杜利偉

（西山煤電官地礦， 山西 太原 030053）

0 引言

采煤機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的核心設(shè)備，其性能直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力。衡量采煤機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)為其截割能力和裝煤能力，這兩項能力主要由采煤機(jī)的螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)決定，進(jìn)而影響采煤機(jī)的截割性能。在實際生產(chǎn)中，煤層為非均勻介質(zhì)，而且呈現(xiàn)不連續(xù)和各向異性的特點，針對復(fù)雜煤層采用不同的截割參數(shù)達(dá)到提升截割性能的效果，從而提升采煤機(jī)的截割能力和落煤能力[1]。本文將從理論層面對采煤機(jī)截割性能參數(shù)的優(yōu)化展開研究。

1 復(fù)雜煤層條件下滾筒截割模型的建立

本文針對以復(fù)雜煤層條件下采煤機(jī)螺旋滾筒截割性能的仿真分析為基礎(chǔ)，結(jié)合工作面煤層巖層的參數(shù)建立復(fù)雜煤層的仿真模型。該模型需要真實反應(yīng)巖層和煤層的容重、靜摩擦系數(shù)、動摩擦系數(shù)以及堅固性系數(shù)等。含矸復(fù)雜煤層的力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。

表1 含矸復(fù)雜煤層力學(xué)參數(shù)

根據(jù)上述參數(shù)建立煤巖體與采煤機(jī)螺旋滾筒的耦合仿真模型，仿真模型如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)螺旋滾筒與復(fù)雜煤層的耦合仿真模型

2 螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)對截割性能的影響

本文所研究的采煤機(jī)的具體型號為MG2×55/250-BW，重點對該型采煤機(jī)運動參數(shù)（包括截割深度、牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（重點研究葉片螺旋升角）對整機(jī)截割性能的影響展開研究，截割性能通過采煤機(jī)在不同工況下的截割阻力、塊煤率、生產(chǎn)率和截割比能耗進(jìn)行反應(yīng)[2]。所研究各參數(shù)的具體取值如下：牽引速度為3 m/min、3.5 m/min、4 m/min和4.5 m/min；螺旋滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min、85 r/min、90 r/min、95 r/min 和100 r/min；截割深度為550 mm、565 mm、580 mm、600 mm 和620 mm；葉片螺旋升角為8°、10°、13°、15°和18°。

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對截割性能的影響

針對結(jié)構(gòu)參數(shù)對截割性能仿真模擬研究，重點分析葉片螺旋升角對截割性能的影響。此時，設(shè)定采煤機(jī)牽引速度為4 m/min，截割深度為580 mm，螺旋滾筒旋轉(zhuǎn)速度為90 r/min；分別對葉片螺旋升角為8°、10°、13°、15°和18°五種工況下采煤機(jī)對應(yīng)的截割阻力、塊煤率、生產(chǎn)率以及截割比能耗進(jìn)行對比分析，所得的數(shù)據(jù)如表2 所示：

表2 不同葉片螺旋升角下采煤機(jī)的截割性能對比

如表2 所示，隨著葉片螺旋升角的增加，對應(yīng)截割阻力呈現(xiàn)不規(guī)律的變化趨勢，導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因為由于葉片螺旋升角的變化使得截齒的相對位置與截割順序發(fā)生了變化，從而引發(fā)的大塊煤不規(guī)律的崩落；其中，在葉片螺旋升角為10°時對應(yīng)的截割阻力最小。

同樣，對于截割比能耗而言，隨著葉片螺旋升角的增加，其也呈現(xiàn)不規(guī)律的變化，其與截割阻力的變化一致；導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因為截割阻力的減小所消耗的能量也減小。其中，在葉片螺旋升角為10°時對應(yīng)的截割比能耗最小。

對于最大截割面積而言，隨著葉片螺旋升角的增加，其不斷減小；導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因為螺旋升角增大直接反應(yīng)至滾筒結(jié)構(gòu)上相鄰截線兩截齒在圓周方向上的距離減小。

對于生產(chǎn)率而言，螺旋升角對采煤機(jī)生產(chǎn)率的影響可以忽略不計。

2.2 運動參數(shù)對截割性能的影響

以采煤機(jī)螺旋滾筒的截割深度為例，設(shè)定采煤機(jī)的牽引速度為4 m/min，螺旋滾筒旋轉(zhuǎn)速度為90 r/min，葉片螺旋升角的角度13°；對滾筒截割深度為550 mm、565 mm、580 mm、600 mm 和620 mm 五種工況下采煤機(jī)截割阻力、塊煤率、生產(chǎn)率以及截割比能耗進(jìn)行對比分析，仿真所得的數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 不同截割深度下采煤機(jī)的截割性能對比

如表3 所示，隨著采煤機(jī)截割深度的增加，截割阻力呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢；截割比能耗呈現(xiàn)不斷減小的變化趨勢；最大截割面積不變；生產(chǎn)率呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢。

同理得出：隨著采煤機(jī)牽引速度的增加，截割阻力、截割比能耗、最大截割面積以及生產(chǎn)率等均呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢。隨著采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速的增加，截割阻力、最大截割面積呈現(xiàn)不斷減小的變化趨勢；截割比能耗呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢；生產(chǎn)率不變。

綜合上述仿真分析得出：采煤機(jī)截割滾筒的旋轉(zhuǎn)速度對截割比能耗參數(shù)的影響最大；采煤機(jī)牽引速度對生產(chǎn)率和塊煤率兩個參數(shù)的影響最大；采煤機(jī)截割深度對截割阻力的影響最大。

3 采煤機(jī)螺旋滾筒參數(shù)的優(yōu)化

在上述對不同參數(shù)影響采煤機(jī)截割性能仿真分析的基礎(chǔ)上，基于上述仿真分析所得結(jié)論采用多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對采煤機(jī)螺旋滾筒的采煤工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合采煤機(jī)裝備本身的運動學(xué)參數(shù)和上述仿真結(jié)算，得出螺旋滾筒參數(shù)的取值范圍如下：螺旋滾筒轉(zhuǎn)速范圍為[80 r/min，100 r/min]、牽引速度范圍為[3 m/min，5 m/min]、截割深度范圍為[550 mm，620 mm]、葉片螺旋升角范圍為[8°，18°]。

采用多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化前后上述參數(shù)值的具體變化如表4 所示。

表4 采煤機(jī)滾筒運動和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后對比

優(yōu)化前后采煤機(jī)截割性能對比如表5 所示。

表5 螺旋滾筒參數(shù)優(yōu)化前后采煤機(jī)截割性能對比

如表5 所示，對“2”中仿真得出的螺旋滾筒參數(shù)采用多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化后，采煤機(jī)的截割性能得到明顯提升；其中，采煤機(jī)的截割面積和生產(chǎn)率得到顯著增加，截割比能耗降低了0.44 kWh/m3。

4 結(jié)語

采煤機(jī)為煤礦綜采工作面生產(chǎn)的核心設(shè)備，其截割性能直接決定了生產(chǎn)率、截割比能耗、截割阻力等因素。因此，對于采煤生產(chǎn)而言，采用合理的螺旋滾筒運動參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對于保證其截割性能具有重要意義。本文重點開展了復(fù)雜煤層條件下螺旋滾筒的截割性能，實現(xiàn)了對螺旋滾筒結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)的優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化后，采煤機(jī)的截割性能得到明顯提升。