王九懷

（山西中陽華潤聯(lián)盛南山煤業(yè)有限公司， 山西 呂梁 033000）

引言

采煤機(jī)作為煤礦的主要開采設(shè)備，由于其工況較為復(fù)雜，所以極易發(fā)生磨損破壞[1-2]。滾筒作為采煤機(jī)的核心部件，一旦發(fā)生磨損，采煤機(jī)的工作效率將會(huì)大打折扣，所以為了提升采煤機(jī)的滾筒及截齒的工作性能，眾多學(xué)者對(duì)滾筒及截齒的優(yōu)化[3-4]進(jìn)行過一定的研究。本論文以采煤機(jī)的滾筒及截齒為研究對(duì)象，對(duì)其受力形式進(jìn)行了一定研究，通過對(duì)其截割煤壁的過程進(jìn)行模擬研究，分析了截齒距對(duì)采煤機(jī)工作性能的影響，給出了采煤機(jī)最優(yōu)截齒距，較好地提升了采煤機(jī)滾筒的工作性能。

1 采煤機(jī)滾筒及截齒受力的分析

采煤機(jī)的截齒受力情況是優(yōu)化采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)的重要前提，為了對(duì)采煤機(jī)的滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，首先對(duì)截齒工作狀態(tài)下的受力情況進(jìn)行分析。截齒在進(jìn)行截割過程中，截齒的尖端部位受到煤巖給予的反作用力，所以截割力可以化分為截割阻力、側(cè)向阻力及牽引阻力。其中截割阻力可以表示為:

式中：Z0為截割阻力，N；A為平均截割抗阻，一般取240 N/mm；d為滾筒直徑，mm；h為平均切割厚度，mm；B為煤巖的脆性參數(shù)；t為平均截線距，mm；KZ為自由表面的影響系數(shù)；KY為截齒截角的影響系數(shù)；KC為截齒的排距影響系數(shù)；KQ為截齒前端影響系數(shù)；Kot為礦壓影響系數(shù)；θ 為安裝的角度，（°）。牽引阻力Y0可以表示為：

式中：Kq表示為截齒受到的牽引阻力與截割阻力間的比值。在采煤機(jī)的截齒進(jìn)行截割的過程中，由于煤巖屬性的不同，會(huì)使得截齒間出現(xiàn)側(cè)向力，側(cè)向力的大小與截割阻力及截割的厚度、寬度等有著密切的關(guān)系。順序式的截齒側(cè)向力及棋盤式的截齒側(cè)向力分別可以表示為：

在采煤機(jī)工作的某一時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行受力分析，滾筒的受力分解圖如圖1 所示。

圖1 滾筒的受力分解圖

根據(jù)力的分解可以將三向力分解為：

式中：Ai、Bi、Ci分別為第i個(gè)截齒在各個(gè)方向上的分力；Zi、Yi、Xi分別為滾筒第i個(gè)截齒受到的截割阻力、牽引阻力及側(cè)向阻力；αi為截齒在滾筒的位置角。所以滾筒的受力情況為所有截齒在某一時(shí)刻的受力矢量和。

2 截齒安裝參數(shù)對(duì)截割性能影響的分析

為了更好地分析采煤機(jī)在截割過程中的截齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)滾筒工作性能的影響，對(duì)采煤機(jī)的截齒安裝角度進(jìn)行模擬分析，截齒的齒尖進(jìn)入煤壁，在剪切及拉伸作用下造成煤壁出現(xiàn)裂縫，后在力的作用下發(fā)生碎落。不同的安裝角度采煤機(jī)滾筒的截割阻力等均不同，所以首先對(duì)采煤機(jī)滾筒截齒的安裝角度進(jìn)行分析。

首先進(jìn)行滾筒的建模，根據(jù)實(shí)際的工作參數(shù)，選擇滾筒的直徑為1 250 mm，葉片的外圈直徑為1 100 mm，對(duì)模擬影響較小的結(jié)構(gòu)進(jìn)行忽略，截齒的安裝角度分別選擇40°、45°及50°進(jìn)行分析。對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于網(wǎng)格劃分的精確與否對(duì)模擬計(jì)算的結(jié)果有著一定的影響，但網(wǎng)格劃分過于密集對(duì)計(jì)算機(jī)的工作性能要求較大，所以選擇合適網(wǎng)格劃分至關(guān)重要，完成網(wǎng)格劃分后對(duì)滾筒的牽引速度及滾筒的轉(zhuǎn)速等進(jìn)行設(shè)定。牽引速度為0.04 m/s，轉(zhuǎn)速為60 r/min，初始的切削厚度設(shè)定為15 mm。完成設(shè)定后進(jìn)行模擬計(jì)算。將模擬的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到matlab 中進(jìn)行繪制，得出滾筒的截割力曲線，曲線如圖2 所示。

