采煤機滾筒截割動力學研究

史小軍

（山西省陽泉市燕龕煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

采煤機作為我國煤礦生產的主要機械設備，在煤礦開采中有著重要的影響。目前我國使用最廣的采煤機為滾筒式采煤機，其主要部件有電動機、截割部、附屬裝置及牽引部。在采煤機工作過程中，截割部與截割煤壁進行接觸，煤壁的變化直接反應到傳動裝置及工作機構上，所以采煤機的截割性能對煤礦的開采效率、采煤機滾筒的使用壽命及可靠性至關重要，因此對采煤機的滾筒截割性能進行分析十分必要。此前我國眾多學者對此進行過一定的研究，徐盼盼[1]等針對采煤機裝煤差的問題，對采煤機鼓形進行優化設計，通過離散元對設計后的滾筒截割性能進行對比，發現優化設計后的滾筒截割煤塊更大、裝煤率更大，有效地解決了采煤機裝煤效果差的問題。呂斌[2]利用matlab軟件對不同工況下采煤機滾筒截割性能進行分析，給出了不同工況下截割載荷及截割力矩的變化趨勢，為降低截割機構的沖擊載荷做出一定的貢獻。肖守業[3]為了解決截齒的受力不均導致采煤機的截齒磨損，通過研究采煤機滾筒截齒的截割性能，通過得到的數據對采煤機滾筒進行合理化配置，有效地增大了采煤機滾筒的使用壽命。溫慶華[4]通過分析截齒的受力，利用CATIA進行三維模型建立，并利用ANSYS進行模擬，給出了截齒受力的主要影響因素。并通過正交試驗給出了三種影響因素的最優組合法，對滾筒的設計起到指導作用。本論文利用PFC3D軟件對不同截割參數下煤壁變形、及截割性能進行分析，給出采煤機滾筒截割的最優化設計。

1 模型建立

采煤機滾筒截齒是影響采煤機截割性能的重要因素，截齒在接觸煤壁后造成煤塊的掉落，本文通過對采煤機截割參數如截割角、截割厚度等進行改變，研究不同參數下煤壁的破壞特征及截齒受力情況，以此來達到對截割參數的優化目的。

在進行采煤機正常工作時，采煤機滾筒截齒以恒定的截割線速度進行截割，但由于截割的距離較短，所以默認為截齒沿著切線的方向進行截割，同時在截割過程中，截割的厚度液是恒定的，以此達到簡化結果的目的。首先進行模型的建立，煤壁模型的長寬高尺寸分別為150 mm、200 mm和120 mm，其中截割煤壁尺寸分別為150 mm、100 mm和50 mm，煤壁的參數設置分別為：顆粒密度為1 675 kg/m3、接觸剛度15 GPa、抗拉強度為1.5 MPa、孔隙率為0.2、摩擦角為35°和內聚力為4 MPa。完成模型參數設置后，對模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，需要充分考慮到計算精度及電腦性能。本文網格劃分數為61 344，模型示意圖如1所示。

圖1 采煤機截齒截割模型示意圖

2 模型計算

完成上述操作后，對模型進行計算，截齒在與煤壁進行接觸時，會產生復雜的應力環境，當截齒與煤壁間的拉伸應力大于煤的抗拉強度后，煤壁發貨時能斷裂，煤塊發生截落，當煤壁與截齒間的剪切應力大于煤的抗剪強度時，煤壁產生剪切裂縫。分別對截齒截割過程中煤壁剪切機拉伸斷裂進行分析，示意圖如下頁圖2所示。

圖2 截割過程示意圖

如圖2所示為截齒截割煤壁示意圖，當模型運行至5 000次時，此時截齒與煤壁剛發生接觸，與截齒接觸的煤壁受到拉升作用，發生拉伸破壞，隨著截齒的移動，煤壁的破壞面積逐步增大，截割深度逐步加深，當運行次數達到13 000次時，煤壁發生明顯的破壞，受到截齒厚度的影響，裂縫的擴展逐步趨于穩定，模型運行5 000次和運行13 000次后煤壁斷裂個數分別為2 338和39 432。

