基于EDEM 的采煤机螺旋滚筒受力及优化研究

李 明

（霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山木瓜煤矿， 山西 方山 033000）

引言

采煤机是煤矿开采中最为关键和重要的机电装备，其性能好坏会对采煤效率产生决定性的影响。而采煤机中螺旋滚筒又是比较关键的结构件，螺旋滚筒的性能好坏会对采煤机运行过程的效率、可靠性和稳定性产生重要的影响。受技术水平的限制，很长一段时间以来，在对采煤机螺旋滚筒进行设计时，普遍基于实践经验进行设计，导致设计结果并非最优解。随着计算机模拟仿真技术的快速发展，将先进的计算机技术应用到机械结构设计中已经非常普遍，不仅能显著降低设计周期，还能够提升机械结构的设计效果。基于此，本文利用EDEM 有限元软件对采煤机的螺旋滚筒进行静力学分析，研究不同结构参数对滚筒性能的影响，实现滚筒结构的优化。

1 螺旋滚筒有限元模型的建立

1.1 模型的建立

考虑到采煤机螺旋滚筒的实际结构相对比较复杂，主要由筒毂、端盘、截齿和叶片等部分构成[1]。可以首先在UG 三维建模软件中对滚筒的结构进行几何建模。建模时为了提升后续计算的速度，可以对部分非关键结构进行省略处理，比如倒角、倒圆结构等。研究的采煤机螺旋滚筒其截齿采用的是三头顺序式排列，筒毂直径和整个滚筒的直径分别为590 mm和1250 mm，叶片直径及其螺旋升角分别为1100 mm和20°。采煤机螺旋滚筒的三维几何模型，如图1所示。

图1 采煤机螺旋滚筒的三维几何模型

将建立好的几何模型导出为STL 格式，然后导入到EDEM 有限元软件中进行建模。除需建立滚筒的模型以外，还需要建立煤层模型，其规格尺寸为1600 mm×800 mm×1700 mm，墙体由颗粒组成，颗粒之间通过模型进行黏结。模型中煤层的密度、弹性模量和泊松比分别为1674 kg/m3、23 GPa、0.25，其抗拉强度和抗压强度分别为3.67 MPa、15.98 MPa，孔隙率和内摩擦角分别为0.06 和34.66°。

1.2 煤壁截割过程

模型中将螺旋滚筒的旋转速度及其牵引速度分别设置为57 r/min、0.04 m/s，完成各项工作以后对其进行计算分析，发现模型能够正常运行计算，说明本模型是可行的，螺旋滚筒对煤壁进行截割的过程如图2 所示。对滚筒性能产生影响的结构参数是多方面的，本文主要从截齿安装角度和截线距两个角度出发，分析其对截割性能的影响规律。

图2 螺旋滚筒对煤壁进行截割的过程

2 截齿安装角度的影响与优化

为了研究截齿安装角度对滚筒截割性能的影响规律，在其他条件全部不变的情况下，分别在模型中将截齿安装角度设置为40°、42°、45°、47°和50°，然后对截齿的受力情况、截割比能耗情况进行分析。

2.1 对滚筒受力的影响规律

对不同截齿安装角度的有效模型进行分析后，对受力情况进行提取，截齿安装角度对滚筒截割受力在X、Y、Z 三个方向上的影响规律，如图3 所示。

图3 截齿安装角度对滚筒截割受力的影响规律

X 方向为滚筒牵引方向，此方向的力为滚筒的前进阻力。当安装角度为50°时，该方向的受力最小，为680 N。Y 方向为滚筒的侧向阻力，不同角度时相差不大，且都相对较小，可以忽略不计。Z 方向为滚筒截割时的阻力，在三个方向中此力最大，由图3可知，当安装角度为50°时，Z 方向的受力最小，为3148 N；当安装角度为42°时，Z 方向受力最大，为3349 N。可见，不同截齿安装角度时，滚筒的截割受力虽然有差异，但是相差幅度很小。

对不同截齿安装角度在Z 方向上受力的标准差进行统计分析发现，当安装角度分别为40°、42°、45°、47°和50°时，对应的标准差分别为4775 N、5019 N、4367 N、4804 N 和4845 N。根据统计学知识可知，标准差越小意味着不同截齿之间受力差距越小，说明滚筒工作时的稳定性越好。所以，在受力相差不大的情况下，根据标准差大小，当截齿安装角度为45°时最优。

