薄煤層采煤機開底槽截割部動力學特性及裝煤性能分析

姬新文

（山西科興能源發展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

目前，我國綜采工作面主要采用滾筒式采煤機對煤層進行開采。但是，針對硬度較大且夾矸的煤層進行截割時，容易造成截割電機頻繁出現故障，回采率下降，降低生產效率，造成煤炭資源的浪費。帶有開底槽截割滾筒的新型采煤機可預先對薄煤層進行開底槽操作，泄放工作面煤巖頂底板的載荷。當工作面煤巖達到平衡狀態時，煤巖的硬度也有所降低，從而減小了截割滾筒截割時的負載，對應塊煤率和生產率也得到提升[1]。本文重點針對開底槽截割滾筒采煤機的截割部進行動力學仿真分析，并對其裝煤性能進行評估。

1 開底槽截割部滾筒的結構設計和動力學模型建立

對開底槽截割部滾筒的結構進行設計，并完成開底槽截割部滾筒的動力學模型建立，為后續的動力學特性和裝煤性能仿真分析奠定基礎。

1.1 開底槽截割滾筒結構設計

開底槽截割部滾筒采煤機的核心應用優勢在于其可對工作面進行預先卸荷，降低工作面煤層或者巖層的硬度，降低了采煤機的截割難度[2]。同時，開底槽截割部在某種程度上是對主截割部滾筒的補充，且可對主截割部滾筒截割不到的煤層進行截割。開底槽截割滾筒的結構如圖1 所示。

如圖1 所示，開底槽截割滾筒的基本組成與普通截割滾筒的類似，但是其具體結構參數存在差異。本文所研究開底槽截割滾筒的具體參數如下：

圖1 開底槽截割滾筒結構示意圖

開底槽截割滾筒的直徑為300 mm；筒轂的直徑為100 mm；滾筒的寬度為600 mm；滾筒的葉片包圍角為210°。

1.2 開底槽截割滾筒動力學模型的建立

在動力學模型建立過程中，為了兼顧仿真結果的準確性和仿真計算量，結合采煤機開底槽截割滾筒的實際結構及其工況，對模型作出如下簡化和假設：

1）假設采煤機在實際生產中牽引速度恒定不變；

2）假設采煤機一直以平行于煤壁的方向運行，開底槽截割滾筒的軸向與牽引速度方向垂直；

3）假設采煤機機身、滾筒等均為剛性體，將搖臂的重心位置視為其中間位置；

4）忽略采煤機支撐滑靴和刮板輸送機軌道之間的阻尼[3]。

基于上述假設，并結合采煤機開底槽滾筒的結構對其進行簡化，并建立如圖2 所示的開底槽截割滾筒的動力學模型。

圖2 開底槽截割滾筒動力學模型

圖2 中，m1為開底槽截割滾筒的質量；m2為采煤機搖臂的集中質量；x1為開底槽滾筒在x 方向的位移；θ 為搖臂在外界負載作用下的擺動角度；k1為開底槽截割滾筒與搖臂之間的側向剛度；k2為采煤機搖臂與其機身之間的扭轉剛度；c1為開底槽截割滾筒與搖臂之間的阻尼系數；c2為采煤機搖臂與其機身之間的阻尼系數；l1為搖臂重心與滾筒之間的距離；l2為搖臂重心與機身鉸接處的距離。

2 開底槽截割部動力學仿真分析

結合圖2 所建立的開底槽截割部動力學仿真模型，根據實際結構參數，對仿真模型中的參數進行賦值，參數設置結果如表1 所示。

表1 開底槽截割部動力學模型參數設置

基于表1 中的參數，在Simulink 軟件中對仿真參數進行逐一設置。設置完成后重點對開底槽截割部滾筒的振動特性進行仿真分析，并得出如圖3 所示的仿真結果。在仿真初期開底槽截割部滾筒的振動位移逐漸增大，并在很短的時間內其振動量呈正弦曲線變化。振動速度在前期處于動態波動狀態，且波動幅度可達到±0.5 m/s，在波動很短的時間后，振動速度在0.05 m/s 左右波動。振動加速度在前期處于動態波動狀態，且波動幅度可達到±50 m/s2，在波動很短的時間后，振動加速度在0 m/s2左右波動。

圖3 開底槽截割滾筒振動特性仿真結果

3 開底槽截割滾筒裝煤性能研究

從理論上講，采煤機的裝煤率與采煤機截割部的滾筒直徑、滾筒寬度和螺旋升角等固定結構參數相關[4]。在合理范圍之內增加滾筒直徑有利于提升采煤機的裝煤效率。滾筒寬度越大，對應采煤機的裝煤率越高。在滾筒截割深度一定的情況下，對應的螺旋升角越大，采煤機的裝煤率越高。此外，裝煤率還與采煤機截割部滾筒的轉速、牽引速度等參數相關。

重點研究螺旋升角、滾筒轉速以及牽引速度對裝煤率的具體影響，并對螺旋升角的角度為30°、35°和40°，滾筒轉速為35 r/min、45 r/min和55 r/min，牽引速度為2 m/min、3 m/min 和4 m/min 的不同參數下的裝煤率進行研究。

基于EDEM 軟件建立開底槽截割部截割煤層的模型，如圖4 所示。

圖4 截割部截割煤層的動態仿真模型

結合采煤機滾筒結構的選材和工作面煤層的特性，對圖4 模型中材料的密度、泊松比、剪切模量、煤層的剪切剛度以及煤層的法向剛度等參數進行設置。并對螺旋升角、滾筒轉速和牽引速度三種參數在不同組合下的裝煤率進行對比，仿真結果如下頁表2 所示。

表2 不同參數組合下采煤機裝煤率對比

當螺旋升角為30°、滾筒旋轉速度為45 r/min、牽引速度為3 m/min 時，對應采煤機的裝煤率最高，可達到85.7%。結合仿真結論可對開底槽截割滾筒螺旋升角進行優化，并對采煤工藝中滾筒的旋轉速度和牽引速度進行改進[5]。

4 結語

1）開底槽截割滾筒新型采煤機應用于薄煤層和夾矸煤層的開采中，可預先對煤層進行卸荷，降低煤層硬度，從而降低煤層的開采難度。

2）通過建立開底槽截割滾筒的動力學仿真模型，對滾筒的振動特性進行仿真分析，為后續減小采煤機振動的改進奠定了基礎。

3）基于EDEM 軟件對不同參數組合下的裝煤率進行對比發現，當螺旋升角為30°、滾筒旋轉速度為45 r/min、牽引速度為3 m/min 時，對應采煤機的裝煤率最高，可達到85.7%。