從圖2 可以看出，采煤機(jī)截齒的安裝角度不同，滾筒的截割力曲線出現(xiàn)的趨勢(shì)大致相同，當(dāng)滾筒剛開始作業(yè)時(shí)，此時(shí)的滾筒受到的截割力較大，此時(shí)采煤機(jī)滾筒剛進(jìn)入煤壁，從0.35 s 開始截割力的曲線呈現(xiàn)出周期性的變化，在一個(gè)周期以內(nèi)，截割力呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。在個(gè)別時(shí)刻位置，采煤機(jī)的滾筒受到的截割力出現(xiàn)突然的波動(dòng)，這是由于煤壁顆粒間的黏結(jié)力不同，切割煤壁產(chǎn)生的瞬間切割力也就不同，當(dāng)煤壁顆粒脫落后，由于顆粒間存在一定的孔隙，所以會(huì)出現(xiàn)零值，當(dāng)滾筒截齒再次接觸煤壁后，滾筒的截割力會(huì)有大幅度的增大，這與實(shí)際的割煤過程較為相似。

對(duì)不同安裝角度下的滾筒截割力曲線進(jìn)行研究，根據(jù)截齒受到的合力的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差分析滾筒的截割性能，確定最優(yōu)的截齒安裝角度。不同安裝角度下的截齒合力的標(biāo)準(zhǔn)差及平均值如表1 所示。

圖2 不同安裝角度下滾筒截割力曲線

表1 不同安裝角度下合力的標(biāo)準(zhǔn)差及平均值

根據(jù)表1 可以看出，當(dāng)截齒的安裝角度為40°時(shí)，此時(shí)滾筒受到的合力均值較大，當(dāng)截齒的安裝角度為50°時(shí)，此時(shí)滾筒受到的合力均值較小，當(dāng)截齒的安裝角度為45°時(shí)，滾筒受到的合力均值處于兩者之間。分析標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn)，截齒的安裝角度為40°時(shí)，此時(shí)滾筒受力的波動(dòng)幅度較大，截齒的安裝角度為50°次之，而截齒的安裝角度為45°滾筒的振動(dòng)最小，所以截齒的安裝角度為45°時(shí)，滾筒的工作性能最佳。

選擇同樣的方法對(duì)不同截齒距下的滾筒工作性能進(jìn)行分析，選擇截齒距分別為60 mm、70 mm 及80 mm 進(jìn)行分析，將模擬后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入matlab 中進(jìn)行繪圖，不同截齒距下的滾筒合力曲線如下頁圖3 所示。

將先與煤壁進(jìn)行接觸的截齒記為A，后與煤壁接觸的截齒記為B。從圖3 可以看出，當(dāng)截齒A 先行與煤壁進(jìn)行接觸時(shí)（0～0.5 s），此時(shí)的滾筒所受合力在不同截齒距下的差距并不大。當(dāng)B 截齒接觸到煤壁時(shí)（0.5 s 之后），此時(shí)的截齒A 受到截齒B 的影響，由于截齒距的不同出現(xiàn)影響的時(shí)間間隔也是不同的。當(dāng)截齒A 接觸煤壁后煤壁顆粒間的內(nèi)聚力發(fā)生破壞，當(dāng)截齒B 截齒煤壁后部分煤壁顆粒開始脫落，所以截齒B 受到的合力要小于截齒A 受到的合力。對(duì)不同截齒距下的標(biāo)準(zhǔn)差及均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

圖3 不同安裝角度下滾筒截割力曲線

表2 不同截齒距下合力的標(biāo)準(zhǔn)差及平均值

從表2 可以看出，當(dāng)截齒距為80 mm 時(shí)，此時(shí)滾筒受到的合力均值最大，當(dāng)截齒的安裝角度為70 mm 時(shí)，此時(shí)滾筒受到的合力均值最小，當(dāng)截齒距為60 mm 時(shí)，滾筒受到的合力均值處于兩者之間。分析標(biāo)準(zhǔn)差發(fā)現(xiàn)，截齒距為60 mm 時(shí)，此時(shí)滾筒受力的波動(dòng)幅度較大，截齒距為80 mm 次之，而截齒距為70 mm 滾筒的振動(dòng)最小，所以截齒距為70 mm 時(shí)，滾筒的工作性能最佳。

3 結(jié)論

1）給出了截割力及截割阻力、側(cè)向阻力及牽引阻力的表達(dá)公式，分析了采煤機(jī)滾筒及截齒受力情況，為后期的數(shù)值模擬提供條件。

2）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)截齒安裝角度40°、45°及50°時(shí)滾筒的受力情況進(jìn)行分析，給出了受力曲線，通過計(jì)算方差與標(biāo)準(zhǔn)差確定了合理的截齒安裝角度45°。

3）對(duì)截齒距60 mm、70 mm 及80 mm 時(shí)滾筒的受力情況進(jìn)行分析，給出了受力曲線，通過計(jì)算方差與標(biāo)準(zhǔn)差確定了合理的截齒距為70 mm。