吉 毅

（南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司西上莊煤礦，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

采煤機(jī)是綜采工作面中非常重要的機(jī)械裝備，其運(yùn)行效率會(huì)對(duì)采煤效率有非常重要的影響[1]。隨著采煤效率的不斷提升，采煤機(jī)也朝著大型化和重型化方向發(fā)展[2]。截割部滾筒是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)功能最直接的機(jī)械部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)是否合理，不僅會(huì)影響采煤機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)采煤效率有直接影響[3-4]。因此如何提升采煤機(jī)截割部滾筒的結(jié)構(gòu)合理性，是煤礦領(lǐng)域技術(shù)人員需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。很多學(xué)者和技術(shù)人員以破煤效率、降低能耗等為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)截割部滾筒開展了優(yōu)化改進(jìn)工作，并取得了一定的效果[5-6]。但這些研究成果普遍以具體型號(hào)采煤機(jī)為研究對(duì)象，所得結(jié)果不具備有普適性。本文主要對(duì)MG2×1607710-WD型采煤機(jī)截割部滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并將其應(yīng)用在工程實(shí)踐中，對(duì)于提升滾筒的使用壽命和采煤效率具有重要的實(shí)踐意義。

1 采煤機(jī)截割部滾筒概述

對(duì)于所有型號(hào)的采煤機(jī)而言，最為核心和關(guān)鍵的部分是截割部。為了確保截割部的可靠運(yùn)行，通常需要為其配備單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)。截割部是整個(gè)采煤機(jī)中功耗最大的部分，主要由調(diào)高機(jī)構(gòu)、滾筒、擋煤板及其他相關(guān)機(jī)械結(jié)構(gòu)件構(gòu)成。滾筒又是截割部最為重要的構(gòu)成部分，滾筒的性能好壞對(duì)截割部的運(yùn)行可靠性有重要的影響，還會(huì)影響其服役使用壽命。如圖1 所示為采煤機(jī)截割部滾筒的結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出滾筒同樣由多個(gè)機(jī)械零部件構(gòu)成。截齒通過(guò)焊接的方式安裝到滾筒中。如果煤壁的濕度相對(duì)較大、硬度很高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致滾筒的受力載荷變高，制約滾筒運(yùn)行的可靠性和使用壽命?；诖?，有必要應(yīng)用先進(jìn)的優(yōu)化技術(shù)對(duì)采煤機(jī)截割部滾筒進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，確保工藝參數(shù)最優(yōu)，從而提升運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性。

圖1 采煤機(jī)截割部滾筒的結(jié)構(gòu)示意圖

2 滾筒結(jié)構(gòu)的受力分析

2.1 有限元模型的建立

首先利用UG 軟件建立截割部滾筒結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，再將幾何模型導(dǎo)入到ANSYS 軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性的設(shè)置。基于六面體網(wǎng)格進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，最終得到的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為14 538 個(gè)和17 634 個(gè)。滾筒結(jié)構(gòu)使用的材料為20 號(hào)鋼，對(duì)應(yīng)的材料屬性參數(shù)，如彈性模量、泊松比、密度、硬度分別為4.6 GPa、0.3、7 800 kg/m3、HRC85。

2.2 滾筒結(jié)構(gòu)工作時(shí)的受力情況

完成截割部滾筒有限元模型的建立工作后，可以對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。提取了滾筒結(jié)構(gòu)以及38 個(gè)截齒的受力情況，如下頁(yè)圖2 所示為滾筒截齒的受力值和平均值的統(tǒng)計(jì)情況。從圖中可以看出，38 個(gè)截齒受力中，數(shù)值最大的為51.33 kN，最小的只有1.79 kN；截齒平均值中，數(shù)值最大的為2.13 kN，最小的只有0.34 kN?？梢杂媒y(tǒng)計(jì)學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)來(lái)描述不同截齒的受力差異情況，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)的數(shù)值越大意味著不同截齒受力情況的變化程度越大，相反地，系數(shù)越小則表示不同截齒受力更加均勻。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)截齒受力平均值的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)為0.425，該數(shù)值相對(duì)較大，說(shuō)明滾筒截齒之間的受力非常不均勻，有進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)的空間。

圖2 滾筒截齒的受力情況統(tǒng)計(jì)

圖3 顯示了截割部滾筒正常工作時(shí)的受力變化情況。從圖中可以看出，滾筒正常工作時(shí)不同時(shí)刻的受力情況也較為不均勻，承受的最大載荷達(dá)到了6.33 kN。滾筒結(jié)構(gòu)載荷存在變化的原因在于，不同時(shí)刻38 個(gè)截齒的受力情況存在明顯的差異。若可以降低截齒載荷則可以降低滾筒結(jié)構(gòu)的載荷。零部件承受的載荷越大，工作時(shí)越容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，且會(huì)縮短零部件的使用壽命。

