姬新文

（山西科興能源發(fā)展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

目前，我國綜采工作面主要采用滾筒式采煤機對煤層進行開采。但是，針對硬度較大且夾矸的煤層進行截割時，容易造成截割電機頻繁出現(xiàn)故障，回采率下降，降低生產(chǎn)效率，造成煤炭資源的浪費。帶有開底槽截割滾筒的新型采煤機可預(yù)先對薄煤層進行開底槽操作，泄放工作面煤巖頂?shù)装宓妮d荷。當工作面煤巖達到平衡狀態(tài)時，煤巖的硬度也有所降低，從而減小了截割滾筒截割時的負載，對應(yīng)塊煤率和生產(chǎn)率也得到提升[1]。本文重點針對開底槽截割滾筒采煤機的截割部進行動力學仿真分析，并對其裝煤性能進行評估。

1 開底槽截割部滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力學模型建立

對開底槽截割部滾筒的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并完成開底槽截割部滾筒的動力學模型建立，為后續(xù)的動力學特性和裝煤性能仿真分析奠定基礎(chǔ)。

1.1 開底槽截割滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

開底槽截割部滾筒采煤機的核心應(yīng)用優(yōu)勢在于其可對工作面進行預(yù)先卸荷，降低工作面煤層或者巖層的硬度，降低了采煤機的截割難度[2]。同時，開底槽截割部在某種程度上是對主截割部滾筒的補充，且可對主截割部滾筒截割不到的煤層進行截割。開底槽截割滾筒的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

如圖1 所示，開底槽截割滾筒的基本組成與普通截割滾筒的類似，但是其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)存在差異。本文所研究開底槽截割滾筒的具體參數(shù)如下：

圖1 開底槽截割滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

開底槽截割滾筒的直徑為300 mm；筒轂的直徑為100 mm；滾筒的寬度為600 mm；滾筒的葉片包圍角為210°。

1.2 開底槽截割滾筒動力學模型的建立

在動力學模型建立過程中，為了兼顧仿真結(jié)果的準確性和仿真計算量，結(jié)合采煤機開底槽截割滾筒的實際結(jié)構(gòu)及其工況，對模型作出如下簡化和假設(shè)：

1）假設(shè)采煤機在實際生產(chǎn)中牽引速度恒定不變；

2）假設(shè)采煤機一直以平行于煤壁的方向運行，開底槽截割滾筒的軸向與牽引速度方向垂直；

3）假設(shè)采煤機機身、滾筒等均為剛性體，將搖臂的重心位置視為其中間位置；

4）忽略采煤機支撐滑靴和刮板輸送機軌道之間的阻尼[3]。

基于上述假設(shè)，并結(jié)合采煤機開底槽滾筒的結(jié)構(gòu)對其進行簡化，并建立如圖2 所示的開底槽截割滾筒的動力學模型。

圖2 開底槽截割滾筒動力學模型

圖2 中，m1為開底槽截割滾筒的質(zhì)量；m2為采煤機搖臂的集中質(zhì)量；x1為開底槽滾筒在x 方向的位移；θ 為搖臂在外界負載作用下的擺動角度；k1為開底槽截割滾筒與搖臂之間的側(cè)向剛度；k2為采煤機搖臂與其機身之間的扭轉(zhuǎn)剛度；c1為開底槽截割滾筒與搖臂之間的阻尼系數(shù)；c2為采煤機搖臂與其機身之間的阻尼系數(shù)；l1為搖臂重心與滾筒之間的距離；l2為搖臂重心與機身鉸接處的距離。

2 開底槽截割部動力學仿真分析

結(jié)合圖2 所建立的開底槽截割部動力學仿真模型，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，對仿真模型中的參數(shù)進行賦值，參數(shù)設(shè)置結(jié)果如表1 所示。

表1 開底槽截割部動力學模型參數(shù)設(shè)置

基于表1 中的參數(shù)，在Simulink 軟件中對仿真參數(shù)進行逐一設(shè)置。設(shè)置完成后重點對開底槽截割部滾筒的振動特性進行仿真分析，并得出如圖3 所示的仿真結(jié)果。在仿真初期開底槽截割部滾筒的振動位移逐漸增大，并在很短的時間內(nèi)其振動量呈正弦曲線變化。振動速度在前期處于動態(tài)波動狀態(tài)，且波動幅度可達到±0.5 m/s，在波動很短的時間后，振動速度在0.05 m/s 左右波動。振動加速度在前期處于動態(tài)波動狀態(tài)，且波動幅度可達到±50 m/s2，在波動很短的時間后，振動加速度在0 m/s2左右波動。

圖3 開底槽截割滾筒振動特性仿真結(jié)果

3 開底槽截割滾筒裝煤性能研究

從理論上講，采煤機的裝煤率與采煤機截割部的滾筒直徑、滾筒寬度和螺旋升角等固定結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)[4]。在合理范圍之內(nèi)增加滾筒直徑有利于提升采煤機的裝煤效率。滾筒寬度越大，對應(yīng)采煤機的裝煤率越高。在滾筒截割深度一定的情況下，對應(yīng)的螺旋升角越大，采煤機的裝煤率越高。此外，裝煤率還與采煤機截割部滾筒的轉(zhuǎn)速、牽引速度等參數(shù)相關(guān)。

重點研究螺旋升角、滾筒轉(zhuǎn)速以及牽引速度對裝煤率的具體影響，并對螺旋升角的角度為30°、35°和40°，滾筒轉(zhuǎn)速為35 r/min、45 r/min和55 r/min，牽引速度為2 m/min、3 m/min 和4 m/min 的不同參數(shù)下的裝煤率進行研究。

基于EDEM 軟件建立開底槽截割部截割煤層的模型，如圖4 所示。

圖4 截割部截割煤層的動態(tài)仿真模型

結(jié)合采煤機滾筒結(jié)構(gòu)的選材和工作面煤層的特性，對圖4 模型中材料的密度、泊松比、剪切模量、煤層的剪切剛度以及煤層的法向剛度等參數(shù)進行設(shè)置。并對螺旋升角、滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度三種參數(shù)在不同組合下的裝煤率進行對比，仿真結(jié)果如下頁表2 所示。

表2 不同參數(shù)組合下采煤機裝煤率對比

當螺旋升角為30°、滾筒旋轉(zhuǎn)速度為45 r/min、牽引速度為3 m/min 時，對應(yīng)采煤機的裝煤率最高，可達到85.7%。結(jié)合仿真結(jié)論可對開底槽截割滾筒螺旋升角進行優(yōu)化，并對采煤工藝中滾筒的旋轉(zhuǎn)速度和牽引速度進行改進[5]。

4 結(jié)語

1）開底槽截割滾筒新型采煤機應(yīng)用于薄煤層和夾矸煤層的開采中，可預(yù)先對煤層進行卸荷，降低煤層硬度，從而降低煤層的開采難度。

2）通過建立開底槽截割滾筒的動力學仿真模型，對滾筒的振動特性進行仿真分析，為后續(xù)減小采煤機振動的改進奠定了基礎(chǔ)。

3）基于EDEM 軟件對不同參數(shù)組合下的裝煤率進行對比發(fā)現(xiàn)，當螺旋升角為30°、滾筒旋轉(zhuǎn)速度為45 r/min、牽引速度為3 m/min 時，對應(yīng)采煤機的裝煤率最高，可達到85.7%。