復(fù)雜煤層條件下滾筒截割性能影響分析

寇 巖

（山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400）

1 理論研究基礎(chǔ)

采煤機(jī)截割部滾筒為采煤機(jī)與煤層直接接觸的部件，其截割性能與采煤機(jī)所承受的載荷及波動情況相關(guān)，同時還影響滾筒的磨損程度。截割部滾筒上分布的鎬形截齒是實現(xiàn)破碎煤巖體的直接部件。為保證采煤機(jī)截割煤層時的安全性，降低滾筒的波動，實現(xiàn)高效的落煤和裝煤能力，截割部滾筒的分布及每個鎬形截齒的性能需達(dá)到更高的要求[1-2]。采煤機(jī)滾筒最終結(jié)構(gòu)確定的參數(shù)包括有滾筒直徑、寬度、葉片螺旋升角、葉片數(shù)量、截齒排列方式、截齒布置角度等。

滾筒的葉片直徑主要影響采煤機(jī)整機(jī)的裝煤性能。一般的，滾筒直接與工作面煤層的厚度直接相關(guān)，如表1 所示。

表1 滾筒直徑與工作面煤層厚度之間的關(guān)系 m

根據(jù)采煤機(jī)截割部滾筒的直徑確定其螺旋葉片的直徑。

螺旋滾筒的寬度需綜合工作面設(shè)計的生產(chǎn)率確定。目前，采煤機(jī)螺旋滾筒的寬度一般取標(biāo)準(zhǔn)值，主要包括有500 mm、630 mm、680 mm、750 mm 和1000 mm。

螺旋升角也是影響整機(jī)滾筒裝煤能力的關(guān)鍵因素。而從結(jié)構(gòu)上，螺旋升角參數(shù)主要受滾筒直徑和葉片頭數(shù)等因素影響。

滾筒螺旋葉片頭數(shù)與滾筒直徑相關(guān)。當(dāng)滾筒直徑小于1.25 m 時，取螺旋葉片的頭數(shù)為2；當(dāng)滾筒直徑D 處于[1.25,1.4]的區(qū)間內(nèi)時，取螺旋葉片的頭數(shù)為2 或者3；當(dāng)滾筒直徑大于1.6 時，取螺旋葉片的頭數(shù)為3 或4。

2 仿真模型的搭建

本文將通過仿真分析的方式對復(fù)雜煤層條件下滾筒截割性能進(jìn)行分析。因此，本節(jié)首先對螺旋滾筒與煤壁耦合模型進(jìn)行搭建；然后，基于EDEM 軟件開展仿真分析工作。

本文所研究截割滾筒載體的采煤機(jī)型號為MG2×55/250-BW，該型采煤機(jī)滾筒的主要參數(shù)如表2 所示，該參數(shù)也成為建立采煤機(jī)截割部滾筒仿真模型的主要依據(jù)[3]。

表2 MG2×55/250-BW 采煤機(jī)滾筒的主要參數(shù)

根據(jù)表2 中的參數(shù)完成采煤機(jī)截割部滾筒各個零部件的模型，而后根據(jù)各零部件的相互約束關(guān)系以及截齒在滾筒的分布情況，裝配而成采煤機(jī)滾筒的三維模型。所建立的MG2×55/250-BW 采煤機(jī)截割部滾筒的三維模型如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)截割部滾筒三維模型

將圖1 中基于Pro/E 軟件所建立的滾筒三維模型導(dǎo)入EDEM 軟件中，與其所截割煤層的模型實現(xiàn)耦合，建立采煤機(jī)截割滾筒與夾矸煤壁相耦合的模型，如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)截割部滾筒與夾矸煤層的耦合模型

仿真參數(shù)設(shè)置：根據(jù)采煤機(jī)與夾矸煤層實際截割的工況對圖2 中的耦合模型完成參數(shù)設(shè)置。具體參數(shù)設(shè)置如下：設(shè)定采煤機(jī)的牽引速度為4 m/min，加速度為0；設(shè)定采煤機(jī)截割部滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為91 r/min，對應(yīng)的角速度為9.5 rad/s，加速度為0。

在正式開始仿真前，需對所建立仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。通過仿真可知：在截割煤層時滾筒所承受的平均值為51420 N；通過理論計算得出滾筒的平均受力為52706 N；二者之間的誤差在2.5%之間，在可承受的合理范圍之內(nèi)[4]。即說明所建立的仿真模型可用于后續(xù)的研究。

3 滾筒參數(shù)對其所承受載荷的影響

本節(jié)將基于上述所建立的模型分別研究滾筒截齒排列方式、葉片螺旋升角以及煤巖堅固系數(shù)等參數(shù)對滾筒所承受的載荷的影響。

3.1 截齒排列方式對滾筒所承受載荷的影響

滾筒截齒的排列方式分為順序式和交叉式兩種，對兩種排列方式滾筒所承受的最大值、均值和載荷波動系數(shù)進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如表3 所示。

分析表3 可知，截齒不同的排列方式對滾筒所承受載荷的影響較大；同時，順序式排列方式滾筒的受力值大于交叉式；而順序式排列方式滾筒的載荷波動小于交叉式。

表3 不同截齒排布方式對滾筒所承受載荷的影響

3.2 葉片螺旋升角對滾筒所承受載荷的影響

本文對滾筒葉片螺旋升角為10°、12°、14°、16°四種情況下對滾筒所承受載荷的最大值、均值和載荷波動系數(shù)進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如表4 所示。

如表4 所示，隨著螺旋升角的增加，對應(yīng)滾筒的受力最大值減小，滾筒受力均值增加，對應(yīng)滾筒的波動情況減小。

表4 不同螺旋升角對滾筒所承受載荷的影響

3.3 煤層堅固系數(shù)對滾筒所承受載荷的影響

本文對煤層堅固系數(shù)分別為3.5、5.1、6.8 和8.4四種情況下對滾筒所承受載荷的最大值、均值和載荷波動系數(shù)進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如表5 所示。

如表5 所示，隨著煤層堅固系數(shù)的增加，對應(yīng)滾筒的受力最大值增加，滾筒受力均值增加，對應(yīng)滾筒的波動情況增加。

表5 不同煤層堅固系數(shù)對滾筒所承受載荷的影響

4 結(jié)論

采煤機(jī)為綜采工作面對煤層進(jìn)行截割和落煤的設(shè)備，滾筒作為直接與煤層接觸的部件其截割性能直接決定采煤機(jī)的截割效率和落煤性能[5]。本文重點基于Pro/E 軟件建立采煤機(jī)截割部滾筒的三維模型，并導(dǎo)入EDEM 軟件對不同滾筒參數(shù)對其所承受載荷的影響進(jìn)行仿真分析，并總結(jié)如下：

1）順序式排列方式滾筒的受力值大于交叉式，而順序式排列方式滾筒的載荷波動系數(shù)小于交叉式。

2）隨著螺旋升角的增加，對應(yīng)滾筒的受力最大值減小，滾筒受力均值增加，對應(yīng)滾筒的載荷波動系數(shù)減小。

3）隨著煤層堅固系數(shù)的增加，對應(yīng)滾筒的受力最大值增加，滾筒受力均值增加，對應(yīng)滾筒的波動情況增加。