采煤機滾筒螺旋葉片使用中的磨損性能研究

溫 智

（晉能控股煤業集團浙能麻家梁煤業有限公司， 山西 朔州 036000）

引言

隨著煤炭需求量的不斷提高，采煤機作為煤炭掘進生產的重要設備，其工作性能穩定性要求越來越高[1]。螺旋滾筒作為采煤機的關鍵組成部件，直接關系采煤機的效率，現已引起煤炭行業的廣泛關注[2-3]。葉片磨損作為采煤機螺旋滾筒的主要失效形式，具有磨損之后不易修復、更換成本高等特點，是采煤機裝煤效率不斷降低的因素之一，同時會限制采煤機的使用壽命及煤炭產量[4-6]。筆者結合多年工作經驗，以MG255/250BW 型薄煤層采煤機螺旋滾筒為研究對象，運用有限元仿真分析方法，開展采煤機滾筒螺旋葉片磨損性能研究，對于降低葉片的失效概率，提升滾筒的工作性能并延長其使用壽命至關重要。

1 采煤機滾筒磨損研究背景

煤炭作為我國主要能源之一，占總能源使用比例高達七成以上。隨著可持續發展戰略的提出，國家開始限制煤炭等不可再生資源的使用，能源使用占有率依然占1/2 以上。我國地大物博，煤炭資源賦存條件差異較大，薄煤層約占煤炭儲量的20%，因薄煤層開采空間小、開采效率低、裝煤效果差，與此同時，薄煤層工況較復雜，含斷層、夾矸、硬質巖石顆粒等情況，對滾筒造成的沖擊磨損和摩擦磨損較嚴重。統計結果顯示，采煤機滾筒因磨損失效導致的經濟損失及停產停工損失每年高達數千萬元，給煤礦企業帶來了極大的經濟負擔。因此，研究采煤機滾筒螺旋葉片使用中的磨損性能，對于改進采煤機滾筒螺旋葉片的耐磨性意義重大。

2 有限元仿真

2.1 三維模型建立

依據采煤機滾筒螺旋葉片工程圖紙，運用SolidWorks 三維建模軟件完成采煤機滾筒螺旋葉片三維模型的建立。為了提高后續仿真計算的效率與準確性，對滾筒及葉片機構進行了適當的簡化，忽略了結構中的倒角、圓角、螺紋等特征。煤層模型采用Hertz-Mindlin with bonding 模型。

2.2 網格劃分與材料屬性設置

采煤機滾筒螺旋葉片與煤巖的網格劃分采用自由劃分方法，以便提高網格的劃分速度和質量，完成網格劃分的滾筒螺旋葉片如圖1 所示。設置有限元模型的材料屬性，其中合金頭材料為YG8，彈性模量為590 GPa、泊松比為0.23、屈服強度為1 500 MPa、密度（體積質量） 為14 600 kg/m3；齒體材料為42CrMo，彈性模量為212 GPa、泊松比為0.3、屈服強度為1 200 MPa、密度（體積質量）為7 850 kg/m3；葉片筒轂端盤材料為16Mn，彈性模量為218 GPa、泊松比為0.3、屈服強度為766 MPa、密度（體積質量）為7 850 kg/m3。煤層涉及煤、鋁質煤巖、灰質煤巖、石灰巖和粉砂巖，對應材料參數如下：泊松比分別為0.28、0.24、0.23、0.21、0.19；彈性模量分別為2.01 GPa、3.62 GPa、12.1 GPa、18.3 GPa、21.5 GPa；堅固性系數分別為1.4、3.5、5.1、6.8、8.4；抗壓強度分別為12 MPa、30 MPa、42 MPa、52 MPa、64 MPa；密度（體積質量）分別為1 280kg/m3、2460kg/m3、2630kg/m3、2610kg/m3、2 600 kg/m3。

圖1 采煤機滾筒螺旋葉片有限元模型

2.3 約束和載荷施加

采煤機滾筒螺旋葉片工作過程中為連續旋轉，故將滾筒軸線設置為旋轉約束，轉速為82 r/min，截割深度為580 mm，牽引速度為4 m/min。設置仿真參數中的時間步長為0.05 s，截割時長設置為20.55 s。

