關(guān)于含夾矸煤巖采煤機(jī)螺旋滾筒截齒磨損問題分析研究

王 超

（霍州煤電集團(tuán)云廈白龍礦建分公司，山西 霍州 031400）

晉牛煤礦開采夾矸煤以及薄煤層時(shí)，采煤機(jī)螺旋滾筒受到復(fù)雜沖擊，出現(xiàn)磨損甚至報(bào)廢問題，導(dǎo)致煤礦原煤產(chǎn)出率降低，造成了人力財(cái)力浪費(fèi)。本文以晉牛煤礦采煤機(jī)螺旋滾筒截齒為研究對(duì)象，使用軟件對(duì)螺旋滾筒進(jìn)行建模，利用EDEM 進(jìn)行磨損仿真，通過數(shù)值模擬方式，快速精準(zhǔn)鎖定磨損位置以及磨損量，確定最佳的參數(shù)組合，確保磨損量最小化，為后續(xù)提高滾筒壽命的研究提供依據(jù)。

1 磨損機(jī)理分析

根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)，導(dǎo)致采煤機(jī)滾筒截齒失效的原因大部分是由于螺旋滾筒磨損造成。一旦截齒失效就需要立即更換，而頻繁更換將會(huì)帶給企業(yè)較大的成本投入[1-4]。基于此，本文首先進(jìn)行采煤機(jī)螺旋滾筒的磨損研究。

1）采煤機(jī)截齒破煤過程分析

破煤過程分為四大階段：首先為煤巖層變形階段，即采煤機(jī)截齒碰到煤巖體，繼續(xù)前進(jìn)受力導(dǎo)致形變；其次為煤巖體形成裂紋階段，即截齒繼續(xù)前進(jìn)齒尖插入煤巖體，造成中部與兩側(cè)受力不均勻，隨著應(yīng)力加大，達(dá)到煤巖體的抗拉強(qiáng)度，出現(xiàn)裂紋；接下來為裂紋發(fā)展階段，即截齒繼續(xù)插入，形成裂紋相互交匯，持續(xù)增大，煤巖體出現(xiàn)破裂；最后為煤巖崩落階段，即隨著截齒持續(xù)深入，齒尖能量不斷被放大，裂紋延伸與紋理重疊，導(dǎo)致煤塊開始崩落。至此，采煤機(jī)就完成了一整套落煤過程，接下來循環(huán)往復(fù)，完成整個(gè)煤層落煤。

2）磨損機(jī)理分析

在采煤機(jī)破煤過程，截齒與煤巖體直接接觸，煤巖中固性較大的硬質(zhì)材料會(huì)與截齒表面發(fā)生摩擦，導(dǎo)致截齒表面脫落，形成磨粒磨損。磨粒磨損機(jī)理主要分為三種：① 微觀切削機(jī)理；② 疲勞破壞機(jī)理；③壓痕機(jī)理。

磨粒磨損機(jī)理主要與表面載荷、磨粒大小、金屬表面特性以及硬度等相關(guān)，隨著表面載荷、磨粒大小等參數(shù)變化而發(fā)生變化。采煤機(jī)截齒磨損機(jī)理結(jié)合微觀與壓痕機(jī)理，即磨粒在外力作用下壓入截齒表面形成梨溝狀。

2 構(gòu)建煤巖截割仿真模型

1）采煤機(jī)截割部三維建模

本文選取常見MG2×70/325-BW 采煤機(jī)為研究對(duì)象，圖1 為該機(jī)型采煤機(jī)截齒分布以及編號(hào)圖。螺旋滾筒的截割直徑為0.8 m，最大的截割深度達(dá)到0.6 m。

圖1 采煤機(jī)截齒分布以及編號(hào)圖

下面使用三維建模軟件Creo 對(duì)螺旋滾筒進(jìn)行建模，按照?qǐng)D1 的截齒編號(hào)以及分布位置確定截齒裝配關(guān)系，確保截齒精準(zhǔn)性，其螺旋滾筒裝配模型圖如圖2。在對(duì)截割部搖臂建模時(shí)，為了提高仿真效率可以將截割部的外形圓倒角特征等取消，而內(nèi)部起傳動(dòng)作用的部件需要通過準(zhǔn)確建模來進(jìn)行，保證組件準(zhǔn)確性，其余零件則按照標(biāo)準(zhǔn)件自動(dòng)生成即可。

圖2 螺旋滾筒、截割部裝配模型圖

2）ADAMS 前處理

將截割部三維模型另存為.stp 格式導(dǎo)入ADAMS 后，需要對(duì)模型的材質(zhì)、屬性等進(jìn)行設(shè)置。在對(duì)材料進(jìn)行定義時(shí)，首先左擊選中組件，通過Modity 設(shè)置為Mass Properties，進(jìn)行材料定義。在完成材料的設(shè)置后，軟件將會(huì)根據(jù)材料屬性自動(dòng)生成部件質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

完成屬性設(shè)置后，需要根據(jù)實(shí)際裝配關(guān)系來對(duì)模型中組件完成約束，旨在準(zhǔn)確模擬組件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在對(duì)截割部約束定義時(shí)，包含的低副有：截割部組件與地面滑動(dòng)、電機(jī)與截割部內(nèi)的齒輪副等。根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，限制模型自由度，例如截割部與地面的垂直方向限制相對(duì)運(yùn)動(dòng)。完成約束定義后，需要在模型上按照實(shí)際情況添加驅(qū)動(dòng)。在軟件中，選擇使用在不同組件上添加驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行，其中驅(qū)動(dòng)分為兩類：滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)。

