礦井采煤機螺旋滾筒截齒關鍵參數優化設計研究

王稷峰

（陽泉煤業集團長溝煤礦有限責任公司，山西 晉中 032700）

引言

礦井采煤機通過自身的結構設計實現了截煤和裝煤的工序。采煤機的螺旋滾筒是截割部的主要組成部件，通過螺旋葉片將脫落的煤炭擠推至刮板運輸機。采煤機已實現了高度集成化的一體式機械化設計，能夠很好地適應地質條件和惡劣的礦井環境。但是隨著對煤炭資源需求量的增加，對采煤機的工作性能有了更高的要求。尤其是作為截割部核心部件的螺旋滾筒承擔著整個切削煤炭物料的重任，其中截齒是直接與煤巖接觸的零部件。在實際生產過程中，截齒由于受到較大的載荷作用，最容易發生磨損和破壞[1]。因此，應對截齒安裝的關鍵參數進行優化設計，提高截齒在螺旋滾筒上排布的合理性。采用PFC 仿真軟件對滾筒截割過程進行計算分析，以降低能量損失和提高截齒使用壽命為目的，對截齒的安裝角度和截線距參數進行優化設計，得出能夠使截割比能耗最小的數據值。截齒參數優化設計有利于提升采煤機的可靠性和安全性。

1 采煤機螺旋滾筒截齒截割性能的影響因素及評價指標

1.1 螺旋滾筒結構關鍵參數

采煤機螺旋滾筒結構的關鍵參數主要分為6 大類，分別為滾筒直徑、葉片升角、葉片頭數、截齒排布方式、截線距、截齒安裝角[2]。通常提升滾筒直徑數值將降低滾筒旋轉時的線速度，有利于提升煤炭的產出率。但是同時也增加了螺旋滾筒的重量，影響結構穩定性并增加了能量損耗。螺旋葉片的升角應在規定范圍內，如果升角的角度過大，將使得煤炭粉塵飛揚，不利于人員的職業健康安全。對螺旋滾筒結構性能有重要影響的是截齒的排布方式。通過對截線距和安裝角度的優化設計以提高塊煤率。通過理論研究，截線距過大時容易形成封閉式切削，截線距過小時的塊煤率偏低[3]。安裝角是平衡截割軸向力和減小載荷阻力的關鍵因素。因此，應保證截線距和安裝角在適宜的范圍內。

1.2 螺旋滾筒運動參數

螺旋滾筒各種載荷力的產生是通過運動來實現。運動參數主要包括滾筒轉速和牽引速度。過低的滾筒轉速對煤流通道造成了阻塞，降低了截割的效率。牽引速度與滾筒轉速應相匹配，如果兩者的匹配性較差，會使得采煤機內部零部件的損壞。當牽引速度較大而滾筒速度較低時，就會造成螺旋滾筒還沒有完成切削就被轉移至下一個工作面，嚴重影響了生產效率。

1.3 截割性能評價指標

通常采用比能耗作為結構性能是否好壞的關鍵指標。比能耗與合金頭制作材料、截齒排布方式、切削厚度等因素密切相關，該評價數值越小越好。塊煤率也是另一個關鍵指標，對于煤炭開采質量可進行直接評價。與比能耗的影響因素相似，同時還受到了葉片螺旋升角的影響。要提高螺旋滾筒的生產效率，就應降低比能耗和提升塊煤率。截齒關鍵參數的設計應基于兩個指標為設計目標。

2 截割過程的離散元分析

2.1 PFC 離散元分析簡介

PFC 離散元分析法也是仿真計算的一種類型。該分析方法對于巖石的裂紋產生和破碎過程的計算較為精確，對于截齒切削煤巖的過程，可采用PFC 離散元分析方法。PFC 方法主要是研究接觸問題，包括顆粒、墻體以及顆粒之間的力學關系。對煤炭物料的參數進行設置時，要考慮每個仿真顆粒的直徑和高度[4]。

