礦井采煤機(jī)截割滾筒性能分析研究

李金鍵

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 大同 037100）

引言

煤礦開采的深度越深，意味著地質(zhì)環(huán)境越復(fù)雜，煤巖的硬度也隨之提升，對(duì)采煤機(jī)截割滾筒的使用性能提出了更高的要求[1-3]。因此，有必要對(duì)礦井中使用的采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行分析和研究，深入掌握截割滾筒的使用性能。在此基礎(chǔ)上開展優(yōu)化改進(jìn)工作，使之能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的工作環(huán)境[4-5]。本文主要對(duì)采煤機(jī)截割滾筒的使用性能進(jìn)行分析，對(duì)于提升截割過程的效率和穩(wěn)定性具有一定的理論與實(shí)踐意義。

1 采煤機(jī)截割滾筒概述

以煤礦開采實(shí)踐中經(jīng)常使用的MG2×55/250-BW 型采煤機(jī)對(duì)案例進(jìn)行分析[6]。煤礦開采中，采煤機(jī)的作用是對(duì)煤壁進(jìn)行截割，并將截割獲得的煤礦物料收集后輸送到破碎機(jī)或者刮板輸送機(jī)中。截割滾筒是采煤機(jī)中非常關(guān)鍵的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，其性能好壞會(huì)對(duì)煤礦開采質(zhì)量和效率產(chǎn)生決定性的影響。如圖1 所示為該型號(hào)采煤機(jī)截割滾筒的整體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1 可知，整個(gè)截割滾筒主要由五大部分構(gòu)成，分別為截齒、齒座、筒轂、端盤、螺旋葉片。其中，螺旋葉片以一定的螺旋升角盤繞在筒轂上，齒座安裝在螺旋葉片上，截齒安裝在齒座上。截割滾筒的很多結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生比較重要的影響，本文主要分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)對(duì)其使用性能的影響規(guī)律。

圖1 采煤機(jī)截割滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 截割滾筒分析模型的建立

2.1 使用性能指標(biāo)及影響因素的確定

采煤機(jī)截割滾筒的使用性能是一個(gè)非常寬泛的概念，具體評(píng)價(jià)指標(biāo)很多。本文結(jié)合實(shí)際情況，選擇4個(gè)指標(biāo)對(duì)截割滾筒的使用性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，分別為截割比能耗、生產(chǎn)效率、截割面積、截割阻力。另外，選取采煤過程中3 個(gè)對(duì)截割性能影響比較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，分別為葉片螺旋升角、截割深度、旋轉(zhuǎn)速度，分析這些參數(shù)對(duì)截割滾筒使用性能的影響?；诓擅簷C(jī)截割滾筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)和工藝參數(shù)，使用正交實(shí)驗(yàn)的思想，制定的試驗(yàn)方案如表1 所示。

表1 基于正交實(shí)驗(yàn)方法的試驗(yàn)方案

2.2 分析模型的建立

2.2.1 截割滾筒三維模型

根據(jù)MG2×55/250-BW 型采煤機(jī)截割滾筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，利用Pro/E 軟件建立截割滾筒的三維幾何模型?？紤]模型計(jì)算過程的便捷性，將截割滾筒中的一些倒角、倒圓和小孔等細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略處理，這種操作并不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果精度產(chǎn)生明顯的影響。

2.2.2 基于EDEM 的耦合模型

將建立好的截割滾筒三維模型導(dǎo)入到EDEM 有限元軟件中，對(duì)截割滾筒的材料屬性進(jìn)行設(shè)置，按照硬質(zhì)合金材料屬性進(jìn)行設(shè)置，彈性模量和泊松比分別為210 GPa 和0.3，密度為7 800 kg/m3。本案例中，除了建立截割滾筒模型以外，還要建立煤巖的模型，煤巖中主要包含煤炭和夾矸。其中，煤炭的彈性模量和泊松比分別為2.01 GPa 和0.28，密度為1 280 kg/m3，單向抗拉和抗壓強(qiáng)度分別為0.3 MPa 和12 MPa；夾矸的彈性模量、泊松比和密度分別為18.3 GPa、0.19和2 600 kg/m3，單向抗拉和抗壓強(qiáng)度分別為5.12 MPa 和52 MPa。將以上材料參數(shù)輸入到有限元模型中。另外，還需要對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分質(zhì)量會(huì)對(duì)計(jì)算過程和結(jié)果產(chǎn)生比較重要的影響，有限元軟件中包含有多種形式的網(wǎng)格類型，本研究中選用的是四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸由軟件自動(dòng)判斷，最終劃分得到的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為2.23×105和2.54×105個(gè)。如圖2 所示為基于EDEM 軟件的截割滾筒與煤巖耦合模型。

