不同滚筒运动参数对采煤机截割性能的作用分析*

张永杰，崔鹏飞

(山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100)

0 引 言

煤炭是我国重要的能源形式及工业原料，为我国经济的发展提供了动力支撑。随着工业化经济的发展，对于煤炭的开采效率提出了更高的要求。采煤机是进行机械自动化采煤的主要设备，目前广泛使用的滚筒式采煤机，通过滚筒的运动实现煤壁的切割及落煤[1]。在采煤机的作业过程中，其结构参数及运动参数众多，且相互影响，决定了采煤机的截割性能。采煤机的结构确定之后，其结构参数也随之确定，运动参数是在截割过程中依据不同的工程条件进行调整的[2]。针对不同的运动参数对于截割性能影响进行仿真分析，以判定运动参数对于截割性能的影响，为提高采煤的开采效率，最优化的运动参数提供依据。

1 滚筒截割模型的建立

采煤机进行开采作业的过程中，螺旋滚筒带动截齿做旋转运动，对煤壁形成挤压，滚筒的运动参数包括滚筒的转速和牵引速度，运动参数的不同对于截齿的切削厚度、受到的负载及截割的比能耗具有较大的影响[3]。优良的滚筒转速和牵引速度的组合能够减少滚筒受到的负载，以较小的耗能获得较高的开采效率。

在螺旋滚筒进行截割的过程中，多个截齿同时作用，滚筒上受到的负载主要为参与截割过程的截齿所受截割阻力的和。随着滚筒的运动，同时进行截割作业的截齿不断变化，同时每一个截齿的状态也有所变化，而且煤岩的分布不均等性质不同，使得滚筒的载荷作用不断变化[4]。

依据选定的采煤机型号对截割滚筒进行建模，采用UG建立滚筒的三维模型，并将其导入到仿真分析软件PFC3D中。PFC3D是进行颗粒几何体的破裂问题进行研究的有效工具，通过颗粒之间的接触，能直接分析颗粒间的相互运动及相互影响作用，且可以对任意待下颗粒的集合体行为进行分析，自动生成特定规律分布的颗粒集合，适用于对煤层的开采进行模拟。设定模型的煤壁尺寸为1 m×1 m×2 m(长×宽×高)，在煤壁模型中设定与滚筒轴线相重合的圆形柱切槽，以利于截割过程的进行[5]。

将滚筒与煤壁的模型整合并进行网格划分处理，得到截割模型如图1所示，由此进行截割过程的模拟仿真。

图1 滚筒截割模型

2 滚筒运动参数不同对截割性能的作用仿真分析

依据设定的模型，选取采煤机滚筒的速度分别为40 r/min、50 r/min、60 r/min、70 r/min，牵引速度分别为2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min，在两组不同的参数下进行截割过程的模拟仿真，设定运算时间为2 s，由此可以得到16组不同的数据，将各组数据进行分析对比如下。

2.1 滚筒运动参数对滚筒载荷的作用分析

滚筒受到的载荷作用可以分为三个不同方向的分力及合外力作用，如图2所示为在滚筒转速为40 r/min、牵引速度为2 m/min时的合外力，从图2中可以看出，滚筒受到的合外力作用是呈现不断波动变化的，这是由于截割过程的动态变化过程中，参与截割的截齿数量不同及截齿的受力方向不同造成的。

图2 滚筒转速为40 r/min、牵引速度为2 m/min时的合外力变化图

将各不同滚筒运动参数下的合外力进行汇总并采用Matlab进行绘图，得到如图3所示的合外力随运动参数的变化曲面图。从图3中可以观察到滚筒受到的合外力作用随滚筒转速及牵引速度的变化趋势。滚筒的载荷作用随着牵引速度的增加而逐渐增加，滚筒转速增加的过程中，载荷作用却先增加后减小，在一定的运动参数下，存在着最小的滚筒载荷作用。这是由于滚筒转速及牵引速度对切削厚度的影响不同造成的，牵引速度增加，截齿的切削厚度近似呈正比例的增加，牵引速度相对截割的线速度其值变化较小，牵引速度增加导致滚筒载荷增加；滚筒转速的增加则一方面使得切削厚度减小，同时提高了截割的线速度，截割线速度的增加，截齿的阻力作用线增加后减小[6]，因此，在滚筒转速增加的过程中，滚筒载荷作用呈现先增加后减小的变化趋势。

图3 滚筒载荷随滚筒运动参数的变化趋势

2.2 滚筒运动参数对截割比能耗的作用分析

滚筒的截割效率通过截割比能耗的大小进行分析，在滚筒截割的过程中，对于截割比能耗的计算较为困难，因此，采用对滚筒的转矩及落煤的质量进行分析，从而得到截割比能耗的随滚筒运动参数的变化曲面如图4所示。从图4中可以看出，在进行滚筒截割的过程中，随着牵引速度的增加，截割比能耗呈现先增加后减小的趋势，在滚筒的牵引速度固定时，滚筒转速的增加，截割比能耗则呈现先减小后增加的变化。这是由于牵引速度的增加，导致切削厚度的变大，而截割比能耗在一定范围内随着切削厚度的增加而减小，使得截割比能耗呈现下降的趋势；滚筒转速的增加，会引起切削厚度及截割线速度的变化，在切削厚度和截割线速度的综合作用下，使得截割比能耗呈现先增加后减小的趋势。

图4 截割比能耗随滚筒运动参数的变化趋势

3 结 语

滚筒式采煤机是广泛应用的主要的采煤设备，滚筒的运动参数对于开采的效率具有重要的影响。针对采煤机滚筒的运动参数对截割过程的影响作用进行仿真分析，结果表明，在进行截割的过程中，滚筒牵引速度的增加引起滚筒载荷的增加，而滚筒转速的增加，滚筒载荷则呈现先减小后增加的趋势；滚筒牵引速度的增加，滚筒的截割比耗能先增加后减小，而滚筒转速的增加，截割比能耗则先减小后增加。这些影响作用的不同，与截割过程中的切削厚度及截割线速度的变化有关，在进行实际的开采作业时，应选择最优化的滚筒运动参数，实现煤矿的高效开采，降低能耗。