張 峰

（1.礦山采掘裝備及智能制造國家重點實驗室，山西 太原 030032；2.太重煤機有限公司技術(shù)中心，山西 太原 030032）

引言

滾筒采煤機作為采煤作業(yè)的主要設備，決定了采煤的實際效率。目前，隨著采煤機功率的不斷增大，采煤機的截煤能力明顯提升，導致裝煤效率逐漸成為制約實際采煤效率的關(guān)鍵因素。尤其是在薄煤層礦井中，影響更為明顯。相比于中厚煤層，薄煤層會制約采煤機的采高，進而影響采煤機的滾筒和輪轂的直徑。在雁崖礦薄煤層礦井中，由于裝煤效率低，出現(xiàn)了煤的塊度降低，粉塵濃度顯著升高等現(xiàn)象[1-4]。為解決上述問題，本文以WG-2×125/571-WD薄煤層滾筒采煤機為研究對象，對其滾筒裝煤效率進行了優(yōu)化研究[5]。

1 滾筒裝煤效率計算

在滾筒截深、煤層厚度一定，采煤機牽引速度不變的情況下，采煤機的裝煤效率主要由采煤機裝煤量決定。其表達式如下所示：

式中：F為煤流的最大截斷面積，mm2；K為煤流填充系數(shù)；Dy、Dg為煤機輪轂和葉片直徑，mm；b、l為煤機葉片厚度及導程，mm；Z為煤機葉片頭數(shù)。

從上式中可以看出，α與v2是影響采煤機裝煤量的可調(diào)變量。其中α為螺旋葉片的升角，v2為沿滾筒的軸向分解的煤流速度。從裝煤機理可知，采煤機裝煤是通過螺旋葉片給予煤流軸向推力，將截割下的煤送到刮板輸送機的。因此，對煤流進行分析，如圖1所示。

圖1 煤流單個質(zhì)點速度分析

圖1為煤流中單個質(zhì)點的速度矢量分解，從圖中可以看出，在滾筒旋轉(zhuǎn)時，由于葉片的結(jié)構(gòu)，會對煤流造成兩個方向的分力v和v11，在忽略摩擦力的情況下，可以得出煤流的絕對速度vn=v+v11。

將葉片與煤流之間的摩擦力導入分析，摩擦力會使沿葉片的煤流分速度降至v12，根據(jù)投影原理，煤流的絕對速度v0也會相應降低且按照圖示葉片摩擦角pm進行旋轉(zhuǎn)，得下式：

式中：n為滾筒轉(zhuǎn)速，rad/s；D為葉片的中徑，mm；v=

則沿滾筒的軸向分解的煤流速度為下式：

通過上述計算分析可知，影響裝煤效率的主要因素為螺旋葉片的升角和煤流軸向速度。而煤流的軸向速度是由螺旋葉片的結(jié)構(gòu)決定的，也可以通過調(diào)整螺旋葉片的升角來實現(xiàn)[6-8]。因此，為了提高裝煤效率，應通過模擬仿真，對煤流的加速過程進行分析，得出葉片的螺旋升角的最佳值。

2 優(yōu)化分析

為了得出葉片螺旋升角與裝煤效率之間的關(guān)系，將研究的采煤機型參數(shù)代入到MATLAB軟件，利用模擬仿真，分析螺旋升角的最佳值。

以采煤機牽引速度為變量，分析葉片螺旋升角與葉片軸向速度的參數(shù)變化規(guī)律，可得出圖2。

圖2 不同牽引速度下葉片螺旋升角與葉片軸向速度的關(guān)系

從圖2中可以看出：

1）采煤機牽引速度的提高，會帶動葉片螺旋升角和葉片軸向速度的增加，是可以提升裝煤量的。但牽引速度的提升同時會提高采煤量，無法有效提升裝煤效率。

2）在牽引速度恒定的情況下，提升葉片螺旋升角，葉片軸向速度會先升高，并在螺旋升角達到0.485 9 rad時，即角度為21.3°時，軸向速度達到最大值，隨后軸向速度降低。

