復雜煤層條件下滾筒截割性能影響分析

寇 巖

（山西新元煤炭有限責任公司， 山西 晉中 045400）

1 理論研究基礎

采煤機截割部滾筒為采煤機與煤層直接接觸的部件，其截割性能與采煤機所承受的載荷及波動情況相關，同時還影響滾筒的磨損程度。截割部滾筒上分布的鎬形截齒是實現破碎煤巖體的直接部件。為保證采煤機截割煤層時的安全性，降低滾筒的波動，實現高效的落煤和裝煤能力，截割部滾筒的分布及每個鎬形截齒的性能需達到更高的要求[1-2]。采煤機滾筒最終結構確定的參數包括有滾筒直徑、寬度、葉片螺旋升角、葉片數量、截齒排列方式、截齒布置角度等。

滾筒的葉片直徑主要影響采煤機整機的裝煤性能。一般的，滾筒直接與工作面煤層的厚度直接相關，如表1 所示。

表1 滾筒直徑與工作面煤層厚度之間的關系 m

根據采煤機截割部滾筒的直徑確定其螺旋葉片的直徑。

螺旋滾筒的寬度需綜合工作面設計的生產率確定。目前，采煤機螺旋滾筒的寬度一般取標準值，主要包括有500 mm、630 mm、680 mm、750 mm 和1000 mm。

螺旋升角也是影響整機滾筒裝煤能力的關鍵因素。而從結構上，螺旋升角參數主要受滾筒直徑和葉片頭數等因素影響。

滾筒螺旋葉片頭數與滾筒直徑相關。當滾筒直徑小于1.25 m 時，取螺旋葉片的頭數為2；當滾筒直徑D 處于[1.25,1.4]的區間內時，取螺旋葉片的頭數為2 或者3；當滾筒直徑大于1.6 時，取螺旋葉片的頭數為3 或4。

2 仿真模型的搭建

本文將通過仿真分析的方式對復雜煤層條件下滾筒截割性能進行分析。因此，本節首先對螺旋滾筒與煤壁耦合模型進行搭建；然后，基于EDEM 軟件開展仿真分析工作。

本文所研究截割滾筒載體的采煤機型號為MG2×55/250-BW，該型采煤機滾筒的主要參數如表2 所示，該參數也成為建立采煤機截割部滾筒仿真模型的主要依據[3]。

表2 MG2×55/250-BW 采煤機滾筒的主要參數

根據表2 中的參數完成采煤機截割部滾筒各個零部件的模型，而后根據各零部件的相互約束關系以及截齒在滾筒的分布情況，裝配而成采煤機滾筒的三維模型。所建立的MG2×55/250-BW 采煤機截割部滾筒的三維模型如圖1 所示。

圖1 采煤機截割部滾筒三維模型

將圖1 中基于Pro/E 軟件所建立的滾筒三維模型導入EDEM 軟件中，與其所截割煤層的模型實現耦合，建立采煤機截割滾筒與夾矸煤壁相耦合的模型，如圖2 所示。

圖2 采煤機截割部滾筒與夾矸煤層的耦合模型

仿真參數設置：根據采煤機與夾矸煤層實際截割的工況對圖2 中的耦合模型完成參數設置。具體參數設置如下：設定采煤機的牽引速度為4 m/min，加速度為0；設定采煤機截割部滾筒的旋轉速度為91 r/min，對應的角速度為9.5 rad/s，加速度為0。

在正式開始仿真前，需對所建立仿真模型的準確性進行驗證。通過仿真可知：在截割煤層時滾筒所承受的平均值為51420 N；通過理論計算得出滾筒的平均受力為52706 N；二者之間的誤差在2.5%之間，在可承受的合理范圍之內[4]。即說明所建立的仿真模型可用于后續的研究。

3 滾筒參數對其所承受載荷的影響

本節將基于上述所建立的模型分別研究滾筒截齒排列方式、葉片螺旋升角以及煤巖堅固系數等參數對滾筒所承受的載荷的影響。

3.1 截齒排列方式對滾筒所承受載荷的影響

滾筒截齒的排列方式分為順序式和交叉式兩種，對兩種排列方式滾筒所承受的最大值、均值和載荷波動系數進行對比，仿真結果如表3 所示。

分析表3 可知，截齒不同的排列方式對滾筒所承受載荷的影響較大；同時，順序式排列方式滾筒的受力值大于交叉式；而順序式排列方式滾筒的載荷波動小于交叉式。

表3 不同截齒排布方式對滾筒所承受載荷的影響

3.2 葉片螺旋升角對滾筒所承受載荷的影響

本文對滾筒葉片螺旋升角為10°、12°、14°、16°四種情況下對滾筒所承受載荷的最大值、均值和載荷波動系數進行對比，仿真結果如表4 所示。

如表4 所示，隨著螺旋升角的增加，對應滾筒的受力最大值減小，滾筒受力均值增加，對應滾筒的波動情況減小。

表4 不同螺旋升角對滾筒所承受載荷的影響

3.3 煤層堅固系數對滾筒所承受載荷的影響

本文對煤層堅固系數分別為3.5、5.1、6.8 和8.4四種情況下對滾筒所承受載荷的最大值、均值和載荷波動系數進行對比，仿真結果如表5 所示。

如表5 所示，隨著煤層堅固系數的增加，對應滾筒的受力最大值增加，滾筒受力均值增加，對應滾筒的波動情況增加。

表5 不同煤層堅固系數對滾筒所承受載荷的影響

4 結論

采煤機為綜采工作面對煤層進行截割和落煤的設備，滾筒作為直接與煤層接觸的部件其截割性能直接決定采煤機的截割效率和落煤性能[5]。本文重點基于Pro/E 軟件建立采煤機截割部滾筒的三維模型，并導入EDEM 軟件對不同滾筒參數對其所承受載荷的影響進行仿真分析，并總結如下：

1）順序式排列方式滾筒的受力值大于交叉式，而順序式排列方式滾筒的載荷波動系數小于交叉式。

2）隨著螺旋升角的增加，對應滾筒的受力最大值減小，滾筒受力均值增加，對應滾筒的載荷波動系數減小。

3）隨著煤層堅固系數的增加，對應滾筒的受力最大值增加，滾筒受力均值增加，對應滾筒的波動情況增加。