截齒安裝角度對采煤機滾筒性能的影響及其優化

紀明濤

(陜西陜煤韓城礦業有限公司 下峪口煤礦,陜西 韓城 715400)

采煤機主要用在綜采工作面上,作用是對煤壁進行截割,獲得煤炭資源,再利用其他機械裝備進行收集并運輸[1]。截割滾筒是采煤機中非常重要的結構件,采煤機工作時就是利用滾筒對煤壁進行截割,因此滾筒的機械結構特征會在一定程度上影響煤壁的截割效率和質量[2]。隨著我國煤礦領域技術水平的不斷發展與提升,對采煤機等裝備的綜合性能要求越來越高,在此背景下對采煤機截割滾筒進行深入分析與研究,進而對機械結構進行優化改進,對于提升采煤機設備性能具有重要的意義。李明昊等[3]以采煤機截割滾筒為研究對象,對螺旋滾筒的裝煤性能進行了分析,并結合實際情況對其性能開展優化改進,通過實踐應用發現效果很好。宋佼佼[4]基于離散元法并利用有限元軟件對采煤機截割部的動力學進行了分析,為掌握采煤機截割滾筒的綜合性能奠定了很好的理論基礎。可見,在采煤機滾筒方面,很多技術人員和學者開展了一定的研究[5]。但以上研究沒有涉及截齒安裝角度對截割滾動性能的影響,而截齒安裝角度又是非常重要的結構參數,有必要進行理論分析。本文在已有研究的基礎上,利用有限元方法分析截齒安裝角度對滾筒綜合性能的影響,并對安裝角度進行優化,確保安裝角度最佳,設備性能最優。對于促進我國采煤機裝備設計能力提升具有一定的理論意義。

1 滾筒截割煤壁有限元模型的構建

1.1 截齒安裝角度

截割頭旋轉軸線與齒座底面之間的夾角,稱為截齒的安裝角度(圖1)。圖1中θ角為截齒安裝角度,x方向和y方向分別為截割頭的旋轉軸線以及截割頭的母線方向,1為截齒實際運行時的軌跡曲線。AD′為截齒的對稱中心線,其中D′為齒尖部位。ABCD平面為截齒齒座的底面位置,ABEF平面與x軸方向垂直,平面BDB′D′同時過截割頭的旋轉軸線x軸和截齒的齒尖D′。則BD與x軸之間的夾角即為安裝角度。

圖1 滾筒截齒安裝角度示意Fig.1 Schematic diagram of installation angle of drum pick

1.2 滾筒與煤壁模型建立

本文利用PFC軟件建立滾筒截割煤壁的有限元模型,但該軟件的三維造型能力有限,所以需要通過三維建模軟件構建截割頭的三維模型,再導入PFC軟件中建立有限元模型[6],使用的三維軟件為UG。建模時一些關鍵參數如下:筒轂直徑、滾筒直徑、葉片直徑分別為590、1 250、1 100 mm,螺旋升角為20°。截齒可在UG軟件中直接生成,利用UG軟件建立的采煤機滾筒結構的三維模型如圖2所示,主要包括截齒、葉片、筒轂、端盤等。螺旋葉片繞筒轂表面安裝,截齒通過齒座安裝在螺旋葉片的頂部區域,端盤對筒轂兩側進行封裝。

圖2 采煤機滾筒結構的三維模型Fig.2 3D model of shearer drum structure

為正確反映截齒與煤壁之間的接觸狀態,需要對截齒材料屬性進行準確設置。截齒主要包括齒尖、齒身和端盤等部分,不同部位功能不同,使用的材料存在差異。其中齒尖需要與煤巖發生直接接觸,對力學性能有較高要求,因此采用硬質合金,其彈性模量和泊松比分別為650 GPa和0.22。齒身、端盤與煤巖之間的接觸稍微緩和,采用42CrMo材料,對應的彈性模量和泊松比分別為200 GPa和0.3。

