考慮受力均衡性的采煤機(jī)截割滾筒優(yōu)化研究

趙 鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037100）

引言

綜采工作面中采煤機(jī)是非常關(guān)鍵的機(jī)電裝備，截割滾筒又是采煤機(jī)中的工作零件，需要完成截煤、破煤、落煤以及裝煤等任務(wù)，其性能好壞會(huì)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行效率產(chǎn)生決定性的影響[1]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)螺旋角、截齒之間的排列方式等進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致截割過(guò)程中不同截齒之間的受力呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，整個(gè)截割滾筒在不同方向上同樣受力不均[2]。利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法對(duì)采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以保障截割滾筒工作性能并提升采煤效率[3]。本文以MG400/930 型采煤機(jī)的截割滾筒為對(duì)象開(kāi)展研究工作，對(duì)于提升采煤機(jī)整體的性能，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 采煤機(jī)截割滾筒概述

對(duì)于采煤機(jī)而言，截割部是其中最為關(guān)鍵和核心的結(jié)構(gòu)，主要利用截割部對(duì)煤巖進(jìn)行截割以獲得煤塊物料。截割部本身是一個(gè)比較復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，包括調(diào)高系統(tǒng)、滾筒、擋煤板及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)等[4]。截割滾筒是截割部中的核心部件，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率會(huì)對(duì)采煤機(jī)的工作效率產(chǎn)生顯著影響，甚至?xí)绊懻麄€(gè)設(shè)備的使用壽命。如圖1 所示為采煤機(jī)截割滾筒的主要結(jié)構(gòu)示意圖，主要由輪轂、螺旋葉片、端盤(pán)、齒座以及截齒等部分構(gòu)成。

圖1 采煤機(jī)截割滾筒主要結(jié)構(gòu)示意圖

以MG400/930 型采煤機(jī)作為研究對(duì)象，截齒通常通過(guò)齒座直接焊接在螺旋葉片上，截割滾筒的工作環(huán)境非常復(fù)雜，煤層中間的雜質(zhì)含量較多、硬度較高。如果螺旋葉片升角設(shè)計(jì)不合理或者截齒之間的排列方式不合適，會(huì)直接影響截割滾筒的結(jié)構(gòu)性能，使得不同截齒之間的受力不均衡，以及截割滾筒沿不同方向上的受力不均衡。從而增加設(shè)備整體的能耗，縮短截割滾筒的使用壽命。

2 截割滾筒有限元模型建立

基于采煤機(jī)截割滾筒實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸，利用UG軟件建立三維幾何模型。建模中需要對(duì)倒角和倒圓等細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略處理，以確保模型計(jì)算過(guò)程的順利推進(jìn)，提升計(jì)算速度。將三維模型導(dǎo)出為iges 通用格式并導(dǎo)入到Ansys 軟件中，根據(jù)實(shí)際情況輸入42CrMo 材料的物理和力學(xué)基本屬性，彈性模量和泊松比分別為460 GPa 和0.3，硬度和密度大小分別為HRC80～90 和7 800 kg/m3。還需要建立煤壁的有限元模型，對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)主要包括：彈性模量3 GPa、泊松比0.36、密度1 400 kg/m3、硬度4、膨脹系數(shù)1.6、內(nèi)摩擦角0.52 rad、黏著力5×105Pa。選用四面體網(wǎng)格采用自動(dòng)化網(wǎng)格劃分模式，軟件會(huì)根據(jù)模型的體積大小，自動(dòng)設(shè)置網(wǎng)格尺寸，劃分得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量依次為15 324 個(gè)和17 298 個(gè)。模型中分別將牽引速度、滾筒旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為7 m/min、45.6 r/min。

3 截割滾筒的受力結(jié)果分析

3.1 截齒的受力分析

完成模型分析計(jì)算工作后可以提取計(jì)算結(jié)果對(duì)截割滾筒截齒的受力情況進(jìn)行分析。如下頁(yè)圖2 所示為計(jì)算得到的不同截齒的平均受力情況。由圖中數(shù)據(jù)可知，所述型號(hào)采煤機(jī)截割滾筒共有38 個(gè)截齒，不同截齒的平均受力呈現(xiàn)出很明顯的不均勻性。其中，第27、34、36、37 號(hào)截齒的平均受力相對(duì)較大，27 號(hào)截齒受力最大，平均值大小為2 131.5 N；部分截齒的平均受力相對(duì)較小，其中第24 號(hào)截齒的平均受力值最小，為339.4 N。截齒平均最大值和最小值之間相差6.28 倍。

圖2 不同截齒平均受力統(tǒng)計(jì)情況

為了對(duì)截割滾筒不同截齒的受力不均勻性進(jìn)行定量分析，引進(jìn)差異系數(shù)K 來(lái)描述截齒受力的波動(dòng)性。差異系數(shù)K 越小意味著截齒之間的受力情況越均勻，相反差異系數(shù)K 越大表明不同截齒之間的受力情況越不均勻。差異系數(shù)K 的計(jì)算公式如下：