3）從軸向速度與螺旋升角的變化曲線可以看出，牽引速度的升高不會對變化趨勢走向造成影響。

綜合上述仿真分析，研究機型的具體優(yōu)化方案是將其滾筒葉片的螺旋升角調(diào)整至21.3°時，可有效提升滾筒裝煤效率。

3 模擬仿真

為了驗證優(yōu)化效果，將上述改進后的滾筒結(jié)構(gòu)與原滾筒結(jié)構(gòu)分別建模并代入PFC顆粒流軟件程序，通過模擬仿真采煤機運作過程中煤塊的掉落過程，分析葉片結(jié)構(gòu)對拋煤速度的影響。

設定共拋出300顆半徑為10 mm的煤粒，拋煤過程采煤機牽引速度和滾筒轉(zhuǎn)速恒定，分別為2.5 m/min和45 r/min。為了保證實驗的真實準確，平均選取其中15顆煤粒作為檢測對象，建立運動軌跡圖，如圖3、圖4所示。

PFC模擬仿真了煤粒接觸葉片后拋出的運動情況，如圖3所示。圖中縱軸為煤粒相對于滾筒葉片的軸向速度。從圖中可以看出：

圖3 原結(jié)構(gòu)螺旋滾筒煤粒軸向速度變化

1）15顆觀察煤粒的速度變化周期大致相同；

2）在0~0.22 s時煤粒的速度反復變化并逐漸升至0.9 m/s，這是由于煤粒在接觸葉片時，首先受到的是葉片的沖擊力，沖擊力與重力反復作用于煤粒上導致其軸向速度逐步升高，直到煤流平穩(wěn)的與葉片接觸。

在0.21~0.63 s時煤粒的軸向速度反復變化，幅度在0.6~2.4 m/s之間，這是由于煤粒與葉片之間的作用力，使得煤粒受到了水平摩擦力進而影響了煤粒的軸向速度升高。在0.64 s時，煤流離開滾筒葉片，拋至刮板輸送機。

圖4為優(yōu)化了葉片螺旋升角后，煤粒的軸向速度變化圖。從圖中可以看出，15顆觀察煤粒的速度趨勢與原結(jié)構(gòu)變化明顯。

圖4 葉片軸向傾斜螺旋滾筒煤粒軸向速度變化

在0~0.18 s時煤粒的速度反復變化并逐漸升至1.2 m/s；在0.19~0.38 s時煤粒的軸向速度反復變化并逐漸升高，幅度在1.0~2.2 m/s之間；在0.84 s時，煤流離開滾筒葉片，拋至刮板輸送機。將模擬圖對比可以看出：

1）優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)的滾筒對煤流速度的影響是明顯的，從圖3~4中畫圈處可以看出，優(yōu)化后煤流的軸向速度提升更快；

2）優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)的滾筒煤流的滑移時間僅為0.19 s，而原結(jié)構(gòu)螺旋滾筒的滑移時間為0.42 s，降低滑移時間對裝煤效率的提高有著明顯的改善；

3）優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)的滾筒煤流的拋煤速度為1.09 m/s，而原結(jié)構(gòu)螺旋滾筒的拋煤速度為1.39 m/s，軸向拋出速度越大，拋煤能力越好。拋煤能力增強，不僅可提高裝煤效率，還可以根據(jù)刮板輸送機位置適當降低轉(zhuǎn)速，減少功率消耗，提高裝煤效率。

綜上所述，此次優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)，在明顯提高拋煤速度的同時，有效降低了煤流滑移時間，很大程度上提高了裝煤效率。

4 結(jié)論

1）從散體力學角度建立了煤流在裝煤過程中的數(shù)學模型，結(jié)合薄層采煤工況，判斷出影響裝煤效率的主要因素為葉片結(jié)構(gòu)的螺旋升角；

2）根據(jù)WG-2×125/571-WD采煤機的具體參數(shù)，利用MATLAB軟件對其進行模擬仿真分析，結(jié)果顯示該型號采煤機的葉片螺旋升角與軸向速度的關(guān)系為，隨著螺旋升角的增加，牽引速度先增大后減小，并在螺旋升角到21.3°時達到最大值；

3）利用PFC軟件模擬仿真優(yōu)化后的裝煤情況，從仿真結(jié)果可以看出：調(diào)整螺旋升角，不但能夠有效地提高拋煤速度，還縮短了煤流在葉片上的滑移時間，極大地提高了裝煤效率。