3 仿真結果

3.1 滾筒截割過程

完成煤炭截割仿真分析前處理之后啟動仿真計算求解器進行仿真計算，等待仿真計算過程完成提取不同時刻采煤機滾筒截割煤層的過程，如圖2 所示。圖2 給出了采煤機滾筒截割煤層開始至截割深度大于滾筒直徑的過程，采集的時刻分別為10.55 s、13.05 s、15.55 s、18.05 s、20.55 s。

圖2 采煤機截割煤巖過程

3.2 滾筒葉片受力

由采煤機滾筒螺旋葉片截割煤層仿真計算結果中提取滾筒葉片的受力情況，如圖3 所示。由圖3 可以看出，葉片隨時間變化過程中的受力變化。采煤機滾筒螺旋葉片截齒完成煤層截割落煤之后，煤塊并不是馬上被拋出滾筒之外，而是處于螺旋葉片的包絡區域內部，承受著采煤機滾筒截齒和葉片的復雜作用力，產生不規則的運動，運動的過程中會對葉片產生反作用力。由仿真計算結果可以得出，滾筒螺旋葉片在6.0 s 和20.0 s 兩個時刻的受力較大，存在大塊煤炭沖擊螺旋葉片的情況。

圖3 滾筒葉片受力情況

3.3 螺旋葉片磨損分布規律

螺旋葉片的磨損程度用法向和切向累積接觸能量表示，由采煤機滾筒螺旋葉片截割過程的仿真計算結果可以得出葉片10 s 之后法向和切向累積接觸能量數值，如表1 所示。由表1 可看出，螺旋葉片切向累積接觸能量遠大于法向累積接觸能量，進一步得出，采煤機滾筒螺旋葉片截割煤層過程中所受的摩擦磨損作用遠遠大于沖擊磨損的程度。由表1 數據還可以看出，隨著采煤機滾筒截割深度的不斷深入，螺旋葉片所受的累積接觸能量數值不斷增大，加大螺旋葉片的磨損速度，符合采煤機滾筒螺旋葉片實際工作情況。

表1 螺旋葉片積累接觸能量

3.4 螺旋葉片磨損云圖

由采煤機滾筒螺旋葉片仿真計算結果中提取螺旋葉片截割煤層時的磨損云圖，如圖4 所示。由圖4的仿真計算結果可以發現，隨著滾筒截割煤層深度的增加，葉片的磨損情況越來越嚴重。具體為t=10.55 s時，滾筒處于未截割煤層的狀態，不存在磨損情況；t=20.55 s 時，滾筒進入煤層一個直徑的深度，螺旋葉片磨損程度較為明顯。觀察螺旋葉片磨損云圖可以發現，葉片磨損較為嚴重的位置存在葉片的邊緣、齒座根部及葉片的尾部，與螺旋葉片的實際磨損情況基本一致。統計結果顯示，螺旋葉片工作20.55 s 時，葉片的最大磨損深度為0.003 46 mm，平均的磨損深度尺寸為0.000 217 mm。主要原因是截割落下的煤塊處于螺旋葉片間隔中，不斷沖擊與摩擦螺旋葉片，導致了螺旋葉片外緣及棱角位置存在明顯的磨損情況。

圖4 不同時刻螺旋葉片磨損云圖

4 葉片磨損因素分析及控制策略

采煤機滾筒螺旋葉片磨損問題直接關系采煤機的使用壽命，綜合考慮螺旋葉片苛刻的服役環境，總結得出了影響滾筒磨損的因素主要涉及煤巖特性、環境因素、運動因素、結構因素等。因此，為了提高采煤機滾筒螺旋葉片的工作可靠性，延長采煤機滾筒的使用壽命，需要在螺旋葉片設計制造過程中不斷降低上述各因素的影響程度，如提高螺旋葉片材料的耐磨性、耐腐蝕性等，同時，優化螺旋葉片的結構，使其受力更加均勻，還有就是優化采煤機滾筒的運動參數，提高采煤機工作性能等。

5 結論

1）螺旋葉片切向累積接觸能量遠大于法向累積接觸能量，以摩擦磨損形式為主。

2）螺旋葉片磨損發生在葉片的邊緣、齒座根部及葉片的尾部，與實際磨損情況相符。