在PFC軟件中,首先利用Wall Generate命令獲得墻體模型,設置的墻體規格尺寸為1.6×0.8×1.7,再利用Ball Generate命令對生成的墻體進行顆粒化[7]。煤壁的顆粒參數會影響最終模擬結果,本模型中設置的顆粒參數具體如下:顆粒密度、顆粒半徑、孔隙率分別為1 674、0.008、0.06,接觸模量、內摩擦角、泊松比分別為11×109、34.66、0.25。以上物理參數均根據實際煤礦物料測定獲得,能夠真實反映實際情況。

1.3 模型的驗證

為驗證有限元模型的可行性,將滾筒旋轉速度設置為57 r/min,向煤壁方向的前進速度設置為0.04 m/s。利用PFC軟件對建立的有限元模型進行分析計算后,利用后處理程序可以提取想要的結果。采煤機滾筒截齒與煤壁剛接觸時的情況如圖3所示,利用有限元模擬得到的結果與相關煤巖破碎理論基本吻合,驗證了模型的可行性。

圖3 截齒與煤壁相接觸時的情況Fig.3 Condition of pick in contact with coal wall

從圖3(a)可以看出,該時刻截齒與煤壁剛開始接觸,接觸瞬間截齒以一定的力度撞擊煤巖,截齒尖部位置首先嵌入煤巖顆粒中,與煤巖顆粒發生接觸并產生接觸應力。隨著滾筒繼續旋轉,截齒嵌入煤巖顆粒中的深度逐漸增加,與此同時截齒與顆粒之間的接觸應力也慢慢增大。當截齒與顆粒的接觸應力超過煤巖顆粒之間的黏結力時,意味著截齒對煤壁產生的截割力超過了材料的應力極限,煤巖開始出現裂紋,隨后裂紋逐漸擴展,如圖3(b)所示,最后煤巖顆粒之間的黏結現象完全被截齒破壞時,顆粒從煤壁中離開并在重力作用下掉下。

有限元模型中不同時刻采煤機截割滾筒與煤壁之間的狀態如圖4所示。

圖4 不同時刻截割滾筒與煤壁之間的狀態Fig.4 State between cutting drum and coal wall at different times

由圖4可知,采煤機滾筒可以對煤壁進行有效截割,隨著截割時間的延長,截割獲得的煤礦顆粒逐漸增多,該結果與實際情況基本吻合。綜上所述,利用PFC軟件建立的有限元模型可以有效描述滾筒與煤壁之間的關系,因此可以利用此模型來分析滾筒的性能。

2 不同截齒安裝角度時滾筒的受力與頻譜分析

截齒安裝角度是采煤機滾筒的重要結構參數,會對滾筒性能乃至采煤機性能產生重要影響,合理確定截齒安裝角度對于提升設備整體性能非常重要[8]。為確定最優截齒安裝角度,在結合實踐數據的基礎上,分析了5種安裝角度時滾筒截割時的受力情況,通過對比研究確定最優值。5種截齒安裝角度分別為40°、42°、45°、47°和50°,分別按上述安裝角度構建有限元模型,不同模型除上述參數不同外,其他參數完全相同。

2.1 滾筒受力分析與優化

在PFC有限元軟件中完成模型的分析計算工作后,可以對不同截齒安裝角度的滾筒受力情況進行提取分析。通過對不同模型的數據進行對比分析,發現各種安裝角度的滾筒,截齒的受力變化趨勢整體相同。在截割剛開始的一段時間內,由于滾筒與煤壁之間的接觸不穩定,所以截割力出現了較大的波動,到了截割后期,截割過程慢慢趨于穩定,滾筒的受力也慢慢保持穩定,出現周期性的波動。滾筒受力出現周期性波動的根本原因在于截齒與煤巖顆粒之間的接觸存在周期性波動,即截齒與顆粒開始接觸時受力相對較小,隨著截齒截割深度的不斷增加,受力逐漸增大,當顆粒從煤壁上脫落后,截齒的受力將會減小,然后截齒繼續截割下一個顆粒,循環往復。統計了滾筒在X、Y、Z三個方向上的受力平均值及其標準差,同時對滾筒總體受力平均值及其標準差進行了分析。不同截齒安裝角度時滾筒的受力情況統計如圖5所示。

圖5 不同截齒安裝角度時滾筒的受力情況統計Fig.5 Statistics of the force on the drum at different pick installation angles

