采煤機截割參數對截齒受力情況的影響研究

祁高陽

（山西蘭花科創玉溪煤礦有限責任公司，山西 沁水 048214）

引言

煤炭作為人們生產生活必不可少的能源之一，近年來的需求量不斷增大，加重了煤炭企業采掘煤炭的工作量[1]。采煤機作為煤炭掘進工作中的關鍵設備，其工作可靠性和安全性至關重要[2]。截割齒輪作為采煤機的重要組成部件，工作過程中直接截割煤巖，受力情況極其復雜，其受到的煤炭截割反力直接作用于采煤機截割滾筒[3-4]。采煤機采煤時會承受截齒截割煤炭時的反作用力，其數值大小直接關系著采煤機的沖擊振動程度，沖擊振動得不到有效控制，將會加速截齒的破壞速度，必須引起高度重視[5]。采煤機在開采工作過程中截齒一旦出現故障，不僅停車停工，而且影響煤炭企業的采煤量及經濟效益[6]。因此，開展采煤機截割參數對截齒受力情況的影響研究，對于提高采煤機工作的可靠性意義重大。

1 截割系統組成

截割系統作為采煤機的重要組成部分，是采煤機正常截割煤巖的關鍵部件之一，其系統組成如圖1 所示。截割系統主要由電機、離合器、I 軸組件、II軸組件、III 軸組件、惰輪組件、VI 軸組件、行星機構組成。工作過程中，滾筒截齒由電機提供動力，動力傳輸系統主要由齒輪減速器組成，減速器扮演著降速增扭的角色，為截齒提供足夠穩定可靠的驅動力。截割滾筒在行星減速器的帶動下不斷旋轉，驅動截齒連續不斷地截割煤炭，實現采煤工作。

圖1 采煤機截割傳動系統原理圖

2 煤巖截割模型

分析截割滾筒中截齒的受力情況之前需要弄清楚其截割煤炭時的狀態，建立截齒工作過程中的運動模型，進行運動分析和受力分析，方可準確地描述煤巖對于截齒的作用力。如圖2 所示，給出了截齒工作時的力學模型，由圖2 可以看出，采煤機進行連續采煤作業過程中，截割滾筒帶動截齒連續做圓周運轉，截割滾筒的模型為圓柱形，截齒在其圓周邊緣承受煤炭的切向反作用力。

圖2 煤巖截割模型

3 采煤機截割參數對截齒受力情況的影響

采煤機截割參數變化對截割滾筒截齒受力情況的影響研究，借助MATLAB2019a 仿真計算軟件完成。根據長期經驗積累現在已經形成合理的滾筒直徑、牽引速度及滾筒角速度等經驗值，其中直徑D=0.25～1.3 m、牽引速度v=0.05～0.13 m/s、滾筒轉速ω=5.2～8 rad/s，最大截割厚度hmax=0.06～0.11 m。煤巖的物理性質為：抗拉強度數值為0.27 MPa，抗壓強度數值為2.73 MPa，密度數值為1.4 g/cm3，體積模量為690 MPa，剪切模量為650 MPa，黏聚力為3.07 MPa，內摩擦角為34.3°。依據上述材料屬性完成仿真計算模型的建立。

3.1 不同滾筒半徑對截割力的影響

在MATLAB2019a 仿真計算軟件中完成采煤機截割滾筒相關參數設置之后，即可開展仿真計算工作。分析采煤機截割滾筒不同半徑對截齒作用力影響時，固定采煤機牽引速度和滾筒旋轉角速度數值，分別設置為v=0.13 m/s 和ω=7.55 rad/s。分別設置截割滾筒的半徑數值如下：R=0.45m、R=0.55m、R=0.65 m、R=0.75 m，仿真計算結果如圖3 所示。由圖3 的截齒作用力的數值可以看出，當采煤機工作時的牽引速度和滾筒旋轉速度不變的情況下，截割滾筒的半徑尺寸變化對截割力的影響程度較小，幾乎是沒什么影響。觀察數值情況可得，不同截割半徑情況下的截齒受力最大數值均處于2.3 kN 左右。

