不同煤層參數(shù)對(duì)采煤機(jī)截齒結(jié)構(gòu)性能的影響研究

麻 琪

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限公司， 山西 朔州 036000）

引言

隨著我國(guó)工業(yè)化的發(fā)展，能源需求量不斷增加，煤炭作為重要能源之一，開(kāi)采量逐年增加[1]。采煤機(jī)作為極為重要的煤炭掘進(jìn)設(shè)備，面對(duì)不斷增加的采煤量要求，對(duì)其工作的可靠性和穩(wěn)定性要求越來(lái)越高[2-3]。截齒作為采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)煤炭掘進(jìn)的關(guān)鍵組成部件，其工作過(guò)程中的受力情況極為復(fù)雜，尤其是截割煤炭產(chǎn)生的巨大沖擊力，使其存在極為明顯的振動(dòng)問(wèn)題[4]。振動(dòng)問(wèn)題不控制，會(huì)加速截齒的破壞，一旦出現(xiàn)破壞，將會(huì)導(dǎo)致煤礦停車停工，給煤礦企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失[5-6]。因此，開(kāi)展煤層參數(shù)對(duì)于采煤機(jī)截齒結(jié)構(gòu)性能的影響研究，對(duì)于抑制采煤機(jī)截齒結(jié)構(gòu)振動(dòng)具有重要的意義。

1 采煤機(jī)截割系統(tǒng)概述

采煤機(jī)是煤礦企業(yè)自動(dòng)化采煤的關(guān)鍵裝置，具有較為明顯的特點(diǎn)，如高效、高產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)等。采煤機(jī)結(jié)構(gòu)組成包括截割系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等，其中較為關(guān)鍵的為截割系統(tǒng)，由滾筒截齒直接截割煤巖，之后由刮板輸送機(jī)運(yùn)出。滾筒截齒的動(dòng)力來(lái)源于齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，如圖1 所示，其不僅起傳遞動(dòng)力的作用，還兼顧降速增扭的效果。截割傳動(dòng)系統(tǒng)主要由兩級(jí)直齒輪減速器和兩級(jí)行星齒輪減速器組成，動(dòng)力源為截割電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞至行星機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)截割滾筒旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)煤炭的連續(xù)截割。

圖1 采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2 煤巖截割過(guò)程

為了更好地研究煤層參數(shù)對(duì)采煤機(jī)截齒性能的影響，首先需要明確煤巖截割過(guò)程及其受力情況。關(guān)于采煤機(jī)工作過(guò)程中截割系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程，部分學(xué)者已完成了較為系統(tǒng)的研究，得到了較為準(zhǔn)確的研究成果。如圖2 所示為采煤機(jī)截割系統(tǒng)工作過(guò)程的原理圖，由此可以看出，采煤機(jī)以一定速度推進(jìn)時(shí)，截割滾筒連續(xù)旋轉(zhuǎn)，確定采煤機(jī)截齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓形，工作過(guò)程中主要承受煤巖反作用于截齒的阻力。

圖2 煤巖截割過(guò)程

3 不同煤層參數(shù)對(duì)截齒性能的影響分析

分析研究不同煤層參數(shù)對(duì)截齒性能影響，采用仿真計(jì)算的方法，計(jì)算軟件選擇MATLAB2019a。在仿真煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，依據(jù)采煤機(jī)截割滾筒實(shí)際尺寸及運(yùn)行參數(shù)設(shè)置計(jì)算參數(shù)數(shù)值，包括滾筒直徑、推進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)角速度等，滾筒工作時(shí)的截割半徑為750 mm、推進(jìn)速度為0.13 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速為6.55 rad/s。為了研究不同煤層參數(shù)對(duì)截齒的性能影響，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得到了軟煤和硬煤的力學(xué)性能參數(shù)，主要研究不同煤和不同夾矸位置對(duì)截割力的影響。其中硬煤的抗拉強(qiáng)度為0.27 MPa，抗壓強(qiáng)度為2.75 MPa；軟煤的抗拉強(qiáng)度為0.1 MPa，抗壓強(qiáng)度為0.99 MPa；泥巖抗拉強(qiáng)度為0.8 MPa，抗壓強(qiáng)度為8.06 MPa。

3.1 煤層性質(zhì)對(duì)截割性能影響

仿真過(guò)程中主要研究不同煤層性質(zhì)對(duì)截割力的影響，其中包括硬煤、軟煤和泥巖三種煤層，完成仿真計(jì)算得出的結(jié)果如圖3 所示。由圖3 的仿真計(jì)算結(jié)果可以看出，煤層的力學(xué)性能參數(shù)增大，滾筒截齒截割煤層時(shí)的截割力上升趨勢(shì)極為明顯，截割泥巖時(shí)的最大截割力約為6.5 kN，截割硬煤時(shí)的最大截割力約為2 kN，截割軟煤時(shí)的最大截割力約為0.5 kN。由此說(shuō)明，截割泥巖時(shí)的截割力最大，是截割硬煤時(shí)的3 倍多。

