礦井采煤機截割滾筒性能分析研究

李金鍵

（晉能控股煤業集團馬道頭煤業有限責任公司， 山西 大同 037100）

引言

煤礦開采的深度越深，意味著地質環境越復雜，煤巖的硬度也隨之提升，對采煤機截割滾筒的使用性能提出了更高的要求[1-3]。因此，有必要對礦井中使用的采煤機截割滾筒進行分析和研究，深入掌握截割滾筒的使用性能。在此基礎上開展優化改進工作，使之能夠適應更加復雜的工作環境[4-5]。本文主要對采煤機截割滾筒的使用性能進行分析，對于提升截割過程的效率和穩定性具有一定的理論與實踐意義。

1 采煤機截割滾筒概述

以煤礦開采實踐中經常使用的MG2×55/250-BW 型采煤機對案例進行分析[6]。煤礦開采中，采煤機的作用是對煤壁進行截割，并將截割獲得的煤礦物料收集后輸送到破碎機或者刮板輸送機中。截割滾筒是采煤機中非常關鍵的機械結構件，其性能好壞會對煤礦開采質量和效率產生決定性的影響。如圖1 所示為該型號采煤機截割滾筒的整體結構示意圖。由圖1 可知，整個截割滾筒主要由五大部分構成，分別為截齒、齒座、筒轂、端盤、螺旋葉片。其中，螺旋葉片以一定的螺旋升角盤繞在筒轂上，齒座安裝在螺旋葉片上，截齒安裝在齒座上。截割滾筒的很多結構參數會對其性能產生比較重要的影響，本文主要分析關鍵結構參數和工藝參數對其使用性能的影響規律。

圖1 采煤機截割滾筒結構示意圖

2 截割滾筒分析模型的建立

2.1 使用性能指標及影響因素的確定

采煤機截割滾筒的使用性能是一個非常寬泛的概念，具體評價指標很多。本文結合實際情況，選擇4個指標對截割滾筒的使用性能進行評價，分別為截割比能耗、生產效率、截割面積、截割阻力。另外，選取采煤過程中3 個對截割性能影響比較大的結構參數和工藝參數，分別為葉片螺旋升角、截割深度、旋轉速度，分析這些參數對截割滾筒使用性能的影響。基于采煤機截割滾筒的實際結構參數和工藝參數，使用正交實驗的思想，制定的試驗方案如表1 所示。

表1 基于正交實驗方法的試驗方案

2.2 分析模型的建立

2.2.1 截割滾筒三維模型

根據MG2×55/250-BW 型采煤機截割滾筒的實際結構尺寸參數，利用Pro/E 軟件建立截割滾筒的三維幾何模型。考慮模型計算過程的便捷性，將截割滾筒中的一些倒角、倒圓和小孔等細小結構進行忽略處理，這種操作并不會對計算結果精度產生明顯的影響。

2.2.2 基于EDEM 的耦合模型

將建立好的截割滾筒三維模型導入到EDEM 有限元軟件中，對截割滾筒的材料屬性進行設置，按照硬質合金材料屬性進行設置，彈性模量和泊松比分別為210 GPa 和0.3，密度為7 800 kg/m3。本案例中，除了建立截割滾筒模型以外，還要建立煤巖的模型，煤巖中主要包含煤炭和夾矸。其中，煤炭的彈性模量和泊松比分別為2.01 GPa 和0.28，密度為1 280 kg/m3，單向抗拉和抗壓強度分別為0.3 MPa 和12 MPa；夾矸的彈性模量、泊松比和密度分別為18.3 GPa、0.19和2 600 kg/m3，單向抗拉和抗壓強度分別為5.12 MPa 和52 MPa。將以上材料參數輸入到有限元模型中。另外，還需要對模型進行網格劃分，網格劃分質量會對計算過程和結果產生比較重要的影響，有限元軟件中包含有多種形式的網格類型，本研究中選用的是四面體網格，網格尺寸由軟件自動判斷，最終劃分得到的單元數量和節點數量分別為2.23×105和2.54×105個。如圖2 所示為基于EDEM 軟件的截割滾筒與煤巖耦合模型。

