采煤机滚筒截齿截线距仿真分析优化

李 东

（阳煤集团五人小组管理部， 山西 阳泉 045000）

引言

滚筒式采煤机破煤能力大、适应性强，广泛应用于煤矿长臂综采中。滚筒式采煤机的主要部件中的螺旋滚筒是保证采煤机高效工作的重要因素，滚筒上截齿的布置对其工作能力有直接的影响。这其中，截线距是螺旋滚筒截齿布置的重要参数，截线距的大小直接影响块煤率、受力及截割比能耗(即截割效率)[1]。本文采用离散元分析方法PFC动态仿真截线距滚筒的截割过程，获取了不同截线距下截齿所受截割力和截割比能耗。通过分析对比，得到截线距与截齿受力、截割比能耗之间的关系，为采煤机滚筒的结构设计提供参考和依据。

1 滚筒截割性能分析

如图1所示为滚筒的结构。

图1 滚筒结构示意图

在采煤机工作过程中，滚筒要尽可能的符合截割比能耗低、载荷波动小和良好的破煤和装煤能力等要求。除滚筒的运动状态之外，滚筒的结构也影响其截割性能，主要包括以下参数[2]。

1.1 滚筒直径

滚筒直径对于块煤率有直接影响，滚筒直径越大，则线速度越小，块煤率越高。但同时存在着直径越大，增大截割机构重量，对于工作稳定性有一定影响，而且导致连续工作的截割比能耗增大。

1.2 螺旋叶片升角

螺旋叶片升角的大小，影响到带煤能力的大小。在一定量的破落煤量下，大的螺旋升角有助于将破落的煤块集中到刮板机，但大的螺旋升角同时会使得工作面煤尘飞扬，而且带煤能力过大，会增加煤的循环系数，使得滚筒内的煤块重复破碎，增加能量损耗。

1.3 螺旋叶片头数及截齿排列形式

螺旋叶片头数影响滚筒螺旋升角及围包角，大的围包角会增加叶片间的重叠系数，从而增加同时工作的截齿数，由此可以降低滚筒载荷的波动。螺旋叶片头数，常用的有2、3、4三种形式，叶片的头数决定截线上的截齿数，影响到截齿的排列形式，对滚筒载荷及块煤率产生作用。截齿的排列形式可以分为交叉式排列和顺序式排列。两种形式在工作过程中，截割过程及受力的不同，使得相同工况下，交叉式排列得到的块煤率要好于顺序式排列[3]。

1.4 截线距

截线距是构成滚筒结构的重要参数，截线距对于块煤率有重要的影响，而且截线距的合理选择，对于截割效率有重要的影响。较小的截线距，会减少单齿的受力，但同时会降低块煤率；过大的截线距，容易造成封闭式切削，有利于提高块煤率，但增加工作时的能耗，使得截齿的磨损加剧[4]。

1.5 截齿安装角

截齿安装角的大小影响截割效果及截割受力，较大的安装角，会使截割阻力减小，利于破煤；但过大的安装角，会增加齿身与煤体干涉的可能性，从而造成截齿损耗，截割机构工作阻力增大[5]。

对于采煤机滚筒截割性能的评价主要从三方面进行：一是滚筒受力状态；二是截割比能耗；三是块煤率。滚筒工作过程中，在一定的装煤效果下，越小的截割比能耗越好。截割比能耗、截线距及螺旋升角三者构成幂函数的关系。块煤率是评价煤炭质量的重要指标，块煤率越高越好，大的块煤率所含有的粉尘量越小，可以改善工作环境，同时越低的粉尘量，可以增加开采的安全性[6]。

2 不同截线距滚筒截割性能的仿真分析

2.1 不同截线距滚筒截割煤壁过程模拟

针对截线距对截割性能的影响进行分析，建立3种不同截线距的螺旋滚筒，截线距分别设置为65 mm、70mm、75mm，进行截割过程的仿真，得出截割中滚筒受到的截割力，截落煤的体积以及截割比能耗进行分析。

在建模软件UG中分别建立三头顺序式螺旋滚筒及煤壁的三维模型，滚筒模型截线距分别为65 mm、70mm、75mm，将滚筒模型导入离散元仿真软件PFC中，使用墙体特性命令调整墙体与煤壁的位置，如图2所示为70mm截线距时的截割图。

图2 70mm截线距滚筒截割图

模拟滚筒截割煤壁时，设置主要参数如下：密度为1 450 kg/m3；弹性模量为3×103MPa；强度极限为30MPa；滚筒转速为57 r/min；采煤机牵引速度为0.04 m/s；每条截线上截齿数为3；仿真时间步长为2e-6 s。

2.2 不同截线距滚筒截割煤壁模拟结果

针对仿真得到的数据，采用matlab进行后处理，针对滚筒和截齿的受力进行后处理分析，图3—图5分别表示截线距为65mm、70mm、75mm时的滚筒受力曲线。

图3 65mm截线距受力图

图4 70mm截线距受力图

图5 75mm截线距受力图

切割过程中，滚筒上截齿的分布，按照与煤壁接触的先后顺序，依次标记为1号齿、2号齿。将仿真得到的受力数据导入matlab软件，对采煤机滚筒上截齿的截割力求解平均值，1号齿数据见表1，2号齿数据见表2。

表1 1号齿截割力统计数据表

表2 2号齿截割力统计数据表

从表中数据可以看出：1号齿受力相差不大，其中70mm截线距时受力平均值略大于其他两种情况，此时的波动较大；而2号齿的受力差别较大，截线距为70mm时的受力明显小于其他两种，整体受力平稳。

3 截割比能耗分析

螺旋滚筒的截割比能耗可由下式求得

式中：Hw为截割比能耗，kW·h/m3；t为截割时间，s；Vm为截落模拟煤壁的体积，m3；n为滚筒转速，r/min；为扭矩均值，N·m。

为对比不同截线距的截割比能耗，首先求解三种截线距下的滚筒扭矩，由受力平均值可计算得出滚筒扭矩均值，见表3。

表3 扭矩均值表

对落煤体积进行计算，首先对在离散元仿真软件PFC中，应用颗粒统计的功能，统计截落煤岩的颗粒数量，再根据体积公式求出落煤体积，见表4。

表4 落煤体积表

将得到数据，代入上述公式中，即可计算得出截线距截割比能耗，见表5。

表5 截割比能耗表

从上述表4—表5中可以看出，70mm时的落煤体积要大，而同时截割比能耗低，消耗的能量小，由此，通过滚筒受力分析及截割比能耗对比，70mm截线距的滚筒性能明显优于其他两种情况，较好的满足所分析的工况使用。由此，截线距存在以特定值，使得滚筒的性能达到最优化，在设计优化滚筒时，应根据实际工况，寻找此特定值。

4 结论

本文利用离散元仿真软件PFC对三种不同截线距的滚筒截割过程进行仿真分析，通过仿真过程中的数据分析可得出以下结论：截线距是影响截齿及滚筒受力的重要参数，截线距的大小直接影响到截割比能耗，在文中工况下，同等切削条件下，70 mm截线距时的滚筒性能明显优于其他两种情况，而对于实际工作情况下，应设法找寻最优的截线距数值，使得滚筒性能最优。本文研究结果对于滚筒结构的设计及优化有重要的参考意义。