采煤機(jī)滾筒和截齒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

路 寧

（山西焦煤西山煤電官地礦， 山西 太原 030022）

引言

煤礦開采中，采煤機(jī)的滾筒和截齒作為將煤層中的煤炭切割下來并完成落煤、裝煤任務(wù)的關(guān)鍵部件，其切割性能直接影響著煤炭生產(chǎn)企業(yè)是否能夠正常、高效的完成煤炭生產(chǎn)任務(wù)[1]，雖然隨著科技的進(jìn)步，采煤機(jī)滾筒和截齒工作的可靠性和穩(wěn)定性均有了大幅的提升，但依然存在著破煤效果較差、能量利用率低下、截割比能耗浪費(fèi)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，因此迫切需要對(duì)采煤機(jī)的滾筒和截齒進(jìn)行優(yōu)化。

1 采煤機(jī)滾筒和截齒受力特性分析

采煤機(jī)在工作的過程中，位于采煤機(jī)端部的截齒主要是利用與煤層的切應(yīng)力和拉應(yīng)力來嵌入煤層的內(nèi)部，通過旋轉(zhuǎn)使煤層逐漸產(chǎn)生形變，形變逐漸累積直至達(dá)到煤層抗剪切強(qiáng)度的極限值而使煤塊從煤層中脫離出來[2]，在整個(gè)切割的過程中，截齒會(huì)受到來自煤層的反作用力，截齒在工作過程中的受力主要包括進(jìn)給阻力、切割阻力和側(cè)向阻力。切割阻力在工作過程中切割力與截齒、煤層間的關(guān)系可用數(shù)學(xué)公式表述為[3]:

式中：Z0為切割阻力；A為煤層的切割阻抗；B為煤層的脆性系數(shù)，脆性煤層取B=2.1～3.5；d為截齒直徑；h為截齒切削厚度；KZ為煤層的外漏表面影響系數(shù)；t為相鄰截槽的中心距；Kφ為截齒前端影響系數(shù)，取 0.9～0.95；Kc為截齒的排列影響系數(shù)，取 1；Ky為截齒對(duì)切割比的影響系數(shù)；θ為截齒安裝角；Kot為礦壓的影響系數(shù)，取0.7。

采煤機(jī)在工作過程中的進(jìn)給阻力Y0可表示為：

式中：Kq為截齒工作時(shí)的進(jìn)給阻力與切割阻力的比值，一般取 0.5～0.8。

采煤機(jī)的截齒在工作時(shí)，因截齒的排列方式不同，在工作時(shí)煤層對(duì)其的阻力影響也不一致，在切割過程中會(huì)產(chǎn)生非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的切割槽，造成截齒的不均衡受力，產(chǎn)生一個(gè)側(cè)向切削力，這個(gè)側(cè)向力X0可表示為：

在采煤機(jī)工作的過程中，滾筒在截煤和落煤的時(shí)候也會(huì)承受包括各種阻力的作用，其作用在滾筒上的力就是在切割過程中的切割力及力矩的矢量和，而由于不同煤層具有不同的物理和力學(xué)特性，因此在切割過程中作用在滾筒上的力的大小、方向是無時(shí)無刻不在變化，為了對(duì)采煤機(jī)在工作過程中作用在滾筒上的力進(jìn)行分析，我們假設(shè)在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)，某個(gè)截齒上所受到的切割合力分解為沿垂直方向A，沿采煤機(jī)的進(jìn)給方向B和軸向力C，分解圖如下頁圖1所示[4]；

經(jīng)分析其可用數(shù)學(xué)式表示為：

式中：Xi為某個(gè)截齒在i時(shí)刻受到的側(cè)向力；Yi為某個(gè)截齒在某一時(shí)刻受到的進(jìn)給阻力；Zi為某個(gè)截齒在某一時(shí)刻受到的切割阻力；αi為某個(gè)截齒在滾筒上的位置角。

采煤機(jī)的滾筒在某個(gè)時(shí)刻瞬時(shí)載荷可用在該時(shí)刻所有參與切割煤層的截齒上的切割力的矢量總和來表示，因此在j時(shí)刻，滾筒在圖示三個(gè)方向上總的作用力可用表示為：