2.2 螺旋滾筒截割過程仿真計算

采用UG 軟件對煤炭以及螺旋滾筒的三維模型進行建立。截齒排布采用三頭順序式，直徑為1500 mm，葉片直徑為1 200 mm，螺旋升角為20°，如圖1 所示。

圖1 螺旋滾筒三維模型

將UG 軟件建立的三維模型導入至PFC 軟件，并設置煤壁的顆粒參數為：顆粒密度1 774 顆/m3、孔隙率0.08、顆粒半徑0.01 m、內摩擦角35.77°[5]。盡可能地細化煤壁的顆粒尺寸，提升仿真計算的精確性，但是同時為提高計算效率，應保持顆粒大小在合理范圍。煤壁的顆粒模型如圖2 所示。

圖2 煤壁顆粒模型示意圖

按照螺旋滾筒工作面的位置，設置牽引速度為0.04 m/s，滾筒的自轉速度為57 r/min[6]。螺旋滾筒按照上述速度與煤壁進行接觸并產生切削作業。煤壁每個顆粒的黏結屬性在本質上為Flat-Joint 模型，該模型將設置抗拉強度、內聚力、摩擦角摩擦系數等關鍵仿真計算數據。將整個仿真時間設置為8 s，第8 s的螺旋滾筒截割狀態如圖3 所示。

圖3 螺旋滾筒截割煤壁過程示意圖

3 螺旋滾筒截齒參數優化

3.1 截齒安裝角度優化

采用上節相同的仿真計算過程，對截齒不同安裝角度條件下，截割比能耗的數據大小進行對比。對比安裝角度包括40°、42°、45°、47°、50°，對不同安裝角度截落的煤炭顆粒進行統計，并且將間隔時間、滾筒轉速、扭矩和截落顆粒數帶入至比能耗計算公式進行計算，計算結果如表1 所示。

表1 不同安裝角度的比能耗數據表

通過計算結果可知，安裝角度為45°的滾筒截割比能耗較低，單位時間內截落相同體積煤壁顆粒需要的能量較少，安裝角為40°的滾筒截割比能耗較大，因此，從能量消耗角度來看，選用安裝角度為45°的滾筒截割較為合適，在實際工程應用中可采用。

3.2 截線距

對比分析5 種不同截線距的比能耗數據，截線距包括60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm。與截齒安裝角度對比能耗的計算方法相同，將螺旋滾筒切落的煤炭顆粒體積與截齒受到的扭矩平均值帶入至比能耗計算公式，得到比能耗數據。螺旋滾筒截割煤巖的仿真圖，如圖4 所示。不同截線距的比能耗數據如表2 所示。

圖4 螺旋滾筒截割煤巖的仿真圖

表2 不同截線距的比能耗數據表

在相同截割工況下，截線距為70 mm的滾筒截落煤顆粒較多，截割比能耗較低，截線距80 mm 滾筒次之，截線距60 m、65 mm 滾筒雖然受到的截割力較小，但是截落的顆粒較少，截割比能耗較大，消耗的能量也大，因此在所研究的工況下，宜采用70 mm滾筒進行截割。

4 結語

螺旋滾筒作為采煤機截割部的核心部件，其工作性能的優劣直接決定采煤機的功效、煤炭的質量與經濟成本。為了提高采煤機螺旋滾筒的實際開采過程中的工程效率以及延長截齒的使用壽命。以比能耗數據為優化對象，對截齒的安裝角度和截線距兩個關鍵參數，各選取的5 個數據進行了對比分析。利用PFC 離散元分析法對螺旋滾筒切割煤炭的過程進行了仿真計算，在確保計算結果的精確性的條件下，得出了截齒安裝角度為45°和截線距為70 mm的螺旋滾筒能夠降低比能耗數值，減小截割過程的能量消耗。研究成果可為螺旋滾筒的制造廠商以及現場實際工程應用提供依據。