圖2 基于EDEM 軟件的截割滾筒與煤巖耦合模型

3 截割滾筒使用性能分析

3.1 葉片螺旋升角的影響

為了分析截割滾筒螺旋升角對其使用性能的影響，將采煤機滾筒的旋轉速度和截割深度分別設置為90 r/min 和575 mm。然后將螺旋升角分別取8°、10°、12°、14°、16°，即表格中的方案10、11、1、12、13。根據上述參數建立模型，提取計算結果并進行計算，可以得到不同螺旋升角時的截割滾筒性能，具體見圖3。

圖3 葉片螺旋升角對截割滾筒使用性能的影響規律

由圖可知，隨著葉片螺旋升角的不斷增大，截割阻力和截割比能耗分別先降低后升高，而后又降低，整體變化規律相對比較復雜。出現這種情況的原因在于螺旋升角發生變化時，截齒相對位置發生明顯改變，使得截齒參與截割的數量及順序出現變化；截割面積隨著螺旋升角的增加呈現出逐漸降低的趨勢，螺旋升角對生產率的影響幾乎可以忽略不計。綜上，認為葉片螺旋升角為10°時，截割滾筒的使用性能最優。

3.2 截割滾筒旋轉速度的影響

將采煤機截割滾筒的截割深度和葉片螺旋升角分別設置為575 mm 和10°，然后將截割滾筒的旋轉速度分別取80 r/min、85 r/min、90 r/min、95 r/min、100 r/min，即表格中的方案2、3、1、4、5。根據上述參數建立模型，提取計算結果并進行計算，可以得到不同截割滾筒旋轉速度時截割滾筒的使用性能，具體見圖4。

圖4 截割滾筒旋轉速度對其使用性能的影響規律

由圖可知，截割滾筒旋轉速度對生產效率沒有影響，而隨著旋轉速度的不斷提升，截割面積和截割阻力呈現出一定程度的降低趨勢，截割比能耗則相反，呈現出逐漸增大的趨勢。旋轉速度增加意味著截割厚度減薄，此時截割滾筒的截割阻力自然會降低。綜上，在不影響生產率的情況下，盡可能將截割滾筒旋轉速度取較小值80 r/min，以便得到最大的截割面積和最小的截割比能耗。雖然此時的截割阻力較大，但是完全在設備能夠承受的范圍內。

3.3 截割深度的影響

將采煤機截割滾筒的旋轉速度和葉片螺旋升角分別設置為80 r/min 和10°，然后將截割滾筒的截割深度分別取555 mm、565 mm、575 mm、600 mm、615 mm，即表格中的方案6、7、1、8、9。根據上述參數建立模型，提取計算結果并進行計算，可以得到不同截割滾筒截割深度時截割滾筒的使用性能，具體見下頁圖5。

圖5 截割滾筒截割深度對其使用性能的影響規律

由圖可知，隨著截割滾筒截割深度的不斷增加，截割比能耗和截割面積幾乎保持不變，說明截割深度對以上兩個性能指標幾乎可以忽略不計。生產效率和截割阻力隨著截割深度的增加均出現了不同程度的增加，它們之間存在正相關的關系。基于此，為了提升采煤機的工作效率，應該將截割深度設置為615 mm。此時截割阻力雖然也處于最大狀態，但是并不會對設備運行穩定性造成影響。

綜上所述，對于MG2×55/250-BW 型采煤機而言，當截割滾筒葉片螺旋升角為10°、旋轉速度為80 r/min、截割深度為615 mm 時，截割滾筒的工作性能最優，在實踐中應該按照上述參數進行設置。

4 結論

當螺旋升角、截割深度、旋轉速度這三個參數分別為10°、615 mm、80 r/min 時采煤機截割滾筒使用性能最優。在實踐應用時，可根據上述的參數對截割滾筒進行設置，以便在最大限度上發揮截割滾筒的性能。