影響螺旋滾筒裝煤性能的因素分析

田 震，高 珊，趙麗娟，張成光

（1.周口師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，周口 466000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，阜新 123000）

0 引言

螺旋滾筒作為采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，其承擔(dān)著破煤、裝煤及除塵等任務(wù)。由于賦存條件不穩(wěn)定、工作面空間狹小、環(huán)境惡劣，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)械化開(kāi)采對(duì)螺旋滾筒性能要求較高。目前比較成熟采煤機(jī)截割性能已得到大幅的提升，能夠有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜煤層的截割作業(yè)，但受井下工作環(huán)境和螺旋滾筒結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的制約，螺旋滾筒裝煤率較低[1,2]。如何提高螺旋滾筒的裝煤性能逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)課題。

為此，本文根據(jù)離散單元法，建立螺旋滾筒裝煤的離散元模型，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)螺旋葉片升角、滾筒截割深度、采煤機(jī)牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速四個(gè)因素交互影響下螺旋滾筒的裝煤性能進(jìn)行了研究，得到螺旋滾筒在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)下的裝煤效果。將離散元數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到螺旋滾筒裝煤性能的研究中，可為螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其性能評(píng)價(jià)提供一定的參考依據(jù)。

1 螺旋滾筒裝煤數(shù)學(xué)模型

當(dāng)螺旋滾筒截割煤壁時(shí)，煤壁破碎產(chǎn)生的煤炭顆粒進(jìn)入螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域，如圖1所示[3]。在葉片推動(dòng)作用下，煤炭顆粒將獲得一個(gè)圓周速度v1和沿葉片相對(duì)滑動(dòng)的速度由于摩擦阻力的影響，煤炭顆粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其相對(duì)速度減小為v2。

假設(shè)葉片的螺旋升角為α、煤炭顆粒所在位置回轉(zhuǎn)直徑為D，則v1=πnD，利用速度投影定理可求得煤炭顆粒的絕對(duì)速度[4]：

圖1 煤炭顆粒在葉片上的運(yùn)動(dòng)

對(duì)vnp進(jìn)行分解可得到煤炭顆粒軸向速度vp和切向速度vt為：

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min；D為煤炭顆粒所在位置回轉(zhuǎn)直徑，mm；α為葉片螺旋升角，°；?為煤與葉片之間的摩擦角，°。

采用多頭葉片的螺旋滾筒裝煤過(guò)程中最大煤流斷面積為：

式中：Dy為螺旋葉片直徑，mm；Dg為筒轂直徑，mm；δ為螺旋葉片厚度，mm；S為螺旋葉片導(dǎo)程，mm；z為螺旋葉片頭數(shù)。

螺旋滾筒理論裝煤量Qz為：

式中：ψ為充滿(mǎn)系數(shù)。

由式(2)和式(4)可計(jì)算出螺旋滾筒的理論裝煤量Qz為：

螺旋滾筒的理論裝煤量QL為：

式中：Dg為螺旋滾筒直徑，mm；B為截割深度，mm；Vq為牽引速度，mm/min；λ為煤的松散系數(shù)。

螺旋滾筒的理論裝煤率[5]：

2 螺旋滾筒裝煤模型的建立與仿真

2.1 裝煤模型的建立

根據(jù)莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論[6]，煤巖剪切破壞時(shí)受力如圖2所示。其中煤巖破裂面上的剪應(yīng)力大小可按照式(9)進(jìn)行計(jì)算：

式中：τ為煤巖破壞面剪應(yīng)力，Pa；σ為煤巖抗壓強(qiáng)度，Pa；?為煤巖內(nèi)摩擦角，°；α為破壞角，°。

基于煤樣測(cè)定結(jié)果結(jié)合莫爾-庫(kù)倫理論，對(duì)煤炭顆粒粘結(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖2 莫爾-庫(kù)倫模型

表1 煤炭顆粒粘結(jié)參數(shù)

為了提高建模效率，螺旋滾筒等相關(guān)幾何體通過(guò)三維建模軟件建立模型后，保存為.igs格式導(dǎo)入離散元軟件[7]，如圖3所示。為了便于對(duì)裝煤效率的計(jì)算，將顆粒統(tǒng)計(jì)區(qū)域分為兩個(gè)區(qū)域 ，分別為I區(qū)域和II區(qū)域，其中I區(qū)域內(nèi)顆粒質(zhì)量與兩區(qū)域顆?？傎|(zhì)量的比值即為螺旋滾筒的裝煤率。

圖3 螺旋滾筒裝煤的離散元模型

2.2 裝煤過(guò)程仿真

當(dāng)采煤機(jī)牽引速度為5m/min、滾筒轉(zhuǎn)速為58r/min進(jìn)行截割煤巖時(shí)，煤炭顆粒在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖4所示。初始截割時(shí)，大量的煤炭顆粒首先進(jìn)入I區(qū)域，隨著螺旋滾筒的不斷切入煤壁，截割過(guò)程中進(jìn)入螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域的煤炭顆粒在葉片的作用下逐漸流入II區(qū)域，并在輸送機(jī)與煤壁之間逐漸累積，形成一個(gè)“循環(huán)煤堆”。當(dāng)采煤機(jī)繼續(xù)截割時(shí)，“循環(huán)煤堆”不斷變大，當(dāng)其達(dá)到一定高度時(shí)，煤堆上部煤炭顆粒流入輸送機(jī)內(nèi)。

