王 超

（霍州煤電集團云廈白龍礦建分公司，山西 霍州 031400）

晉牛煤礦開采夾矸煤以及薄煤層時，采煤機螺旋滾筒受到復雜沖擊，出現(xiàn)磨損甚至報廢問題，導致煤礦原煤產(chǎn)出率降低，造成了人力財力浪費。本文以晉牛煤礦采煤機螺旋滾筒截齒為研究對象，使用軟件對螺旋滾筒進行建模，利用EDEM 進行磨損仿真，通過數(shù)值模擬方式，快速精準鎖定磨損位置以及磨損量，確定最佳的參數(shù)組合，確保磨損量最小化，為后續(xù)提高滾筒壽命的研究提供依據(jù)。

1 磨損機理分析

根據(jù)文獻統(tǒng)計，導致采煤機滾筒截齒失效的原因大部分是由于螺旋滾筒磨損造成。一旦截齒失效就需要立即更換，而頻繁更換將會帶給企業(yè)較大的成本投入[1-4]。基于此，本文首先進行采煤機螺旋滾筒的磨損研究。

1）采煤機截齒破煤過程分析

破煤過程分為四大階段：首先為煤巖層變形階段，即采煤機截齒碰到煤巖體，繼續(xù)前進受力導致形變；其次為煤巖體形成裂紋階段，即截齒繼續(xù)前進齒尖插入煤巖體，造成中部與兩側受力不均勻，隨著應力加大，達到煤巖體的抗拉強度，出現(xiàn)裂紋；接下來為裂紋發(fā)展階段，即截齒繼續(xù)插入，形成裂紋相互交匯，持續(xù)增大，煤巖體出現(xiàn)破裂；最后為煤巖崩落階段，即隨著截齒持續(xù)深入，齒尖能量不斷被放大，裂紋延伸與紋理重疊，導致煤塊開始崩落。至此，采煤機就完成了一整套落煤過程，接下來循環(huán)往復，完成整個煤層落煤。

2）磨損機理分析

在采煤機破煤過程，截齒與煤巖體直接接觸，煤巖中固性較大的硬質材料會與截齒表面發(fā)生摩擦，導致截齒表面脫落，形成磨粒磨損。磨粒磨損機理主要分為三種：① 微觀切削機理；② 疲勞破壞機理；③壓痕機理。

磨粒磨損機理主要與表面載荷、磨粒大小、金屬表面特性以及硬度等相關，隨著表面載荷、磨粒大小等參數(shù)變化而發(fā)生變化。采煤機截齒磨損機理結合微觀與壓痕機理，即磨粒在外力作用下壓入截齒表面形成梨溝狀。

2 構建煤巖截割仿真模型

1）采煤機截割部三維建模

本文選取常見MG2×70/325-BW 采煤機為研究對象，圖1 為該機型采煤機截齒分布以及編號圖。螺旋滾筒的截割直徑為0.8 m，最大的截割深度達到0.6 m。

圖1 采煤機截齒分布以及編號圖

下面使用三維建模軟件Creo 對螺旋滾筒進行建模，按照圖1 的截齒編號以及分布位置確定截齒裝配關系，確保截齒精準性，其螺旋滾筒裝配模型圖如圖2。在對截割部搖臂建模時，為了提高仿真效率可以將截割部的外形圓倒角特征等取消，而內部起傳動作用的部件需要通過準確建模來進行，保證組件準確性，其余零件則按照標準件自動生成即可。

圖2 螺旋滾筒、截割部裝配模型圖

2）ADAMS 前處理

將截割部三維模型另存為.stp 格式導入ADAMS 后，需要對模型的材質、屬性等進行設置。在對材料進行定義時，首先左擊選中組件，通過Modity 設置為Mass Properties，進行材料定義。在完成材料的設置后，軟件將會根據(jù)材料屬性自動生成部件質量與轉動慣量。

完成屬性設置后，需要根據(jù)實際裝配關系來對模型中組件完成約束，旨在準確模擬組件的相對運動。在對截割部約束定義時，包含的低副有：截割部組件與地面滑動、電機與截割部內的齒輪副等。根據(jù)實際運動特點，限制模型自由度，例如截割部與地面的垂直方向限制相對運動。完成約束定義后，需要在模型上按照實際情況添加驅動。在軟件中，選擇使用在不同組件上添加驅動的方式進行，其中驅動分為兩類：滑動、旋轉。

