薄煤層采煤機(jī)開(kāi)底槽截割部動(dòng)力學(xué)特性及裝煤性能分析

姬新文

（山西科興能源發(fā)展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

目前，我國(guó)綜采工作面主要采用滾筒式采煤機(jī)對(duì)煤層進(jìn)行開(kāi)采。但是，針對(duì)硬度較大且?jiàn)A矸的煤層進(jìn)行截割時(shí)，容易造成截割電機(jī)頻繁出現(xiàn)故障，回采率下降，降低生產(chǎn)效率，造成煤炭資源的浪費(fèi)。帶有開(kāi)底槽截割滾筒的新型采煤機(jī)可預(yù)先對(duì)薄煤層進(jìn)行開(kāi)底槽操作，泄放工作面煤巖頂?shù)装宓妮d荷。當(dāng)工作面煤巖達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，煤巖的硬度也有所降低，從而減小了截割滾筒截割時(shí)的負(fù)載，對(duì)應(yīng)塊煤率和生產(chǎn)率也得到提升[1]。本文重點(diǎn)針對(duì)開(kāi)底槽截割滾筒采煤機(jī)的截割部進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，并對(duì)其裝煤性能進(jìn)行評(píng)估。

1 開(kāi)底槽截割部滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)模型建立

對(duì)開(kāi)底槽截割部滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并完成開(kāi)底槽截割部滾筒的動(dòng)力學(xué)模型建立，為后續(xù)的動(dòng)力學(xué)特性和裝煤性能仿真分析奠定基礎(chǔ)。

1.1 開(kāi)底槽截割滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)底槽截割部滾筒采煤機(jī)的核心應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于其可對(duì)工作面進(jìn)行預(yù)先卸荷，降低工作面煤層或者巖層的硬度，降低了采煤機(jī)的截割難度[2]。同時(shí)，開(kāi)底槽截割部在某種程度上是對(duì)主截割部滾筒的補(bǔ)充，且可對(duì)主截割部滾筒截割不到的煤層進(jìn)行截割。開(kāi)底槽截割滾筒的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，開(kāi)底槽截割滾筒的基本組成與普通截割滾筒的類(lèi)似，但是其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異。本文所研究開(kāi)底槽截割滾筒的具體參數(shù)如下：

圖1 開(kāi)底槽截割滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

開(kāi)底槽截割滾筒的直徑為300 mm；筒轂的直徑為100 mm；滾筒的寬度為600 mm；滾筒的葉片包圍角為210°。

1.2 開(kāi)底槽截割滾筒動(dòng)力學(xué)模型的建立

在動(dòng)力學(xué)模型建立過(guò)程中，為了兼顧仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和仿真計(jì)算量，結(jié)合采煤機(jī)開(kāi)底槽截割滾筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)及其工況，對(duì)模型作出如下簡(jiǎn)化和假設(shè)：

1）假設(shè)采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中牽引速度恒定不變；

2）假設(shè)采煤機(jī)一直以平行于煤壁的方向運(yùn)行，開(kāi)底槽截割滾筒的軸向與牽引速度方向垂直；

3）假設(shè)采煤機(jī)機(jī)身、滾筒等均為剛性體，將搖臂的重心位置視為其中間位置；

4）忽略采煤機(jī)支撐滑靴和刮板輸送機(jī)軌道之間的阻尼[3]。

基于上述假設(shè)，并結(jié)合采煤機(jī)開(kāi)底槽滾筒的結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，并建立如圖2 所示的開(kāi)底槽截割滾筒的動(dòng)力學(xué)模型。

圖2 開(kāi)底槽截割滾筒動(dòng)力學(xué)模型

圖2 中，m1為開(kāi)底槽截割滾筒的質(zhì)量；m2為采煤機(jī)搖臂的集中質(zhì)量；x1為開(kāi)底槽滾筒在x 方向的位移；θ 為搖臂在外界負(fù)載作用下的擺動(dòng)角度；k1為開(kāi)底槽截割滾筒與搖臂之間的側(cè)向剛度；k2為采煤機(jī)搖臂與其機(jī)身之間的扭轉(zhuǎn)剛度；c1為開(kāi)底槽截割滾筒與搖臂之間的阻尼系數(shù)；c2為采煤機(jī)搖臂與其機(jī)身之間的阻尼系數(shù)；l1為搖臂重心與滾筒之間的距離；l2為搖臂重心與機(jī)身鉸接處的距離。

