基于有限元法的采煤機截割滾筒截線距優化設計

朱 毅

（晉能控股集團沁水胡底煤業有限公司， 山西 晉城 048200）

引言

煤礦開采過程中采煤機的運行穩定性會對煤礦開采效率產生決定性影響，截割滾筒是采煤機中非常重要的結構件，主要是利用滾筒上安裝的截齒與煤壁發生直接作用，從而達到截割的效果[1]。截齒在滾筒上的安裝結構與形式會對截割滾筒的性能產生直接影響[2]。隨著煤礦領域的不斷發展和技術水平的不斷提升，對采煤機的性能要求越來越高，基于傳統的經驗設計方法難以滿足高穩定性、高采煤效率的基本需要，有必要利用先進的有限元方法對采煤機截割滾筒的結構進行優化改進，進一步提升滾筒的綜合性能。本文主要利用PFC 軟件對采煤機截割滾筒的截線距進行優化設計，對于提升截割滾筒的性能和采煤機的工作效率具有一定的現實意義。

1 截割滾筒截線距概述

以MG132/320-W 型采煤機為對象進行研究，對截割滾筒的截線距進行優化設計研究。所謂截線距指的是相鄰兩根截齒在截線方向之間的距離大小，是決定截割滾筒性能的重要結構參數之一。截線距設置合理與否，不僅會對截割滾筒的采煤效率產生一定影響，還會影響結構件的使用壽命和能耗。當截割滾筒的截線距設置相對較大時，滾筒工作時特別容易出現封閉式切削，在相鄰兩根截齒之間形成“煤脊”，能在一定程度上提升塊煤率。但與此同時，過大的截線距使得截齒在對煤壁進行破碎時，難以對煤壁裂隙進行有效利用，會在一定程度上提升截割滾筒的能源消耗，同時會使截齒的磨損加大，縮短其使用壽命。相反地，如果截線距設置過小，雖然能夠降低單個截齒工作時的受力，但會在一定程度上減小塊煤率，不利于煤礦開采過程的經濟性。基于此，有必要對截割滾筒的截線距進行科學合理的設計，確保截齒之間的載荷均勻、截割比能耗小。

2 截割滾筒工作過程有限元建模

2.1 三維幾何模型建立

利用SolidWorks 軟件根據MG132/320-W 型采煤機截割滾筒的實際尺寸建立三維幾何模型，其中滾筒的直徑為1 250 mm。為了分析不同截線距對截割滾筒性能的影響，分別將截線距設置為60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm 建立幾何模型，其他結構參數完全相同。建立模型時對一些細小結構，比如倒角、倒圓、小孔等進行忽略處理，這種處理措施能保證計算結果精度的同時壓縮模型計算時間。

2.2 有限元模型建立

將建立的三維幾何模型導入到PFC 有限元軟件中，除建立截割滾筒模型外還建立了煤壁模型。截割滾筒主體使用42CrMo 鋼材料加工，截齒合金頭基于YG 系列硬質合金加工，以上兩種材料的彈性模量分別為 212 GPa 和 600 GPa，泊松比分別為 0.28 和0.22，密度分別為7 850 kg/m3和14 600 kg/m3。煤壁在PFC 軟件中基于離散元方法獲得，彈性模量和泊松比分別為23 GPa 和0.25，抗拉強度和抗壓強度分別為3.67 MPa 和 15.98 MPa，密度為 1 674 kg/m3。煤壁由顆粒狀物質構成，顆粒半徑及其孔隙率分別為0.008 m和0.06，法向抗拉強度、內聚力、內摩擦角分別為1.8×106Pa、2.4×106Pa 和 34.66°。邊界條件方面，滾筒前進速度和旋轉速度分別為0.04 m/s 和57 r/min。如下頁圖1 所示為滾筒對煤壁進行截割的過程。

