不同滾筒運動參數對采煤機截割性能的作用分析*

張永杰，崔鵬飛

(山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100)

0 引 言

煤炭是我國重要的能源形式及工業原料，為我國經濟的發展提供了動力支撐。隨著工業化經濟的發展，對于煤炭的開采效率提出了更高的要求。采煤機是進行機械自動化采煤的主要設備，目前廣泛使用的滾筒式采煤機，通過滾筒的運動實現煤壁的切割及落煤[1]。在采煤機的作業過程中，其結構參數及運動參數眾多，且相互影響，決定了采煤機的截割性能。采煤機的結構確定之后，其結構參數也隨之確定，運動參數是在截割過程中依據不同的工程條件進行調整的[2]。針對不同的運動參數對于截割性能影響進行仿真分析，以判定運動參數對于截割性能的影響，為提高采煤的開采效率，最優化的運動參數提供依據。

1 滾筒截割模型的建立

采煤機進行開采作業的過程中，螺旋滾筒帶動截齒做旋轉運動，對煤壁形成擠壓，滾筒的運動參數包括滾筒的轉速和牽引速度，運動參數的不同對于截齒的切削厚度、受到的負載及截割的比能耗具有較大的影響[3]。優良的滾筒轉速和牽引速度的組合能夠減少滾筒受到的負載，以較小的耗能獲得較高的開采效率。

在螺旋滾筒進行截割的過程中，多個截齒同時作用，滾筒上受到的負載主要為參與截割過程的截齒所受截割阻力的和。隨著滾筒的運動，同時進行截割作業的截齒不斷變化，同時每一個截齒的狀態也有所變化，而且煤巖的分布不均等性質不同，使得滾筒的載荷作用不斷變化[4]。

依據選定的采煤機型號對截割滾筒進行建模，采用UG建立滾筒的三維模型，并將其導入到仿真分析軟件PFC3D中。PFC3D是進行顆粒幾何體的破裂問題進行研究的有效工具，通過顆粒之間的接觸，能直接分析顆粒間的相互運動及相互影響作用，且可以對任意待下顆粒的集合體行為進行分析，自動生成特定規律分布的顆粒集合，適用于對煤層的開采進行模擬。設定模型的煤壁尺寸為1 m×1 m×2 m(長×寬×高)，在煤壁模型中設定與滾筒軸線相重合的圓形柱切槽，以利于截割過程的進行[5]。

將滾筒與煤壁的模型整合并進行網格劃分處理，得到截割模型如圖1所示，由此進行截割過程的模擬仿真。

圖1 滾筒截割模型

2 滾筒運動參數不同對截割性能的作用仿真分析

依據設定的模型，選取采煤機滾筒的速度分別為40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min，牽引速度分別為2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min，在兩組不同的參數下進行截割過程的模擬仿真，設定運算時間為2 s，由此可以得到16組不同的數據，將各組數據進行分析對比如下。

2.1 滾筒運動參數對滾筒載荷的作用分析

滾筒受到的載荷作用可以分為三個不同方向的分力及合外力作用，如圖2所示為在滾筒轉速為40 r/min、牽引速度為2 m/min時的合外力，從圖2中可以看出，滾筒受到的合外力作用是呈現不斷波動變化的，這是由于截割過程的動態變化過程中，參與截割的截齒數量不同及截齒的受力方向不同造成的。

圖2 滾筒轉速為40 r/min、牽引速度為2 m/min時的合外力變化圖

將各不同滾筒運動參數下的合外力進行匯總并采用Matlab進行繪圖，得到如圖3所示的合外力隨運動參數的變化曲面圖。從圖3中可以觀察到滾筒受到的合外力作用隨滾筒轉速及牽引速度的變化趨勢。滾筒的載荷作用隨著牽引速度的增加而逐漸增加，滾筒轉速增加的過程中，載荷作用卻先增加后減小，在一定的運動參數下，存在著最小的滾筒載荷作用。這是由于滾筒轉速及牽引速度對切削厚度的影響不同造成的，牽引速度增加，截齒的切削厚度近似呈正比例的增加，牽引速度相對截割的線速度其值變化較小，牽引速度增加導致滾筒載荷增加；滾筒轉速的增加則一方面使得切削厚度減小，同時提高了截割的線速度，截割線速度的增加，截齒的阻力作用線增加后減小[6]，因此，在滾筒轉速增加的過程中，滾筒載荷作用呈現先增加后減小的變化趨勢。

圖3 滾筒載荷隨滾筒運動參數的變化趨勢

2.2 滾筒運動參數對截割比能耗的作用分析

滾筒的截割效率通過截割比能耗的大小進行分析，在滾筒截割的過程中，對于截割比能耗的計算較為困難，因此，采用對滾筒的轉矩及落煤的質量進行分析，從而得到截割比能耗的隨滾筒運動參數的變化曲面如圖4所示。從圖4中可以看出，在進行滾筒截割的過程中，隨著牽引速度的增加，截割比能耗呈現先增加后減小的趨勢，在滾筒的牽引速度固定時，滾筒轉速的增加，截割比能耗則呈現先減小后增加的變化。這是由于牽引速度的增加，導致切削厚度的變大，而截割比能耗在一定范圍內隨著切削厚度的增加而減小，使得截割比能耗呈現下降的趨勢；滾筒轉速的增加，會引起切削厚度及截割線速度的變化，在切削厚度和截割線速度的綜合作用下，使得截割比能耗呈現先增加后減小的趨勢。

圖4 截割比能耗隨滾筒運動參數的變化趨勢

3 結 語

滾筒式采煤機是廣泛應用的主要的采煤設備，滾筒的運動參數對于開采的效率具有重要的影響。針對采煤機滾筒的運動參數對截割過程的影響作用進行仿真分析，結果表明，在進行截割的過程中，滾筒牽引速度的增加引起滾筒載荷的增加，而滾筒轉速的增加，滾筒載荷則呈現先減小后增加的趨勢；滾筒牽引速度的增加，滾筒的截割比耗能先增加后減小，而滾筒轉速的增加，截割比能耗則先減小后增加。這些影響作用的不同，與截割過程中的切削厚度及截割線速度的變化有關，在進行實際的開采作業時，應選擇最優化的滾筒運動參數，實現煤礦的高效開采，降低能耗。