采煤機截割部滾筒結構的優(yōu)化

杜文博

（太原煤氣化爐峪口煤礦， 山西 古交 030203）

引言

采煤機是礦山開采的重要機械，其工作性能直接關系到礦井開采效率，而滾筒是采煤機主要的工作結構，主要發(fā)揮截割和裝煤兩個功能，所消耗的功率較高。采煤機在實際運行過程中，由于工作環(huán)境惡劣，其截割滾筒內(nèi)截齒發(fā)生折斷的可能性較大，頻繁引發(fā)采煤機停機，不利于正常開采過程的順利展開。為此，必須對采煤機截割滾筒結構進行優(yōu)化設計，保證其參數(shù)合理、結構科學、性能穩(wěn)定。本文主要在已有研究成果的基礎上以MG2×1607710-WD 型采煤機為例，對其截割滾筒結構優(yōu)化進行分析探討，以期為采煤效率及采煤機截割滾筒使用壽命的提升提供借鑒參考。

1 采煤機截割部滾筒結構受力分析

1.1 采煤機截割部滾筒結構

截割部是采煤機的核心部件，其通常配備單獨的電動機，以保證運行的可靠性。截割部主要包括滾筒、調(diào)高機構、擋煤板、相關機械構件等部分，是采煤機中功耗最大的部件。以截割部中的滾筒最為重要，滾筒的性能直接影響截割部運行的可靠性和使用壽命，根據(jù)截割部滾筒結構圖示（見圖1）不難發(fā)現(xiàn)，其包括較多零部件，且截齒焊接在滾筒中。當煤壁較濕且硬度較大時，會增大滾筒受力荷載[1]，影響滾筒性能的可靠及服役壽命。為此，必須進行采煤機截割滾筒結構及工藝參數(shù)的優(yōu)化改進，確保性能穩(wěn)定。

圖1 采煤機截割部滾筒結構

1.2 模型構建

通過UG 數(shù)值模擬軟件構建采煤機截割部滾筒截齒、螺旋葉片的三維模型，以彈性模量4.5 GPa、泊松比0.31、硬度（HRC）85、密度7 800 kg/m3的20 號鋼作為滾筒的主要材料；由于滾筒截齒直接與煤壁接觸，對截齒和刀頭材料的強度及韌度均有較高要求，故截齒材料使用42CrMo 鋼，刀頭則采用YG-8C 鋼。螺旋葉片屬于螺旋結構，建模難度較大，主要通過UG軟件的掃掠命令建立單葉片結構，再整合為螺旋葉片整體。煤壁體積大，也很難直接建立模型，為簡化分析，此處直接構建長1 100 mm、寬900 mm、高2 400 mm 的煤壁模型。將所構建的三維模型導入ANSYS 有限元軟件內(nèi)劃分網(wǎng)格并設置參數(shù)。考慮到該采煤機截割部滾筒形狀復雜，網(wǎng)格劃分過細或過粗均不利于模擬結果的準確，故采用SOLID164 單元進行網(wǎng)格劃分，確定出14 556 個單元和17 681 個節(jié)點。

1.3 數(shù)值模擬結果

根據(jù)模擬結果可以看出，采煤機截割部滾筒截割煤壁的過程包括兩個階段，第一階段為滾筒與煤壁的接觸階段，該階段截齒與煤壁接觸面為截齒主要的受力點，且煤壁顆粒僅少量掉落；第二階段為滾筒旋轉且截齒大面積與煤壁接觸階段，煤壁顆粒間黏結力遭到截齒破壞后煤粒大量脫落，滾筒則沿截割向持續(xù)移動，實現(xiàn)對煤壁的截割。為分析采煤機整體運行效果，必須對各個滾筒內(nèi)單個截齒受力情況進行分析，整合后得出整個采煤機截割部滾筒運行的實際受力情況。