對不同采煤機截齒截割角度進行計算,模型的截割角是指截齒軸線與XY所在的平面夾角，本文選定截割角為45°、50°和55°，截割距離為20 mm。計算結果如圖3所示。

圖3 不同截割角度下煤壁破壞示意圖

從不同截割角度下煤壁的變形情況可以看出，當截割角度為45°時，此時煤壁內部裂縫是由采煤機滾筒截在X方向上運動及滾筒截齒在軸向運動共同作用產生，此時煤壁內部的破壞顆粒數為135355個，破裂的擴展相對較為均勻，在采煤機滾筒截齒移動及軸線方向上的破壞并不明顯。當截割角度為50°時，此時煤壁破壞情況較截割角度45°有所增大，截齒在沿著移動方向的擴展是三種截割角度下最遠的，此時煤壁的破壞顆粒數為146 342個，同時截割角度為50°時截齒會在軸線的方向發生一定的擴展。當截割角度為55°時，此時的破壞區在沿滾筒截齒軸線方向上的延伸最為明顯，在沿著截齒運動方向的擴展長度較截割角度50°時有所下降，但較截割角度45°有著明顯的改善，此時煤壁的截落顆粒數為167 726個，為三種截割角度下的最大值。

當切削厚度為10 mm，截割線速度3 m/s，截割角度為40°時，此時的截齒的三向受力隨截割距離的變化趨勢如圖4所示。

圖4 截齒載荷隨截割距離變化曲線

從圖4-1可以看出，隨著截割距離的增大，推進阻力呈現出大幅度的波動，波峰位置是截齒與煤壁進行接觸，截齒受到較大的阻力出現峰值，截齒在完成截割后推進阻力出現較小值，且在截割距離小于2 mm時，波峰位置的波動明顯大于其余位置的峰值。這是由于截齒剛接觸煤壁，造成截齒受到的阻力瞬間增大，出現最大值。根據圖4-2可以看出，隨著截割距離的增大，截齒的側向力呈現波動性變化，且隨著距離的增大，波動的幅度也在逐步增大，在截割距離為20mm時，截齒受到的側向力最大，為3565N。觀察圖4-3可以看出，當截齒距離在5～15 mm內時，截割阻力的峰值較大，最大值為4 214 N。圖4中虛線分別為推進阻力、側向力及截割阻力的平均值，分別為790 N、-37 N及1 195 N。

對切削厚度5 mm時，不同截割角度下截割阻力均值隨切割速度變化趨勢進行分析，不同截割角下截割阻力隨截割線速度變化趨勢如下頁圖5所示。

圖5 不同截割角下截割阻力隨截割線速度變化趨勢圖

從圖5可以看出，隨著截割線速度的不斷增大，截割阻力呈現出先減小后增大的趨勢，當截割線速度為4 m/s時，截割阻力出現最小值，這是由于截割線速度較小時，截齒嵌入煤壁較難，所以承受較大的阻力，隨著截割線速度的增大，截齒嵌入煤壁難度逐步降低，截割阻力降低，但當截割線速度進一步增大時，由于截齒在一定的時間內截割的煤體增多，所以截割阻力呈現增大的趨勢。同時根據不同截割角度的變化趨勢可以看出，截割角度為40°時截割阻力明顯高于其他三種截割角度，這是由于截割角度較小時，隨著截齒的深入，截齒與媒體發生擠壓，造成截割阻力增大。

3 結論

1）不同截割角度下截齒在沿著移動方向的擴展長度從小至大分別為50°、55°及45°，截齒沿滾筒截齒軸線方向上的延伸長度從小至大分別為55°、50°和 45°。

2）根據截割載荷隨截割距離的變化曲線可以看出，推進阻力、側向力及截割阻力的平均值分別為790 N、-37 N及1 195 N。

3）隨著截割線速度的不斷增大，截割阻力呈現出先減小后增大的趨勢，同時當截割角度為40°時，截割阻大于截割角度45°、50°、55°的截割阻力。