田 震，高 珊，趙麗娟，張成光

（1.周口師范學院 機械與電氣工程學院，周口 466000；2.遼寧工程技術(shù)大學 機械工程學院，阜新 123000）

0 引言

螺旋滾筒作為采煤機的工作機構(gòu)，其承擔著破煤、裝煤及除塵等任務(wù)。由于賦存條件不穩(wěn)定、工作面空間狹小、環(huán)境惡劣，實現(xiàn)采煤機械化開采對螺旋滾筒性能要求較高。目前比較成熟采煤機截割性能已得到大幅的提升，能夠有效實現(xiàn)復雜煤層的截割作業(yè)，但受井下工作環(huán)境和螺旋滾筒結(jié)構(gòu)特點的制約，螺旋滾筒裝煤率較低[1,2]。如何提高螺旋滾筒的裝煤性能逐漸成為人們研究的熱點課題。

為此，本文根據(jù)離散單元法，建立螺旋滾筒裝煤的離散元模型，通過數(shù)值模擬對螺旋葉片升角、滾筒截割深度、采煤機牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速四個因素交互影響下螺旋滾筒的裝煤性能進行了研究，得到螺旋滾筒在不同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)下的裝煤效果。將離散元數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用到螺旋滾筒裝煤性能的研究中，可為螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其性能評價提供一定的參考依據(jù)。

1 螺旋滾筒裝煤數(shù)學模型

當螺旋滾筒截割煤壁時，煤壁破碎產(chǎn)生的煤炭顆粒進入螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域，如圖1所示[3]。在葉片推動作用下，煤炭顆粒將獲得一個圓周速度v1和沿葉片相對滑動的速度由于摩擦阻力的影響，煤炭顆粒運動過程中其相對速度減小為v2。

假設(shè)葉片的螺旋升角為α、煤炭顆粒所在位置回轉(zhuǎn)直徑為D，則v1=πnD，利用速度投影定理可求得煤炭顆粒的絕對速度[4]：

圖1 煤炭顆粒在葉片上的運動

對vnp進行分解可得到煤炭顆粒軸向速度vp和切向速度vt為：

式中：n為轉(zhuǎn)速，r/min；D為煤炭顆粒所在位置回轉(zhuǎn)直徑，mm；α為葉片螺旋升角，°；?為煤與葉片之間的摩擦角，°。

采用多頭葉片的螺旋滾筒裝煤過程中最大煤流斷面積為：

式中：Dy為螺旋葉片直徑，mm；Dg為筒轂直徑，mm；δ為螺旋葉片厚度，mm；S為螺旋葉片導程，mm；z為螺旋葉片頭數(shù)。

螺旋滾筒理論裝煤量Qz為：

式中：ψ為充滿系數(shù)。

由式(2)和式(4)可計算出螺旋滾筒的理論裝煤量Qz為：

螺旋滾筒的理論裝煤量QL為：

式中：Dg為螺旋滾筒直徑，mm；B為截割深度，mm；Vq為牽引速度，mm/min；λ為煤的松散系數(shù)。

螺旋滾筒的理論裝煤率[5]：

2 螺旋滾筒裝煤模型的建立與仿真

2.1 裝煤模型的建立

根據(jù)莫爾-庫倫強度理論[6]，煤巖剪切破壞時受力如圖2所示。其中煤巖破裂面上的剪應(yīng)力大小可按照式(9)進行計算：

式中：τ為煤巖破壞面剪應(yīng)力，Pa；σ為煤巖抗壓強度，Pa；?為煤巖內(nèi)摩擦角，°；α為破壞角，°。

基于煤樣測定結(jié)果結(jié)合莫爾-庫倫理論，對煤炭顆粒粘結(jié)參數(shù)進行設(shè)置，相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖2 莫爾-庫倫模型

表1 煤炭顆粒粘結(jié)參數(shù)

為了提高建模效率，螺旋滾筒等相關(guān)幾何體通過三維建模軟件建立模型后，保存為.igs格式導入離散元軟件[7]，如圖3所示。為了便于對裝煤效率的計算，將顆粒統(tǒng)計區(qū)域分為兩個區(qū)域 ，分別為I區(qū)域和II區(qū)域，其中I區(qū)域內(nèi)顆粒質(zhì)量與兩區(qū)域顆粒總質(zhì)量的比值即為螺旋滾筒的裝煤率。

圖3 螺旋滾筒裝煤的離散元模型

2.2 裝煤過程仿真

當采煤機牽引速度為5m/min、滾筒轉(zhuǎn)速為58r/min進行截割煤巖時，煤炭顆粒在不同時刻的運動狀態(tài)如圖4所示。初始截割時，大量的煤炭顆粒首先進入I區(qū)域，隨著螺旋滾筒的不斷切入煤壁，截割過程中進入螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域的煤炭顆粒在葉片的作用下逐漸流入II區(qū)域，并在輸送機與煤壁之間逐漸累積，形成一個“循環(huán)煤堆”。當采煤機繼續(xù)截割時，“循環(huán)煤堆”不斷變大，當其達到一定高度時，煤堆上部煤炭顆粒流入輸送機內(nèi)。

