滚筒结构对装煤效率的影响及煤流运动轨迹研究

张亮华

(霍州煤电集团有限责任公司，山西 霍州 031400)

采煤机滚筒结构性能测试的传统方法是采用实体滚筒及煤壁的模型进行的，实验成本高，测试时间较长。模拟测试过程的煤壁停留时间短，采用传感器采集数据分析装煤效率，对于滚筒内煤块运动轨迹以及运动轨迹对滚筒结构性能的影响则不能确定[1]. 采用离散元仿真分析的方法可将煤块进行分散处理，模拟分析煤块运动轨迹，研究煤块与滚筒结构的相互影响，能够对滚筒装煤效率进行分析，对于高效采煤意义重大。本文以木瓜煤矿MG-500/1200-WD型采煤机为研究对象，采用离散元仿真方法对装煤过程煤流运动轨迹进行了分析，对煤流与叶片的相关影响机理进行了研究，得出了滚筒逆转和滚筒顺转的装煤效率影响[2].

1 滚筒结构的特点及其三维模型建立

木瓜煤矿MG-500/1200-WD型采煤机为变升角螺旋截割滚筒，此滚筒叶片为先凹后凸的曲线螺旋面，端盘处、中点螺旋线与固定升角螺旋滚筒一致。采煤机参数参照表1.螺旋滚筒结构见图1，图1a)为叶片展开图，图1b)为抛煤示意图。图1中曲线1为固定升角的螺旋滚筒叶片展开图，采煤时煤块M沿曲线1下滑，最终到达M1点；而曲线2为变升角螺旋滚筒叶片展开图，采煤时煤块从M点开始，沿着曲线2下滑，由于曲线2在中间部位外凸，因此在煤块运动到曲线2中端时被抛出最终在M2点落地，与M1点相比，距离较远。

表1 MG-500/1200-WD型采煤机参数表

图1 变升角螺旋滚筒结构示意图

根据采煤机变升角螺旋滚筒结构及相应参数，通过UG软件创建螺旋滚筒实体模型，见图2[3].

图2 变升角螺旋滚筒模型图

2 煤流运动轨迹研究的模型建立

本文使用PFC3D离散元仿真软件对滚筒装煤过程的煤流运动轨迹进行模拟分析，将UG软件创建的滚筒模型导出为.stl格式，导入至PFC3D软件成为三角形面组成的滚筒模型，滚筒叶片截齿和端盘截齿数量庞大，影响计算效率，所以对模型应进行进一步细分[4]. 由于采煤机装煤过程使用螺旋运送，因此使用3个叶片将滚筒细分为3部分，即1号叶片、2号叶片、3号叶片，相互不干涉，滚筒截割过程见图3.

3 逆、顺转工况滚筒结构对装煤效率的影响

3.1 逆转工况滚筒结构对装煤效率的影响

导入变升角螺旋滚筒模型至PFC中，对抛射装煤过程进行模拟。根据实际工况设置滚筒转速为60 r/min，牵引速度3 m/min. 设定仿真时间为3 s，滚筒叶片转动后产生300颗粒，取其中20颗进行记录以描述颗粒运动轨迹[5]，以同样方法和数据对固定升角的螺旋滚筒进行模拟仿真，结果见图4.

图3 滚筒截割状态图

图4 滚筒逆转颗粒流运动轨迹图

由图4可以看出，煤流在滚筒内运动可分为碰撞加速期和稳定滑移期两个阶段。前一阶段为截落煤流碰撞叶片后，煤流颗粒受到叶片接触面法线方向的冲击作用，重力抵消了竖直分力，剩余水平分力使得煤流颗粒开始进行加速运动，直至煤流完全分布到叶片上。后一阶段为稳定状态的煤流颗粒受到法线方向作用后，重力和摩擦力分别对其进行抵消，从而煤流作匀速直线滑移运动。同时由于变升角螺旋滚筒煤流集中均落入刮板输送机，而固定升角螺旋滚筒煤流部分落入刮板输送机外，因此变升角螺旋滚筒提高了装煤效率。

3.2 顺转工况滚筒结构对装煤效率的影响

模拟推挤装煤过程中设定转速70 r/min，牵引速度3 m/min，仿真时间为2 s. 颗粒d25 mm，取随机生成的1 360颗粒中的50个进行运动轨迹记录，仿真后统计滚筒下侧、后侧、中槽及中槽和煤壁间距中的颗粒数目，见图5.

图5 升角螺旋滚筒顺转颗粒流运动轨迹图

由图5可以看出，推挤装煤过程中煤流运动轨迹为：底部煤颗粒先与叶片端盘侧接触，推动煤流向前推移，使滚筒内部煤流堆积；煤颗粒接触卸载端后在法向作用力下被推出，叶片旋转加速了煤流被推出，相比固定升角螺旋滚筒，变升角螺旋滚筒提高煤流推出速度，增加装煤效率。

4 煤流轴向运动与滚筒叶片结构的关系

变升角螺旋滚筒叶片存在凹凸面，作用于煤流的力不断改变，由煤流轴向力计算公式(1)可以得出：当滚筒速度和牵引速度不变时，煤流受到的轴向抛煤作用力随螺旋升角增大而减小。煤流加速度和轴向力成正比。

(1)

式中：

v—采煤机的牵引速度，m/min；

K—滚筒装煤阻力系数，N/m，取3.5×104；

n—采煤机滚筒转速，r/min；

α—滚筒截割叶片升角，(°)；

f—煤流域截割叶片之间的摩擦系数，取0.59.

变升角与固定升角叶片结构见图6，当普通螺旋升角为20°，B、D螺旋升角也为20°，A点到B点为加速度减小过程，B点到D点为加速度增加过程，D点到E点为加速度减小过程。

图6 变升角叶片示意图

由加速度变化情况对煤流轴向速度进行描述，见图7. 由图7可看出，变升角螺旋滚筒的煤流C点抛出后速度更大，抛煤水平高于普通滚筒。

图7 煤流轴向速度曲线图

5 结 论

本文通过离散元仿真法对木瓜煤矿MG-500/1200-WD采煤机变升角螺旋滚筒机构进行研究，分别对滚筒顺转和逆转工况进行了分析，检验了滚筒的抛煤能力。通过仿真得出逆转滚筒能够使煤流得到更大加速度，减少了滚筒内煤流停留时间，提升了装煤效率；顺转滚筒则会影响推挤装煤过程，不利于装煤。在综合分析基础上得出，变升角螺旋滚筒减小叶片摩擦力，增加煤流加速度，提高了采煤机的装煤效率。