采煤機(jī)螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性分析

胡登高，遲煥磊，郎瑞峰，王會(huì)枝，孫鵬亮

(1.中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司，北京 100011； 2.中煤華晉集團(tuán)有限公司王家?guī)X分公司，山西 河津 043300)

縱觀全球多個(gè)國(guó)家，我國(guó)的煤炭生產(chǎn)量與消費(fèi)量最顯著[1-3]。據(jù)相關(guān)資料顯示，自2000年開始，我國(guó)煤炭生產(chǎn)量增長(zhǎng)速度明顯，直到2014年，煤炭產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)供大于求的狀態(tài)，導(dǎo)致我國(guó)原煤產(chǎn)量變少[4]?；陂L(zhǎng)遠(yuǎn)角度分析，自從我國(guó)頒布新能源發(fā)展、節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，煤炭在天然能源結(jié)構(gòu)中占比從多變少，但目前我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)主體仍然是煤炭[5]。因?yàn)槊簩颖４鏃l件穩(wěn)定性較差，工作面空間有局限，環(huán)境條件復(fù)雜，在實(shí)施采煤作業(yè)時(shí)，采煤機(jī)的機(jī)械性能必須滿足要求。螺旋滾筒屬于采煤機(jī)的核心構(gòu)件，可實(shí)現(xiàn)破煤、裝煤、除塵等作業(yè)[6]。所以，螺旋滾筒的穩(wěn)定性對(duì)采煤機(jī)的穩(wěn)定應(yīng)用存在直接影響。

目前我國(guó)煤炭產(chǎn)業(yè)所用的采煤機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)異常問題導(dǎo)致不可用，滾動(dòng)裝煤效率也受到負(fù)面影響，由此可見，我國(guó)在螺旋滾筒穩(wěn)定性研究方面還有待完善。分析采煤機(jī)螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性，對(duì)完善采煤機(jī)的正常使用、保護(hù)操作人員生命安全存在重要意義。相關(guān)研究學(xué)者對(duì)采煤機(jī)機(jī)械性能進(jìn)行研究，針對(duì)采煤機(jī)滾筒截割性能方面，使用應(yīng)力—強(qiáng)度干涉理論分析采煤機(jī)截割部關(guān)鍵零件穩(wěn)定性能[7]，針對(duì)采煤機(jī)截割部振動(dòng)特性方面，使用雙向耦合理論分析采煤機(jī)截割部振動(dòng)特性[8]?；谏鲜龇治觯疚奶岢隽瞬擅簷C(jī)螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性分析，以市面上最常見的2種螺旋滾筒為例實(shí)施對(duì)比分析，并擇優(yōu)對(duì)其實(shí)施深度分析，全面研究采煤機(jī)螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性影響因素。

1 滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性分析

1.1 研究對(duì)象概況

在分析采煤機(jī)螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性時(shí)，分析目標(biāo)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 研究對(duì)象結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of research object

如圖1所示，此采煤機(jī)結(jié)構(gòu)分為螺旋滾筒、搖臂減速器、固定減速器、牽引部與電動(dòng)機(jī)，其中滾筒、搖臂減速器、固定減速器都具有前后雙向[9-11]。當(dāng)電動(dòng)機(jī)把動(dòng)力發(fā)送至牽引部之后，采煤機(jī)便會(huì)順著輸送機(jī)前進(jìn)，將動(dòng)力發(fā)送至雙向固定減速器，然后驅(qū)動(dòng)左右搖臂減速器，控制滾筒旋轉(zhuǎn)[12]。

1.2 分析程序設(shè)計(jì)

采煤機(jī)螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性分析主要是在Excel表格里導(dǎo)入基礎(chǔ)信息，使用MATLAB軟件參數(shù)運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果反饋至Excel表格實(shí)施分析[13-15]。程序流程如圖2所示。

圖2 分析程序流程Fig.2 Analysis program flow chart

1.3 螺旋滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析情景設(shè)置

在A1類、A2類2種類型的螺旋滾筒中對(duì)比分析，選擇穩(wěn)定性最優(yōu)螺旋滾筒，實(shí)施急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性深入分析。A1類、A2類螺旋滾筒截齒排列信息如圖3所示。

