基于數(shù)值研究的現(xiàn)代采煤機(jī)滾筒切割載荷的研究與分析

王曉琛

（同煤集團(tuán)忻州窯礦， 山西 大同 037000）

引言

雖然目前新能源技術(shù)（如太陽(yáng)能、風(fēng)能、核能和生物質(zhì)能等）發(fā)展非常迅速，但是化石能源仍然是全球或者世界范圍內(nèi)主要的能源來源。在中國(guó)，化石能源占總能源的消耗量比例約為87%，而2016年國(guó)家能源局報(bào)告的煤炭比例大約為63%。用采煤機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)壁采煤是地下最常使用的采煤方法。長(zhǎng)壁開采的產(chǎn)量和生產(chǎn)率取決于采煤機(jī)長(zhǎng)壁工作時(shí)滾筒的切削性能。同時(shí)，剪切負(fù)載作為滾筒的工作負(fù)載來設(shè)計(jì)采煤機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)。因此，采煤機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)和切割性能評(píng)估不僅可以改善生產(chǎn)力，而且對(duì)改進(jìn)機(jī)械性能也非常重要，除此之外，還可以有效提高采煤機(jī)的可靠性。

1 現(xiàn)代采煤機(jī)滾筒切割載荷的研究進(jìn)展

為了理解滾筒的切割性能，研究人員進(jìn)行了大量的理論，實(shí)驗(yàn)研究。尤其是在和實(shí)驗(yàn)采煤機(jī)滾筒切割負(fù)荷預(yù)測(cè)的模擬和實(shí)驗(yàn)工作更為豐富。

ERLLANR等人根據(jù)試驗(yàn)的平均切削力提出了考慮巖石性質(zhì)預(yù)測(cè)采煤機(jī)滾筒切割負(fù)荷的理論模型，用于挖掘幾何形狀和工作條件對(duì)采煤機(jī)的影響。之后劉晨等人改進(jìn)了ERLLANR等人建立的模型，他們考慮到煤的各向異性和煤矸石隨機(jī)導(dǎo)入接縫[1]。Hekimoglu研究了采煤機(jī)鼓鎬在實(shí)驗(yàn)室的切削載荷，并發(fā)現(xiàn)，板鎬受到比葉片更高的力量[2]。Khair建造了自動(dòng)旋轉(zhuǎn)切割模擬器（ARCCS），拾取幾何體的效果，線空間，切割深度，傾角研究了鎬角和旋轉(zhuǎn)速度對(duì)顆粒分布和切割負(fù)荷的影響[3]。Addala和Qayyum進(jìn)行了研究采煤機(jī)頂尖角對(duì)ARCCS切割負(fù)荷和滾筒切割比能的影響。劉晨等人建立了旋轉(zhuǎn)切割測(cè)試儀，并進(jìn)行了五種類型的具有不同的幾何形狀和十個(gè)鼓的滾筒的切割試驗(yàn)，這些鎬具有不同的拾音配置[4]。他們發(fā)現(xiàn)了切割性能之間的參數(shù)關(guān)系（即滾筒切割負(fù)荷，比能量和塊煤率）以及鼓結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。但是，那這些切割測(cè)試儀中使用的鼓被縮小和簡(jiǎn)化，即，人員小型測(cè)試、小規(guī)模測(cè)試對(duì)鼓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有意義，但從小規(guī)模試驗(yàn)中獲得的切削載荷具有一定的差異，很難直接在采煤機(jī)設(shè)計(jì)中使用從規(guī)模，邊界條件和工作條件來看真正的采煤機(jī)鼓。

另外，Camargo等人報(bào)道了一種由國(guó)家職業(yè)安全研究所開發(fā)的儀器。儀表本身是安全獨(dú)立的并且能夠以三個(gè)正交的方式測(cè)量切割力方向。使用這種儀器進(jìn)行的原位實(shí)驗(yàn)在三個(gè)礦山中進(jìn)行，以獲得切煤力。Eyyuboglu和Bolukbasi通過在土耳其Park Cayirhan煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了相等和不相等的排水間距對(duì)道路集水管性能的影響。通過原位實(shí)驗(yàn)是獲得切割力量最可靠的方法，但是這種實(shí)驗(yàn)非常昂貴和困難，并沒有適當(dāng)?shù)臋C(jī)會(huì)為大多數(shù)研究人員在礦山中進(jìn)行原位實(shí)驗(yàn)。此外，為了消除真實(shí)剪切鼓和大塊巖石樣品，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了全面的切割試驗(yàn)尺度和邊界條件對(duì)結(jié)果的影響。赫基莫格盧Ozdemir在科羅拉多州立大學(xué)地球力學(xué)研究所的兩個(gè)啟動(dòng)鼓礦山進(jìn)行了一系列全面的切割測(cè)試，研究包角對(duì)切削載荷對(duì)鼓的影響。