圖3 不同截割半徑對截割力的影響

3.2 不同牽引速度對截割力的影響

分析采煤機截割滾筒不同牽引速度對截齒作用力的影響時，固定采煤機截割半徑和滾筒旋轉角速度數值，分別設置為R=0.75 m 和ω=7.55 rad/s。分別設置截割滾筒的牽引速度數值如下：v=0.05 m/s、v=0.08 m/s、v=0.11 m/s、v=0.13 m/s，仿真計算結果如圖4 所示。

圖4 不同牽引速度對截割力的影響

由圖4 不同牽引速度對截割力影響的規律曲線可以看出，當采煤機截割滾筒的半徑尺寸和滾筒旋轉速度不變的情況下，不同的牽引速度對采煤機截割滾筒的截齒作用力的影響較為明顯。采煤機截割滾筒的牽引速度數值由0.05 m/s 升高到0.13 m/s 的過程中，截割滾筒上截齒的受力數值由0.4 kN 升高至2.25 kN，變化前后數值對比較為明顯，相差將近6 倍之多。因此，由上述分析結果可以得出，采煤機進行煤炭掘進時，應該根據實際情況合理確定采煤機的牽引速度，當采煤機牽引速度合適時，既能夠保證煤炭企業的采煤量，又能夠有效降低截割滾筒上截齒的截割力，減小采煤機工作過程中的振動幅度，提高采煤機的工作可靠性。

3.3 不同滾筒轉速對截割力的影響

分析采煤機截割滾筒不同轉速對截齒作用力的影響時，固定采煤機截割半徑和牽引速度數值，分別設置為R=0.75 m 和v=0.13 m/s。分別設置截割滾筒的轉速數值如下：ω=8.2 rad/s、ω=7.2 rad/s、ω=6.2 rad/s、ω=5.2 rad/s，仿真計算結果如圖5 所示。

圖5 不同滾筒轉速對截割力的影響

由圖5 不同截割滾筒轉速對截割力影響的規律曲線可以看出，當采煤機截割滾筒的半徑尺寸牽引速度不變的情況下，不同的滾筒旋轉速度對采煤機截割滾筒的截齒作用力的影響較為明顯。采煤機截割滾筒的旋轉速度數值由5.2 rad/s 升高到8.2 rad/s的過程中，截割滾筒上截齒的受力數值由1.4 kN 升高至3.6 kN，變化前后數值對比較為明顯，相差將近2.5 倍之多。因此，由上述分析結果可以得出，采煤機進行煤炭掘進時，應該根據實際情況合理確定采煤機滾筒的旋轉速度。眾所周知，提高采煤機截割滾筒旋轉速度時，能夠提高煤炭企業的煤炭掘進產量，達到企業生產目標，但是，提高采煤機截割滾筒時，會明顯增大截割滾筒上截割齒所受的作用力，增加采煤機的振動程度，極易出現采煤機截割部件的破壞，耽誤煤礦企業的正常生產作業。

4 結語

截割系統作為采煤機實現煤炭掘進開采的重要組成部件之一，其工作的安全性和可靠性至關重要。針對某煤炭企業服役中的采煤機存在振動的問題，采用仿真計算的方法，完成了采煤機截割滾筒半徑尺寸、工作過程截割滾筒牽引速度和截割滾筒轉速變化對截割力的影響規律分析。結果如下：

1）采煤機截割滾筒半徑尺寸的變化對滾筒截割齒的作用力大小變化影響較小，最大截割力均在1.8 kN 左右；

2）截割滾筒工作時牽引速度變化對滾筒截齒作用力大小影響明顯，牽引速度數值由0.05 m/s 升高到0.13 m/s 的過程中，截割滾筒上截齒的受力數值增加近6 倍；

3）截割滾筒旋轉速度變化對滾筒截齒作用力大小影響明顯，旋轉速度數值由5.2 rad/s 升高到8.2 rad/s 的過程中，截割滾筒上截齒的受力數值增加近2.5 倍。