從以上所構建的滾筒結構有限元模型中提取其截齒受力情況進行統(tǒng)計，結果表明，在其38 個截齒中，最大受力和最小受力值分別為52.41 kN、1.68 kN，受力均值6.74 kN；受力均值最大的截齒為與煤壁最先接觸的截齒，在截齒剛接觸煤壁后表現(xiàn)出一定沖擊，導致截齒受力均值較大，此后與煤壁所接觸的截齒受力均值明顯減小。不同截齒受力差異程度可以通過統(tǒng)計學中標準差系數(shù)[2]表示，標準差系數(shù)越大，則表明不同截齒受力程度變動及離散程度較大，反之，則表明不同截齒受力情況更加均勻。該型號采煤機截割部滾筒截齒受力均值標準差系數(shù)取值為0.430，取值較大，表明其滾筒不同截齒受力程度差異和離散程度較大，必須優(yōu)化改進。

根據(jù)對采煤機截割部滾筒接頭正常工作情況下受力變動趨勢的分析發(fā)現(xiàn)，該型號采煤機滾筒在正常工作期間其受力情況并不均勻，所承受的載荷最大值達到6.35 kN，其原因主要在于各個截齒受力情況的差異。一般情況下，零部件載荷程度越大，則越容易在運行過程中發(fā)生失穩(wěn)，性能及使用壽命也會受到不利影響，故必須通過截齒載荷程度的降低來降低滾筒結構載荷。

2 采煤機截割部滾筒結構優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

結合以上分析建立目標函數(shù)，以采煤機截割部滾筒結構參數(shù)為優(yōu)化目標，通過MATLAB 軟件進行結構參數(shù)優(yōu)化。采煤機截割部滾筒結構在正常運行過程中其38 個截齒受力及載荷情況明顯不同，很難保證截齒功能作用的正常發(fā)揮，較高的最大載荷值不利于保持滾筒結構運行的穩(wěn)定性。為此，可以從滾筒結構載荷和截齒受力均勻的角度出發(fā)，通過調(diào)整和優(yōu)化滾筒截齒截線距均值、螺旋升角、截距等結構參數(shù)[3]，以達到改進滾筒結構的目的。

2.2 優(yōu)化結果

根據(jù)ANSYS 有限元軟件分析結果進行采煤機截割部滾筒結構參數(shù)優(yōu)化后，截齒截線距均值、螺旋升角、截距等參數(shù)取值均有不同程度的增大，具體見表1。針對調(diào)整后的參數(shù)取值二次構建采煤機截割部滾筒結構三維模型及有限元模型進行分析。結果顯示，采煤機截割部滾筒全部截齒中最大受力值和均值均降低，標準差系數(shù)值降低至0.250，意味著不同截齒受力更加均勻，可以起到共同承力的作用。

表1 滾筒結構參數(shù)優(yōu)化前后取值對比

進一步分析采煤機截割部滾筒受力情況看出，滾筒受力實際受力過程中載荷值最大達到4.10 kN，比優(yōu)化前降低36.48%，這種降低既有助于滾筒結構性能及運行的穩(wěn)定，又能顯著提升機械設備使用壽命。

3 應用效果分析

MG2×1607710-WD 型采煤機截割部滾筒結構應用以上優(yōu)化方案后進行了應用效果的持續(xù)測試，在持續(xù)半年的測試期內(nèi)截割部滾筒并未出現(xiàn)任何故障和運行異常，采煤機截割部滾筒結構優(yōu)化后截齒受力均勻程度提升，受力及載荷最大值均明顯降低，采煤機運行過程中振動現(xiàn)象得到緩解；采煤機設備運行的故障率明顯降低，工作效能提升，為煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益的提升提供了保證。此次針對采煤機截割部滾筒結構的改進優(yōu)化，實踐應用效果十分顯著，改進優(yōu)化思路可在各大煤礦落實推廣。

4 結語

截割部滾筒結構性能的可靠穩(wěn)定直接關系到采煤機能否正常運行及運行效果，通過構建采煤機截割部滾筒結構三維模型和有限元模型進行其受力及載荷情況分析，發(fā)現(xiàn)其截齒間受力程度及載荷情況差異較大，十分不利于滾筒穩(wěn)定高效運行。通過對滾筒截齒截線距均值、螺旋升角、截距等結構參數(shù)取值優(yōu)化后滾筒結構受力及載荷情況的分析表明，滾筒整體載荷顯著降低，截齒受力差異也得到改善，采煤機應用效果良好，機械運行穩(wěn)定性及煤礦經(jīng)濟效益均明顯提升。