畢志軍

（山西科興能源發(fā)展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著工作面煤層的截割和落煤任務(wù)。采煤機(jī)的截割能力直接決定工作面的生產(chǎn)能力。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工作面煤層條件的復(fù)雜性和生產(chǎn)工況的惡劣性，采煤機(jī)所承受的負(fù)載屬于動(dòng)態(tài)變化而且存在較大的沖擊性。斜切進(jìn)刀為生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛的截割工況，掌握在該工況下采煤機(jī)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)于指導(dǎo)實(shí)踐生產(chǎn)和理論研究具有十分重大的意義[1]。本文將重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)斜切工況下截割部滾筒的截割狀態(tài)、載荷等離散元結(jié)果進(jìn)行分析。具體闡述如下：

1 離散元仿真模型搭建

所謂離散元指的是將相互獨(dú)立的單元根據(jù)其相互之間的關(guān)系形成一個(gè)整體，即各個(gè)相互獨(dú)立單元之間遵循理論上的牛頓運(yùn)動(dòng)定理和力- 位移定律。離散元模型的搭建需按照工作面煤巖容重、濕度、強(qiáng)度、堅(jiān)固性系數(shù)、截割阻抗等參數(shù)建立。本文將基于EDEM軟件建立采煤斜切工況下的離散元仿真模型，對(duì)采煤機(jī)截割含矸煤巖工況下對(duì)應(yīng)的滾筒的載荷提醒進(jìn)行研究。

鑒于在EDEM 軟件直接建立離散元模型困難較大，本次研究首先基于Pro/E 三維軟件建立采煤機(jī)截割部滾筒、煤壁的模型，并通過(guò)分段建立煤壁模型的方法模擬采煤機(jī)斜切進(jìn)刀工況。

1.1 斜切進(jìn)刀工況分析

所謂進(jìn)刀指的是采煤機(jī)在進(jìn)行下一循環(huán)時(shí)要先保證滾筒切入煤壁[2]。目前，我國(guó)煤炭開(kāi)采的主要進(jìn)刀方式為斜切進(jìn)刀，根據(jù)三角煤截割狀態(tài)分為留三角煤斜切進(jìn)刀和割三角煤斜切進(jìn)刀。

對(duì)于斜切進(jìn)刀工況而言，需要通過(guò)刮板輸送機(jī)中部槽逐節(jié)彎曲實(shí)現(xiàn)其功能，即隨著采煤機(jī)的行走，刮板輸送機(jī)中部槽呈現(xiàn)“S”形。本文僅對(duì)在采煤機(jī)滾筒斜切進(jìn)入煤壁時(shí)對(duì)應(yīng)滾筒的載荷特性進(jìn)行研究，不對(duì)滾筒完全進(jìn)入煤壁后的狀態(tài)進(jìn)行研究。

結(jié)合本文所研究采煤機(jī)的型號(hào)為MG2×55/250-BW，該型采煤機(jī)對(duì)應(yīng)的截割深度為630 mm，所配套刮板輸送機(jī)中部槽的單節(jié)長(zhǎng)度為1 500 mm。根據(jù)采煤機(jī)在斜切進(jìn)刀工況刮板輸送機(jī)中部槽節(jié)數(shù)計(jì)算公式如式（1）：

式中：l 為刮板輸送機(jī)中部槽的單節(jié)長(zhǎng)度，取1 500 mm；i 為中部槽的中間節(jié)數(shù)；α1為刮板輸送機(jī)中部槽相鄰2 節(jié)中部槽可彎曲的角度，取1°；B 為采煤機(jī)的截割深度，取630 mm。

將上述參數(shù)代入式（1）中得出，中部槽的中間節(jié)數(shù)為5。則可以得出在斜切進(jìn)刀工況下對(duì)應(yīng)9 節(jié)中部槽與水平方向的夾角如表1 所示。

表1 斜切進(jìn)刀工況中部槽與水平方向的夾角

上述研究成果將作為離散元模型建立的依據(jù)。

1.2 采煤機(jī)截割部滾筒模型的建立

根據(jù)采煤機(jī)截割部滾筒的實(shí)際結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸參數(shù)基于Pro/E 三維軟件建立模型[3]。為了兼顧仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和仿真計(jì)算量?jī)身?xiàng)因素，重點(diǎn)關(guān)注滾筒的直徑、寬度、葉片等尺寸。MG2×55/250-BW 采煤機(jī)主要參數(shù)如表2 所示。

