基于EDEM 的采煤機(jī)螺旋滾筒受力及優(yōu)化研究

李 明

（霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司方山木瓜煤礦， 山西 方山 033000）

引言

采煤機(jī)是煤礦開采中最為關(guān)鍵和重要的機(jī)電裝備，其性能好壞會(huì)對(duì)采煤效率產(chǎn)生決定性的影響。而采煤機(jī)中螺旋滾筒又是比較關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件，螺旋滾筒的性能好壞會(huì)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過程的效率、可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要的影響。受技術(shù)水平的限制，很長(zhǎng)一段時(shí)間以來，在對(duì)采煤機(jī)螺旋滾筒進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，普遍基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果并非最優(yōu)解。隨著計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中已經(jīng)非常普遍，不僅能顯著降低設(shè)計(jì)周期，還能夠提升機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效果。基于此，本文利用EDEM 有限元軟件對(duì)采煤機(jī)的螺旋滾筒進(jìn)行靜力學(xué)分析，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾筒性能的影響，實(shí)現(xiàn)滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

1 螺旋滾筒有限元模型的建立

1.1 模型的建立

考慮到采煤機(jī)螺旋滾筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，主要由筒轂、端盤、截齒和葉片等部分構(gòu)成[1]。可以首先在UG 三維建模軟件中對(duì)滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模。建模時(shí)為了提升后續(xù)計(jì)算的速度，可以對(duì)部分非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行省略處理，比如倒角、倒圓結(jié)構(gòu)等。研究的采煤機(jī)螺旋滾筒其截齒采用的是三頭順序式排列，筒轂直徑和整個(gè)滾筒的直徑分別為590 mm和1250 mm，葉片直徑及其螺旋升角分別為1100 mm和20°。采煤機(jī)螺旋滾筒的三維幾何模型，如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)螺旋滾筒的三維幾何模型

將建立好的幾何模型導(dǎo)出為STL 格式，然后導(dǎo)入到EDEM 有限元軟件中進(jìn)行建模。除需建立滾筒的模型以外，還需要建立煤層模型，其規(guī)格尺寸為1600 mm×800 mm×1700 mm，墻體由顆粒組成，顆粒之間通過模型進(jìn)行黏結(jié)。模型中煤層的密度、彈性模量和泊松比分別為1674 kg/m3、23 GPa、0.25，其抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為3.67 MPa、15.98 MPa，孔隙率和內(nèi)摩擦角分別為0.06 和34.66°。

1.2 煤壁截割過程

模型中將螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)速度及其牽引速度分別設(shè)置為57 r/min、0.04 m/s，完成各項(xiàng)工作以后對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)模型能夠正常運(yùn)行計(jì)算，說明本模型是可行的，螺旋滾筒對(duì)煤壁進(jìn)行截割的過程如圖2 所示。對(duì)滾筒性能產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)是多方面的，本文主要從截齒安裝角度和截線距兩個(gè)角度出發(fā)，分析其對(duì)截割性能的影響規(guī)律。

圖2 螺旋滾筒對(duì)煤壁進(jìn)行截割的過程

2 截齒安裝角度的影響與優(yōu)化

為了研究截齒安裝角度對(duì)滾筒截割性能的影響規(guī)律，在其他條件全部不變的情況下，分別在模型中將截齒安裝角度設(shè)置為40°、42°、45°、47°和50°，然后對(duì)截齒的受力情況、截割比能耗情況進(jìn)行分析。

2.1 對(duì)滾筒受力的影響規(guī)律

對(duì)不同截齒安裝角度的有效模型進(jìn)行分析后，對(duì)受力情況進(jìn)行提取，截齒安裝角度對(duì)滾筒截割受力在X、Y、Z 三個(gè)方向上的影響規(guī)律，如圖3 所示。

圖3 截齒安裝角度對(duì)滾筒截割受力的影響規(guī)律

X 方向?yàn)闈L筒牽引方向，此方向的力為滾筒的前進(jìn)阻力。當(dāng)安裝角度為50°時(shí)，該方向的受力最小，為680 N。Y 方向?yàn)闈L筒的側(cè)向阻力，不同角度時(shí)相差不大，且都相對(duì)較小，可以忽略不計(jì)。Z 方向?yàn)闈L筒截割時(shí)的阻力，在三個(gè)方向中此力最大，由圖3可知，當(dāng)安裝角度為50°時(shí)，Z 方向的受力最小，為3148 N；當(dāng)安裝角度為42°時(shí)，Z 方向受力最大，為3349 N。可見，不同截齒安裝角度時(shí)，滾筒的截割受力雖然有差異，但是相差幅度很小。

對(duì)不同截齒安裝角度在Z 方向上受力的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)安裝角度分別為40°、42°、45°、47°和50°時(shí)，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差分別為4775 N、5019 N、4367 N、4804 N 和4845 N。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)可知，標(biāo)準(zhǔn)差越小意味著不同截齒之間受力差距越小，說明滾筒工作時(shí)的穩(wěn)定性越好。所以，在受力相差不大的情況下，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差大小，當(dāng)截齒安裝角度為45°時(shí)最優(yōu)。

2.2 對(duì)截割比能耗的影響規(guī)律

截割比能耗是描述滾筒截割性能的重要指標(biāo)，描述了設(shè)備開采得到單位體積煤塊需要消耗的能量[2]。根據(jù)理論分析，滾筒的截割比能耗按照如公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中：t、Vm分別表示時(shí)間及獲得的煤塊體積；n、TM分別表示滾筒的旋轉(zhuǎn)速度及工作時(shí)的扭矩。