式中：Fi表示第i 個(gè)截齒的平均受力大小，n 表示截割滾筒中截齒的數(shù)量，表示所有截齒受力的平均值。將圖2 中的數(shù)據(jù)代入到上式中可以計(jì)算得到差異系數(shù)K 值為0.425。說(shuō)明不同截齒之間的差異性相對(duì)較大，不僅會(huì)影響截割滾筒工作時(shí)的穩(wěn)定性，引起設(shè)備的振動(dòng)現(xiàn)象，還會(huì)縮短截割滾筒的使用壽命。

3.2 截割滾筒不同方向受力波動(dòng)系數(shù)分析

定義波動(dòng)系數(shù)為受力最大值與最小值之間的比值。對(duì)截割滾筒工作期間沿X、Y、Z 軸三個(gè)方向受力波動(dòng)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3 所示。截割滾筒X 軸受力主要來(lái)自于牽引阻力，Y 軸方向受力主要來(lái)自于截割過(guò)程中的側(cè)向阻力，Z 軸方向受力主要來(lái)自于截割阻力。由圖可知，截割滾筒在不同方向上受力波動(dòng)系數(shù)均相對(duì)較大，說(shuō)明不同方向上的受力不均衡性比較顯著，會(huì)在一定程度上影響截割滾筒運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低煤巖截割的質(zhì)量和效率。

圖3 截割滾筒不同方向受力波動(dòng)系數(shù)

4 截割滾筒優(yōu)化改進(jìn)研究

4.1 優(yōu)化思路

基于以上分析可以看出采煤機(jī)截割滾筒在工作時(shí)不同截齒之間以及整個(gè)截割滾筒不同方向之間的受力均呈現(xiàn)出一定的不均勻性，不利于截割滾筒運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性和可靠性，需要對(duì)截割滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。截割滾筒中的螺旋葉片升角、截齒的平均截線距和平均截距是影響其性能的重要指標(biāo)，因此以上述三個(gè)指標(biāo)為優(yōu)化對(duì)象，以截割滾筒不同截齒及其不同方向上的受力均衡性為優(yōu)化目標(biāo)，利用Matlab 軟件中的優(yōu)化工具箱開(kāi)展優(yōu)化改進(jìn)工作。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化前截割滾筒的平均截線距、螺旋升角和平均截距依次為26.6 mm、19°和237 mm，經(jīng)過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，上述三個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)分別為30 mm、19.8°和249 mm，與優(yōu)化前相比較，三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別提升了12.78%、4.21%和5.06%，可以在一定程度上提升截割滾筒的截割性能。根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次利用Ansys 軟件建立有限元模型，并對(duì)截割滾筒不同截齒以及不同方向上的受力情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如圖4 所示為優(yōu)化后截割滾筒不同截齒的平均受力統(tǒng)計(jì)情況，可以看出，不同截齒之間的平均受力仍然表現(xiàn)出一定的不均勻性，但與優(yōu)化前相比較受力不均勻性得到了很大的改善。利用圖4 中的數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)化后的差異系數(shù)K 值，結(jié)果為0.252。與優(yōu)化前相比較差異系數(shù)K 值降低了40.8%，表明不同截齒之間的受力均衡性得到顯著改善，有利于提升結(jié)構(gòu)的使用壽命。

圖4 優(yōu)化后截割滾筒不同截齒的平均受力統(tǒng)計(jì)情況

對(duì)優(yōu)化后截割滾筒不同方向的受力波動(dòng)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將其與優(yōu)化前的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如下頁(yè)表1 所示。由表可知，通過(guò)優(yōu)化改進(jìn)使得截割滾筒不同方向上的波動(dòng)系數(shù)均出現(xiàn)了很大程度的降低，表明截割滾筒工作穩(wěn)定性得到提高。

表1 優(yōu)化前后截割滾筒不同方向受力波動(dòng)系數(shù)對(duì)比

將優(yōu)化改進(jìn)后的截割滾筒安裝到MG400/930型采煤機(jī)中，對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行實(shí)踐測(cè)試發(fā)現(xiàn)整體良好，未出現(xiàn)明顯的故障問(wèn)題。經(jīng)過(guò)初步統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為通過(guò)對(duì)截割滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得實(shí)際使用壽命提升了10%以上。

5 結(jié)論

1）以MG400/930 型采煤機(jī)截割滾筒為對(duì)象，對(duì)不同截齒的受力情況和不同方向受力波動(dòng)情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)截割滾筒中不同截齒之間的受力情況呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，不同方向上的受力波動(dòng)性也相對(duì)較大。

2）在此基礎(chǔ)上對(duì)截割滾筒的螺旋升角、平均截線距和平均截距進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化后截割滾筒不同截齒之間的受力均勻性得到很大改善，不同方向上的受力波動(dòng)系數(shù)也出現(xiàn)了很大程度的降低。

3）將優(yōu)化后的截割滾筒部署到工程實(shí)踐中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)性能良好，能使截割滾筒的使用壽命提升10%以上。