張永杰，崔鵬飛

(山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100)

0 引 言

煤炭是我國(guó)重要的能源形式及工業(yè)原料，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了動(dòng)力支撐。隨著工業(yè)化經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)于煤炭的開(kāi)采效率提出了更高的要求。采煤機(jī)是進(jìn)行機(jī)械自動(dòng)化采煤的主要設(shè)備，目前廣泛使用的滾筒式采煤機(jī)，通過(guò)滾筒的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)煤壁的切割及落煤[1]。在采煤機(jī)的作業(yè)過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)參數(shù)及運(yùn)動(dòng)參數(shù)眾多，且相互影響，決定了采煤機(jī)的截割性能。采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)確定之后，其結(jié)構(gòu)參數(shù)也隨之確定，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是在截割過(guò)程中依據(jù)不同的工程條件進(jìn)行調(diào)整的[2]。針對(duì)不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)于截割性能影響進(jìn)行仿真分析，以判定運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)于截割性能的影響，為提高采煤的開(kāi)采效率，最優(yōu)化的運(yùn)動(dòng)參數(shù)提供依據(jù)。

1 滾筒截割模型的建立

采煤機(jī)進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)的過(guò)程中，螺旋滾筒帶動(dòng)截齒做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，對(duì)煤壁形成擠壓，滾筒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括滾筒的轉(zhuǎn)速和牽引速度，運(yùn)動(dòng)參數(shù)的不同對(duì)于截齒的切削厚度、受到的負(fù)載及截割的比能耗具有較大的影響[3]。優(yōu)良的滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度的組合能夠減少滾筒受到的負(fù)載，以較小的耗能獲得較高的開(kāi)采效率。

在螺旋滾筒進(jìn)行截割的過(guò)程中，多個(gè)截齒同時(shí)作用，滾筒上受到的負(fù)載主要為參與截割過(guò)程的截齒所受截割阻力的和。隨著滾筒的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行截割作業(yè)的截齒不斷變化，同時(shí)每一個(gè)截齒的狀態(tài)也有所變化，而且煤巖的分布不均等性質(zhì)不同，使得滾筒的載荷作用不斷變化[4]。

依據(jù)選定的采煤機(jī)型號(hào)對(duì)截割滾筒進(jìn)行建模，采用UG建立滾筒的三維模型，并將其導(dǎo)入到仿真分析軟件PFC3D中。PFC3D是進(jìn)行顆粒幾何體的破裂問(wèn)題進(jìn)行研究的有效工具，通過(guò)顆粒之間的接觸，能直接分析顆粒間的相互運(yùn)動(dòng)及相互影響作用，且可以對(duì)任意待下顆粒的集合體行為進(jìn)行分析，自動(dòng)生成特定規(guī)律分布的顆粒集合，適用于對(duì)煤層的開(kāi)采進(jìn)行模擬。設(shè)定模型的煤壁尺寸為1 m×1 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高)，在煤壁模型中設(shè)定與滾筒軸線相重合的圓形柱切槽，以利于截割過(guò)程的進(jìn)行[5]。

將滾筒與煤壁的模型整合并進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，得到截割模型如圖1所示，由此進(jìn)行截割過(guò)程的模擬仿真。

圖1 滾筒截割模型

2 滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)不同對(duì)截割性能的作用仿真分析

依據(jù)設(shè)定的模型，選取采煤機(jī)滾筒的速度分別為40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min，牽引速度分別為2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min，在兩組不同的參數(shù)下進(jìn)行截割過(guò)程的模擬仿真，設(shè)定運(yùn)算時(shí)間為2 s，由此可以得到16組不同的數(shù)據(jù)，將各組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比如下。

2.1 滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)滾筒載荷的作用分析

滾筒受到的載荷作用可以分為三個(gè)不同方向的分力及合外力作用，如圖2所示為在滾筒轉(zhuǎn)速為40 r/min、牽引速度為2 m/min時(shí)的合外力，從圖2中可以看出，滾筒受到的合外力作用是呈現(xiàn)不斷波動(dòng)變化的，這是由于截割過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，參與截割的截齒數(shù)量不同及截齒的受力方向不同造成的。

圖2 滾筒轉(zhuǎn)速為40 r/min、牽引速度為2 m/min時(shí)的合外力變化圖

將各不同滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)下的合外力進(jìn)行匯總并采用Matlab進(jìn)行繪圖，得到如圖3所示的合外力隨運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化曲面圖。從圖3中可以觀察到滾筒受到的合外力作用隨滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度的變化趨勢(shì)。滾筒的載荷作用隨著牽引速度的增加而逐漸增加，滾筒轉(zhuǎn)速增加的過(guò)程中，載荷作用卻先增加后減小，在一定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)下，存在著最小的滾筒載荷作用。這是由于滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度對(duì)切削厚度的影響不同造成的，牽引速度增加，截齒的切削厚度近似呈正比例的增加，牽引速度相對(duì)截割的線速度其值變化較小，牽引速度增加導(dǎo)致滾筒載荷增加；滾筒轉(zhuǎn)速的增加則一方面使得切削厚度減小，同時(shí)提高了截割的線速度，截割線速度的增加，截齒的阻力作用線增加后減小[6]，因此，在滾筒轉(zhuǎn)速增加的過(guò)程中，滾筒載荷作用呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。

圖3 滾筒載荷隨滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化趨勢(shì)

2.2 滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割比能耗的作用分析

滾筒的截割效率通過(guò)截割比能耗的大小進(jìn)行分析，在滾筒截割的過(guò)程中，對(duì)于截割比能耗的計(jì)算較為困難，因此，采用對(duì)滾筒的轉(zhuǎn)矩及落煤的質(zhì)量進(jìn)行分析，從而得到截割比能耗的隨滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化曲面如圖4所示。從圖4中可以看出，在進(jìn)行滾筒截割的過(guò)程中，隨著牽引速度的增加，截割比能耗呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，在滾筒的牽引速度固定時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速的增加，截割比能耗則呈現(xiàn)先減小后增加的變化。這是由于牽引速度的增加，導(dǎo)致切削厚度的變大，而截割比能耗在一定范圍內(nèi)隨著切削厚度的增加而減小，使得截割比能耗呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；滾筒轉(zhuǎn)速的增加，會(huì)引起切削厚度及截割線速度的變化，在切削厚度和截割線速度的綜合作用下，使得截割比能耗呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

圖4 截割比能耗隨滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化趨勢(shì)

3 結(jié) 語(yǔ)

滾筒式采煤機(jī)是廣泛應(yīng)用的主要的采煤設(shè)備，滾筒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)于開(kāi)采的效率具有重要的影響。針對(duì)采煤機(jī)滾筒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割過(guò)程的影響作用進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，在進(jìn)行截割的過(guò)程中，滾筒牽引速度的增加引起滾筒載荷的增加，而滾筒轉(zhuǎn)速的增加，滾筒載荷則呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)；滾筒牽引速度的增加，滾筒的截割比耗能先增加后減小，而滾筒轉(zhuǎn)速的增加，截割比能耗則先減小后增加。這些影響作用的不同，與截割過(guò)程中的切削厚度及截割線速度的變化有關(guān)，在進(jìn)行實(shí)際的開(kāi)采作業(yè)時(shí)，應(yīng)選擇最優(yōu)化的滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦的高效開(kāi)采，降低能耗。