3）構(gòu)建離散元仿真模型

在構(gòu)建離散元仿真模型時(shí)，按照?qǐng)D3 仿真模型邏輯流程圖來展開，具體見圖3。

圖3 仿真模型邏輯流程圖

3 基于EDEM 仿真結(jié)果對(duì)比分析

3.1 滾筒磨損情況分析

將實(shí)際工況設(shè)置為仿真條件，分析滾筒的磨損狀態(tài)。圖4 為仿真運(yùn)行10 s 后的磨損云圖以及截齒的磨損漸變?cè)茍D。從云圖上可以看出，在10 s 時(shí)，滾筒出現(xiàn)了一些磨損，其中較為嚴(yán)重部位為截齒，尤其是截齒的齒尖位置。在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，隨著載荷的波動(dòng)，截齒受到外力作用也較為劇烈，原因是在采煤過程中，滾筒勻速旋轉(zhuǎn)，截齒在采空區(qū)與截煤區(qū)交替，由于煤層中間包含夾矸層，導(dǎo)致截齒在碰到矸石時(shí)載荷突然增大，同時(shí)應(yīng)力集中在齒尖位置，這與云圖結(jié)果完全吻合。

圖4 滾筒磨損云圖與截齒磨損漸變?cè)茍D

3.2 控制變量法分析各影響因素與滾筒磨損的關(guān)系

采煤機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)是受到多個(gè)強(qiáng)時(shí)變性因素協(xié)同作用的結(jié)果，每個(gè)影響因素對(duì)滾筒的壽命均會(huì)造成影響，影響程度各有不同。下面采用控制變量法，分別對(duì)截割深度、滾筒轉(zhuǎn)速以及牽引速度展開分析，確定各因素對(duì)滾筒截齒磨損的影響規(guī)律，為后續(xù)采煤機(jī)參數(shù)調(diào)整提供合理范圍。表1 為按照要求設(shè)計(jì)的15 組試驗(yàn)參數(shù)。

表1 工況參數(shù)表

根據(jù)上述試驗(yàn)工況，對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，不同工況下滾筒截齒受到外力不同，隨著外力變化，截齒磨損程度也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。因此對(duì)應(yīng)上述工況，按照EDEM 仿真結(jié)果分別輸出對(duì)應(yīng)工況下的截齒平均合力以及截齒磨損總量，具體見表2。

表2 不同工況下截齒平均合力以及磨損總量匯總表

從表2 可知，在截割深度以及牽引速度不變的前提下，隨著滾筒速度的增加，截齒的平均合力以及磨損總量呈下降趨勢。即隨著轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)的截齒切煤的次數(shù)增加，導(dǎo)致截齒割煤的厚度等減小，阻力降低，磨損減小。在截割深度以及轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著牽引速度的增加，截齒的合力以及磨損量在不斷加大，同時(shí)變化量相較其他兩者是最大的。原因是，牽引速度增加，意味著在單位時(shí)間內(nèi)煤炭的開采量上升，煤層的切割厚度增加，阻力加大，沖擊加大，磨損變大。在采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速以及牽引速度均不變的前提下，隨著截割深度的增加，截齒平均合力以及磨損總量也在不斷增加，且兩者的增加比例呈一致狀態(tài)。

3.3 滾筒截齒磨損參數(shù)最優(yōu)組確定

為減少仿真運(yùn)算時(shí)長，現(xiàn)使用正交試驗(yàn)法來驗(yàn)證前面描述三個(gè)因素對(duì)采煤機(jī)截齒的影響大小，同時(shí)驗(yàn)證得出三者的最佳參數(shù)配合。結(jié)合參數(shù)影響規(guī)律以及開采量的大小關(guān)系，將正交試驗(yàn)分為三個(gè)水平，表3 為因素水平表。

表3 因素水平表

通過因素水平表設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，將各因素對(duì)于截齒磨損量趨勢關(guān)系進(jìn)行表達(dá)，具體變化規(guī)律如圖5。

圖5 截齒磨損影響因素水平規(guī)律圖

圖5 為正交試驗(yàn)后各因素對(duì)磨損量影響的趨勢變化圖，該結(jié)果與控制變量法中單因素的變化趨勢基本一致，具體變化規(guī)律不做贅述。現(xiàn)以截齒磨損最小為目標(biāo)，由圖5 得出，參數(shù)最優(yōu)組合為A3B1C1，即滾筒轉(zhuǎn)速100 r/mm，牽引速度3 m/min，截割深度540 mm。將此參數(shù)組合進(jìn)行仿真，結(jié)果顯示截齒磨損總量為8.58×10-4mm，截齒的磨損總量值較前文15 種工況下每種工況的磨損總量值都小，說明在A3B1C1 組合參數(shù)下磨損總量是最小的，為最優(yōu)的參數(shù)組合。經(jīng)驗(yàn)證，正交試驗(yàn)法結(jié)果與仿真結(jié)果一致，證明了正交試驗(yàn)法結(jié)果的準(zhǔn)確性以及最優(yōu)參數(shù)的有效性。

4 結(jié)論

本文以采煤機(jī)螺旋滾筒為研究對(duì)象，主要針對(duì)截齒磨損進(jìn)行研究，利用三維建模以及EDEM 仿真方式來進(jìn)行展開，根據(jù)控制變量法對(duì)截割深度、牽引速度以及滾筒轉(zhuǎn)速等因素對(duì)截齒的磨損進(jìn)行分析，隨后使用正交試驗(yàn)法確定參數(shù)的最佳組合方案，同時(shí)使用仿真進(jìn)行驗(yàn)證，證明試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，為實(shí)際的采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)調(diào)整提供依據(jù)。