不同安裝角度時截齒受力標準差統計如圖6所示。需要說明的是,X方向受力指滾筒向煤壁方向前進時的阻力,Y方向的阻力為滾筒側方承受的阻力,Z方向為滾筒對煤壁進行截割時的阻力,是滾筒最重要的阻力來源。

從圖6中可以看出,在其他工況條件完全相同的情況下,截齒安裝角度會對滾筒的受力情況產生一定程度的影響,包括X、Y、Z三個方向都有不同程度的影響。在X方向上,當截齒安裝角度為50°時,滾筒的受力最小,對應的受力標準差值也最少。標準差是滾筒受力統計的一個重要指標,反映統計時間范圍內滾筒受力的波動情況。統計標準差越小,說明整個截割過程中滾筒的受力波動越小,相反,標準差值越大則受力的波動性越大。當安裝角度為50°時,滾筒X方向上的受力標準差最小,說明在該方向滾筒具有良好的運行穩定性。Y方向上,不同截齒安裝角度時,滾筒的受力及其統計標準差均相差不大,說明截齒安裝角度對Y方向的受力影響不大。Y方向的受力為滾筒的側向壓力,側向壓力會導致截齒發生彎曲變形,當壓力較大時可能導致截齒發生斷裂。不管安裝角度為多大時,滾筒的側向壓力均相對較小,說明截齒工作時承受的彎曲變形較小,有利于保障截齒的正常使用。Z方向上,當截齒安裝角度為50°時,滾筒的受力及其統計標準差相對其他安裝角度要小。

結合圖中數據進一步分析不同截齒安裝角度時,滾筒的平均受力及其統計標準差情況。發現當截齒安裝角度為40°時,滾筒整體受力及其標準差均最大,分別為4 600 N和7 719。當安裝角為45°時,滾筒受力平均值及其標準差均達到最小水平,分別為4 488 N和7 368,說明在此結構條件下,滾筒受力最小,且受力過程最穩定。基于以上分析結果,建議將截齒安裝角度設置為45°。

2.2 滾筒載荷頻譜分析

頻譜反映的是滾筒工作時的動力學特征,描述的是滾筒的振動狀態,會在一定程度上影響滾筒的運行穩定性[9]。首先在有限元軟件上提取滾筒的受力數據,再導入MATLAB軟件中,利用傅里葉變換程序對載荷進行頻譜分析,程序中將采樣頻率設置為50 kHz。通過對5種截齒安裝角度的模型數據進行頻譜分析,發現滾筒受力的頻率段主要分布在600 Hz范圍內。其中受力最大值的頻率范圍區間為20～40 Hz,例如,當截齒安裝角度為45°和50°時,受力最大值對應的頻率分別為23.89 Hz和31.67 Hz。該結果對采煤機滾筒結構設計具有一定的指導意義,在開展設計工作時,應該盡量避免這些頻率段,在最大限度上降低滾筒工作時的振動幅度。

3 不同截齒安裝角度時滾筒的截割比能耗

3.1 滾筒受力分析與優化

除滾筒的受力及波動情況以外,比能耗是描述滾筒綜合性能的另一個指標[10]。截割比能耗的定義為采煤機滾筒開采獲得單位體積的煤礦物料需要消耗的總能量。滾筒消耗的總能量可以根據工作時的扭矩大小進行求解計算。本模型中將煤壁簡化為很小的顆粒模型,所以對截割獲得的顆粒數量進行統計,可以得到截割獲得的煤礦物料體積。截割比能耗的具體計算公式如下。

(1)

式中,Hw為截割比能耗;n為截割滾筒的旋轉速度;t為滾筒工作的時間;Tm為滾筒工作時扭矩的平均值;Vm為在t時間內截割得到的煤礦體積。

3.2 截割比能耗的統計結果

為分析截齒安裝角度對截割比能耗的影響情況,根據上述的截割比能耗計算公式,結合有限元模型分析結果,計算了不同安裝角時的截割比能耗大小。滾筒在X、Y、Z三個方向的受力中,只有Z方向上的受力才對截割滾筒的扭曲產生影響,因此可以根據滾筒Z方向的受力大小計算其扭矩值。實際工作時,滾筒上的截齒受力應該均勻地分布在接觸面上,但為簡化計算過程,本研究假設所有截齒上受到的作用力均作用在截齒的齒尖上。不同截齒安裝角時滾筒的扭矩及煤炭體積統計如圖7所示。另外,計算時將滾筒的旋轉速度全部設置為57 r/min,截割時間t全部設置為3.6 s。

