采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

楊帥科

（山西凌志達(dá)煤業(yè)有限公司， 山西 長治 046000）

引言

采煤機(jī)作為礦山開采的主要設(shè)備，其工作性能一直制約著礦井的高效開采，滾筒作為采煤機(jī)的工作結(jié)構(gòu)，其消耗了大部分采煤機(jī)功率[1-2]。滾筒主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能，分別為截割和裝煤。在實(shí)際工作中，由于采煤機(jī)工作環(huán)境較為惡劣，使得采煤機(jī)截齒極易發(fā)生折斷，造成采煤機(jī)停止作業(yè)，影響正常開采。此前眾多學(xué)者對采煤機(jī)滾筒進(jìn)行過優(yōu)化研究，梁寶英[3]為了解決滾筒破煤效果差、利用率低的問題，對采煤機(jī)牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒轉(zhuǎn)速、葉片螺旋升角等進(jìn)行研究，給出了采煤機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后采煤機(jī)工作性能穩(wěn)定。周洋[4]對采煤機(jī)的滾筒調(diào)高系統(tǒng)進(jìn)行研究，通過輸入人工控制記錄實(shí)現(xiàn)優(yōu)化采煤機(jī)運(yùn)行軌跡的目的。經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)自動(dòng)切割調(diào)高控制系統(tǒng)不僅能夠更好地調(diào)整，而且可以降低采煤工作耗時(shí)，提升效率。本文利用數(shù)值模擬軟件對采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究，并給出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 模擬準(zhǔn)備階段

采煤機(jī)截割部作為采煤機(jī)的核心部件，配有獨(dú)立電機(jī)，是整個(gè)采煤機(jī)能量消耗最大的部件。采煤機(jī)截割部主要的組成結(jié)構(gòu)有滾筒、擋煤板、調(diào)高系統(tǒng)等，滾筒作為采煤機(jī)截割部的主要部件，其工作性能直接關(guān)乎著采煤機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，其主要組成零件有截齒、齒座、端盤、螺旋葉片等，由于采煤機(jī)工作環(huán)境較為惡劣，使得采煤機(jī)滾筒部件極易發(fā)生折斷、磨損等現(xiàn)象，當(dāng)煤壁強(qiáng)度較大時(shí)，采煤機(jī)滾筒極易發(fā)生振動(dòng)應(yīng)力折斷，所以本文對采煤機(jī)滾筒進(jìn)行研究，旨在設(shè)計(jì)振動(dòng)小、能耗低、效率高的采煤機(jī)滾筒。

首先利用數(shù)值模擬軟件對滾筒的截齒、螺旋葉片進(jìn)行模型建立，截齒的材料選定位42CrMo 鋼，刀頭的材料選擇為YG-8C，由于采煤機(jī)滾筒截齒與煤壁進(jìn)行直接接觸，所以刀頭及截齒的材料應(yīng)當(dāng)具備極高的韌度及強(qiáng)度。由于螺旋葉片為螺旋結(jié)構(gòu)，在實(shí)際建模中極難建立，所以選定UG 軟件的掃掠命令，對葉片的截面進(jìn)行建立，通過命令完成整個(gè)螺旋葉片的整合。對于煤壁的建立，由于煤壁體積較大，無法直接建立，所以本文建立長寬高分別為1 100 mm、900 mm、2 400 mm 的模型。完成各部件的建立后，對模型進(jìn)行裝配，完成裝配后將模型導(dǎo)入ANSYS 模擬軟件中，模型三維圖如1 所示。

圖1 滾筒煤壁三維模型示意圖

完成模型建立后對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于滾筒的形狀較為復(fù)雜，且劃分過細(xì)或者過粗均會(huì)對模擬產(chǎn)生一定的影響，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)選定SOLID164 單元?jiǎng)澐址绞剑瓿赡Ｐ蛣澐趾髮δＰ偷牟牧蠀?shù)進(jìn)行設(shè)定，煤壁的密度為1 400 kg/m3，泊松比為0.36，滾筒的參數(shù)為密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3。部件接觸采用單面接觸、面面接觸和點(diǎn)面接觸，接觸因子設(shè)定為0.01，對煤壁進(jìn)行約束設(shè)定，固定煤壁上下邊界X、Y 方向的位移，依靠滾筒進(jìn)行煤壁的切割。