2 開(kāi)底槽截割部動(dòng)力學(xué)仿真分析

結(jié)合圖2 所建立的開(kāi)底槽截割部動(dòng)力學(xué)仿真模型，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)仿真模型中的參數(shù)進(jìn)行賦值，參數(shù)設(shè)置結(jié)果如表1 所示。

表1 開(kāi)底槽截割部動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)設(shè)置

基于表1 中的參數(shù)，在Simulink 軟件中對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行逐一設(shè)置。設(shè)置完成后重點(diǎn)對(duì)開(kāi)底槽截割部滾筒的振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，并得出如圖3 所示的仿真結(jié)果。在仿真初期開(kāi)底槽截割部滾筒的振動(dòng)位移逐漸增大，并在很短的時(shí)間內(nèi)其振動(dòng)量呈正弦曲線變化。振動(dòng)速度在前期處于動(dòng)態(tài)波動(dòng)狀態(tài)，且波動(dòng)幅度可達(dá)到±0.5 m/s，在波動(dòng)很短的時(shí)間后，振動(dòng)速度在0.05 m/s 左右波動(dòng)。振動(dòng)加速度在前期處于動(dòng)態(tài)波動(dòng)狀態(tài)，且波動(dòng)幅度可達(dá)到±50 m/s2，在波動(dòng)很短的時(shí)間后，振動(dòng)加速度在0 m/s2左右波動(dòng)。

圖3 開(kāi)底槽截割滾筒振動(dòng)特性仿真結(jié)果

3 開(kāi)底槽截割滾筒裝煤性能研究

從理論上講，采煤機(jī)的裝煤率與采煤機(jī)截割部的滾筒直徑、滾筒寬度和螺旋升角等固定結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)[4]。在合理范圍之內(nèi)增加滾筒直徑有利于提升采煤機(jī)的裝煤效率。滾筒寬度越大，對(duì)應(yīng)采煤機(jī)的裝煤率越高。在滾筒截割深度一定的情況下，對(duì)應(yīng)的螺旋升角越大，采煤機(jī)的裝煤率越高。此外，裝煤率還與采煤機(jī)截割部滾筒的轉(zhuǎn)速、牽引速度等參數(shù)相關(guān)。

重點(diǎn)研究螺旋升角、滾筒轉(zhuǎn)速以及牽引速度對(duì)裝煤率的具體影響，并對(duì)螺旋升角的角度為30°、35°和40°，滾筒轉(zhuǎn)速為35 r/min、45 r/min和55 r/min，牽引速度為2 m/min、3 m/min 和4 m/min 的不同參數(shù)下的裝煤率進(jìn)行研究。

基于EDEM 軟件建立開(kāi)底槽截割部截割煤層的模型，如圖4 所示。

圖4 截割部截割煤層的動(dòng)態(tài)仿真模型

結(jié)合采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)的選材和工作面煤層的特性，對(duì)圖4 模型中材料的密度、泊松比、剪切模量、煤層的剪切剛度以及煤層的法向剛度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。并對(duì)螺旋升角、滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度三種參數(shù)在不同組合下的裝煤率進(jìn)行對(duì)比，仿真結(jié)果如下頁(yè)表2 所示。

表2 不同參數(shù)組合下采煤機(jī)裝煤率對(duì)比

當(dāng)螺旋升角為30°、滾筒旋轉(zhuǎn)速度為45 r/min、牽引速度為3 m/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)采煤機(jī)的裝煤率最高，可達(dá)到85.7%。結(jié)合仿真結(jié)論可對(duì)開(kāi)底槽截割滾筒螺旋升角進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)采煤工藝中滾筒的旋轉(zhuǎn)速度和牽引速度進(jìn)行改進(jìn)[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

1）開(kāi)底槽截割滾筒新型采煤機(jī)應(yīng)用于薄煤層和夾矸煤層的開(kāi)采中，可預(yù)先對(duì)煤層進(jìn)行卸荷，降低煤層硬度，從而降低煤層的開(kāi)采難度。

2）通過(guò)建立開(kāi)底槽截割滾筒的動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)滾筒的振動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)減小采煤機(jī)振動(dòng)的改進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

3）基于EDEM 軟件對(duì)不同參數(shù)組合下的裝煤率進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)螺旋升角為30°、滾筒旋轉(zhuǎn)速度為45 r/min、牽引速度為3 m/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)采煤機(jī)的裝煤率最高，可達(dá)到85.7%。