表2 MG2×55/250-BW 采煤機(jī)滾筒關(guān)鍵尺寸

除了上述表1 中的參數(shù)外，根據(jù)截割部滾筒上截齒的排列方式建立滾筒三維模型。此外，根據(jù)MG2×55/250-BW 采煤機(jī)截割部搖臂尺寸以及搖臂內(nèi)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式和參數(shù)分別建立模型，并根據(jù)彼此之間的約束關(guān)系建立采煤機(jī)截割部的離散元仿真模型；根據(jù)本文所研究工作面的煤層和鋁質(zhì)泥巖（夾矸）的物理力學(xué)參數(shù)建立煤壁的離散元仿真模型[4]。

結(jié)合1.1 和1.2 中的研究成果，通過(guò)分段煤壁模擬斜切進(jìn)刀工況，對(duì)應(yīng)的仿真模型如圖1 所示。

圖1 斜切進(jìn)刀工況離散元仿真模型

2 離散元仿真結(jié)果分析

基于上述所建立的仿真模型，設(shè)置采煤機(jī)牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min，仿真時(shí)間設(shè)定為800 s，分別對(duì)采煤機(jī)滾筒分段截割煤壁載荷的相對(duì)誤差及截割含矸煤壁和全煤壁的載荷進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果具體如下：

2.1 采煤機(jī)截割分段煤壁載荷的相對(duì)誤差

對(duì)采煤機(jī)截割分段煤壁載荷相對(duì)誤差的仿真的目的在于驗(yàn)證所建立離散元仿真模型是否準(zhǔn)確、是否可行。所得的仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同牽引速度對(duì)應(yīng)載荷的相對(duì)誤差

通過(guò)仿真可知，隨著采煤機(jī)牽引速度的增加對(duì)應(yīng)截割滾筒所承受的載荷明顯增加；而且，在仿真前期截割部滾筒所承受載荷的波動(dòng)劇烈，即相對(duì)誤差較大；當(dāng)截割部滾筒完全進(jìn)入煤壁后，參與截割煤壁的截齒數(shù)量增加其所承受的載荷波動(dòng)明顯減緩，且相對(duì)誤差控制在2%以?xún)?nèi)。同時(shí)，隨著牽引速度的增加，截割滾筒所承受載荷進(jìn)入穩(wěn)定期的時(shí)間越早[5]。

2.2 采煤機(jī)截割含矸煤壁與全煤壁滾筒的載荷對(duì)比分析

為充分直觀對(duì)比采煤機(jī)截割含矸煤壁和全煤壁時(shí)滾筒所承受的載荷情況進(jìn)行對(duì)比，本節(jié)分別對(duì)兩種截割工況下?tīng)恳枇Α⒔馗钭枇?、軸向力等與牽引速度的關(guān)系進(jìn)行仿真，所得的仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 不同牽引速度對(duì)應(yīng)截割含矸煤壁和全煤壁滾筒載荷對(duì)比

如表3 所示，隨著采煤機(jī)牽引速度的增加，對(duì)應(yīng)滾筒所承受的載荷逐漸增加；同時(shí)，在同一牽引速度下，采煤機(jī)截割含矸煤壁時(shí)滾筒所承受的載荷遠(yuǎn)大于截割全煤壁時(shí)的載荷。

3 結(jié)論

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其主要承擔(dān)煤層的截割和落煤任務(wù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，斜切進(jìn)刀為采煤機(jī)常見(jiàn)的進(jìn)刀方式，為掌握采煤機(jī)在斜切進(jìn)刀工況下滾筒的載荷狀態(tài)，通過(guò)建立離散元仿真模型對(duì)其截割含矸煤壁和全煤壁工況時(shí)滾筒的載荷進(jìn)行分析，并總結(jié)如下：

1）采煤機(jī)在斜切進(jìn)刀工況下，刮板輸送機(jī)中部槽的中間節(jié)數(shù)為5 節(jié)；斜切進(jìn)刀工況所需刮板輸送機(jī)配合的中部槽節(jié)數(shù)為9 節(jié)。

2）當(dāng)滾筒完全進(jìn)入煤壁，即滾筒截齒與煤壁接觸的數(shù)量越多時(shí)，截割部滾筒所承受載荷的相對(duì)誤差小于2%，說(shuō)明本文所建立的離散元模型可行且準(zhǔn)確。

3）在斜切進(jìn)刀工況下，采煤機(jī)滾筒所承受的牽引阻力約為截割阻力的2 倍；采煤機(jī)截割全煤壁時(shí)所承受的合力約為截割含矸煤壁合力的20%。