曹 瓊

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 霍州031412）

0 引言

礦井提升機(jī)截割滾筒是采煤過程中關(guān)鍵的設(shè)備，據(jù)相關(guān)資料查閱可知，截割滾筒作業(yè)消耗的功耗可以達(dá)到整個(gè)采煤作業(yè)的90%左右。因此，截割滾筒割煤的工作效率對煤礦企業(yè)的生產(chǎn)效率以及經(jīng)濟(jì)性有著較大的影響。截割滾筒截齒是直接接觸煤炭，利用其自身強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)開采的關(guān)鍵構(gòu)件[1]。在實(shí)際生產(chǎn)工程中發(fā)現(xiàn)滾筒截齒在受到煤炭物料切割阻力的工況下，其結(jié)構(gòu)受力不均勻，產(chǎn)生了磨損、斷裂、裂痕等破壞形式，各種形式的破壞常常集中于某幾個(gè)截齒[2]。上述現(xiàn)象說明截齒在切割煤炭作業(yè)過程中受力不均勻，沒有充分發(fā)揮每個(gè)截齒的工作性能，對開采煤層的工作效率造成的影響，提高了無用工作過程在整個(gè)工作中所占的比例。根據(jù)實(shí)際工況建立起仿真模型，以降低受力載荷波動(dòng)為優(yōu)化目標(biāo)，降低各個(gè)截齒的受力載荷數(shù)值的差異率，達(dá)到截齒受力均衡性的目標(biāo)，使整個(gè)采煤機(jī)的工作過程更加的平穩(wěn)高效[3]。

1 采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)分析

滾筒式采煤機(jī)以螺旋運(yùn)動(dòng)形式通過滾筒機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)切割煤炭和傳送煤炭，最終實(shí)現(xiàn)落煤的采煤機(jī)械。通過一定運(yùn)轉(zhuǎn)速度的旋轉(zhuǎn)，按照一定的角度切入礦井的側(cè)壁，被割落下的煤炭將落入至螺旋葉片，然后被推入工作面的刮板運(yùn)輸機(jī)當(dāng)中。滾筒式的采煤機(jī)可按各種類型進(jìn)行分類，可按結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類、按適用煤層厚度進(jìn)行分類、按電機(jī)布置方法進(jìn)行分類、按機(jī)身設(shè)置方式進(jìn)行分類、按牽引控制方式進(jìn)行分類等[4]。每種類型的滾筒采煤機(jī)均可分為截割部分、牽引部分、電器部分及輔助裝置組成，滾筒采煤機(jī)的滾筒結(jié)構(gòu)部分如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

2 采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)建模

2.1 三維模型

由于采煤機(jī)結(jié)構(gòu)部分有多種零部件組成，包括滾筒、擋板等結(jié)構(gòu)，但是最重要的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為滾筒，它由螺旋葉片、端盤、截齒、齒座和輪轂等部件組成。以上部件的組成才帶動(dòng)了整個(gè)采煤機(jī)滾筒裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)，但本文研究內(nèi)容為截齒受力平衡研究，因此忽略其他傳動(dòng)部件，以最重要的滾筒結(jié)構(gòu)為研究對象，將一些零散部件進(jìn)行消除并合理配送至滾筒三維模型中[5]，通過UG建模軟件對截割滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，如圖2所示為截止結(jié)構(gòu)和輪轂?zāi)Ｐ偷慕ⅰ?/p>

圖2 截齒及輪轂結(jié)構(gòu)示意圖

此外還應(yīng)建立截割滾筒螺旋葉片以及端盤三維模型圖使其組成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)，上述結(jié)構(gòu)均采用1:1的比例進(jìn)行建模。

完成截割滾筒結(jié)構(gòu)的建模后，應(yīng)對地下煤礦環(huán)境進(jìn)行模擬，由于地下煤礦實(shí)體為無限大結(jié)構(gòu)，建立無限大模型將不切實(shí)際。因此設(shè)置煤礦側(cè)壁表面為無反射邊際[6]，提高模擬煤礦實(shí)體的精確性，并將已建立的截割滾筒模型與煤礦模型進(jìn)行組合，如圖3所示.

圖3 滾筒和煤壁的三維模型

2.2 仿真模型

利用UG軟件和LS-DYNA軟件的通訊接口，在LS-DYNA軟件中劃分單元網(wǎng)格，并對每一個(gè)網(wǎng)格單元的類型進(jìn)行定義，最重要的為確保仿真結(jié)果的真實(shí)性應(yīng)對材料模型進(jìn)行準(zhǔn)確的定義。為表現(xiàn)出煤礦在截齒作用下的破碎效果，應(yīng)在仿真軟件中對是失效參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

滾筒、煤壁的網(wǎng)格單元分別采用SOLID168、SOLID164單元，將每一層定義為各項(xiàng)異性非均勻布置的物質(zhì)，控制煤塊單元的長度為30mm。并根據(jù)實(shí)際情況對滾筒結(jié)構(gòu)的金屬材料進(jìn)行，具體材料參數(shù)如表1、表2所示。

