吳 瓊

（鐵峰煤業(yè)公司， 山西 右玉 037200）

引言

采煤機(jī)是煤礦井下綜采作業(yè)的核心裝備，是集機(jī)電液于一體的大型機(jī)械設(shè)備，在工作時(shí)利用截割滾筒的旋轉(zhuǎn)將煤炭從煤壁上剝離下來(lái)，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的效率和經(jīng)濟(jì)性，但由于煤礦井下地質(zhì)條件比較惡劣，而且不同煤層賦存條件的不同，導(dǎo)致采煤機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中受到的截割阻力呈無(wú)規(guī)則的變化，嚴(yán)重影響了采煤機(jī)在井下截割作業(yè)的效率和使用壽命[1]。

為了提升采煤機(jī)綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性，本文利用離散元仿真分析的方法，建立了采煤機(jī)和煤層的三維結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)對(duì)煤層賦予不同的硬度參數(shù)，來(lái)模擬井下煤層的變化情況，對(duì)不同采煤機(jī)截割參數(shù)下的截割特性進(jìn)行了分析，對(duì)采煤機(jī)截割滾筒的截割參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，優(yōu)化后的采煤機(jī)能夠?qū)⒔馗钚侍嵘?3.2%，將截割比能耗降低24.2%，為優(yōu)化采煤機(jī)截割滾筒結(jié)構(gòu)、提升截割效率和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。

1 三維耦合模型建立

以MG2×55/250-BW 型采煤機(jī)為研究對(duì)象，利用三維建模軟件建立1∶1 三維結(jié)構(gòu)模型，在建模過(guò)程中對(duì)于運(yùn)動(dòng)部件必須進(jìn)行獨(dú)立建模，確保整合后采煤機(jī)截割滾筒的運(yùn)行和實(shí)際上采煤機(jī)截割滾筒的運(yùn)行狀態(tài)一致，截齒類(lèi)型、數(shù)量、傾角、截齒排列方式必須滿(mǎn)足并和實(shí)際對(duì)應(yīng)，其三維模型如圖1-1 所示。

為了充分模擬不同煤矸石層情況下的截割特性，利用EDEM 離散元仿真分析軟件建立煤層和采煤機(jī)截割滾筒的耦合模型[2]，煤層的物理參數(shù)設(shè)置時(shí)需要和井下真實(shí)煤層狀態(tài)保持一致，煤層的密度設(shè)置為1 531 kg/m3，煤層的彈性模量設(shè)置為1.93 MPa，煤層泊松比設(shè)置為0.27，煤層的抗拉強(qiáng)度設(shè)置為0.29 MPa，夾矸層的密度設(shè)置為2 886 kg/m3，夾矸層的彈性模量設(shè)置為17.8 MPa，夾矸層泊松比設(shè)置為0.20，夾矸層的抗拉強(qiáng)度設(shè)置為6.12 MPa，將煤層和煤矸石層按1∶0.3 的比例進(jìn)行混合，在EDEM 仿真分析軟件[3]中建立采煤機(jī)截割滾筒截割煤壁的仿真分析模型，如圖1-2 所示。

圖1 采煤機(jī)截割滾筒截割煤壁的仿真分析模型

在進(jìn)行仿真分析時(shí)將采煤機(jī)的牽引速度設(shè)置為4 m/min，將采煤機(jī)截割滾筒的轉(zhuǎn)速設(shè)置為90 r/min，將采煤機(jī)的截割深度設(shè)置為570 mm，采煤機(jī)上接觸的螺旋升角為13°，為了研究不同截割參數(shù)下的采煤機(jī)截割性能，在其他參數(shù)不變的情況下，分別對(duì)截齒螺旋升角為 8°、10°、13°、15°、18°，滾筒轉(zhuǎn)速為 80 r/min、85 r/min、90 r/min、95 r/min、100 r/min，牽引 速 度 為 3 m/min、3.5 m/min、4 m/min、4.5 m/min、5 m/min 情況下的采煤機(jī)生產(chǎn)率截割面積和截割比能耗進(jìn)行仿真分析。

2 采煤機(jī)生產(chǎn)率仿真

采煤機(jī)的生產(chǎn)率[4]是指采煤機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的采煤量，是評(píng)估采煤機(jī)整體生產(chǎn)性能的重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采煤機(jī)在不同螺旋升角分布、不同截割轉(zhuǎn)速和牽引速度情況下的生產(chǎn)率變化情況如下頁(yè)圖2 所示。

