考慮受力均衡性的采煤機截割滾筒優化研究

趙 鵬

（晉能控股煤業集團同發東周窯煤業有限公司， 山西 大同 037100）

引言

綜采工作面中采煤機是非常關鍵的機電裝備，截割滾筒又是采煤機中的工作零件，需要完成截煤、破煤、落煤以及裝煤等任務，其性能好壞會對采煤機運行效率產生決定性的影響[1]。傳統設計中主要根據實踐經驗對螺旋角、截齒之間的排列方式等進行設計，導致截割過程中不同截齒之間的受力呈現出顯著的不均勻性，整個截割滾筒在不同方向上同樣受力不均[2]。利用先進的設計方法對采煤機截割滾筒進行優化設計，可以保障截割滾筒工作性能并提升采煤效率[3]。本文以MG400/930 型采煤機的截割滾筒為對象開展研究工作，對于提升采煤機整體的性能，促進行業發展具有一定的理論和現實意義。

1 采煤機截割滾筒概述

對于采煤機而言，截割部是其中最為關鍵和核心的結構，主要利用截割部對煤巖進行截割以獲得煤塊物料。截割部本身是一個比較復雜的機電系統，包括調高系統、滾筒、擋煤板及其他機械結構等[4]。截割滾筒是截割部中的核心部件，其運行的穩定性和效率會對采煤機的工作效率產生顯著影響，甚至會影響整個設備的使用壽命。如圖1 所示為采煤機截割滾筒的主要結構示意圖，主要由輪轂、螺旋葉片、端盤、齒座以及截齒等部分構成。

圖1 采煤機截割滾筒主要結構示意圖

以MG400/930 型采煤機作為研究對象，截齒通常通過齒座直接焊接在螺旋葉片上，截割滾筒的工作環境非常復雜，煤層中間的雜質含量較多、硬度較高。如果螺旋葉片升角設計不合理或者截齒之間的排列方式不合適，會直接影響截割滾筒的結構性能，使得不同截齒之間的受力不均衡，以及截割滾筒沿不同方向上的受力不均衡。從而增加設備整體的能耗，縮短截割滾筒的使用壽命。

2 截割滾筒有限元模型建立

基于采煤機截割滾筒實體結構尺寸，利用UG軟件建立三維幾何模型。建模中需要對倒角和倒圓等細小結構進行省略處理，以確保模型計算過程的順利推進，提升計算速度。將三維模型導出為iges 通用格式并導入到Ansys 軟件中，根據實際情況輸入42CrMo 材料的物理和力學基本屬性，彈性模量和泊松比分別為460 GPa 和0.3，硬度和密度大小分別為HRC80～90 和7 800 kg/m3。還需要建立煤壁的有限元模型，對應的物理參數主要包括：彈性模量3 GPa、泊松比0.36、密度1 400 kg/m3、硬度4、膨脹系數1.6、內摩擦角0.52 rad、黏著力5×105Pa。選用四面體網格采用自動化網格劃分模式，軟件會根據模型的體積大小，自動設置網格尺寸，劃分得到的網格單元和節點數量依次為15 324 個和17 298 個。模型中分別將牽引速度、滾筒旋轉速度設置為7 m/min、45.6 r/min。

3 截割滾筒的受力結果分析

3.1 截齒的受力分析

完成模型分析計算工作后可以提取計算結果對截割滾筒截齒的受力情況進行分析。如下頁圖2 所示為計算得到的不同截齒的平均受力情況。由圖中數據可知，所述型號采煤機截割滾筒共有38 個截齒，不同截齒的平均受力呈現出很明顯的不均勻性。其中，第27、34、36、37 號截齒的平均受力相對較大，27 號截齒受力最大，平均值大小為2 131.5 N；部分截齒的平均受力相對較小，其中第24 號截齒的平均受力值最小，為339.4 N。截齒平均最大值和最小值之間相差6.28 倍。

圖2 不同截齒平均受力統計情況

為了對截割滾筒不同截齒的受力不均勻性進行定量分析，引進差異系數K 來描述截齒受力的波動性。差異系數K 越小意味著截齒之間的受力情況越均勻，相反差異系數K 越大表明不同截齒之間的受力情況越不均勻。差異系數K 的計算公式如下：

