李 東

（陽(yáng)煤集團(tuán)五人小組管理部， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

滾筒式采煤機(jī)破煤能力大、適應(yīng)性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于煤礦長(zhǎng)臂綜采中。滾筒式采煤機(jī)的主要部件中的螺旋滾筒是保證采煤機(jī)高效工作的重要因素，滾筒上截齒的布置對(duì)其工作能力有直接的影響。這其中，截線(xiàn)距是螺旋滾筒截齒布置的重要參數(shù)，截線(xiàn)距的大小直接影響塊煤率、受力及截割比能耗(即截割效率)[1]。本文采用離散元分析方法PFC動(dòng)態(tài)仿真截線(xiàn)距滾筒的截割過(guò)程，獲取了不同截線(xiàn)距下截齒所受截割力和截割比能耗。通過(guò)分析對(duì)比，得到截線(xiàn)距與截齒受力、截割比能耗之間的關(guān)系，為采煤機(jī)滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1 滾筒截割性能分析

如圖1所示為滾筒的結(jié)構(gòu)。

圖1 滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

在采煤機(jī)工作過(guò)程中，滾筒要盡可能的符合截割比能耗低、載荷波動(dòng)小和良好的破煤和裝煤能力等要求。除滾筒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之外，滾筒的結(jié)構(gòu)也影響其截割性能，主要包括以下參數(shù)[2]。

1.1 滾筒直徑

滾筒直徑對(duì)于塊煤率有直接影響，滾筒直徑越大，則線(xiàn)速度越小，塊煤率越高。但同時(shí)存在著直徑越大，增大截割機(jī)構(gòu)重量，對(duì)于工作穩(wěn)定性有一定影響，而且導(dǎo)致連續(xù)工作的截割比能耗增大。

1.2 螺旋葉片升角

螺旋葉片升角的大小，影響到帶煤能力的大小。在一定量的破落煤量下，大的螺旋升角有助于將破落的煤塊集中到刮板機(jī)，但大的螺旋升角同時(shí)會(huì)使得工作面煤塵飛揚(yáng)，而且?guī)耗芰^(guò)大，會(huì)增加煤的循環(huán)系數(shù)，使得滾筒內(nèi)的煤塊重復(fù)破碎，增加能量損耗。

1.3 螺旋葉片頭數(shù)及截齒排列形式

螺旋葉片頭數(shù)影響滾筒螺旋升角及圍包角，大的圍包角會(huì)增加葉片間的重疊系數(shù)，從而增加同時(shí)工作的截齒數(shù)，由此可以降低滾筒載荷的波動(dòng)。螺旋葉片頭數(shù)，常用的有2、3、4三種形式，葉片的頭數(shù)決定截線(xiàn)上的截齒數(shù)，影響到截齒的排列形式，對(duì)滾筒載荷及塊煤率產(chǎn)生作用。截齒的排列形式可以分為交叉式排列和順序式排列。兩種形式在工作過(guò)程中，截割過(guò)程及受力的不同，使得相同工況下，交叉式排列得到的塊煤率要好于順序式排列[3]。

1.4 截線(xiàn)距

截線(xiàn)距是構(gòu)成滾筒結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，截線(xiàn)距對(duì)于塊煤率有重要的影響，而且截線(xiàn)距的合理選擇，對(duì)于截割效率有重要的影響。較小的截線(xiàn)距，會(huì)減少單齒的受力，但同時(shí)會(huì)降低塊煤率；過(guò)大的截線(xiàn)距，容易造成封閉式切削，有利于提高塊煤率，但增加工作時(shí)的能耗，使得截齒的磨損加劇[4]。

1.5 截齒安裝角

截齒安裝角的大小影響截割效果及截割受力，較大的安裝角，會(huì)使截割阻力減小，利于破煤；但過(guò)大的安裝角，會(huì)增加齒身與煤體干涉的可能性，從而造成截齒損耗，截割機(jī)構(gòu)工作阻力增大[5]。

對(duì)于采煤機(jī)滾筒截割性能的評(píng)價(jià)主要從三方面進(jìn)行：一是滾筒受力狀態(tài)；二是截割比能耗；三是塊煤率。滾筒工作過(guò)程中，在一定的裝煤效果下，越小的截割比能耗越好。截割比能耗、截線(xiàn)距及螺旋升角三者構(gòu)成冪函數(shù)的關(guān)系。塊煤率是評(píng)價(jià)煤炭質(zhì)量的重要指標(biāo)，塊煤率越高越好，大的塊煤率所含有的粉塵量越小，可以改善工作環(huán)境，同時(shí)越低的粉塵量，可以增加開(kāi)采的安全性[6]。