圖1 采煤機(jī)滾筒受力分解圖

在此三個(gè)方向上的轉(zhuǎn)矩可表示為[5]：

式中：Lba、Lca、Lab、Lcb、Lbc、Lac表示滾筒受力點(diǎn)的力臂。

2 采煤機(jī)滾筒和煤層數(shù)學(xué)模型的建立

在對(duì)采煤機(jī)滾筒和截齒在工作時(shí)受力情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，我們采用UG三維建模軟件，對(duì)采煤機(jī)的滾筒和煤層情況進(jìn)行建模，便于對(duì)其工作過程進(jìn)行分析，根據(jù)某采煤機(jī)的實(shí)際參數(shù)，在進(jìn)行三維建模時(shí)，設(shè)定采煤機(jī)滾筒的直徑為1200 mm，葉片的直徑設(shè)置為1000 mm，筒轂的直徑設(shè)置為600 mm，螺旋角為20°，截齒的排列方式選擇為三頭順序式，其三維模型如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)滾筒三維模型

在建立煤壁的三維模型時(shí)，我們使用wall generate操作命令，設(shè)置一個(gè)2000 mm×800 mm×1700 mm的煤層區(qū)域，然后使用ball distribute命令，在墻體內(nèi)生產(chǎn)顆粒，并設(shè)置相應(yīng)的密度參數(shù)，因此采煤機(jī)在切割煤層時(shí)的模擬仿真如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)切割煤層示意圖

3 采煤機(jī)截齒安裝角度對(duì)滾筒切割性能影響的仿真

為了研究采煤機(jī)的截齒安裝的角度對(duì)采煤機(jī)滾筒切割性能的影響，我們采用在滾筒運(yùn)行速度為60 r/min，采煤機(jī)切削時(shí)的切削厚度為15 cm，時(shí)間步長為2～6 s的情況下對(duì)安裝角度為42°、45°、47°和50°的截齒的滾筒的切割過程進(jìn)行仿真分析，結(jié)構(gòu)如圖4—第37頁圖7所示。

圖4 截齒為42°安裝角時(shí)滾筒切削力變化情況

圖5 截齒為45°安裝角時(shí)滾筒切削力變化情況

圖6 截齒為47°安裝角時(shí)滾筒切削力變化情況

由仿真結(jié)果可以看出，在截齒安裝角度不同的情況下，在初始位置，其滾筒的切削力的變化情況基本一致，在剛開始時(shí)由于截齒剛進(jìn)行切削因此力的變化情況比較劇烈，且無規(guī)律分布，在約0.4 s之后，其切削力呈現(xiàn)規(guī)律性的波動(dòng)趨勢(shì)，在滾筒上的截齒連續(xù)工作的過程中，在某些時(shí)間點(diǎn)其受力呈現(xiàn)突然變小或者突然增大，這是因?yàn)榻佚X在切入煤層的時(shí)候會(huì)受到很大的瞬時(shí)阻力，當(dāng)截齒將部分煤塊切下時(shí)，煤塊與煤層之間會(huì)出現(xiàn)一定的自然分離，這個(gè)時(shí)候截齒上所受的力會(huì)變的非常小，如此，反復(fù)不斷地切割過程就呈現(xiàn)出了力的不規(guī)則的變化趨勢(shì)。

圖7 截齒為50°安裝角時(shí)滾筒切削力變化情況

4 結(jié)論

根據(jù)分析結(jié)果可以看出，截齒在工作過程中所受的平均切削力當(dāng)安裝角為45°時(shí)最大，當(dāng)安裝角為50°時(shí)最小，但是在工作過程中安裝角為45°時(shí)的滾筒受力變化情況最小，整個(gè)工作過程相對(duì)平穩(wěn)，因此在安裝截齒時(shí)，其安裝角設(shè)置為45°最為合理。

[1]趙麗娟，王乘云.采煤機(jī)截割部建模與動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2010，17（2）：119－123．

[2]曹艷麗.連續(xù)采煤機(jī)動(dòng)態(tài)特性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

[3]李強(qiáng)，毛君，張明玉，等.采煤機(jī)截齒三向力測(cè)試方案設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2016，23（5）：506-512.

[4]趙麗娟，何景強(qiáng)，許軍，等.截齒排列方式對(duì)薄煤層采煤機(jī)載荷的影響[J].煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（8）：1401-1406.

[5]馬輝，朱麗莎，王奇斌.斜齒輪－平行軸轉(zhuǎn)子系統(tǒng)摸態(tài)耦合特性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（29）：131－136．