3）構建離散元仿真模型

在構建離散元仿真模型時，按照圖3 仿真模型邏輯流程圖來展開，具體見圖3。

圖3 仿真模型邏輯流程圖

3 基于EDEM 仿真結果對比分析

3.1 滾筒磨損情況分析

將實際工況設置為仿真條件，分析滾筒的磨損狀態(tài)。圖4 為仿真運行10 s 后的磨損云圖以及截齒的磨損漸變云圖。從云圖上可以看出，在10 s 時，滾筒出現(xiàn)了一些磨損，其中較為嚴重部位為截齒，尤其是截齒的齒尖位置。在整個運動過程中，隨著載荷的波動，截齒受到外力作用也較為劇烈，原因是在采煤過程中，滾筒勻速旋轉，截齒在采空區(qū)與截煤區(qū)交替，由于煤層中間包含夾矸層，導致截齒在碰到矸石時載荷突然增大，同時應力集中在齒尖位置，這與云圖結果完全吻合。

圖4 滾筒磨損云圖與截齒磨損漸變云圖

3.2 控制變量法分析各影響因素與滾筒磨損的關系

采煤機正常運轉是受到多個強時變性因素協(xié)同作用的結果，每個影響因素對滾筒的壽命均會造成影響，影響程度各有不同。下面采用控制變量法，分別對截割深度、滾筒轉速以及牽引速度展開分析，確定各因素對滾筒截齒磨損的影響規(guī)律，為后續(xù)采煤機參數(shù)調整提供合理范圍。表1 為按照要求設計的15 組試驗參數(shù)。

表1 工況參數(shù)表

根據(jù)上述試驗工況，對模型參數(shù)進行調整，不同工況下滾筒截齒受到外力不同，隨著外力變化，截齒磨損程度也會相應發(fā)生變化。因此對應上述工況，按照EDEM 仿真結果分別輸出對應工況下的截齒平均合力以及截齒磨損總量，具體見表2。

表2 不同工況下截齒平均合力以及磨損總量匯總表

從表2 可知，在截割深度以及牽引速度不變的前提下，隨著滾筒速度的增加，截齒的平均合力以及磨損總量呈下降趨勢。即隨著轉速的增加，單位時間內的截齒切煤的次數(shù)增加，導致截齒割煤的厚度等減小，阻力降低，磨損減小。在截割深度以及轉速不變時，隨著牽引速度的增加，截齒的合力以及磨損量在不斷加大，同時變化量相較其他兩者是最大的。原因是，牽引速度增加，意味著在單位時間內煤炭的開采量上升，煤層的切割厚度增加，阻力加大，沖擊加大，磨損變大。在采煤機滾筒轉速以及牽引速度均不變的前提下，隨著截割深度的增加，截齒平均合力以及磨損總量也在不斷增加，且兩者的增加比例呈一致狀態(tài)。

3.3 滾筒截齒磨損參數(shù)最優(yōu)組確定

為減少仿真運算時長，現(xiàn)使用正交試驗法來驗證前面描述三個因素對采煤機截齒的影響大小，同時驗證得出三者的最佳參數(shù)配合。結合參數(shù)影響規(guī)律以及開采量的大小關系，將正交試驗分為三個水平，表3 為因素水平表。

表3 因素水平表

通過因素水平表設計正交試驗，將各因素對于截齒磨損量趨勢關系進行表達，具體變化規(guī)律如圖5。

圖5 截齒磨損影響因素水平規(guī)律圖

圖5 為正交試驗后各因素對磨損量影響的趨勢變化圖，該結果與控制變量法中單因素的變化趨勢基本一致，具體變化規(guī)律不做贅述?，F(xiàn)以截齒磨損最小為目標，由圖5 得出，參數(shù)最優(yōu)組合為A3B1C1，即滾筒轉速100 r/mm，牽引速度3 m/min，截割深度540 mm。將此參數(shù)組合進行仿真，結果顯示截齒磨損總量為8.58×10-4mm，截齒的磨損總量值較前文15 種工況下每種工況的磨損總量值都小，說明在A3B1C1 組合參數(shù)下磨損總量是最小的，為最優(yōu)的參數(shù)組合。經(jīng)驗證，正交試驗法結果與仿真結果一致，證明了正交試驗法結果的準確性以及最優(yōu)參數(shù)的有效性。

4 結論

本文以采煤機螺旋滾筒為研究對象，主要針對截齒磨損進行研究，利用三維建模以及EDEM 仿真方式來進行展開，根據(jù)控制變量法對截割深度、牽引速度以及滾筒轉速等因素對截齒的磨損進行分析，隨后使用正交試驗法確定參數(shù)的最佳組合方案，同時使用仿真進行驗證，證明試驗的準確性，為實際的采煤機運動參數(shù)調整提供依據(jù)。