圖3 A1類、A2類螺旋滾筒截齒排列信息Fig.3 Arrangement information of pick of type A1、 A2 spiral drum

如圖3所示，A1類螺旋滾筒與A2類螺旋滾筒的截齒分布存在差異，葉片螺旋升角都是14°。

為了分析采煤機(jī)2種螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性，對(duì)采煤機(jī)應(yīng)用的煤礦進(jìn)行煤層采樣[16]。煤層密度為1 310 kg/m3，抗拉強(qiáng)度為1.09 MPa，抗壓強(qiáng)度為17.72 MPa，彈性模量為4 339 MPa，泊松比為0.24，內(nèi)摩擦角為60°，堅(jiān)固性系數(shù)為2.1，黏聚力為1.85 MPa。

對(duì)比分析A1類、A2類2種類型的螺旋滾筒中，為了分析穩(wěn)定性最優(yōu)的螺旋滾筒在急速滾轉(zhuǎn)控制下截割性能的穩(wěn)定性[17-19]，設(shè)置不同測(cè)試情景，情景條件如下。

(1)情景1。夾矸堅(jiān)固性系數(shù)依次設(shè)定為3.6、5.2、6.9、8.5，牽引速度為4.1 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min，葉片螺旋升角為14°。

(2)情景2。牽引速度依次為3.1、3.6、4.1、4.6、5.1 m/min，夾矸堅(jiān)固性系數(shù)為5.2，滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min，葉片螺旋升角為14°。

(3)情景3。葉片螺旋升角依次為8°、10°。12°、14°、16°，夾矸堅(jiān)固性系數(shù)為5.2，牽引速度為4.1 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速為200 r/min。

在3個(gè)情景中，使用MATLAB軟件計(jì)算螺旋滾筒的受載均值與最大值、載荷波動(dòng)系數(shù)、截割比能耗[20]。

2 穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果分析

當(dāng)采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速是200 r/min、截深是1 200 mm時(shí)，A1、A2類型螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制下，2種類型的螺旋滾筒載荷信息分析結(jié)果見表1、表2。

表1 A1類型螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性分析結(jié)果Tab.1 Stability analysis results of rapid rolling control of A1 type spiral drum

表2 A2類型螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性分析結(jié)果Tab.2 Stability analysis results of rapid rolling control of A2 type spiral drum

分析表1、表2數(shù)據(jù)可知，A2類型螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制下，三相力與三相力矩的波動(dòng)比A1類型螺旋滾筒平穩(wěn)，載荷波動(dòng)小，穩(wěn)定性高。

A1、A2類型螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制下，2種類型的螺旋滾筒截割阻力矩、截割功率變化信息見表3、表4。

表3 螺旋滾筒截割阻力矩對(duì)比結(jié)果Tab.3 Comparison results of cutting resistance torque of spiral drum

表4 螺旋滾筒截割功率對(duì)比結(jié)果Tab.4 Comparison results of cutting power of spiral drum

分析表3、表4可知，A1、A2類型螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制下，2種類型的螺旋滾筒截割阻力矩與截割功率變化趨勢(shì)都存在相似性，但對(duì)比之下，A2類型螺旋滾筒的截割阻力矩、截割功率變化區(qū)間低于A1類型螺旋滾筒，表示A2類型螺旋滾筒截割煤層時(shí)，采煤機(jī)穩(wěn)定性最高，可以在急速滾轉(zhuǎn)下完成截割任務(wù)。

綜上所述，相比之下，A2類型螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制下，穩(wěn)定性最高。為此，本文在MATLAB平臺(tái)中，使用該類型螺旋滾筒在表1的環(huán)境條件參數(shù)下進(jìn)行模擬作業(yè)，分析該螺旋滾筒模態(tài)頻率和變形量，以此判斷該螺旋滾筒在多個(gè)固有頻率階數(shù)下的穩(wěn)定性。A2類型螺旋滾筒模態(tài)頻率和變形量見表5。

