史虎平
(陽泉煤業(yè)集團(tuán)安澤登茂通煤業(yè)有限公司,山西 臨汾042509)
采煤機(jī)作為綜采設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備,主要承擔(dān)工作面的割煤、落煤任務(wù)。采煤機(jī)的截割效率和落煤速度直接決定綜采工作面煤炭的生產(chǎn)能力。滾筒為采煤機(jī)直接與煤壁相接觸的部件,其上所布置的截齒的數(shù)量、截齒的安裝角度以及截線距等參數(shù)直接影響采煤機(jī)滾筒的截割性能[1]。因此,充分掌握采煤機(jī)滾筒截齒數(shù)量、安裝角度及截線距等參數(shù)對(duì)滾筒截割性能的影響機(jī)理對(duì)優(yōu)化上述參數(shù)具有重要意義。
1)采煤機(jī)滾筒直徑越大其對(duì)應(yīng)截齒的線速度越大,則煤炭產(chǎn)量越大;但是,滾筒直徑越大其重量越大,從而導(dǎo)致采煤機(jī)的能耗越大;
2)螺旋葉片升角也大越有利于被截割煤炭的落煤效率;但是,螺旋葉片升角過大會(huì)增大采煤機(jī)的能耗;
3)截齒的排列方式包括有順序式和交叉式兩種排列方式。經(jīng)研究,交叉式排列的截齒與順序式排列的截齒可獲得更大的塊煤率;
4)截線距與采煤機(jī)落煤的塊煤率和截割效率直接相關(guān)。截線距越大其對(duì)應(yīng)塊煤率越大,但是其對(duì)應(yīng)設(shè)備的能耗越大,對(duì)截齒的磨損越明顯;
5)滾筒截齒的安裝角度不僅制約采煤機(jī)的截割能力,重要是影響整個(gè)滾筒的受力情況。截齒安裝角越大,越有利于截齒切入煤壁中,從而提升了滾筒的截割能力;但是,截割安裝角度過大會(huì)增加采煤機(jī)的截割阻力,從而增加其能耗[2]。
為精確得出不同截線距對(duì)滾筒截割性能影響機(jī)理,需對(duì)根據(jù)工作面煤炭參數(shù)建立模型和對(duì)應(yīng)的滾筒截割煤壁的模型。以陽泉煤業(yè)集團(tuán)安澤登茂通煤業(yè)某個(gè)工作面的煤樣進(jìn)行采樣分析,其對(duì)應(yīng)的參數(shù)如表1所示:
表1 工作面煤炭煤樣參數(shù)
以工作面當(dāng)前正在應(yīng)用的采煤機(jī)為例開展研究,并基于該采煤機(jī)的相關(guān)尺寸和參數(shù)建立滾筒模型,本文中所研究采煤機(jī)滾筒的相關(guān)參數(shù)見表2。
表2 采煤機(jī)滾筒參數(shù)
基于表2滾筒參數(shù)在三維建模軟件中建立采煤機(jī)滾筒的三維模型,將其導(dǎo)入數(shù)值模擬仿真軟件中;同時(shí),在數(shù)值模擬軟件中建立工作面煤壁模型,并基于表1參數(shù)對(duì)模型煤炭顆粒進(jìn)行設(shè)置,得出滾筒截割煤壁的仿真模型如圖1所示。
如圖1所示,根據(jù)實(shí)際采煤機(jī)截割煤壁的運(yùn)動(dòng)參數(shù)將滾筒的轉(zhuǎn)速設(shè)定為57 r/min,采煤機(jī)的牽引速度設(shè)定為0.04 m/s。
所謂截線距指的是采煤機(jī)滾筒相鄰截齒的截線之間的距離。滾筒截線距的合理配置為在保證其塊煤率的同時(shí),還能夠降低采煤機(jī)的能耗和工作阻力,即保證采煤機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行[3]。本文將對(duì)采煤機(jī)截線距分別為60 mm、65 mm、70 mm、75 mm以及80 mm下對(duì)應(yīng)采煤機(jī)滾筒的截割性能進(jìn)行仿真分析。
圖1 采煤機(jī)滾筒截割煤壁仿真模型
