基于离散元仿真的采煤机滚筒结构优化研究

吴 琼

（铁峰煤业公司， 山西 右玉 037200）

引言

采煤机是煤矿井下综采作业的核心装备，是集机电液于一体的大型机械设备，在工作时利用截割滚筒的旋转将煤炭从煤壁上剥离下来，其工作的稳定性和可靠性直接决定了煤矿井下综采作业的效率和经济性，但由于煤矿井下地质条件比较恶劣，而且不同煤层赋存条件的不同，导致采煤机在截割作业过程中受到的截割阻力呈无规则的变化，严重影响了采煤机在井下截割作业的效率和使用寿命[1]。

为了提升采煤机综采作业的经济性，本文利用离散元仿真分析的方法，建立了采煤机和煤层的三维结构模型，通过对煤层赋予不同的硬度参数，来模拟井下煤层的变化情况，对不同采煤机截割参数下的截割特性进行了分析，对采煤机截割滚筒的截割参数进行了优化，根据实际应用表明，优化后的采煤机能够将截割效率提升33.2%，将截割比能耗降低24.2%，为优化采煤机截割滚筒结构、提升截割效率和经济性奠定了基础。

1 三维耦合模型建立

以MG2×55/250-BW 型采煤机为研究对象，利用三维建模软件建立1∶1 三维结构模型，在建模过程中对于运动部件必须进行独立建模，确保整合后采煤机截割滚筒的运行和实际上采煤机截割滚筒的运行状态一致，截齿类型、数量、倾角、截齿排列方式必须满足并和实际对应，其三维模型如图1-1 所示。

为了充分模拟不同煤矸石层情况下的截割特性，利用EDEM 离散元仿真分析软件建立煤层和采煤机截割滚筒的耦合模型[2]，煤层的物理参数设置时需要和井下真实煤层状态保持一致，煤层的密度设置为1 531 kg/m3，煤层的弹性模量设置为1.93 MPa，煤层泊松比设置为0.27，煤层的抗拉强度设置为0.29 MPa，夹矸层的密度设置为2 886 kg/m3，夹矸层的弹性模量设置为17.8 MPa，夹矸层泊松比设置为0.20，夹矸层的抗拉强度设置为6.12 MPa，将煤层和煤矸石层按1∶0.3 的比例进行混合，在EDEM 仿真分析软件[3]中建立采煤机截割滚筒截割煤壁的仿真分析模型，如图1-2 所示。

图1 采煤机截割滚筒截割煤壁的仿真分析模型

在进行仿真分析时将采煤机的牵引速度设置为4 m/min，将采煤机截割滚筒的转速设置为90 r/min，将采煤机的截割深度设置为570 mm，采煤机上接触的螺旋升角为13°，为了研究不同截割参数下的采煤机截割性能，在其他参数不变的情况下，分别对截齿螺旋升角为 8°、10°、13°、15°、18°，滚筒转速为 80 r/min、85 r/min、90 r/min、95 r/min、100 r/min，牵引 速 度 为 3 m/min、3.5 m/min、4 m/min、4.5 m/min、5 m/min 情况下的采煤机生产率截割面积和截割比能耗进行仿真分析。

2 采煤机生产率仿真

采煤机的生产率[4]是指采煤机单位时间内的采煤量，是评估采煤机整体生产性能的重要经济指标，采煤机在不同螺旋升角分布、不同截割转速和牵引速度情况下的生产率变化情况如下页图2 所示。

由下页图2 可知，在综采作业过程中采煤机螺旋升角和截割转速变化对采煤机的综采效率没有影响，而牵引速度的变化对综采效率的影响成正相关关系。牵引速度越大，综采作业效率越高，这主要是由于当牵引速度保持不变时，采煤机的截割滚筒在单位时间内并不能截割更多的煤炭因此导致其并不能提升截割效率，而当进给速度发生变化时，可以提升单位时间内的截割量，从而提升截割效率[5]。

图2 不同截割参数对生产率影响曲线

3 采煤机块煤率分析

块煤率是表征煤炭质量的重要指标，块煤率越高在综采作业过程中的粉尘就越小，因此提升采煤机块煤率有助于降低井下的粉尘污染，优化综采面的作业环境，不同截割参数下的块煤率如图3 所示。

图3 不同截割参数对截割面积影响曲线

由实际分析结果可知，采煤机的块煤率随着螺旋升角和转速的增加而降低，随着牵引速度的增大而增大，因此可以通过降低采煤机的螺旋升角、截割转速。并同时增加牵引速度的方式提高采煤机在工作过程中的块煤率。

4 采煤机截割比能耗仿真

截割比能耗[6]，是指截齿截割单位体积的煤或岩石时所消耗的能量，是反应采煤机截割经济性的重要指标，截割比能耗越高表明采煤机的截割经济性越好，反之则说明采煤机的截割经济性不足，在不同特性下采煤机的截割比能耗分布如图4 所示。

图4 不同截割参数对截割比能耗影响曲线

由上页图4 可知，截割比能耗随着采煤机截齿螺旋升角的变化呈“S”型波动，当螺旋角为10°时，截割比能耗最低，约为1.78 kWh/m3，当螺旋升角为15°时，采煤机的截割比能耗最高，约为1.84 kWh/m3。采煤机的截割比能耗与采煤机的截割转速呈正比，转速越高截割比能耗越高；采煤机的截割比能耗和采煤机的牵引速度呈反比，牵引速度越大，采煤机截割作业时的截割比能耗就越低。

由实际仿真分析结果可知，当螺旋升角为15°，采煤机的截割转速为100 r/min，牵引速度为4 m/min的情况下具有最佳的截割经济性，采煤机截割作业时的截割效率可以提升33.2%，截割比能耗能够降低24.2%，为优化采煤机截割滚筒结构，提升截割效率和截割经济性奠定了基础。

5 结论

1）综采作业过程中采煤机螺旋升角和截割转速变化对采煤机的综采效率没有影响，而牵引速度的变化对综采效率的影响呈正相关关系，牵引速度越大，综采作业效率越高。

2）截割比能耗随着采煤机截齿螺旋角的变化呈“S”型波动，当螺旋升角为10°时截割比能耗最低，当螺旋升角为15°时，采煤机的截割比能耗最高。

3）采煤机的截割比能耗与采煤机的截割转速呈正比，转速越高截割比能耗越高；采煤机的截割比能耗和采煤机的牵引速度呈反比，牵引速度越大，采煤机截割作业时的截割比能耗就越低。

4）优化后的采煤机能够将截割效率提升33.2%，将截割比能耗降低24.2%，为优化采煤机截割滚筒结构，提升截割效率和经济性奠定了基础。