本案例中，所有模型按照時(shí)間t=3.6 s 計(jì)算，當(dāng)安裝角度分別為40°、42°、45°、47°和50°時(shí)，對(duì)應(yīng)的滾筒扭矩平均值分別為3730 N·m、3654 N·m、3470 N·m、3476 N·m 和3441 N·m，獲得煤塊體積依次為0.0225 m3、0.0226 m3、0.0231 m3、0.0229 m3和0.0217 m3。基于此，可以計(jì)算得到截齒安裝角度對(duì)截割比能耗的影響規(guī)律，如圖4 所示。

從圖4 中可以看出，隨著截齒安裝角度的不斷增加，截割比能耗整體上呈現(xiàn)先降低后升高的變化趨勢(shì)。當(dāng)安裝角度為40°和45°時(shí)，截割比能耗分別達(dá)到了最大值和最小值，具體數(shù)值為0.994 kWh/m3和0.8965 kWh/m3。可見，從截割比能耗的角度層面看，仍然是安裝角度為45°時(shí)最優(yōu)。綜上，在采煤機(jī)工程實(shí)踐中，螺旋滾筒的截齒安裝角度應(yīng)該設(shè)置成45°，此時(shí)滾筒受力情況以及截割比能耗的狀態(tài)最優(yōu)。

圖4 截齒安裝角度對(duì)截割比能耗的影響規(guī)律

3 截線距的影響與優(yōu)化

在滾筒中，截齒通過齒座安裝在滾筒螺旋葉片上，所謂截線距指的是相鄰兩個(gè)截齒齒尖之間的距離。截線距是滾筒中的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，會(huì)對(duì)煤壁截割過程的穩(wěn)定性、振動(dòng)情況等產(chǎn)生比較重要的影響，還會(huì)影響煤礦開采效率[3]。為了分析截線距對(duì)螺旋滾筒性能的影響規(guī)律，在其他條件保持不變的基礎(chǔ)上，將截線距設(shè)置為60mm、65mm、70mm、75mm 和80mm分別建立模型。

3.1 對(duì)滾筒受力的影響規(guī)律

在完成模型計(jì)算后，利用同樣的方法可以提取不同截線距情況下螺旋滾筒在X、Y、Z 方向上的受力情況，如圖5 所示。由圖5 可知，截線距對(duì)滾筒的受力情況影響規(guī)律比較復(fù)雜，整體上并沒有呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，在X、Y 方向上，當(dāng)截線距為80 mm時(shí)滾筒截割受力相對(duì)較小，但是對(duì)應(yīng)的Z 方向受力卻相對(duì)較大。當(dāng)截線距為65 mm 時(shí)，X、Z 方向的受力情況均達(dá)到了最大值。當(dāng)截線距為70 mm 時(shí)，Y 方向受力相對(duì)不大，并且X、Z 方向的受力均出現(xiàn)了極小值。進(jìn)一步對(duì)不同截線距時(shí)所有截齒受力的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果依次為8096 N、8045 N、7136 N、8260 N 和7961 N。可以看出，當(dāng)截線距為70 mm 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值最小。基于此，認(rèn)為螺旋滾筒的截線距設(shè)置為70 mm 時(shí)最優(yōu)，此時(shí)滾筒的受力情況最穩(wěn)定。

圖5 截線距對(duì)滾筒截割受力的影響規(guī)律

3.2 對(duì)截割比能耗的影響規(guī)律

基于式（1）的理論模型，可以計(jì)算得到不同截線距時(shí)對(duì)應(yīng)的截割比能耗情況，如圖6 所示。由圖6 中數(shù)據(jù)可以看出，截線距與截割比能耗之間并沒有特別明顯的關(guān)系，當(dāng)截線距為65 mm 和70 mm 時(shí)，截割比能耗分別達(dá)到了最大值和最小值，對(duì)應(yīng)的數(shù)值依次為0.8057 kWh/m3和0.6095 kWh/m3。

圖6 截線距對(duì)截割比能耗的影響規(guī)律

綜上，在采煤機(jī)工程實(shí)踐中，螺旋滾筒的截線距應(yīng)該設(shè)置成70 mm，此時(shí)滾筒受力情況以及截割比能耗的狀態(tài)最優(yōu)。

4 結(jié)語

本文主要以采煤機(jī)螺旋滾筒為研究對(duì)象，在對(duì)受力和截割比能耗進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。基于有限元軟件建立的螺旋滾筒截割煤壁的有限模型能順利計(jì)算，基于有限元方法對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。通過分析截齒安裝角度對(duì)滾筒在X、Y、Z 三個(gè)方向上的受力情況以及所有截齒的標(biāo)準(zhǔn)差，發(fā)現(xiàn)當(dāng)安裝角度為45°時(shí)，整個(gè)滾筒表面的截齒受力情況最為穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)的截割比能耗也最低。分析截線距對(duì)滾筒的受力情況和截割比能耗的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)截線距為70 mm 時(shí)最優(yōu)。所以，工程實(shí)踐中，應(yīng)該將螺旋滾筒的截齒安裝角度和截線距分別設(shè)置為45°和70 mm，此時(shí)滾筒性能最優(yōu)。