矿井采煤机螺旋滚筒截齿关键参数优化设计研究

王稷峰

（阳泉煤业集团长沟煤矿有限责任公司，山西 晋中 032700）

引言

矿井采煤机通过自身的结构设计实现了截煤和装煤的工序。采煤机的螺旋滚筒是截割部的主要组成部件，通过螺旋叶片将脱落的煤炭挤推至刮板运输机。采煤机已实现了高度集成化的一体式机械化设计，能够很好地适应地质条件和恶劣的矿井环境。但是随着对煤炭资源需求量的增加，对采煤机的工作性能有了更高的要求。尤其是作为截割部核心部件的螺旋滚筒承担着整个切削煤炭物料的重任，其中截齿是直接与煤岩接触的零部件。在实际生产过程中，截齿由于受到较大的载荷作用，最容易发生磨损和破坏[1]。因此，应对截齿安装的关键参数进行优化设计，提高截齿在螺旋滚筒上排布的合理性。采用PFC 仿真软件对滚筒截割过程进行计算分析，以降低能量损失和提高截齿使用寿命为目的，对截齿的安装角度和截线距参数进行优化设计，得出能够使截割比能耗最小的数据值。截齿参数优化设计有利于提升采煤机的可靠性和安全性。

1 采煤机螺旋滚筒截齿截割性能的影响因素及评价指标

1.1 螺旋滚筒结构关键参数

采煤机螺旋滚筒结构的关键参数主要分为6 大类，分别为滚筒直径、叶片升角、叶片头数、截齿排布方式、截线距、截齿安装角[2]。通常提升滚筒直径数值将降低滚筒旋转时的线速度，有利于提升煤炭的产出率。但是同时也增加了螺旋滚筒的重量，影响结构稳定性并增加了能量损耗。螺旋叶片的升角应在规定范围内，如果升角的角度过大，将使得煤炭粉尘飞扬，不利于人员的职业健康安全。对螺旋滚筒结构性能有重要影响的是截齿的排布方式。通过对截线距和安装角度的优化设计以提高块煤率。通过理论研究，截线距过大时容易形成封闭式切削，截线距过小时的块煤率偏低[3]。安装角是平衡截割轴向力和减小载荷阻力的关键因素。因此，应保证截线距和安装角在适宜的范围内。

1.2 螺旋滚筒运动参数

螺旋滚筒各种载荷力的产生是通过运动来实现。运动参数主要包括滚筒转速和牵引速度。过低的滚筒转速对煤流通道造成了阻塞，降低了截割的效率。牵引速度与滚筒转速应相匹配，如果两者的匹配性较差，会使得采煤机内部零部件的损坏。当牵引速度较大而滚筒速度较低时，就会造成螺旋滚筒还没有完成切削就被转移至下一个工作面，严重影响了生产效率。

1.3 截割性能评价指标

通常采用比能耗作为结构性能是否好坏的关键指标。比能耗与合金头制作材料、截齿排布方式、切削厚度等因素密切相关，该评价数值越小越好。块煤率也是另一个关键指标，对于煤炭开采质量可进行直接评价。与比能耗的影响因素相似，同时还受到了叶片螺旋升角的影响。要提高螺旋滚筒的生产效率，就应降低比能耗和提升块煤率。截齿关键参数的设计应基于两个指标为设计目标。

2 截割过程的离散元分析

2.1 PFC 离散元分析简介

PFC 离散元分析法也是仿真计算的一种类型。该分析方法对于岩石的裂纹产生和破碎过程的计算较为精确，对于截齿切削煤岩的过程，可采用PFC 离散元分析方法。PFC 方法主要是研究接触问题，包括颗粒、墙体以及颗粒之间的力学关系。对煤炭物料的参数进行设置时，要考虑每个仿真颗粒的直径和高度[4]。

2.2 螺旋滚筒截割过程仿真计算

采用UG 软件对煤炭以及螺旋滚筒的三维模型进行建立。截齿排布采用三头顺序式，直径为1500 mm，叶片直径为1 200 mm，螺旋升角为20°，如图1 所示。

图1 螺旋滚筒三维模型

将UG 软件建立的三维模型导入至PFC 软件，并设置煤壁的颗粒参数为：颗粒密度1 774 颗/m3、孔隙率0.08、颗粒半径0.01 m、内摩擦角35.77°[5]。尽可能地细化煤壁的颗粒尺寸，提升仿真计算的精确性，但是同时为提高计算效率，应保持颗粒大小在合理范围。煤壁的颗粒模型如图2 所示。

图2 煤壁颗粒模型示意图

按照螺旋滚筒工作面的位置，设置牵引速度为0.04 m/s，滚筒的自转速度为57 r/min[6]。螺旋滚筒按照上述速度与煤壁进行接触并产生切削作业。煤壁每个颗粒的黏结属性在本质上为Flat-Joint 模型，该模型将设置抗拉强度、内聚力、摩擦角摩擦系数等关键仿真计算数据。将整个仿真时间设置为8 s，第8 s的螺旋滚筒截割状态如图3 所示。

图3 螺旋滚筒截割煤壁过程示意图

3 螺旋滚筒截齿参数优化

3.1 截齿安装角度优化

采用上节相同的仿真计算过程，对截齿不同安装角度条件下，截割比能耗的数据大小进行对比。对比安装角度包括40°、42°、45°、47°、50°，对不同安装角度截落的煤炭颗粒进行统计，并且将间隔时间、滚筒转速、扭矩和截落颗粒数带入至比能耗计算公式进行计算，计算结果如表1 所示。

表1 不同安装角度的比能耗数据表

通过计算结果可知，安装角度为45°的滚筒截割比能耗较低，单位时间内截落相同体积煤壁颗粒需要的能量较少，安装角为40°的滚筒截割比能耗较大，因此，从能量消耗角度来看，选用安装角度为45°的滚筒截割较为合适，在实际工程应用中可采用。

3.2 截线距

对比分析5 种不同截线距的比能耗数据，截线距包括60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm。与截齿安装角度对比能耗的计算方法相同，将螺旋滚筒切落的煤炭颗粒体积与截齿受到的扭矩平均值带入至比能耗计算公式，得到比能耗数据。螺旋滚筒截割煤岩的仿真图，如图4 所示。不同截线距的比能耗数据如表2 所示。

图4 螺旋滚筒截割煤岩的仿真图

表2 不同截线距的比能耗数据表

在相同截割工况下，截线距为70 mm的滚筒截落煤颗粒较多，截割比能耗较低，截线距80 mm 滚筒次之，截线距60 m、65 mm 滚筒虽然受到的截割力较小，但是截落的颗粒较少，截割比能耗较大，消耗的能量也大，因此在所研究的工况下，宜采用70 mm滚筒进行截割。

4 结语

螺旋滚筒作为采煤机截割部的核心部件，其工作性能的优劣直接决定采煤机的功效、煤炭的质量与经济成本。为了提高采煤机螺旋滚筒的实际开采过程中的工程效率以及延长截齿的使用寿命。以比能耗数据为优化对象，对截齿的安装角度和截线距两个关键参数，各选取的5 个数据进行了对比分析。利用PFC 离散元分析法对螺旋滚筒切割煤炭的过程进行了仿真计算，在确保计算结果的精确性的条件下，得出了截齿安装角度为45°和截线距为70 mm的螺旋滚筒能够降低比能耗数值，减小截割过程的能量消耗。研究成果可为螺旋滚筒的制造厂商以及现场实际工程应用提供依据。