式中：Fi表示第i 個截齒的平均受力大小，n 表示截割滾筒中截齒的數量，表示所有截齒受力的平均值。將圖2 中的數據代入到上式中可以計算得到差異系數K 值為0.425。說明不同截齒之間的差異性相對較大，不僅會影響截割滾筒工作時的穩定性，引起設備的振動現象，還會縮短截割滾筒的使用壽命。

3.2 截割滾筒不同方向受力波動系數分析

定義波動系數為受力最大值與最小值之間的比值。對截割滾筒工作期間沿X、Y、Z 軸三個方向受力波動系數進行統計分析，結果如圖3 所示。截割滾筒X 軸受力主要來自于牽引阻力，Y 軸方向受力主要來自于截割過程中的側向阻力，Z 軸方向受力主要來自于截割阻力。由圖可知，截割滾筒在不同方向上受力波動系數均相對較大，說明不同方向上的受力不均衡性比較顯著，會在一定程度上影響截割滾筒運行的穩定性，進而降低煤巖截割的質量和效率。

圖3 截割滾筒不同方向受力波動系數

4 截割滾筒優化改進研究

4.1 優化思路

基于以上分析可以看出采煤機截割滾筒在工作時不同截齒之間以及整個截割滾筒不同方向之間的受力均呈現出一定的不均勻性，不利于截割滾筒運行過程的穩定性和可靠性，需要對截割滾筒的結構進行優化改進。截割滾筒中的螺旋葉片升角、截齒的平均截線距和平均截距是影響其性能的重要指標，因此以上述三個指標為優化對象，以截割滾筒不同截齒及其不同方向上的受力均衡性為優化目標，利用Matlab 軟件中的優化工具箱開展優化改進工作。

4.2 優化結果分析

優化前截割滾筒的平均截線距、螺旋升角和平均截距依次為26.6 mm、19°和237 mm，經過對結構進行優化改進后，上述三個參數的數據分別為30 mm、19.8°和249 mm，與優化前相比較，三個結構參數分別提升了12.78%、4.21%和5.06%，可以在一定程度上提升截割滾筒的截割性能。根據優化后的結構參數，再次利用Ansys 軟件建立有限元模型，并對截割滾筒不同截齒以及不同方向上的受力情況進行統計分析。如圖4 所示為優化后截割滾筒不同截齒的平均受力統計情況，可以看出，不同截齒之間的平均受力仍然表現出一定的不均勻性，但與優化前相比較受力不均勻性得到了很大的改善。利用圖4 中的數據計算優化后的差異系數K 值，結果為0.252。與優化前相比較差異系數K 值降低了40.8%，表明不同截齒之間的受力均衡性得到顯著改善，有利于提升結構的使用壽命。

圖4 優化后截割滾筒不同截齒的平均受力統計情況

對優化后截割滾筒不同方向的受力波動系數進行統計，并將其與優化前的結果進行對比，結果如下頁表1 所示。由表可知，通過優化改進使得截割滾筒不同方向上的波動系數均出現了很大程度的降低，表明截割滾筒工作穩定性得到提高。

表1 優化前后截割滾筒不同方向受力波動系數對比

將優化改進后的截割滾筒安裝到MG400/930型采煤機中，對其各項性能進行實踐測試發現整體良好，未出現明顯的故障問題。經過初步統計分析認為通過對截割滾筒的結構進行優化改進，使得實際使用壽命提升了10%以上。

5 結論

1）以MG400/930 型采煤機截割滾筒為對象，對不同截齒的受力情況和不同方向受力波動情況進行了研究，發現截割滾筒中不同截齒之間的受力情況呈現出顯著的不均勻性，不同方向上的受力波動性也相對較大。

2）在此基礎上對截割滾筒的螺旋升角、平均截線距和平均截距進行優化改進。優化后截割滾筒不同截齒之間的受力均勻性得到很大改善，不同方向上的受力波動系數也出現了很大程度的降低。

3）將優化后的截割滾筒部署到工程實踐中，現場測試發現性能良好，能使截割滾筒的使用壽命提升10%以上。