圖4 不同時刻的煤炭顆粒運動狀態(tài)

提取螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)煤炭顆粒在三個方向上的速度，如圖5所示。顆粒在螺旋葉片作用下額外獲得一個被拋向葉片外緣的速度，該速度可分解為顆粒沿牽引速度的反向（甩向采空區(qū)）和垂直于工作面方向（沿滾筒軸線流出）兩個方向上的速度，隨著截割進行，在螺旋葉片摩擦和推擠作用下，顆粒速度逐漸增加，其中Y向（沿滾筒軸向）的速度大于X向（牽引速度反向）和Z向（垂向）速度，說明大部分被截割下的顆粒能夠被拋向工作面。

圖5 滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)顆粒速度

統(tǒng)計得到兩區(qū)域的顆粒累積質(zhì)量變化如圖6所示。由圖6可見，隨著螺旋滾筒不斷切入煤壁進行截割，兩區(qū)域內(nèi)顆粒累積質(zhì)量呈現(xiàn)出線性的增大；由于螺旋葉片作用的作用，10s內(nèi)進入統(tǒng)計區(qū)域I的顆粒累積質(zhì)量為576.3kg，進入統(tǒng)計區(qū)域II的顆粒累積質(zhì)量為283.5kg。

圖6 顆粒累積質(zhì)量的變化

計算得到螺旋滾筒裝煤率變化規(guī)律如圖7所示。當螺旋滾筒初始截割煤壁時，工作面最外側(cè)煤壁破落下產(chǎn)生的煤炭首先落入I區(qū)域，而工作面里側(cè)煤壁破碎產(chǎn)生的煤炭顆粒由于進入螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)而暫時無法流向入II區(qū)域，使得此時裝煤率最高；隨著采煤機的前進，螺旋滾筒不斷切進煤壁，此時在葉片作用下螺旋滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)的煤炭顆粒逐漸流入II區(qū)域，導致I區(qū)域內(nèi)累積的煤炭顆粒質(zhì)量與破落下的煤炭顆?？傎|(zhì)量之比逐漸降低；當螺旋滾筒穩(wěn)定截割后，裝煤率趨于穩(wěn)定。

圖7 螺旋滾筒裝煤率變化規(guī)律

3 影響螺旋滾筒裝煤性能因素分析

采煤機牽引速度、螺旋葉片升角、滾筒轉(zhuǎn)速、滾筒截割深度四個因素對螺旋滾筒裝煤性能的影響較大，為研究多因素交互影響下螺旋滾筒的裝煤性能，對上述四個因素選取四個因素水平，如表2所示。通過選擇正交實驗表L16(45)確定試驗次數(shù)并安排各實驗中各參數(shù)數(shù)值[8]，對正交試驗中16組模型進行模擬的仿真結(jié)果如表3所示。

表2 因素水平表

表3 正交試驗結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)試驗結(jié)果，對螺旋升角、截割深度、滾筒轉(zhuǎn)速以及牽引速度在四水平下的平均數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，得到裝煤率的變化規(guī)律如圖8所示。由于螺旋升角變化，葉片在旋轉(zhuǎn)時對滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)顆粒的推擠方向產(chǎn)生變化，使得顆粒在滾筒軸向和牽引方向上的速度發(fā)生變化，進而使?jié)L筒裝煤率隨著螺旋升角的增大而呈現(xiàn)出拋物線式的變化。當截割深度越大，螺旋滾筒里側(cè)（靠近端盤處）所破落的煤炭顆粒越難被葉片輸送至工作面，導致其裝煤率下降；而牽引速度的降低能夠使位于滾筒包絡(luò)區(qū)域內(nèi)的顆粒能夠獲得較大的軸向速度，從而能順利的流出；滾筒轉(zhuǎn)速的增加，不僅使顆粒獲得以下較大的軸向速度，而且使顆粒在牽引反方向上的速度也在增大，這樣造成了高轉(zhuǎn)速條件下螺旋滾筒裝煤效果并沒有明顯的提高。

圖8 不同因素對裝煤率的影響

4 結(jié)論

通過對煤炭顆粒的運動進行分析，建立了螺旋滾筒裝煤的數(shù)學模型；基于煤樣測試結(jié)果結(jié)合莫爾-庫倫強度理論，對煤壁離散元模型中相關(guān)粘結(jié)參數(shù)進行設(shè)置，建立螺旋滾筒裝煤的離散元模型，通過數(shù)值模擬得到裝煤過程中煤炭顆粒的運動分布及螺旋滾筒裝煤率的變化規(guī)律。對具有不同結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)的螺旋滾筒裝煤過程進行了四因素四水平正交試驗，分析了不同因素對滾筒裝煤性能的影響權(quán)重，其中螺旋升角的大小對其裝煤效率主影響最大，牽引速度和截割深度次之，滾筒轉(zhuǎn)速對裝煤率的影響最不顯著。在井下實際生產(chǎn)過程中可據(jù)截割過程中煤炭顆粒的速度分布及裝煤率變化規(guī)律，對螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)和采煤機的運動參數(shù)進行合理匹配，進而提高螺旋滾筒裝煤性能。