圖3 不同煤層性質(zhì)對(duì)截齒截割力的影響

3.2 夾矸位置對(duì)截割力的影響

眾所周知，實(shí)際采煤過(guò)程中涉及的煤層大多是夾矸煤層，因此，筆者在此研究夾矸位置對(duì)截割力的影響，以便更好地了解采煤機(jī)截齒工作過(guò)程中的受力狀況。夾矸處于煤層中的位置分布有三種模式，分別為煤層上部位置、中間位置和下部位置。圖4 為夾矸在煤層中的位置示意圖，其中H 為截割煤層總高度，取1 600 mm；hup為夾矸層上方煤層總高度，取700 mm；hdown為夾矸層下方煤層總高度，取700 mm；hrock為夾矸層高度，取200 mm。

圖4 夾矸處于煤層位置示意圖

3.2.1 軟煤夾矸對(duì)軟煤截齒截割力的影響

完成仿真參數(shù)設(shè)置之后進(jìn)行計(jì)算分析，得到仿真計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可以看出，不同夾矸位置下采煤機(jī)截割齒所受的最大截割力不同，其中夾矸層位于煤層下部時(shí)，截齒截割力最小；夾矸層處于中間位置時(shí)，截齒所受截割力最大；夾矸層處于煤層上部位置時(shí)，截齒截割力中等。出現(xiàn)上述截割力不同的原因可能如下：截割滾筒中的各個(gè)截割齒的安裝角度均為45°，滾筒截割轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，不同位置的截齒與煤層的接觸角度存在差異，截割煤層時(shí)產(chǎn)生的截割作用力不同。在截割滾筒截割煤巖時(shí)，截割力明顯存在突變情況，導(dǎo)致截割頭的波動(dòng)和振動(dòng)。與此同時(shí)，夾矸處于煤層上部位置，截割力在進(jìn)入夾矸截割位置時(shí)最小，隨之截割的深入，截割力逐漸升高；相反，在夾矸層處于煤層下部位置時(shí)，截割力進(jìn)入夾矸時(shí)最大，之后隨著截割過(guò)程的進(jìn)行逐漸降低。

圖5 不同夾矸位置對(duì)軟煤截割截割力的影響

3.2.2 軟煤夾矸對(duì)硬煤截齒截割力的影響

仿真計(jì)算硬煤層中不同夾矸位置對(duì)于截齒截割力的影響，仿真過(guò)程參數(shù)設(shè)置同軟煤仿真，以便形成較好的對(duì)比，仿真計(jì)算結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可以看出，截割硬煤時(shí)不同位置夾矸時(shí)的截割力大小存在明顯差異，變化趨勢(shì)與截割軟煤基本類似。夾矸處于中間位置時(shí)的截割力最大，為6～8 kN，而夾矸處于上部和下部位置時(shí)的截割力相對(duì)較小。

圖6 不同夾矸位置對(duì)硬煤截齒截割力的影響

3.3 夾矸厚度對(duì)截齒截割力的影響

為了驗(yàn)證夾矸厚度對(duì)采煤機(jī)截割齒截割力的影響情況，在MATLAB 仿真參數(shù)中設(shè)置不同的夾矸厚度，同時(shí)截割硬煤層，其中的夾矸厚度分別為200 mm、500 mm 和700 mm。仿真計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)圖7 所示。由圖7 結(jié)果可以看出，隨著夾矸厚度的增大，采煤機(jī)截割齒所受的截割力的持續(xù)時(shí)間明顯增加，同時(shí)截割齒截割?yuàn)A矸的最大力數(shù)值一致，說(shuō)明截割齒截割煤層時(shí)的推進(jìn)與割煤過(guò)程較為均勻，因此可以確定，夾矸厚度的增加會(huì)使截割齒的截割力增大。

圖7 不同夾矸厚度對(duì)截割力的影響

4 結(jié)論

1）煤層硬度越大，截齒承受的沖擊力越大；

2）夾矸位置處存在較大的截割力，夾矸處于煤層中間位置較為明顯；

3）煤層中夾矸厚度的增加，會(huì)延長(zhǎng)截齒承受截割力的時(shí)間，截割力大小變化不明顯；

4）截割系統(tǒng)承受的截割力越大，對(duì)截割機(jī)構(gòu)的沖擊越大，振動(dòng)越明顯。