在18階時(shí)，螺旋滾筒的模態(tài)振型如圖4所示。

如表5、圖4所示，螺旋滾筒1～20階固有頻率最小值是544.53 Hz，最大值是1 198.22 Hz，變形量的最小值與最大值依次是3.4 mm、12.4 mm，螺旋滾筒最易變形的地方是截齒，變形時(shí)，變形最大值高達(dá)3.747 mm，其他部位的變形情況相對(duì)較弱，當(dāng)采煤機(jī)螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)時(shí)，截齒的穩(wěn)定性最差，需要引起注意。

表5 A2類型螺旋滾筒模態(tài)頻率和變形量Tab.5 Modal frequency and deformation of A2 type spiral drum

圖4 螺旋滾筒的模態(tài)振型Fig.4 Modal shape of spiral drum

情景1中A2類型螺旋滾筒截割性能的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果見表6。分析表6可知，當(dāng)夾矸堅(jiān)固性系數(shù)逐漸變大，A2類型螺旋滾筒受載均值與最大值、載荷波動(dòng)系數(shù)、截割比能耗值也變大，截割比能耗是指采煤機(jī)螺旋滾筒截齒截割單位體積的煤所耗損的能量，此數(shù)值越大，采煤機(jī)螺旋滾筒的穩(wěn)定性越差，振動(dòng)越大。

表6 情景1穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Tab.6 Stability test results of scenario 1

情景2中A2類型螺旋滾筒截割性能的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果見表7。分析表7可知，當(dāng)牽引速度從3.1 r/min提升至5.1 r/min，A2類型螺旋滾筒受載均值與最大值、載荷波動(dòng)系統(tǒng)也逐漸變大，但截割比能耗逐漸變小。原因是牽引速度提升，A2類型螺旋滾筒的最大切削厚度變大，截割比能耗就變大，穩(wěn)定性就越差。

表7 情景2穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Tab.7 Stability test results of scenario 2

情景3中A2類型螺旋滾筒截割性能的穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果見表8。分析表8數(shù)據(jù)可知，當(dāng)A2類型螺旋滾筒的螺旋升角從8°提升至16°，A2類型螺旋滾筒的受載均值與最大值都逐漸變大，雖然增幅不顯著，但是呈現(xiàn)出增大趨勢(shì)。而載荷波動(dòng)系數(shù)和截割比能耗都逐漸變小，原因是葉片螺旋升角變化后，A2類型螺旋滾筒截齒在葉片中的坐標(biāo)與角度都會(huì)出現(xiàn)變化，螺旋升角較小，相同葉片中，前后兩個(gè)截齒之間圓周角變大，導(dǎo)致A2類型螺旋滾筒載荷波動(dòng)變大。A2類型螺旋滾筒在急速滾轉(zhuǎn)控制時(shí)，螺旋升角對(duì)其穩(wěn)定性不存在直接影響。

表8 情景2穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果Tab.8 Stability test results of scenario 2

綜上所述，A2類型螺旋滾筒在急速滾轉(zhuǎn)控制時(shí)，夾矸堅(jiān)固性系數(shù)、牽引速度對(duì)A2類型螺旋滾筒穩(wěn)定性存在直接影響，螺旋升角對(duì)其穩(wěn)定性不存在直接影響。

3 結(jié)論

采煤機(jī)螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制時(shí)，穩(wěn)定性的變化情況十分重要。如果采煤機(jī)螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制時(shí)抖動(dòng)嚴(yán)重，那么穩(wěn)定性便較差，如果不停止運(yùn)行將會(huì)導(dǎo)致采煤機(jī)受損，作業(yè)中斷。本文主要對(duì)A1類、A2類螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，并通過分析可知A2類螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性最佳，且針對(duì)A2類螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制穩(wěn)定性進(jìn)行更深入的穩(wěn)定性測(cè)試分析。分析結(jié)果顯示，該螺旋滾筒急速滾轉(zhuǎn)控制時(shí)，主要遭到夾矸堅(jiān)固性系數(shù)、牽引速度2個(gè)變量影響，在實(shí)際操作中，需格外注意2個(gè)變量的合理設(shè)置，以免影響采煤機(jī)螺旋滾筒穩(wěn)定運(yùn)行。