2 數(shù)值模擬計(jì)算

對模型進(jìn)行模擬計(jì)算。模擬結(jié)果如下頁圖2 所示。

從圖2 中可以看出，采煤機(jī)滾筒截割煤壁大致可分為兩個(gè)階段，分別為第一階段滾筒與煤壁進(jìn)行接觸，此時(shí)的滾筒截齒主要受力點(diǎn)為截齒與煤壁的接觸面，此時(shí)煤壁顆粒出現(xiàn)少量的掉落，第二階段為采煤機(jī)滾筒進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時(shí)采煤機(jī)截齒大面積接觸煤壁，煤壁的顆粒大量脫落，此時(shí)的煤壁煤顆粒間的黏結(jié)力被破壞，滾筒出現(xiàn)沿截割方向的移動(dòng)，完成煤壁煤體顆粒的截割。

圖2 滾筒截割煤壁過程模擬圖

由于每個(gè)滾筒均是由截齒組合而成，所以對采煤機(jī)滾筒的單個(gè)截齒進(jìn)行受力分析，同時(shí)將單個(gè)截齒的受力進(jìn)行整合，得出每個(gè)截齒受力平均值的折線如圖3 所示。

圖3 每個(gè)截齒受力平均值折線圖

如圖3 所示，每個(gè)截齒的平均受力差距較為明顯，大致分布在300～2 200 N 之間，可以看出截齒編號為27 號、34 號、36 號及37 號截齒的受力明顯偏大，受力的均值均超過1 700 N，其中受力均值最大的截齒為27 號截齒，最大值的均值為2 131 N，這是由于27 號截齒率先接觸煤壁，此時(shí)由于截齒剛接觸煤壁，出現(xiàn)一定的沖擊，造成截齒受力均值出現(xiàn)較大的情況。8 號截齒、18 號截齒、24 號接觸和 38 號截齒的受力均值明顯較小，最小值為24 號截齒，最小值為339 N。

根據(jù)模擬結(jié)果對采煤機(jī)滾筒進(jìn)行優(yōu)化，建立目標(biāo)函數(shù)，將采煤機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)，利用MATLAB 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，通過優(yōu)化選定采煤機(jī)的總功率600 kW，截割電機(jī)的功率為250 kW，采煤機(jī)設(shè)定的采高為3 m，平均截線距為30 mm，提升了12.8%；螺旋升角為19.8°，提升量為4.21%；平均截距由原來的237 調(diào)整為249，提升幅度為5.06%。對優(yōu)化后的采煤機(jī)截割性能進(jìn)行分析，給出優(yōu)化前后每個(gè)截齒受力平均值的折線對比（見圖4）。

圖4 優(yōu)化前后每個(gè)截齒受力平均值的折線對比圖

從圖4 優(yōu)化前后每個(gè)截齒受力平均值的折線對比圖可以看出，優(yōu)化后每個(gè)截齒受力平均值的折線波動(dòng)明顯小于優(yōu)化前的折線波動(dòng)情況，通過計(jì)算得知，經(jīng)過優(yōu)化后截齒受力均值的差異系數(shù)為0.252，較優(yōu)化前的截齒受力均值的差異系數(shù)0.425 降低了0.173，降低的幅度為40.8%，同時(shí)對比優(yōu)化前后的截齒受力均值發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過優(yōu)化后截齒的受力均值從未優(yōu)化前的1 076 N 降低至914 N，降低了152 N，降低的幅度為15.06%，此時(shí)經(jīng)過優(yōu)化截齒的受力有了較大幅度的改善，達(dá)到了通過優(yōu)化截齒參數(shù)提升采煤機(jī)截割性能的目的。

3 結(jié)論

1）對采煤機(jī)截割過程進(jìn)行分析，利用數(shù)值模擬軟件對采煤機(jī)滾筒截割煤壁的模型進(jìn)行建立，并對模型進(jìn)行了網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定等模擬前準(zhǔn)備工作，為后續(xù)的模擬提供一定的鋪墊。

2）利用數(shù)值模擬軟件對采煤機(jī)滾筒截割煤壁進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒截割煤壁大致可分為兩個(gè)階段，一階段為垂直煤壁進(jìn)刀，第二階段為平行于煤壁截割。

3）利用模擬對采煤機(jī)滾筒接觸煤壁截齒受力進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后截齒受力平均值波動(dòng)明顯小于優(yōu)化前的波動(dòng)，且經(jīng)過優(yōu)化后截齒的受力均值從未優(yōu)化前的1 076 N 降低至914 N，降低了152 N，降低的幅度為15.06%。