參數(shù)變化對提高采煤機滾筒截割效果的影響分析

許 愿

（晉能控股集團煤業(yè)公司忻州窯礦，山西 大同 037001）

引言

滾筒式采煤機是進行煤礦綜采的重要設(shè)備，具有較大的功率及產(chǎn)量，在煤礦的機械化采煤設(shè)備中具有較大的用量。滾筒式采煤機能適應(yīng)復(fù)雜的煤層條件，進行硬煤的截割，且可采高范圍大，在自動化采煤中被廣泛應(yīng)用。作為重要的采煤設(shè)備，滾筒的截割性能對于采煤作業(yè)的效率及可靠性具有重要的影響[1]。在進行不同煤層的開采作業(yè)時，對于作業(yè)參數(shù)的選取往往依靠經(jīng)驗進行選擇，而不是針對煤層的特性及采煤機的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運動參數(shù)對截割效率的影響進行分析確定，從而造成采煤機參數(shù)的選擇不合適，使得采煤機零件損壞或者截割效率不高[2]。針對這一問題，采用試驗分析的方式，對采煤機截割性能進行分析，從而建立滾筒的截割性能和相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，選取有利的參數(shù)來提高采煤機滾筒的截割效果。

1 煤巖截割試驗系統(tǒng)的建立

采用試驗的方式對滾筒的截割效果進行分析，依據(jù)相似性理論，建立煤巖的截割試驗系統(tǒng)。建立煤巖截割試驗臺，主要包括主傳動、輔助傳動及測試系統(tǒng)三部分，主傳動系統(tǒng)用于實現(xiàn)滾筒的旋轉(zhuǎn)截割，滾筒進行旋轉(zhuǎn)運動，依靠變頻器進行速度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)不同的滾筒轉(zhuǎn)速，依據(jù)采煤機的滾筒轉(zhuǎn)速[3]，設(shè)定試驗臺的滾筒轉(zhuǎn)速為0~115 r/min；輔助傳動系統(tǒng)用于模擬采煤機作業(yè)時牽引速度的調(diào)節(jié)，輔助傳動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動的形式，通過變量泵的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)滾筒的推進移動，主傳動系統(tǒng)固定于導(dǎo)軌上，通過液壓缸的伸縮實現(xiàn)滾筒的前進和后退，設(shè)定滾筒的移動速度為0~2 m/min；試驗中的測試系統(tǒng)采用集流環(huán)的形式進行滾筒旋轉(zhuǎn)三向力的測定，并通過扭矩傳感器進行滾筒的扭矩及轉(zhuǎn)速的測定，所測得的數(shù)據(jù)以頻率的形式輸送到相應(yīng)的信號轉(zhuǎn)換器中，通過電壓的形式輸出到采集卡中，并在屏幕中進行顯示。

進行煤巖截割效果的試驗分析，所使用的截割材料對結(jié)果具有直接的影響，為保證結(jié)果的準確性，截割材料應(yīng)采用均質(zhì)的結(jié)構(gòu)[4]。采用天然粉煤為本體結(jié)構(gòu)，并結(jié)合水泥、黏合劑進行截割材料的配置，將煤樣制品制成為圓柱體結(jié)構(gòu)，高徑比為2∶1，以抗拉強度為主要參數(shù)進行模擬截割材料的配置，在進行配置的過程中，水泥的質(zhì)量不變，通過改變粉煤的質(zhì)量來實現(xiàn)一定的抗拉強度，得到試驗用的煤樣制品[5]。

進行滾筒的截割效果分析，采用的滾筒直徑為530 mm，煤壁的抗壓強度為1.97 MPa，初始條件為牽引速度為1 m/min，采用截齒的沖擊角為50°，截割深度為210 mm，螺旋葉片的升角為25°，選取滾筒的轉(zhuǎn)速為70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min，對不同滾筒轉(zhuǎn)速下的截割效果進行分析。

2 不同切削厚度下的截割效果試驗分析

當(dāng)滾筒移動的牽引速度一定時，在不同的滾筒轉(zhuǎn)速下，所對應(yīng)的切削厚度不同，滾筒的轉(zhuǎn)速為70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min，在試驗條件下對應(yīng)的切削厚度（h）分別為5.36 mm、4.69 mm、4.17 mm、3.75 mm，對滾筒的煤巖截割過程進行試驗，得到不同的切削厚度下滾筒的截割扭矩的時域變化曲線如下頁圖1所示。進一步將滾筒的截割扭矩值進行統(tǒng)計，并將數(shù)據(jù)進行擬合處理，得到如下頁圖2所示的截割扭矩與切削厚度的關(guān)系曲線。

從圖1、圖2中可以看出，隨著切削厚度的增加，則滾筒的截割扭矩也隨之增加，并且呈現(xiàn)一定的指數(shù)變化的關(guān)系。由此可知，在滾筒的轉(zhuǎn)速變化時，則滾筒的截割扭矩與切削厚度呈指數(shù)形式的增加。

圖1 不同切削厚度下截割扭矩的時域變化

圖2 截割扭矩與切削厚度的擬合曲線

在滾筒截割的過程中，截割比能耗表示進行單位體積的煤層截割所消耗的能量的大小，截割比能耗的值越小，則截割效率越高，滾筒的能量損失越小，對截割過程越有利。截割過程中的能耗大部分作用于對煤巖的破壞作用[6]，依據(jù)不同切削厚度時的截割扭矩值的大小及截落的煤巖的質(zhì)量，可以得到截割比能耗與切削厚度的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，在滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下，隨著切削厚度的增加，截割比能耗逐漸減小，并且與切削厚度呈一定的指數(shù)關(guān)系。

圖3 截割比能耗與切削厚度的擬合曲線

煤炭開采過程中的塊煤率是評估煤炭質(zhì)量的重要指標，塊煤率越高，則越有利于煤炭的清潔使用，煤炭的價格更高，提高塊煤率同時可以降低煤炭的粉塵率，有利于煤炭的開采環(huán)境的改善。對不同滾筒轉(zhuǎn)速下的塊煤率進行分析，對截割得到的煤巖進行粒度分級，并依據(jù)相應(yīng)的塊煤標準，可以得到不同的切削厚度下塊煤率的變化關(guān)系曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，塊煤率與切削厚度呈指數(shù)形式的變化，并且隨著切削厚度的增加，塊煤率增加。

圖4 塊煤率與切削厚度的擬合曲線

3 結(jié)論

滾筒式采煤機是煤礦開采的重要設(shè)備，在開采過程中，滾筒的參數(shù)對于煤巖的截割效果具有直接的影響。采用試驗分析的形式，制定相應(yīng)的煤樣制品，通過試驗臺的測定，對不同切削厚度下的截割效果進行分析。在試驗過程中，滾筒的截割扭矩、截割比能耗及塊煤率均與切削厚度呈現(xiàn)一定的指數(shù)關(guān)系，在進行煤礦的開采時，應(yīng)依據(jù)煤巖的性質(zhì)，合理地選擇滾筒的參數(shù)，從而依據(jù)截割扭矩、截割比能耗及塊煤率與切削厚度的關(guān)系曲線確定最優(yōu)的截割效果，提高采煤機的截割效率，保證煤礦的高效開采。