考慮受力均衡性的采煤機(jī)截割滾筒優(yōu)化研究

趙 鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037100）

引言

綜采工作面中采煤機(jī)是非常關(guān)鍵的機(jī)電裝備，截割滾筒又是采煤機(jī)中的工作零件，需要完成截煤、破煤、落煤以及裝煤等任務(wù)，其性能好壞會對采煤機(jī)運(yùn)行效率產(chǎn)生決定性的影響[1]。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對螺旋角、截齒之間的排列方式等進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致截割過程中不同截齒之間的受力呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，整個截割滾筒在不同方向上同樣受力不均[2]。利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法對采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以保障截割滾筒工作性能并提升采煤效率[3]。本文以MG400/930 型采煤機(jī)的截割滾筒為對象開展研究工作，對于提升采煤機(jī)整體的性能，促進(jìn)行業(yè)發(fā)展具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 采煤機(jī)截割滾筒概述

對于采煤機(jī)而言，截割部是其中最為關(guān)鍵和核心的結(jié)構(gòu)，主要利用截割部對煤巖進(jìn)行截割以獲得煤塊物料。截割部本身是一個比較復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，包括調(diào)高系統(tǒng)、滾筒、擋煤板及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)等[4]。截割滾筒是截割部中的核心部件，其運(yùn)行的穩(wěn)定性和效率會對采煤機(jī)的工作效率產(chǎn)生顯著影響，甚至?xí)绊懻麄€設(shè)備的使用壽命。如圖1 所示為采煤機(jī)截割滾筒的主要結(jié)構(gòu)示意圖，主要由輪轂、螺旋葉片、端盤、齒座以及截齒等部分構(gòu)成。

圖1 采煤機(jī)截割滾筒主要結(jié)構(gòu)示意圖

以MG400/930 型采煤機(jī)作為研究對象，截齒通常通過齒座直接焊接在螺旋葉片上，截割滾筒的工作環(huán)境非常復(fù)雜，煤層中間的雜質(zhì)含量較多、硬度較高。如果螺旋葉片升角設(shè)計(jì)不合理或者截齒之間的排列方式不合適，會直接影響截割滾筒的結(jié)構(gòu)性能，使得不同截齒之間的受力不均衡，以及截割滾筒沿不同方向上的受力不均衡。從而增加設(shè)備整體的能耗，縮短截割滾筒的使用壽命。

2 截割滾筒有限元模型建立

基于采煤機(jī)截割滾筒實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸，利用UG軟件建立三維幾何模型。建模中需要對倒角和倒圓等細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略處理，以確保模型計(jì)算過程的順利推進(jìn)，提升計(jì)算速度。將三維模型導(dǎo)出為iges 通用格式并導(dǎo)入到Ansys 軟件中，根據(jù)實(shí)際情況輸入42CrMo 材料的物理和力學(xué)基本屬性，彈性模量和泊松比分別為460 GPa 和0.3，硬度和密度大小分別為HRC80～90 和7 800 kg/m3。還需要建立煤壁的有限元模型，對應(yīng)的物理參數(shù)主要包括：彈性模量3 GPa、泊松比0.36、密度1 400 kg/m3、硬度4、膨脹系數(shù)1.6、內(nèi)摩擦角0.52 rad、黏著力5×105Pa。選用四面體網(wǎng)格采用自動化網(wǎng)格劃分模式，軟件會根據(jù)模型的體積大小，自動設(shè)置網(wǎng)格尺寸，劃分得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量依次為15 324 個和17 298 個。模型中分別將牽引速度、滾筒旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為7 m/min、45.6 r/min。

3 截割滾筒的受力結(jié)果分析

3.1 截齒的受力分析

完成模型分析計(jì)算工作后可以提取計(jì)算結(jié)果對截割滾筒截齒的受力情況進(jìn)行分析。如下頁圖2 所示為計(jì)算得到的不同截齒的平均受力情況。由圖中數(shù)據(jù)可知，所述型號采煤機(jī)截割滾筒共有38 個截齒，不同截齒的平均受力呈現(xiàn)出很明顯的不均勻性。其中，第27、34、36、37 號截齒的平均受力相對較大，27 號截齒受力最大，平均值大小為2 131.5 N；部分截齒的平均受力相對較小，其中第24 號截齒的平均受力值最小，為339.4 N。截齒平均最大值和最小值之間相差6.28 倍。

圖2 不同截齒平均受力統(tǒng)計(jì)情況

為了對截割滾筒不同截齒的受力不均勻性進(jìn)行定量分析，引進(jìn)差異系數(shù)K 來描述截齒受力的波動性。差異系數(shù)K 越小意味著截齒之間的受力情況越均勻，相反差異系數(shù)K 越大表明不同截齒之間的受力情況越不均勻。差異系數(shù)K 的計(jì)算公式如下：