根據(jù)上頁圖1中所搭建的數(shù)值模擬模型對(duì)采煤機(jī)牽引速度為0.04 m/s,滾筒旋轉(zhuǎn)速度為57 r/min和截割厚度為15 mm情況下滾筒相鄰截齒的受力情況進(jìn)行仿真分析。采煤機(jī)滾筒在實(shí)際割煤過程中存在前截齒先于后截齒切入煤壁的情況,也就是說前截齒和后截齒的受力情況不一樣[4]。此處,將前截齒命名為1號(hào)截齒,后截齒命名為2號(hào)截齒。
在實(shí)際截割過程中,當(dāng)2號(hào)截齒切入煤壁時(shí)對(duì)應(yīng)煤壁已經(jīng)被1號(hào)截齒破壞。因此,從理論上將2號(hào)截齒的受力情況及波動(dòng)情況應(yīng)小于1號(hào)截齒。本文將對(duì)不同截線距情況下1號(hào)截齒和2號(hào)截齒的受力情況進(jìn)行對(duì)比研究,對(duì)比結(jié)果如表3所示:
表3 不同截線距對(duì)應(yīng)1號(hào)截齒和2號(hào)截齒的受力情況對(duì)比
如表3所示,不同截線距對(duì)應(yīng)1號(hào)截齒和2號(hào)截齒的受力并不是處于線性變化狀態(tài)。因此,研究不同截線距對(duì)應(yīng)不同截齒的受力情況對(duì)滾筒截割性能影響的研究不具備指導(dǎo)意義。故,還需對(duì)不同截線距對(duì)應(yīng)滾筒整體的受力情況進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表4。
表4 不同截線距對(duì)應(yīng)滾筒整體的受力情況對(duì)比
如表4所示,隨著截線距的增大對(duì)應(yīng)采煤機(jī)滾筒的整理受力值增大;而且,經(jīng)對(duì)仿真數(shù)據(jù)的綜合分析還可得出:當(dāng)截線距分別為65 mm時(shí)采煤機(jī)滾筒整體受力值波動(dòng)較大,即此時(shí)采煤機(jī)滾筒截割生產(chǎn)時(shí)振動(dòng)越劇烈[5]。因此,綜合考慮,截線距為60 mm時(shí)對(duì)應(yīng)滾筒的截割性能最佳。
相同工況下,采煤機(jī)能耗為衡量其截割性能的關(guān)鍵指標(biāo)。故,在上述研究的基礎(chǔ)上對(duì)相同工況下采煤機(jī)截割能耗進(jìn)行對(duì)比研究,分別對(duì)相同工況下截割10 m3煤炭時(shí)的能耗進(jìn)行研究,結(jié)果見表5。
表5 不同截線距對(duì)應(yīng)采煤機(jī)截割能耗對(duì)比
如表5所示,當(dāng)截線距為70 mm時(shí),采煤機(jī)截割能耗最低;其次為截線距為80 mm。雖然,當(dāng)截線距為60 mm和65 mm時(shí)對(duì)應(yīng)滾筒的整體受力較小,但是對(duì)應(yīng)截割同體積煤炭時(shí)能耗最高。因此,可得出當(dāng)截線距為70 mm時(shí)對(duì)應(yīng)采煤機(jī)的落煤量最大,從而導(dǎo)致其比能耗越小。
1)隨著采煤機(jī)截線距增加,對(duì)應(yīng)滾筒的受力值越大,即當(dāng)截線距為60 mm時(shí)滾筒受力值越大,而當(dāng)截線距為65 mm時(shí),采煤機(jī)截割振動(dòng)情況最劇烈。
2)以采煤機(jī)比能耗為考核指標(biāo),當(dāng)截線距為70 mm時(shí)對(duì)應(yīng)比能耗最低,而當(dāng)截線距為60 mm、65 mm時(shí)比能耗最大。
綜合分析,將采煤機(jī)最佳截線距設(shè)定為70 mm,其對(duì)應(yīng)的截割性能最優(yōu)。