基于離散元仿真的采煤機滾筒結構優化研究

吳 瓊

（鐵峰煤業公司， 山西 右玉 037200）

引言

采煤機是煤礦井下綜采作業的核心裝備，是集機電液于一體的大型機械設備，在工作時利用截割滾筒的旋轉將煤炭從煤壁上剝離下來，其工作的穩定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業的效率和經濟性，但由于煤礦井下地質條件比較惡劣，而且不同煤層賦存條件的不同，導致采煤機在截割作業過程中受到的截割阻力呈無規則的變化，嚴重影響了采煤機在井下截割作業的效率和使用壽命[1]。

為了提升采煤機綜采作業的經濟性，本文利用離散元仿真分析的方法，建立了采煤機和煤層的三維結構模型，通過對煤層賦予不同的硬度參數，來模擬井下煤層的變化情況，對不同采煤機截割參數下的截割特性進行了分析，對采煤機截割滾筒的截割參數進行了優化，根據實際應用表明，優化后的采煤機能夠將截割效率提升33.2%，將截割比能耗降低24.2%，為優化采煤機截割滾筒結構、提升截割效率和經濟性奠定了基礎。

1 三維耦合模型建立

以MG2×55/250-BW 型采煤機為研究對象，利用三維建模軟件建立1∶1 三維結構模型，在建模過程中對于運動部件必須進行獨立建模，確保整合后采煤機截割滾筒的運行和實際上采煤機截割滾筒的運行狀態一致，截齒類型、數量、傾角、截齒排列方式必須滿足并和實際對應，其三維模型如圖1-1 所示。

為了充分模擬不同煤矸石層情況下的截割特性，利用EDEM 離散元仿真分析軟件建立煤層和采煤機截割滾筒的耦合模型[2]，煤層的物理參數設置時需要和井下真實煤層狀態保持一致，煤層的密度設置為1 531 kg/m3，煤層的彈性模量設置為1.93 MPa，煤層泊松比設置為0.27，煤層的抗拉強度設置為0.29 MPa，夾矸層的密度設置為2 886 kg/m3，夾矸層的彈性模量設置為17.8 MPa，夾矸層泊松比設置為0.20，夾矸層的抗拉強度設置為6.12 MPa，將煤層和煤矸石層按1∶0.3 的比例進行混合，在EDEM 仿真分析軟件[3]中建立采煤機截割滾筒截割煤壁的仿真分析模型，如圖1-2 所示。

圖1 采煤機截割滾筒截割煤壁的仿真分析模型

在進行仿真分析時將采煤機的牽引速度設置為4 m/min，將采煤機截割滾筒的轉速設置為90 r/min，將采煤機的截割深度設置為570 mm，采煤機上接觸的螺旋升角為13°，為了研究不同截割參數下的采煤機截割性能，在其他參數不變的情況下，分別對截齒螺旋升角為 8°、10°、13°、15°、18°，滾筒轉速為 80 r/min、85 r/min、90 r/min、95 r/min、100 r/min，牽引 速 度 為 3 m/min、3.5 m/min、4 m/min、4.5 m/min、5 m/min 情況下的采煤機生產率截割面積和截割比能耗進行仿真分析。

2 采煤機生產率仿真

采煤機的生產率[4]是指采煤機單位時間內的采煤量，是評估采煤機整體生產性能的重要經濟指標，采煤機在不同螺旋升角分布、不同截割轉速和牽引速度情況下的生產率變化情況如下頁圖2 所示。

由下頁圖2 可知，在綜采作業過程中采煤機螺旋升角和截割轉速變化對采煤機的綜采效率沒有影響，而牽引速度的變化對綜采效率的影響成正相關關系。牽引速度越大，綜采作業效率越高，這主要是由于當牽引速度保持不變時，采煤機的截割滾筒在單位時間內并不能截割更多的煤炭因此導致其并不能提升截割效率，而當進給速度發生變化時，可以提升單位時間內的截割量，從而提升截割效率[5]。

圖2 不同截割參數對生產率影響曲線

3 采煤機塊煤率分析

塊煤率是表征煤炭質量的重要指標，塊煤率越高在綜采作業過程中的粉塵就越小，因此提升采煤機塊煤率有助于降低井下的粉塵污染，優化綜采面的作業環境，不同截割參數下的塊煤率如圖3 所示。

圖3 不同截割參數對截割面積影響曲線

由實際分析結果可知，采煤機的塊煤率隨著螺旋升角和轉速的增加而降低，隨著牽引速度的增大而增大，因此可以通過降低采煤機的螺旋升角、截割轉速。并同時增加牽引速度的方式提高采煤機在工作過程中的塊煤率。

4 采煤機截割比能耗仿真

截割比能耗[6]，是指截齒截割單位體積的煤或巖石時所消耗的能量，是反應采煤機截割經濟性的重要指標，截割比能耗越高表明采煤機的截割經濟性越好，反之則說明采煤機的截割經濟性不足，在不同特性下采煤機的截割比能耗分布如圖4 所示。

圖4 不同截割參數對截割比能耗影響曲線

由上頁圖4 可知，截割比能耗隨著采煤機截齒螺旋升角的變化呈“S”型波動，當螺旋角為10°時，截割比能耗最低，約為1.78 kWh/m3，當螺旋升角為15°時，采煤機的截割比能耗最高，約為1.84 kWh/m3。采煤機的截割比能耗與采煤機的截割轉速呈正比，轉速越高截割比能耗越高；采煤機的截割比能耗和采煤機的牽引速度呈反比，牽引速度越大，采煤機截割作業時的截割比能耗就越低。

由實際仿真分析結果可知，當螺旋升角為15°，采煤機的截割轉速為100 r/min，牽引速度為4 m/min的情況下具有最佳的截割經濟性，采煤機截割作業時的截割效率可以提升33.2%，截割比能耗能夠降低24.2%，為優化采煤機截割滾筒結構，提升截割效率和截割經濟性奠定了基礎。

5 結論

1）綜采作業過程中采煤機螺旋升角和截割轉速變化對采煤機的綜采效率沒有影響，而牽引速度的變化對綜采效率的影響呈正相關關系，牽引速度越大，綜采作業效率越高。

2）截割比能耗隨著采煤機截齒螺旋角的變化呈“S”型波動，當螺旋升角為10°時截割比能耗最低，當螺旋升角為15°時，采煤機的截割比能耗最高。

3）采煤機的截割比能耗與采煤機的截割轉速呈正比，轉速越高截割比能耗越高；采煤機的截割比能耗和采煤機的牽引速度呈反比，牽引速度越大，采煤機截割作業時的截割比能耗就越低。

4）優化后的采煤機能夠將截割效率提升33.2%，將截割比能耗降低24.2%，為優化采煤機截割滾筒結構，提升截割效率和經濟性奠定了基礎。