式中：Fi表示第i 個截齒的平均受力大小，n 表示截割滾筒中截齒的數(shù)量，表示所有截齒受力的平均值。將圖2 中的數(shù)據(jù)代入到上式中可以計(jì)算得到差異系數(shù)K 值為0.425。說明不同截齒之間的差異性相對較大，不僅會影響截割滾筒工作時的穩(wěn)定性，引起設(shè)備的振動現(xiàn)象，還會縮短截割滾筒的使用壽命。

3.2 截割滾筒不同方向受力波動系數(shù)分析

定義波動系數(shù)為受力最大值與最小值之間的比值。對截割滾筒工作期間沿X、Y、Z 軸三個方向受力波動系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3 所示。截割滾筒X 軸受力主要來自于牽引阻力，Y 軸方向受力主要來自于截割過程中的側(cè)向阻力，Z 軸方向受力主要來自于截割阻力。由圖可知，截割滾筒在不同方向上受力波動系數(shù)均相對較大，說明不同方向上的受力不均衡性比較顯著，會在一定程度上影響截割滾筒運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低煤巖截割的質(zhì)量和效率。

圖3 截割滾筒不同方向受力波動系數(shù)

4 截割滾筒優(yōu)化改進(jìn)研究

4.1 優(yōu)化思路

基于以上分析可以看出采煤機(jī)截割滾筒在工作時不同截齒之間以及整個截割滾筒不同方向之間的受力均呈現(xiàn)出一定的不均勻性，不利于截割滾筒運(yùn)行過程的穩(wěn)定性和可靠性，需要對截割滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。截割滾筒中的螺旋葉片升角、截齒的平均截線距和平均截距是影響其性能的重要指標(biāo)，因此以上述三個指標(biāo)為優(yōu)化對象，以截割滾筒不同截齒及其不同方向上的受力均衡性為優(yōu)化目標(biāo)，利用Matlab 軟件中的優(yōu)化工具箱開展優(yōu)化改進(jìn)工作。

4.2 優(yōu)化結(jié)果分析

優(yōu)化前截割滾筒的平均截線距、螺旋升角和平均截距依次為26.6 mm、19°和237 mm，經(jīng)過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后，上述三個參數(shù)的數(shù)據(jù)分別為30 mm、19.8°和249 mm，與優(yōu)化前相比較，三個結(jié)構(gòu)參數(shù)分別提升了12.78%、4.21%和5.06%，可以在一定程度上提升截割滾筒的截割性能。根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次利用Ansys 軟件建立有限元模型，并對截割滾筒不同截齒以及不同方向上的受力情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。如圖4 所示為優(yōu)化后截割滾筒不同截齒的平均受力統(tǒng)計(jì)情況，可以看出，不同截齒之間的平均受力仍然表現(xiàn)出一定的不均勻性，但與優(yōu)化前相比較受力不均勻性得到了很大的改善。利用圖4 中的數(shù)據(jù)計(jì)算優(yōu)化后的差異系數(shù)K 值，結(jié)果為0.252。與優(yōu)化前相比較差異系數(shù)K 值降低了40.8%，表明不同截齒之間的受力均衡性得到顯著改善，有利于提升結(jié)構(gòu)的使用壽命。

圖4 優(yōu)化后截割滾筒不同截齒的平均受力統(tǒng)計(jì)情況

對優(yōu)化后截割滾筒不同方向的受力波動系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將其與優(yōu)化前的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如下頁表1 所示。由表可知，通過優(yōu)化改進(jìn)使得截割滾筒不同方向上的波動系數(shù)均出現(xiàn)了很大程度的降低，表明截割滾筒工作穩(wěn)定性得到提高。

表1 優(yōu)化前后截割滾筒不同方向受力波動系數(shù)對比

將優(yōu)化改進(jìn)后的截割滾筒安裝到MG400/930型采煤機(jī)中，對其各項(xiàng)性能進(jìn)行實(shí)踐測試發(fā)現(xiàn)整體良好，未出現(xiàn)明顯的故障問題。經(jīng)過初步統(tǒng)計(jì)分析認(rèn)為通過對截割滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使得實(shí)際使用壽命提升了10%以上。

5 結(jié)論

1）以MG400/930 型采煤機(jī)截割滾筒為對象，對不同截齒的受力情況和不同方向受力波動情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)截割滾筒中不同截齒之間的受力情況呈現(xiàn)出顯著的不均勻性，不同方向上的受力波動性也相對較大。

2）在此基礎(chǔ)上對截割滾筒的螺旋升角、平均截線距和平均截距進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化后截割滾筒不同截齒之間的受力均勻性得到很大改善，不同方向上的受力波動系數(shù)也出現(xiàn)了很大程度的降低。

3）將優(yōu)化后的截割滾筒部署到工程實(shí)踐中，現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)性能良好，能使截割滾筒的使用壽命提升10%以上。