤壁上下邊界X、Y 方向的位移，依靠滾筒進行煤壁的切割。

2 數值模擬計算

對模型進行模擬計算。模擬結果如下頁圖2 所示。

從圖2 中可以看出，采煤機滾筒截割煤壁大致可分為兩個階段，分別為第一階段滾筒與煤壁進行接觸，此時的滾筒截齒主要受力點為截齒與煤壁的接觸面，此時煤壁顆粒出現少量的掉落，第二階段為采煤機滾筒進行旋轉，此時采煤機截齒大面積接觸煤壁，煤壁的顆粒大量脫落，此時的煤壁煤顆粒間的黏結力被破壞，滾筒出現沿截割方向的移動，完成煤壁煤體顆粒的截割。

圖2 滾筒截割煤壁過程模擬圖

由于每個滾筒均是由截齒組合而成，所以對采煤機滾筒的單個截齒進行受力分析，同時將單個截齒的受力進行整合，得出每個截齒受力平均值的折線如圖3 所示。

圖3 每個截齒受力平均值折線圖

如圖3 所示，每個截齒的平均受力差距較為明顯，大致分布在300～2 200 N 之間，可以看出截齒編號為27 號、34 號、36 號及37 號截齒的受力明顯偏大，受力的均值均超過1 700 N，其中受力均值最大的截齒為27 號截齒，最大值的均值為2 131 N，這是由于27 號截齒率先接觸煤壁，此時由于截齒剛接觸煤壁，出現一定的沖擊，造成截齒受力均值出現較大的情況。8 號截齒、18 號截齒、24 號接觸和 38 號截齒的受力均值明顯較小，最小值為24 號截齒，最小值為339 N。

根據模擬結果對采煤機滾筒進行優化，建立目標函數，將采煤機結構參數設定為優化目標，利用MATLAB 軟件進行結構參數優化，通過優化選定采煤機的總功率600 kW，截割電機的功率為250 kW，采煤機設定的采高為3 m，平均截線距為30 mm，提升了12.8%；螺旋升角為19.8°，提升量為4.21%；平均截距由原來的237 調整為249，提升幅度為5.06%。對優化后的采煤機截割性能進行分析，給出優化前后每個截齒受力平均值的折線對比（見圖4）。

圖4 優化前后每個截齒受力平均值的折線對比圖

從圖4 優化前后每個截齒受力平均值的折線對比圖可以看出，優化后每個截齒受力平均值的折線波動明顯小于優化前的折線波動情況，通過計算得知，經過優化后截齒受力均值的差異系數為0.252，較優化前的截齒受力均值的差異系數0.425 降低了0.173，降低的幅度為40.8%，同時對比優化前后的截齒受力均值發現，經過優化后截齒的受力均值從未優化前的1 076 N 降低至914 N，降低了152 N，降低的幅度為15.06%，此時經過優化截齒的受力有了較大幅度的改善，達到了通過優化截齒參數提升采煤機截割性能的目的。

3 結論

1）對采煤機截割過程進行分析，利用數值模擬軟件對采煤機滾筒截割煤壁的模型進行建立，并對模型進行了網格劃分、邊界條件設定等模擬前準備工作，為后續的模擬提供一定的鋪墊。

2）利用數值模擬軟件對采煤機滾筒截割煤壁進行模擬分析，發現采煤機滾筒截割煤壁大致可分為兩個階段，一階段為垂直煤壁進刀，第二階段為平行于煤壁截割。

3）利用模擬對采煤機滾筒接觸煤壁截齒受力進行分析，發現優化后截齒受力平均值波動明顯小于優化前的波動，且經過優化后截齒的受力均值從未優化前的1 076 N 降低至914 N，降低了152 N，降低的幅度為15.06%。