采煤機截割煤壁參數優化數值模擬研究

郭強強

（山西凌志達煤業有限公司，山西 長治 046000）

引言

為了提升礦井開采效率，提升礦井智能化水平，加強對采掘設備的優化研究十分重要。采煤機作為我國煤炭開采重要的機械設備，其主要功能是用于煤塊的截落和裝運，采煤機的截割效率在很大程度上限制著礦井的開采效率[1-2]，目前我國應用最廣泛的采煤機是滾筒式采煤機。采煤機主要由電動機、截割部、牽引部、附屬裝置等構成，在運行過程中截齒截割參數對于采煤機的運行也有著較大的影響[3-4]。本文利用數值模擬軟件對不同截割參數下的截割效果進行分析，為采煤機滾筒的后續優化提供一定的參考。

1 數值模擬模型建立

研究采煤機截割煤壁過程選用離散單元法對煤壁截割效果進行分析。離散元法能夠充分考慮到煤壁巖體的不連續性，對解決巖石力學問題有著較好的優越性，其能夠反應真實煤體的物理性質，較好還原煤壁截割過程。選擇PFC3D數值模擬軟件建立煤壁模型，同時進行截割單齒直線截割仿真研究，軟件內部單元格式為球形剛性體顆粒，顆粒與顆粒間設有接觸，用于力和力矩的傳遞。

使用PFC3D軟件進行模型建立，采煤機螺旋滾筒截齒實際是速度恒定地旋轉截割，但考慮到模擬過程截割距離較小，可以類化為直線截割。同時為了降低由于切削厚度不均勻造成的截割差異，將截齒直線截割過程中切削煤壁厚度設定為恒定值，大大簡化了模擬的計算時間。對煤壁進行尺寸的設定，設定煤壁長、寬、高分別為150 mm、200 mm、120 mm，截齒截割部分煤壁尺寸為150 mm、100 mm、50 mm，對煤壁的參數進行設定，煤壁顆粒密度為1 675 kg/m3，煤壁孔隙率為0.2，截割顆粒半徑為2 mm，煤壁整體抗拉強度為1.5 MPa，接觸剛度為15 GPa，內聚力為4 MPa，內摩擦角為35°，彈性模量為22.4 GPa，未截割顆粒的半徑為3 mm，模型共計顆粒總數61 344，截齒截割模型如圖1所示。

圖1 截齒截割模型圖

2 數值模擬研究

2.1 不同截割距離下推進阻力的變化

首先對推進阻力隨著截割距離的變化進行研究，繪制推進阻力隨截割距離變化曲線如圖2所示。

圖2 推進阻力隨截割距離變化曲線

從圖2中可以看出，隨著截割距離的增加，推進阻力呈現大幅度波動情況，推進阻力的最大值能夠達到2 812 N，最小推進阻力為0，從圖2中還可以看出虛線部分為推進阻力的均值790 N，整體推進阻力較小。出現推進阻力大幅度波動情況的原因是在截齒截割煤壁過程中，存在振動破壁情況，使得煤塊顆粒出現松動，截割需要的力也就有所降低，同時截割截齒煤壁顆粒過程推進阻力呈現先增大后減小的趨勢。

2.2 不同截割角度下截割阻力和截割比能耗隨截割線速度的變化

2.2.1 截割阻力

對切削厚度5 mm下不同截割角度下截割阻力均值隨截割線速度的變化趨勢進行研究，選定截割角度分別為40°、45°、50°、55°時進行分析，不同截割角下截割阻力均值隨線速度變化曲線如下頁圖3所示。

圖3 不同截割角下截割阻力均值隨線速度變化曲線

從圖3可以看出，隨著截齒截割線速度的不斷增大，截割阻力均值整體呈現出先減小后增大的趨勢。這是由于當截割線速度較小時，采煤機截齒很難楔入煤體，此時截齒受到較大的截割阻力，而隨著截齒截割線速度的不斷增大，截齒對煤壁的沖擊效果有所提升，對于截割煤體有著促進作用，但考慮到截割速度過大，單位時間內截齒在單位時間內能夠截落的煤顆粒數量增多，從而會造成截割阻力出現增大的趨勢。從圖3中可以看出截割角為40°時，此時的截割阻力均值明顯大于截割角度45°、50°、55°時的情況，這是由于當截割角度較小時，隨著截齒截割深度的不斷增加，截齒與煤體發生擠壓，截割分力降低，使得截割豎向力減小，截割難度增大，截齒阻力會有所增加。所以在設定截割速度和截齒角度時，應當充分考慮如上因素。

2.2.2 截割比能耗

對切削厚度5 mm下不同截割角度下截割比能耗隨截割線速度的變化趨勢進行研究，同樣選定截割角度分別為40°、45°、50°、55°時進行分析，不同截割角下截割比能耗隨線速度變化曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著截齒截割線速度的不斷增大，截割比能耗呈現出先減小后增大的趨勢。同樣是由于當截割線速度較小時，采煤機截齒很難楔入煤體，此時截齒截割需要的能量也就越多；而隨著截齒截割線速度的不斷增大，截齒對煤壁的沖擊效果有所提升，采煤機截齒截割煤壁的難度降低，需要的截割比能耗也就越低；隨著截割線速度進一步增大，單位時間截齒行進距離增大，所以截割比能耗也就有所增大。同時對比不同截割角度下的截割比能耗可以看出，隨著截割角度的增大，相同截割線速度下的截割比能耗呈現先減小后增大的趨勢，當截割角度為45°時，此時的截割比能耗效果最佳。

圖4 不同截割角下截割比能耗隨線速度變化曲線

3 結論

1）利用數值模擬對推進阻力隨截割距離變化曲線進行研究，發現隨著截割距離的增加，推進阻力呈現大幅度波動情況，推進阻力的最大值能夠達到2 812 N，推進阻力的均值790 N，整體推進阻力較小。

2）隨著截齒截割線速度的不斷增大，截割阻力均值整體呈現出先減小后增大的趨勢，同時截割角為40°時，此時的截割阻力均值明顯大于截割角度為45°、50°、55°時。

3）隨著截齒截割線速度的不斷增大，截割比能耗呈現出先減小后增大的趨勢，同時對比不同截割角度下的截割比能耗可以看出，隨著截割角度的增大，相同截割線速度下的截割比能耗呈現先減小后增大的趨勢。