圖7 不同截齒安裝角時滾筒的扭矩及煤炭體積統計Fig.7 Torque of drum and coal mine volume statistics with different pick installation angles

根據滾筒截割比能耗的計算公式及統計數據,計算得到了不同截齒安裝角度時,滾筒的截割比能耗數值,結果如圖8所示。從圖8中可以看出,截齒安裝角度對滾筒截割比能耗有很大影響。隨著截齒安裝角度從40°～50°不斷增加,截割比能耗先逐漸降低,然后逐漸增加,中間存在一個最小值。當截齒安裝角度為40°時,截割比能耗達到最大值,數值為0.994,當截齒安裝角度為45°時,截割比能耗達到最小值,為0.896 5。所以,從截割滾筒的截割比能耗角度出發,將截齒安裝角度設置為45°時最佳。

圖8 截齒安裝角度對滾筒截割比能耗的影響規律曲線Fig.8 Law curve of influence of pick installation angle on cutting ratio energy consumption of drum

4 采煤機滾筒實踐應用效果分析

為了驗證上文提出的滾筒截齒安裝角度設計的可靠性,根據上述方案,將其應用到MG2×1607710-WD型采煤機工程實踐中。截至目前,滾筒在工程中的應用時間已經有一年有余,期間對滾筒的運行情況進行了細致的觀察記錄,結果發現滾筒整體運行良好。通過對采煤機滾筒截齒安裝角度的優化,產生的效益可從以下幾點闡述。

(1)采煤機滾筒運行穩定性提升。通過對不同截齒安裝角度的滾筒進行受力分析,發現在截齒安裝角為45°時,其受力平均值及受力統計標準差均達到最低水平,意味著截齒整體受力更加平穩、均勻,能在一定程度上提升滾筒運行的穩定性。通過對滾筒優化前后的運行情況進行對比,發現滾筒結構的振動效應有很大改善,優化后的滾筒故障率與優化前相比降低了20%左右。

(2)產生的經濟效益方面。采煤機滾筒運行穩定性提升,故障率降低,說明企業能節省一定的設備維護保養成本,包括維修人員的成本、零部件檢修與更換成本等。更重要的是,設備故障率降低,意味著設備能投入正常工作的時間延長,能在一定程度上提升采煤機的運行效率。通過對一年時間工作面的采煤數據進行對比分析,發現優化后的采煤機工作效率提升了5.6%左右,為企業創造了非常好的經濟效益。

總之,此次對采煤機滾筒截齒安裝角度的優化改進工作達到了預期效果,為采煤機的穩定可靠運行奠定了堅實的基礎,獲得了相關專家和現場技術人員的一致認可,此經驗值得進一步推廣應用。

5 結論

以采煤機滾筒為研究對象,分析了截齒安裝角度這一關鍵參數對滾筒性能的影響規律,通過對比分析得到最優結果。所得結論主要有:

(1)利用UG軟件建立采煤機滾筒的三維模型,利用PFC軟件建立滾筒截割煤壁的有限元模型。將模型分析結果與理論模型和實際情況進行對比分析,發現有限元模型可以準確模擬截割過程。

(2)通過分析40°、42°、45°、47°和50°五種截齒安裝角度時滾筒的受力情況,發現角度為40°時滾筒的平均受力最大,而角度為45°時滾筒的平均受力最小,且標準差也最小,說明受力過程比較穩定。

(3)對不同安裝角度的比能耗進行分析,發現隨著安裝角度的增加,比能耗先逐漸降低,然后緩慢上升,當安裝角度為45°時比能耗最低。所以將安裝角度為45°時確定了最優結果。

(4)將優化后的滾筒部署到MG2×1607710-WD型采煤機工程實踐中,使得滾筒的故障率降低20%左右,采煤機工作效率提升5.6%左右。