由下頁(yè)圖2 可知，在綜采作業(yè)過(guò)程中采煤機(jī)螺旋升角和截割轉(zhuǎn)速變化對(duì)采煤機(jī)的綜采效率沒(méi)有影響，而牽引速度的變化對(duì)綜采效率的影響成正相關(guān)關(guān)系。牽引速度越大，綜采作業(yè)效率越高，這主要是由于當(dāng)牽引速度保持不變時(shí)，采煤機(jī)的截割滾筒在單位時(shí)間內(nèi)并不能截割更多的煤炭因此導(dǎo)致其并不能提升截割效率，而當(dāng)進(jìn)給速度發(fā)生變化時(shí)，可以提升單位時(shí)間內(nèi)的截割量，從而提升截割效率[5]。

圖2 不同截割參數(shù)對(duì)生產(chǎn)率影響曲線

3 采煤機(jī)塊煤率分析

塊煤率是表征煤炭質(zhì)量的重要指標(biāo)，塊煤率越高在綜采作業(yè)過(guò)程中的粉塵就越小，因此提升采煤機(jī)塊煤率有助于降低井下的粉塵污染，優(yōu)化綜采面的作業(yè)環(huán)境，不同截割參數(shù)下的塊煤率如圖3 所示。

圖3 不同截割參數(shù)對(duì)截割面積影響曲線

由實(shí)際分析結(jié)果可知，采煤機(jī)的塊煤率隨著螺旋升角和轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨著牽引速度的增大而增大，因此可以通過(guò)降低采煤機(jī)的螺旋升角、截割轉(zhuǎn)速。并同時(shí)增加牽引速度的方式提高采煤機(jī)在工作過(guò)程中的塊煤率。

4 采煤機(jī)截割比能耗仿真

截割比能耗[6]，是指截齒截割單位體積的煤或巖石時(shí)所消耗的能量，是反應(yīng)采煤機(jī)截割經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)，截割比能耗越高表明采煤機(jī)的截割經(jīng)濟(jì)性越好，反之則說(shuō)明采煤機(jī)的截割經(jīng)濟(jì)性不足，在不同特性下采煤機(jī)的截割比能耗分布如圖4 所示。

圖4 不同截割參數(shù)對(duì)截割比能耗影響曲線

由上頁(yè)圖4 可知，截割比能耗隨著采煤機(jī)截齒螺旋升角的變化呈“S”型波動(dòng)，當(dāng)螺旋角為10°時(shí)，截割比能耗最低，約為1.78 kWh/m3，當(dāng)螺旋升角為15°時(shí)，采煤機(jī)的截割比能耗最高，約為1.84 kWh/m3。采煤機(jī)的截割比能耗與采煤機(jī)的截割轉(zhuǎn)速呈正比，轉(zhuǎn)速越高截割比能耗越高；采煤機(jī)的截割比能耗和采煤機(jī)的牽引速度呈反比，牽引速度越大，采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的截割比能耗就越低。

由實(shí)際仿真分析結(jié)果可知，當(dāng)螺旋升角為15°，采煤機(jī)的截割轉(zhuǎn)速為100 r/min，牽引速度為4 m/min的情況下具有最佳的截割經(jīng)濟(jì)性，采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的截割效率可以提升33.2%，截割比能耗能夠降低24.2%，為優(yōu)化采煤機(jī)截割滾筒結(jié)構(gòu)，提升截割效率和截割經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

1）綜采作業(yè)過(guò)程中采煤機(jī)螺旋升角和截割轉(zhuǎn)速變化對(duì)采煤機(jī)的綜采效率沒(méi)有影響，而牽引速度的變化對(duì)綜采效率的影響呈正相關(guān)關(guān)系，牽引速度越大，綜采作業(yè)效率越高。

2）截割比能耗隨著采煤機(jī)截齒螺旋角的變化呈“S”型波動(dòng)，當(dāng)螺旋升角為10°時(shí)截割比能耗最低，當(dāng)螺旋升角為15°時(shí)，采煤機(jī)的截割比能耗最高。

3）采煤機(jī)的截割比能耗與采煤機(jī)的截割轉(zhuǎn)速呈正比，轉(zhuǎn)速越高截割比能耗越高；采煤機(jī)的截割比能耗和采煤機(jī)的牽引速度呈反比，牽引速度越大，采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的截割比能耗就越低。

4）優(yōu)化后的采煤機(jī)能夠?qū)⒔馗钚侍嵘?3.2%，將截割比能耗降低24.2%，為優(yōu)化采煤機(jī)截割滾筒結(jié)構(gòu)，提升截割效率和經(jīng)濟(jì)性奠定了基礎(chǔ)。