采煤機(jī)高塊煤率截割的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

趙 俊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)朔州朔煤王坪煤電公司， 山西 朔州 038300）

引言

目前，煤的產(chǎn)量和質(zhì)量仍作為制約著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的首要因素[1]，煤炭開采方式主要由露天開采和井工開采，在井工開采中，機(jī)械落煤是開采的主要方式，在機(jī)械落煤時，滾筒采煤機(jī)能夠滿足各種煤層條件的開采方式，是煤礦采煤中應(yīng)用較為廣泛主要大型設(shè)備。滾筒采煤機(jī)的高塊煤率決定煤炭開采能否高效運(yùn)行，因此，針對采煤機(jī)高塊煤率的優(yōu)化設(shè)計(jì)展開分析。

1 存在問題

目前，在機(jī)械化采煤的過程中，存在的主要問題是塊煤率低，塊煤率是影響煤炭質(zhì)量的首要影響因素。依據(jù)煤層的物理機(jī)械性質(zhì)條件為基礎(chǔ)，選擇合理匹配的滾筒轉(zhuǎn)速與牽引速度就可以適當(dāng)?shù)靥岣邏K煤率[2]。當(dāng)一臺采煤機(jī)投入到實(shí)際生產(chǎn)中，由于目前所有的采煤機(jī)均為采用調(diào)速截割功能，滾筒只能以恒定速度進(jìn)行截割，這就需要合理地調(diào)整轉(zhuǎn)速與牽引速度，保證塊煤率，提高截割速率[3]。

2 采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理

由于雙滾筒采煤機(jī)突出的優(yōu)越性能，在我國大部分煤礦被廣泛應(yīng)用，采煤、裝煤一體化操作提高了工作效率。圖1 就是雙滾筒采煤機(jī)主體及其組成。

圖1 雙滾筒采煤機(jī)結(jié)構(gòu)圖

雙滾筒采煤機(jī)主要是通過中間控制箱內(nèi)的點(diǎn)擊將動力通過搖臂的惰輪進(jìn)行傳遞，滾筒通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)割煤動作，搖臂可以上下移動從而調(diào)整割煤過程中高度的變化，左右牽引部是采煤機(jī)移動的主要部件，保證采煤機(jī)沿著工作面左右移動，中間控制箱是作為控制部分的集成。這幾部分的共同作用使得采煤機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)高效割煤[4]。

3 影響雙滾筒采煤機(jī)的截割參數(shù)研究

3.1 煤巖的物理性質(zhì)

煤的形成需要經(jīng)過長期的隔絕空氣，在地殼高溫、高壓條件下漫長的碳化過程形成，原始物質(zhì)的不同使得煤的成分不同。煤的形成過程中會產(chǎn)生分層現(xiàn)象稱之為層理，當(dāng)?shù)貧み\(yùn)動使其破碎時稱為節(jié)理。層理和節(jié)理的存在使得煤體本身就存在各相異性。煤體的脆性特質(zhì)對與采煤機(jī)的截齒及施加載荷大小有很重要的影響。在考慮采煤機(jī)滾筒及截齒種類時就需要對煤體進(jìn)行分析，選擇適當(dāng)?shù)牟擅簷C(jī)作為開采的主要設(shè)備。

3.2 截齒的安裝角

鎬型截齒在采煤機(jī)上安裝的一個重要的角度就是安裝角，當(dāng)安裝角設(shè)計(jì)安裝時盡量使鎬型截齒所受的合力與齒身軸線重合，不僅使截齒易損部位受到的合應(yīng)力最小，而且要避免與周圍煤層發(fā)生干涉，最大可能降低能耗，增加截齒使用時間。

4 截割參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

在遺傳算法的基礎(chǔ)上，利用MATLAB 進(jìn)行實(shí)數(shù)編碼，用隨機(jī)競爭選擇函數(shù)，聯(lián)合使用多個交叉算子和變異算子。利用本礦使用的MG200/475－W 型采煤機(jī)，該采煤機(jī)采高H＝1 400～2 800 mm，煤層傾角≤16°，煤質(zhì)中硬，截割阻抗A≈210 N mm；采煤機(jī)的左或右截割功率P1=200 kW，牽引功率為P2=75 kW，滾筒截深B＝630 mm，Dc=1 600 mm。

高塊煤率采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)：

目標(biāo)函數(shù)中的設(shè)計(jì)變量為：

采煤機(jī)裝載性能約束：

建立的采煤機(jī)參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

其中：φ 為齒尖螺旋升角；N 為螺旋葉片頭數(shù)；Dc為滾筒直徑；Φ 為煤的崩落角；vq為采煤機(jī)的牽引速度；n 為滾筒轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)論

對截割阻抗A 分別為150 N/mm、210 N/mm、270 N/mm時，3 頭和4 頭螺旋葉片的滾筒獲得最大塊煤率所對應(yīng)的截割和牽引速度利用式4 進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可以看出對于不同性質(zhì)的煤層，隨著煤巖截割阻抗的提高，為獲得最大的塊煤率，即最大切削面積，應(yīng)增加截割速度，同時降低牽引速度。隨著煤巖截割阻抗的提高，切削面積增加，三向截割力基本上呈線性增大，因而，可以用監(jiān)測采煤機(jī)在工作過程中的截割載荷間接地識別煤巖截割阻抗，并進(jìn)行截割參數(shù)的調(diào)整。

表1 不同截割阻抗的優(yōu)化結(jié)果