2 不同截線(xiàn)距滾筒截割性能的仿真分析

2.1 不同截線(xiàn)距滾筒截割煤壁過(guò)程模擬

針對(duì)截線(xiàn)距對(duì)截割性能的影響進(jìn)行分析，建立3種不同截線(xiàn)距的螺旋滾筒，截線(xiàn)距分別設(shè)置為65 mm、70mm、75mm，進(jìn)行截割過(guò)程的仿真，得出截割中滾筒受到的截割力，截落煤的體積以及截割比能耗進(jìn)行分析。

在建模軟件UG中分別建立三頭順序式螺旋滾筒及煤壁的三維模型，滾筒模型截線(xiàn)距分別為65 mm、70mm、75mm，將滾筒模型導(dǎo)入離散元仿真軟件PFC中，使用墻體特性命令調(diào)整墻體與煤壁的位置，如圖2所示為70mm截線(xiàn)距時(shí)的截割圖。

圖2 70mm截線(xiàn)距滾筒截割圖

模擬滾筒截割煤壁時(shí)，設(shè)置主要參數(shù)如下：密度為1 450 kg/m3；彈性模量為3×103MPa；強(qiáng)度極限為30MPa；滾筒轉(zhuǎn)速為57 r/min；采煤機(jī)牽引速度為0.04 m/s；每條截線(xiàn)上截齒數(shù)為3；仿真時(shí)間步長(zhǎng)為2e-6 s。

2.2 不同截線(xiàn)距滾筒截割煤壁模擬結(jié)果

針對(duì)仿真得到的數(shù)據(jù)，采用matlab進(jìn)行后處理，針對(duì)滾筒和截齒的受力進(jìn)行后處理分析，圖3—圖5分別表示截線(xiàn)距為65mm、70mm、75mm時(shí)的滾筒受力曲線(xiàn)。

圖3 65mm截線(xiàn)距受力圖

圖4 70mm截線(xiàn)距受力圖

圖5 75mm截線(xiàn)距受力圖

切割過(guò)程中，滾筒上截齒的分布，按照與煤壁接觸的先后順序，依次標(biāo)記為1號(hào)齒、2號(hào)齒。將仿真得到的受力數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab軟件，對(duì)采煤機(jī)滾筒上截齒的截割力求解平均值，1號(hào)齒數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，2號(hào)齒數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1 1號(hào)齒截割力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

表2 2號(hào)齒截割力統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表

從表中數(shù)據(jù)可以看出：1號(hào)齒受力相差不大，其中70mm截線(xiàn)距時(shí)受力平均值略大于其他兩種情況，此時(shí)的波動(dòng)較大；而2號(hào)齒的受力差別較大，截線(xiàn)距為70mm時(shí)的受力明顯小于其他兩種，整體受力平穩(wěn)。

3 截割比能耗分析

螺旋滾筒的截割比能耗可由下式求得

式中：Hw為截割比能耗，kW·h/m3；t為截割時(shí)間，s；Vm為截落模擬煤壁的體積，m3；n為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；為扭矩均值，N·m。

為對(duì)比不同截線(xiàn)距的截割比能耗，首先求解三種截線(xiàn)距下的滾筒扭矩，由受力平均值可計(jì)算得出滾筒扭矩均值，見(jiàn)表3。

表3 扭矩均值表

對(duì)落煤體積進(jìn)行計(jì)算，首先對(duì)在離散元仿真軟件PFC中，應(yīng)用顆粒統(tǒng)計(jì)的功能，統(tǒng)計(jì)截落煤巖的顆粒數(shù)量，再根據(jù)體積公式求出落煤體積，見(jiàn)表4。

表4 落煤體積表

將得到數(shù)據(jù)，代入上述公式中，即可計(jì)算得出截線(xiàn)距截割比能耗，見(jiàn)表5。

表5 截割比能耗表

從上述表4—表5中可以看出，70mm時(shí)的落煤體積要大，而同時(shí)截割比能耗低，消耗的能量小，由此，通過(guò)滾筒受力分析及截割比能耗對(duì)比，70mm截線(xiàn)距的滾筒性能明顯優(yōu)于其他兩種情況，較好的滿(mǎn)足所分析的工況使用。由此，截線(xiàn)距存在以特定值，使得滾筒的性能達(dá)到最優(yōu)化，在設(shè)計(jì)優(yōu)化滾筒時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況，尋找此特定值。

4 結(jié)論

本文利用離散元仿真軟件PFC對(duì)三種不同截線(xiàn)距的滾筒截割過(guò)程進(jìn)行仿真分析，通過(guò)仿真過(guò)程中的數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：截線(xiàn)距是影響截齒及滾筒受力的重要參數(shù)，截線(xiàn)距的大小直接影響到截割比能耗，在文中工況下，同等切削條件下，70 mm截線(xiàn)距時(shí)的滾筒性能明顯優(yōu)于其他兩種情況，而對(duì)于實(shí)際工作情況下，應(yīng)設(shè)法找尋最優(yōu)的截線(xiàn)距數(shù)值，使得滾筒性能最優(yōu)。本文研究結(jié)果對(duì)于滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化有重要的參考意義。