2 采煤機(jī)滾筒切割試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

如下頁(yè)圖1所示，顯示了前后采煤機(jī)滾筒切割鼓模型。為了提高模擬的效率，煤質(zhì)量按粒子半徑分級(jí)。首先，一個(gè)立方體粒子生成并計(jì)算了以20～50 mm的粒子半徑進(jìn)行組裝到穩(wěn)定階段，即圖1所示的層2。然后，顆粒在切割區(qū)域被刪除并填充小顆粒（層1）半徑為5～20 mm。煤質(zhì)量樣本產(chǎn)生量很大，盡可能減小邊界效應(yīng)并獲得與實(shí)驗(yàn)室條件相同或相似效果的切割條件。煤的尺寸質(zhì)量長(zhǎng)度，寬度和高度分別為3.6、2.16和4.32 m。直徑為1.8 m的半圓柱區(qū)域的顆粒被刪除用于為前鼓式切割模型布置采煤機(jī)滾筒。該煤樣的右側(cè)和前壁的操作條件均相同。

圖1 前后采煤機(jī)滾筒切割鼓模型

鼓采用三維設(shè)計(jì)軟件建立了MG500/1130采煤機(jī)的模型PFC3D并導(dǎo)入到Solidworks中。采煤機(jī)滾筒是一個(gè)包括鎬、螺旋葉片和鼓輪轂的組件。鼓的每個(gè)部分都是被視為剛體的獨(dú)立單元。因此，切削負(fù)荷的每個(gè)優(yōu)先權(quán)可以被整體記錄。在與前鼓切割不同的模型中，鼓中心上方區(qū)域中的顆粒是在圖1所示的后鼓切割模型中刪除，實(shí)驗(yàn)中后鼓筒的開采高度為0.9 m。有用于前鼓切割模型的約34.4萬個(gè)顆粒，為后鼓切割模型提供了21.5萬個(gè)粒子。并行鍵合接觸模型用于在PFC3D建造煤炭樣品。平行鍵的微觀參數(shù)通過建模UCS測(cè)試對(duì)具有不同半徑的粒子組裝進(jìn)行標(biāo)定。

在切割模擬過程中，作用在鎬上的力被監(jiān)測(cè)。如圖2所示，從仿真和測(cè)試獲得的鎬力方向是不同的。相比之下，記錄在PFC3D中的力量從整體轉(zhuǎn)變?yōu)榫植苛α?，坐?biāo)系中公式為：

式中：Fx"，F(xiàn)y"和Fz"為測(cè)力點(diǎn)的坐標(biāo)，θ為全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系之間的角度，使用FISH在PFC3D上計(jì)算“作用在滾筒上的扭矩”（一種嵌入PFC3D中的編程語(yǔ)言）。

圖2 作用在測(cè)量鎬的切削力示意圖

3 模擬的結(jié)果分析

3.1 前鼓模擬結(jié)果

圖3 不同牽引速度鼓切入煤塊的過程模擬

利用上述模型，模擬在滾筒轉(zhuǎn)速28 r/min下進(jìn)行前鼓切割過程，牽引速度1.5 m/min，3 m/min和5 m/min。圖3顯示了鼓切割過程中的不同的牽引速度碎片圖案，并計(jì)算以不同的牽引速度作用在前鼓上的轉(zhuǎn)矩。在不同的切削條件下，鼓切入煤塊的過程扭矩有一個(gè)增加的階段響應(yīng)。當(dāng)滾筒位移穩(wěn)定時(shí)，觀察到扭矩階段大約0.075 m。兩者的模擬值和標(biāo)準(zhǔn)差隨著牽引力增加速度，線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.996 7以上。在這些圖中，模塊被切割和切割大部分運(yùn)輸?shù)讲煽諈^(qū)，這在一定程度上反映了鼓在一定切削條件下的加載效率，這在我們的進(jìn)一步研究中，可以將模型設(shè)計(jì)鼓的一個(gè)重要因素。

3.2 后鼓的模擬結(jié)果

圖4顯示了具有牽引速度5 m/min的后滾筒的切割過程。由于自由表面的存在，更大的芯片與前鼓切割模擬相比定期形成。顯示了實(shí)驗(yàn)之間的拾取力比較并在一個(gè)切割周期內(nèi)模擬后鼓。有人指出在模擬中獲得的力與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相匹配。顯示了作用在轉(zhuǎn)矩上的振動(dòng)后鼓采用不同的牽引速度。一個(gè)穩(wěn)定的階段當(dāng)滾筒的位移大約時(shí)也會(huì)觀察到扭矩0.075 m。扭矩的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算穩(wěn)定階段如圖4所示。均值標(biāo)準(zhǔn)差隨著牽引力的增加而增加，線性相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.999 3以上。

圖4 不同時(shí)間鼓切入煤塊的過程模擬

4 結(jié)論

進(jìn)行一系列全尺寸采煤機(jī)切割試驗(yàn)，以不同的牽引速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，使用PFC3D軟件構(gòu)建采煤機(jī)滾筒切割機(jī)型。切割過程在模擬下進(jìn)行不同的切削條件并將獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。模擬結(jié)果顯示切削力的鼓平均扭矩顯著相關(guān)。