圖2 基于EDEM 軟件的截割滾筒與煤巖耦合模型

3 截割滾筒使用性能分析

3.1 葉片螺旋升角的影響

為了分析截割滾筒螺旋升角對(duì)其使用性能的影響，將采煤機(jī)滾筒的旋轉(zhuǎn)速度和截割深度分別設(shè)置為90 r/min 和575 mm。然后將螺旋升角分別取8°、10°、12°、14°、16°，即表格中的方案10、11、1、12、13。根據(jù)上述參數(shù)建立模型，提取計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行計(jì)算，可以得到不同螺旋升角時(shí)的截割滾筒性能，具體見圖3。

圖3 葉片螺旋升角對(duì)截割滾筒使用性能的影響規(guī)律

由圖可知，隨著葉片螺旋升角的不斷增大，截割阻力和截割比能耗分別先降低后升高，而后又降低，整體變化規(guī)律相對(duì)比較復(fù)雜。出現(xiàn)這種情況的原因在于螺旋升角發(fā)生變化時(shí)，截齒相對(duì)位置發(fā)生明顯改變，使得截齒參與截割的數(shù)量及順序出現(xiàn)變化；截割面積隨著螺旋升角的增加呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，螺旋升角對(duì)生產(chǎn)率的影響幾乎可以忽略不計(jì)。綜上，認(rèn)為葉片螺旋升角為10°時(shí)，截割滾筒的使用性能最優(yōu)。

3.2 截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度的影響

將采煤機(jī)截割滾筒的截割深度和葉片螺旋升角分別設(shè)置為575 mm 和10°，然后將截割滾筒的旋轉(zhuǎn)速度分別取80 r/min、85 r/min、90 r/min、95 r/min、100 r/min，即表格中的方案2、3、1、4、5。根據(jù)上述參數(shù)建立模型，提取計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行計(jì)算，可以得到不同截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度時(shí)截割滾筒的使用性能，具體見圖4。

圖4 截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度對(duì)其使用性能的影響規(guī)律

由圖可知，截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度對(duì)生產(chǎn)效率沒有影響，而隨著旋轉(zhuǎn)速度的不斷提升，截割面積和截割阻力呈現(xiàn)出一定程度的降低趨勢(shì)，截割比能耗則相反，呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。旋轉(zhuǎn)速度增加意味著截割厚度減薄，此時(shí)截割滾筒的截割阻力自然會(huì)降低。綜上，在不影響生產(chǎn)率的情況下，盡可能將截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度取較小值80 r/min，以便得到最大的截割面積和最小的截割比能耗。雖然此時(shí)的截割阻力較大，但是完全在設(shè)備能夠承受的范圍內(nèi)。

3.3 截割深度的影響

將采煤機(jī)截割滾筒的旋轉(zhuǎn)速度和葉片螺旋升角分別設(shè)置為80 r/min 和10°，然后將截割滾筒的截割深度分別取555 mm、565 mm、575 mm、600 mm、615 mm，即表格中的方案6、7、1、8、9。根據(jù)上述參數(shù)建立模型，提取計(jì)算結(jié)果并進(jìn)行計(jì)算，可以得到不同截割滾筒截割深度時(shí)截割滾筒的使用性能，具體見下頁圖5。

圖5 截割滾筒截割深度對(duì)其使用性能的影響規(guī)律

由圖可知，隨著截割滾筒截割深度的不斷增加，截割比能耗和截割面積幾乎保持不變，說明截割深度對(duì)以上兩個(gè)性能指標(biāo)幾乎可以忽略不計(jì)。生產(chǎn)效率和截割阻力隨著截割深度的增加均出現(xiàn)了不同程度的增加，它們之間存在正相關(guān)的關(guān)系?；诖耍瑸榱颂嵘擅簷C(jī)的工作效率，應(yīng)該將截割深度設(shè)置為615 mm。此時(shí)截割阻力雖然也處于最大狀態(tài)，但是并不會(huì)對(duì)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性造成影響。

綜上所述，對(duì)于MG2×55/250-BW 型采煤機(jī)而言，當(dāng)截割滾筒葉片螺旋升角為10°、旋轉(zhuǎn)速度為80 r/min、截割深度為615 mm 時(shí)，截割滾筒的工作性能最優(yōu)，在實(shí)踐中應(yīng)該按照上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

4 結(jié)論

當(dāng)螺旋升角、截割深度、旋轉(zhuǎn)速度這三個(gè)參數(shù)分別為10°、615 mm、80 r/min 時(shí)采煤機(jī)截割滾筒使用性能最優(yōu)。在實(shí)踐應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)上述的參數(shù)對(duì)截割滾筒進(jìn)行設(shè)置，以便在最大限度上發(fā)揮截割滾筒的性能。