基于EDEM 的采煤機螺旋滾筒受力及優化研究

李 明

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦， 山西 方山 033000）

引言

采煤機是煤礦開采中最為關鍵和重要的機電裝備，其性能好壞會對采煤效率產生決定性的影響。而采煤機中螺旋滾筒又是比較關鍵的結構件，螺旋滾筒的性能好壞會對采煤機運行過程的效率、可靠性和穩定性產生重要的影響。受技術水平的限制，很長一段時間以來，在對采煤機螺旋滾筒進行設計時，普遍基于實踐經驗進行設計，導致設計結果并非最優解。隨著計算機模擬仿真技術的快速發展，將先進的計算機技術應用到機械結構設計中已經非常普遍，不僅能顯著降低設計周期，還能夠提升機械結構的設計效果。基于此，本文利用EDEM 有限元軟件對采煤機的螺旋滾筒進行靜力學分析，研究不同結構參數對滾筒性能的影響，實現滾筒結構的優化。

1 螺旋滾筒有限元模型的建立

1.1 模型的建立

考慮到采煤機螺旋滾筒的實際結構相對比較復雜，主要由筒轂、端盤、截齒和葉片等部分構成[1]。可以首先在UG 三維建模軟件中對滾筒的結構進行幾何建模。建模時為了提升后續計算的速度，可以對部分非關鍵結構進行省略處理，比如倒角、倒圓結構等。研究的采煤機螺旋滾筒其截齒采用的是三頭順序式排列，筒轂直徑和整個滾筒的直徑分別為590 mm和1250 mm，葉片直徑及其螺旋升角分別為1100 mm和20°。采煤機螺旋滾筒的三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 采煤機螺旋滾筒的三維幾何模型

將建立好的幾何模型導出為STL 格式，然后導入到EDEM 有限元軟件中進行建模。除需建立滾筒的模型以外，還需要建立煤層模型，其規格尺寸為1600 mm×800 mm×1700 mm，墻體由顆粒組成，顆粒之間通過模型進行黏結。模型中煤層的密度、彈性模量和泊松比分別為1674 kg/m3、23 GPa、0.25，其抗拉強度和抗壓強度分別為3.67 MPa、15.98 MPa，孔隙率和內摩擦角分別為0.06 和34.66°。

1.2 煤壁截割過程

模型中將螺旋滾筒的旋轉速度及其牽引速度分別設置為57 r/min、0.04 m/s，完成各項工作以后對其進行計算分析，發現模型能夠正常運行計算，說明本模型是可行的，螺旋滾筒對煤壁進行截割的過程如圖2 所示。對滾筒性能產生影響的結構參數是多方面的，本文主要從截齒安裝角度和截線距兩個角度出發，分析其對截割性能的影響規律。

圖2 螺旋滾筒對煤壁進行截割的過程

2 截齒安裝角度的影響與優化

為了研究截齒安裝角度對滾筒截割性能的影響規律，在其他條件全部不變的情況下，分別在模型中將截齒安裝角度設置為40°、42°、45°、47°和50°，然后對截齒的受力情況、截割比能耗情況進行分析。

2.1 對滾筒受力的影響規律

對不同截齒安裝角度的有效模型進行分析后，對受力情況進行提取，截齒安裝角度對滾筒截割受力在X、Y、Z 三個方向上的影響規律，如圖3 所示。

圖3 截齒安裝角度對滾筒截割受力的影響規律

X 方向為滾筒牽引方向，此方向的力為滾筒的前進阻力。當安裝角度為50°時，該方向的受力最小，為680 N。Y 方向為滾筒的側向阻力，不同角度時相差不大，且都相對較小，可以忽略不計。Z 方向為滾筒截割時的阻力，在三個方向中此力最大，由圖3可知，當安裝角度為50°時，Z 方向的受力最小，為3148 N；當安裝角度為42°時，Z 方向受力最大，為3349 N。可見，不同截齒安裝角度時，滾筒的截割受力雖然有差異，但是相差幅度很小。

對不同截齒安裝角度在Z 方向上受力的標準差進行統計分析發現，當安裝角度分別為40°、42°、45°、47°和50°時，對應的標準差分別為4775 N、5019 N、4367 N、4804 N 和4845 N。根據統計學知識可知，標準差越小意味著不同截齒之間受力差距越小，說明滾筒工作時的穩定性越好。所以，在受力相差不大的情況下，根據標準差大小，當截齒安裝角度為45°時最優。