2.2 对截割比能耗的影响规律

截割比能耗是描述滚筒截割性能的重要指标，描述了设备开采得到单位体积煤块需要消耗的能量[2]。根据理论分析，滚筒的截割比能耗按照如公式（1）进行计算：

式中：t、Vm分别表示时间及获得的煤块体积；n、TM分别表示滚筒的旋转速度及工作时的扭矩。

本案例中，所有模型按照时间t=3.6 s 计算，当安装角度分别为40°、42°、45°、47°和50°时，对应的滚筒扭矩平均值分别为3730 N·m、3654 N·m、3470 N·m、3476 N·m 和3441 N·m，获得煤块体积依次为0.0225 m3、0.0226 m3、0.0231 m3、0.0229 m3和0.0217 m3。基于此，可以计算得到截齿安装角度对截割比能耗的影响规律，如图4 所示。

从图4 中可以看出，随着截齿安装角度的不断增加，截割比能耗整体上呈现先降低后升高的变化趋势。当安装角度为40°和45°时，截割比能耗分别达到了最大值和最小值，具体数值为0.994 kWh/m3和0.8965 kWh/m3。可见，从截割比能耗的角度层面看，仍然是安装角度为45°时最优。综上，在采煤机工程实践中，螺旋滚筒的截齿安装角度应该设置成45°，此时滚筒受力情况以及截割比能耗的状态最优。

图4 截齿安装角度对截割比能耗的影响规律

3 截线距的影响与优化

在滚筒中，截齿通过齿座安装在滚筒螺旋叶片上，所谓截线距指的是相邻两个截齿齿尖之间的距离。截线距是滚筒中的重要结构参数，会对煤壁截割过程的稳定性、振动情况等产生比较重要的影响，还会影响煤矿开采效率[3]。为了分析截线距对螺旋滚筒性能的影响规律，在其他条件保持不变的基础上，将截线距设置为60mm、65mm、70mm、75mm 和80mm分别建立模型。

3.1 对滚筒受力的影响规律

在完成模型计算后，利用同样的方法可以提取不同截线距情况下螺旋滚筒在X、Y、Z 方向上的受力情况，如图5 所示。由图5 可知，截线距对滚筒的受力情况影响规律比较复杂，整体上并没有呈现出明显的变化规律，在X、Y 方向上，当截线距为80 mm时滚筒截割受力相对较小，但是对应的Z 方向受力却相对较大。当截线距为65 mm 时，X、Z 方向的受力情况均达到了最大值。当截线距为70 mm 时，Y 方向受力相对不大，并且X、Z 方向的受力均出现了极小值。进一步对不同截线距时所有截齿受力的标准差进行统计，结果依次为8096 N、8045 N、7136 N、8260 N 和7961 N。可以看出，当截线距为70 mm 时标准差数值最小。基于此，认为螺旋滚筒的截线距设置为70 mm 时最优，此时滚筒的受力情况最稳定。

图5 截线距对滚筒截割受力的影响规律

3.2 对截割比能耗的影响规律

基于式（1）的理论模型，可以计算得到不同截线距时对应的截割比能耗情况，如图6 所示。由图6 中数据可以看出，截线距与截割比能耗之间并没有特别明显的关系，当截线距为65 mm 和70 mm 时，截割比能耗分别达到了最大值和最小值，对应的数值依次为0.8057 kWh/m3和0.6095 kWh/m3。

图6 截线距对截割比能耗的影响规律

综上，在采煤机工程实践中，螺旋滚筒的截线距应该设置成70 mm，此时滚筒受力情况以及截割比能耗的状态最优。

4 结语

本文主要以采煤机螺旋滚筒为研究对象，在对受力和截割比能耗进行分析的基础上，提出最优的结构参数。基于有限元软件建立的螺旋滚筒截割煤壁的有限模型能顺利计算，基于有限元方法对滚筒结构进行优化设计是可行的。通过分析截齿安装角度对滚筒在X、Y、Z 三个方向上的受力情况以及所有截齿的标准差，发现当安装角度为45°时，整个滚筒表面的截齿受力情况最为稳定，对应的截割比能耗也最低。分析截线距对滚筒的受力情况和截割比能耗的影响规律，结果发现当截线距为70 mm 时最优。所以，工程实践中，应该将螺旋滚筒的截齿安装角度和截线距分别设置为45°和70 mm，此时滚筒性能最优。