圖4 不同時(shí)刻的煤炭顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

提取螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)煤炭顆粒在三個(gè)方向上的速度，如圖5所示。顆粒在螺旋葉片作用下額外獲得一個(gè)被拋向葉片外緣的速度，該速度可分解為顆粒沿牽引速度的反向（甩向采空區(qū)）和垂直于工作面方向（沿滾筒軸線(xiàn)流出）兩個(gè)方向上的速度，隨著截割進(jìn)行，在螺旋葉片摩擦和推擠作用下，顆粒速度逐漸增加，其中Y向（沿滾筒軸向）的速度大于X向（牽引速度反向）和Z向（垂向）速度，說(shuō)明大部分被截割下的顆粒能夠被拋向工作面。

圖5 滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)顆粒速度

統(tǒng)計(jì)得到兩區(qū)域的顆粒累積質(zhì)量變化如圖6所示。由圖6可見(jiàn)，隨著螺旋滾筒不斷切入煤壁進(jìn)行截割，兩區(qū)域內(nèi)顆粒累積質(zhì)量呈現(xiàn)出線(xiàn)性的增大；由于螺旋葉片作用的作用，10s內(nèi)進(jìn)入統(tǒng)計(jì)區(qū)域I的顆粒累積質(zhì)量為576.3kg，進(jìn)入統(tǒng)計(jì)區(qū)域II的顆粒累積質(zhì)量為283.5kg。

圖6 顆粒累積質(zhì)量的變化

計(jì)算得到螺旋滾筒裝煤率變化規(guī)律如圖7所示。當(dāng)螺旋滾筒初始截割煤壁時(shí)，工作面最外側(cè)煤壁破落下產(chǎn)生的煤炭首先落入I區(qū)域，而工作面里側(cè)煤壁破碎產(chǎn)生的煤炭顆粒由于進(jìn)入螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)而暫時(shí)無(wú)法流向入II區(qū)域，使得此時(shí)裝煤率最高；隨著采煤機(jī)的前進(jìn)，螺旋滾筒不斷切進(jìn)煤壁，此時(shí)在葉片作用下螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)的煤炭顆粒逐漸流入II區(qū)域，導(dǎo)致I區(qū)域內(nèi)累積的煤炭顆粒質(zhì)量與破落下的煤炭顆?？傎|(zhì)量之比逐漸降低；當(dāng)螺旋滾筒穩(wěn)定截割后，裝煤率趨于穩(wěn)定。

圖7 螺旋滾筒裝煤率變化規(guī)律

3 影響螺旋滾筒裝煤性能因素分析

采煤機(jī)牽引速度、螺旋葉片升角、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒截割深度四個(gè)因素對(duì)螺旋滾筒裝煤性能的影響較大，為研究多因素交互影響下螺旋滾筒的裝煤性能，對(duì)上述四個(gè)因素選取四個(gè)因素水平，如表2所示。通過(guò)選擇正交實(shí)驗(yàn)表L16(45)確定試驗(yàn)次數(shù)并安排各實(shí)驗(yàn)中各參數(shù)數(shù)值[8]，對(duì)正交試驗(yàn)中16組模型進(jìn)行模擬的仿真結(jié)果如表3所示。

表2 因素水平表

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)螺旋升角、截割深度、滾筒轉(zhuǎn)速以及牽引速度在四水平下的平均數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到裝煤率的變化規(guī)律如圖8所示。由于螺旋升角變化，葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)顆粒的推擠方向產(chǎn)生變化，使得顆粒在滾筒軸向和牽引方向上的速度發(fā)生變化，進(jìn)而使?jié)L筒裝煤率隨著螺旋升角的增大而呈現(xiàn)出拋物線(xiàn)式的變化。當(dāng)截割深度越大，螺旋滾筒里側(cè)（靠近端盤(pán)處）所破落的煤炭顆粒越難被葉片輸送至工作面，導(dǎo)致其裝煤率下降；而牽引速度的降低能夠使位于滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)的顆粒能夠獲得較大的軸向速度，從而能順利的流出；滾筒轉(zhuǎn)速的增加，不僅使顆粒獲得以下較大的軸向速度，而且使顆粒在牽引反方向上的速度也在增大，這樣造成了高轉(zhuǎn)速條件下螺旋滾筒裝煤效果并沒(méi)有明顯的提高。

圖8 不同因素對(duì)裝煤率的影響

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)煤炭顆粒的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，建立了螺旋滾筒裝煤的數(shù)學(xué)模型；基于煤樣測(cè)試結(jié)果結(jié)合莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論，對(duì)煤壁離散元模型中相關(guān)粘結(jié)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，建立螺旋滾筒裝煤的離散元模型，通過(guò)數(shù)值模擬得到裝煤過(guò)程中煤炭顆粒的運(yùn)動(dòng)分布及螺旋滾筒裝煤率的變化規(guī)律。對(duì)具有不同結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的螺旋滾筒裝煤過(guò)程進(jìn)行了四因素四水平正交試驗(yàn)，分析了不同因素對(duì)滾筒裝煤性能的影響權(quán)重，其中螺旋升角的大小對(duì)其裝煤效率主影響最大，牽引速度和截割深度次之，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)裝煤率的影響最不顯著。在井下實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可據(jù)截割過(guò)程中煤炭顆粒的速度分布及裝煤率變化規(guī)律，對(duì)螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)和采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行合理匹配，進(jìn)而提高螺旋滾筒裝煤性能。