表1 滾筒及截齒的材料參數(shù)

表2 煤壁的材料參數(shù)

2.3 仿真工況參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用的三一重工MG300/710-WD采煤機(jī)型號的性能參數(shù)作為本次仿真的參數(shù)設(shè)置條件，對截割滾筒結(jié)構(gòu)施加相應(yīng)的力矩作用使其按照一定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切入煤層進(jìn)行切割，具體工況參數(shù)如表3所示。

表3 工況參數(shù)表

3 仿真結(jié)果分析

完成上述設(shè)置之后，LS-DYNA軟件將輸出k文件進(jìn)行運(yùn)算求解，如圖4所示為截割滾筒在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中切割煤層的示意圖，共計(jì)有38個(gè)截齒參與到本次切割仿真過程當(dāng)中，當(dāng)煤層應(yīng)力值超過極限值的時(shí)候就會出現(xiàn)破碎脫落的現(xiàn)象，整個(gè)仿真過程的時(shí)間設(shè)置為6.25s，每個(gè)5ms對38個(gè)截齒進(jìn)行相應(yīng)數(shù)值的提取，并生成每個(gè)截齒的平均合力值。

仿真結(jié)果顯示38個(gè)截齒的受力情況很不均勻，出現(xiàn)了較大的波動(dòng)，其中15號截止的受力最大，為61518.4N，12號截止的受力最小，為1888.2N。由此可知各個(gè)截齒的平均合力差異較大，詳細(xì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖5所示。38個(gè)截尺的平均值波動(dòng)達(dá)到了接近1800N，最小為3862N，最大為2190N，波動(dòng)范圍較大，不利于發(fā)揮每一個(gè)截齒的工作性能。

圖4 滾筒截割煤壁過程示意圖

圖5 截齒受力平均值

4 優(yōu)化后結(jié)果分析

通過MATLAB數(shù)值分析軟件的優(yōu)化模塊，對于截割滾筒結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，以載荷波動(dòng)系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過軟件分析得出結(jié)論，應(yīng)優(yōu)化平均截線距、螺旋升角、平均截距三個(gè)滾筒結(jié)構(gòu)的相關(guān)參數(shù)，優(yōu)化后數(shù)值顯示，平均截線距應(yīng)為31.2mm、螺旋升角應(yīng)為19.2°、平均截距為248mm，相比與原有數(shù)值分別提高了11.78%、3.92%、5.16%。

將上述優(yōu)化參數(shù)重新建立仿真模型，并按照同樣的邊界條件和參數(shù)進(jìn)行仿真數(shù)值計(jì)算，截取38個(gè)截齒平均合力數(shù)值繪制曲線與原有結(jié)構(gòu)的曲線圖進(jìn)行對照比較，如圖6所示。

圖6 優(yōu)化前后截齒受力平均值

由圖6可知，優(yōu)化后滾筒結(jié)構(gòu)截齒所受的載荷作用力更加的均勻，波動(dòng)范圍更小。38個(gè)截齒的平均合力均分布于500～1500N之間，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，優(yōu)化前結(jié)構(gòu)各個(gè)截齒的平均合力值為1178.3N，優(yōu)化后的數(shù)值為915.4N，變化率為-14.99%。38個(gè)的合力差異系數(shù)由優(yōu)化前的0.423減小為0.244，數(shù)值變化率為-41.9%，數(shù)值下降變化明顯。每一個(gè)截齒的受力分布狀況得到了良好的改善，經(jīng)現(xiàn)場對截齒工作狀態(tài)的分析可知各個(gè)截齒的磨損受損狀況較為一致，試驗(yàn)結(jié)果表明結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)合理，提升了提升機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)的工作性能及使用壽命。

5 結(jié) 語

礦井煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，提升機(jī)截割滾筒裝置的截齒構(gòu)件在切割煤層的時(shí)候受到各種形式的載荷作用力。如滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不合理，就會造成每個(gè)截齒受力不均，造成每一個(gè)截齒的磨損程度不一致，在每一次切削過程中就會降低生產(chǎn)效率，還會對整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)破壞效應(yīng)，影響正常的開采作業(yè)。通過有限元仿真技術(shù)提取了38個(gè)截齒的平均合力數(shù)值，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)截齒受力不均衡的條件下，提出以載荷波動(dòng)系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化平均截線距、螺旋升角、平均截距目標(biāo)值，找到三個(gè)目標(biāo)值的最優(yōu)組合，通過優(yōu)化滾筒結(jié)構(gòu)，達(dá)到使截齒受力更加均勻的目的。仿真結(jié)果顯示優(yōu)化后結(jié)構(gòu)使截齒各個(gè)齒的受力平衡性得到了良好的改善，從而解決了在實(shí)際作業(yè)過程中滾筒結(jié)構(gòu)振動(dòng)較為嚴(yán)重的問題，提高了采煤機(jī)開采作業(yè)的效率，對煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值產(chǎn)出有積極的作用。