2.2 對截割比能耗的影響規律

截割比能耗是描述滾筒截割性能的重要指標，描述了設備開采得到單位體積煤塊需要消耗的能量[2]。根據理論分析，滾筒的截割比能耗按照如公式（1）進行計算：

式中：t、Vm分別表示時間及獲得的煤塊體積；n、TM分別表示滾筒的旋轉速度及工作時的扭矩。

本案例中，所有模型按照時間t=3.6 s 計算，當安裝角度分別為40°、42°、45°、47°和50°時，對應的滾筒扭矩平均值分別為3730 N·m、3654 N·m、3470 N·m、3476 N·m 和3441 N·m，獲得煤塊體積依次為0.0225 m3、0.0226 m3、0.0231 m3、0.0229 m3和0.0217 m3。基于此，可以計算得到截齒安裝角度對截割比能耗的影響規律，如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，隨著截齒安裝角度的不斷增加，截割比能耗整體上呈現先降低后升高的變化趨勢。當安裝角度為40°和45°時，截割比能耗分別達到了最大值和最小值，具體數值為0.994 kWh/m3和0.8965 kWh/m3。可見，從截割比能耗的角度層面看，仍然是安裝角度為45°時最優。綜上，在采煤機工程實踐中，螺旋滾筒的截齒安裝角度應該設置成45°，此時滾筒受力情況以及截割比能耗的狀態最優。

圖4 截齒安裝角度對截割比能耗的影響規律

3 截線距的影響與優化

在滾筒中，截齒通過齒座安裝在滾筒螺旋葉片上，所謂截線距指的是相鄰兩個截齒齒尖之間的距離。截線距是滾筒中的重要結構參數，會對煤壁截割過程的穩定性、振動情況等產生比較重要的影響，還會影響煤礦開采效率[3]。為了分析截線距對螺旋滾筒性能的影響規律，在其他條件保持不變的基礎上，將截線距設置為60mm、65mm、70mm、75mm 和80mm分別建立模型。

3.1 對滾筒受力的影響規律

在完成模型計算后，利用同樣的方法可以提取不同截線距情況下螺旋滾筒在X、Y、Z 方向上的受力情況，如圖5 所示。由圖5 可知，截線距對滾筒的受力情況影響規律比較復雜，整體上并沒有呈現出明顯的變化規律，在X、Y 方向上，當截線距為80 mm時滾筒截割受力相對較小，但是對應的Z 方向受力卻相對較大。當截線距為65 mm 時，X、Z 方向的受力情況均達到了最大值。當截線距為70 mm 時，Y 方向受力相對不大，并且X、Z 方向的受力均出現了極小值。進一步對不同截線距時所有截齒受力的標準差進行統計，結果依次為8096 N、8045 N、7136 N、8260 N 和7961 N。可以看出，當截線距為70 mm 時標準差數值最小。基于此，認為螺旋滾筒的截線距設置為70 mm 時最優，此時滾筒的受力情況最穩定。

圖5 截線距對滾筒截割受力的影響規律

3.2 對截割比能耗的影響規律

基于式（1）的理論模型，可以計算得到不同截線距時對應的截割比能耗情況，如圖6 所示。由圖6 中數據可以看出，截線距與截割比能耗之間并沒有特別明顯的關系，當截線距為65 mm 和70 mm 時，截割比能耗分別達到了最大值和最小值，對應的數值依次為0.8057 kWh/m3和0.6095 kWh/m3。

圖6 截線距對截割比能耗的影響規律

綜上，在采煤機工程實踐中，螺旋滾筒的截線距應該設置成70 mm，此時滾筒受力情況以及截割比能耗的狀態最優。

4 結語

本文主要以采煤機螺旋滾筒為研究對象，在對受力和截割比能耗進行分析的基礎上，提出最優的結構參數。基于有限元軟件建立的螺旋滾筒截割煤壁的有限模型能順利計算，基于有限元方法對滾筒結構進行優化設計是可行的。通過分析截齒安裝角度對滾筒在X、Y、Z 三個方向上的受力情況以及所有截齒的標準差，發現當安裝角度為45°時，整個滾筒表面的截齒受力情況最為穩定，對應的截割比能耗也最低。分析截線距對滾筒的受力情況和截割比能耗的影響規律，結果發現當截線距為70 mm 時最優。所以，工程實踐中，應該將螺旋滾筒的截齒安裝角度和截線距分別設置為45°和70 mm，此時滾筒性能最優。