圖3 滾筒正常工作時(shí)的受力變化情況

3 滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)研究

3.1 優(yōu)化改進(jìn)思路

基于以上分析可以看出，采煤機(jī)截割部滾筒結(jié)構(gòu)工作時(shí)，38 個(gè)截齒之間的受力情況存在明顯的差異，不利于在最大限度上發(fā)揮截齒的作用。另外，滾筒結(jié)構(gòu)承受的載荷也存在比較大的變化，最大載荷值偏高，不利于滾筒結(jié)構(gòu)運(yùn)行的穩(wěn)定性?；诖?，有必要對(duì)截割部滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。優(yōu)化改進(jìn)工作在ANSYS 軟件中進(jìn)行，以滾筒結(jié)構(gòu)的載荷以及截齒之間的受力均勻性為優(yōu)化目標(biāo)?？紤]到滾筒結(jié)構(gòu)中的截齒平均截線距、螺旋升角、截距三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)受力情況影響最為明顯，因此以上述三個(gè)參數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)開展優(yōu)化改進(jìn)工作。

3.2 優(yōu)化改進(jìn)結(jié)果

如表1 所示為針對(duì)采煤機(jī)截割部滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)前后相關(guān)技術(shù)參數(shù)的對(duì)比情況。由表述數(shù)據(jù)可以看出，三個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)值均有了一定程度的增大。基于新的滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次利用UG 和ANSYS 軟件建立有限元模型進(jìn)行受力分析，并提取相關(guān)的結(jié)果進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，38 個(gè)截齒的最大值和平均值分別降低到了40.78 kN 和1.96 kN，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)降低到了0.251，與優(yōu)化改進(jìn)前相比較而言，降低幅度分別達(dá)到了20.55%、7.98%、40.94%，標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)降低表示不同截齒之間的受力變得更加均勻，能在最大限度上發(fā)揮不同截齒應(yīng)有的作用。

表1 優(yōu)化前后的技術(shù)參數(shù)對(duì)比情況

如圖4 所示為優(yōu)化改進(jìn)后滾筒的受力變化情況，從圖中可以看出，滾筒的受力仍然存在比較大的變化，最大載荷值為4.02 kN，與優(yōu)化改進(jìn)前相比較，降低幅度達(dá)到了36.49%。滾筒受力最大值降低不僅可以在很大程度上提升滾筒結(jié)構(gòu)的使用壽命，還會(huì)提升運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性，為采煤機(jī)的安全穩(wěn)定工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后滾筒的受力變化情況

4 實(shí)踐應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

將優(yōu)化后的截割部滾筒應(yīng)用到MG2×1607710-WD型采煤機(jī)中，并對(duì)其實(shí)踐應(yīng)用效果進(jìn)行了連續(xù)6 個(gè)月時(shí)間的觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)截割部滾筒的應(yīng)用效果非常明顯，在整個(gè)測(cè)試期間沒有出現(xiàn)明顯的故障問(wèn)題。取得的應(yīng)用效果可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：

1）采煤機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性方面。通過(guò)對(duì)截割部滾筒優(yōu)化改進(jìn)，使得截齒的受力更加均勻，不管是截齒還是滾筒結(jié)構(gòu)的受力最大值均有了明顯的降低，使得設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)現(xiàn)象得到了很好的改善，顯著提升了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，降低了設(shè)備故障率。

2）經(jīng)濟(jì)效益方面。設(shè)備運(yùn)行故障率的降低可以為企業(yè)節(jié)約大量的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本。另外，優(yōu)化改進(jìn)后的采煤機(jī)的工作效率得到了一定程度的提升。根據(jù)測(cè)試期間的觀察發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)的采煤效率提升了5.6%以上，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，此次針對(duì)采煤機(jī)截割部滾筒的優(yōu)化改進(jìn)，取得了比較理想的實(shí)踐應(yīng)用效果，得到了煤礦企業(yè)管理和技術(shù)人員的一致認(rèn)可。

5 結(jié)論

截割部滾筒結(jié)構(gòu)是采煤機(jī)中的重要構(gòu)成部分，其運(yùn)行過(guò)程的安全性和可靠性對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性有非常重要的影響。利用UG 和ANSYS 軟件對(duì)截割部滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，發(fā)現(xiàn)38 個(gè)截齒之間的受力存在很大的差異性，且滾筒整體的載荷偏高，不利于滾筒運(yùn)行的效率和穩(wěn)定性。對(duì)滾筒進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，使得滾筒整體載荷有了很大程度的降低，不同截齒之間的受力差異也得到了有效改善。將優(yōu)化改進(jìn)后的截割部滾筒結(jié)構(gòu)應(yīng)用到采煤機(jī)中，取得了很好的實(shí)踐應(yīng)用效果，顯著提升了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。