圖1 滾筒對煤壁進行截割的過程圖

3 截齒受力分析及截線距優化

3.1 截齒合力演變曲線

如下頁圖2 所示為截線距為70 mm 時截割合力隨時間的演變狀態，其他截線距時獲得的曲線與該曲線基本類似。由圖2 可知，截割滾筒的截割合力隨時間呈現出不均勻變化形式，出現這種情況的原因在于不同時刻實際參與截割的截齒數量不同，截齒與煤壁顆粒之間的相互作用狀態也存在差異，所以不同時刻的截割合力變化幅度相對較大。特別是剛開始階段，由于參與截割的截齒數量較少，所以合力變化幅度更加明顯，后續變化幅度基本保持穩定狀態。

圖2 截線距為70 mm 時截割合力隨時間的演變狀態

3.2 考慮截齒受力狀態的截線距優化

對不同截線距模型中的所有截齒受力情況進行統計分析，如圖3 所示為截線距對截齒平均受力及標準差的影響規律。圖3 中X、Y、Z 方向分別表示截割滾筒的前進阻力、側向阻力和截割切向阻力。由圖3可知，截割滾筒的截線距對截齒不同方向以及合力的平均受力均存在一定程度的影響。X 方向阻力方面，當截線距為70 mm 和80 mm 時相對較小；當截線距為80 mm 時，Y 方向上的阻力最小；當截線距為70 mm 時，Z 方向阻力相對最小。對于滾筒的截割合力，截線距為75 mm 時最大，截線距為60 mm、65 mm、70 mm、80 mm 時，截割合力相差不大，但70 mm 時相對最小。

圖3 截線距對截齒平均受力及標準差的影響規律

圖3 中還顯示了不同截線距時截割滾筒所有截齒受力的標準差。標準差描述的是不同截齒之間受力的均勻性，標準差越小說明截齒之間的受力越均勻，相反地，如果標準差越大意味著不同截齒之間的受力越不均勻。從圖中可以明顯看出，當截線距為70 mm時，不管是X、Y、Z 方向阻力還是整體合力，所有截齒受力的標準差均相對最小，說明在此結構參數條件下，滾筒中所有截齒的受力最為均衡，波動性最小。綜上，從截齒受力狀態角度出發，確定的截線距最優值為70 mm。

4 基于截割比能耗的截線距優化

4.1 截割比能耗概述

在節能減排的大環境下，截割比能耗是反映截割滾筒綜合性能的重要指標之一，描述的是截割獲得單位體積的煤礦物料需要消耗的總能量。可以根據式（1）計算截割比能耗：

式中：Hw為截割比能耗；n 和t 分別為滾筒的旋轉速度及截割時間，分別取57 r/min 和3.6 s；Tm和Vm分別為滾筒的平均扭矩及截割獲得的煤礦物料體積，扭矩可根據滾筒受力計算獲得，煤礦體積可在模型中進行提取。

4.2 截線距優化

在模型提取數據的基礎上，對截割滾筒的扭矩平均值、煤礦顆粒體積進行了計算，并根據式（1）獲得了不同截線距時的截割比能耗，結果如圖4 所示。由圖4 可知，截線距對截割比能耗的影響規律比較復雜，隨著截線距的不斷增大，截割比能耗呈現出先降低再升高最后又降低的演變趨勢。當截線距為70 mm 和80 mm 時截割滾筒的截割比能耗相對較小，以70 mm時最小，另外三種截線距對應的截割比能耗相差不大，均處在較高水平。綜上，從截割比能耗角度出發，截割滾筒的截線距設置為70 mm 時最優。

圖4 截線距對扭矩、顆粒體積和截割比能耗的影響

5 結語

以MG132/320-W 型采煤機截割滾筒為對象，利用有限元軟件對截線距進行了優化設計，所得結論主要有：截割滾筒的截線距是重要的結構參數，會對截齒之間的受力均勻性以及整體的截割比能耗產生重要的影響；利用SolidWorks 和PFC 軟件建立了不同截線距時截割滾筒工作過程有限元模型，可以真實地描述煤壁截割過程；分析不同截線距時滾筒所有截齒受力均勻性，發現截線距為70 mm 時截齒受力標準差最小，此時截齒受力波動性最小；從截割比能耗角度分析了不同截線距時滾筒的性能，同樣發現截線距為70 mm 時，滾筒的性能最優。