采煤机滚筒结构优化研究

杨帅科

（山西凌志达煤业有限公司， 山西 长治 046000）

引言

采煤机作为矿山开采的主要设备，其工作性能一直制约着矿井的高效开采，滚筒作为采煤机的工作结构，其消耗了大部分采煤机功率[1-2]。滚筒主要实现两个功能，分别为截割和装煤。在实际工作中，由于采煤机工作环境较为恶劣，使得采煤机截齿极易发生折断，造成采煤机停止作业，影响正常开采。此前众多学者对采煤机滚筒进行过优化研究，梁宝英[3]为了解决滚筒破煤效果差、利用率低的问题，对采煤机牵引速度、滚筒转速、滚筒转速、叶片螺旋升角等进行研究，给出了采煤机结构的优化设计，优化后采煤机工作性能稳定。周洋[4]对采煤机的滚筒调高系统进行研究，通过输入人工控制记录实现优化采煤机运行轨迹的目的。经过实践发现自动切割调高控制系统不仅能够更好地调整，而且可以降低采煤工作耗时，提升效率。本文利用数值模拟软件对采煤机的结构参数进行研究，并给出最优的结构参数。

1 模拟准备阶段

采煤机截割部作为采煤机的核心部件，配有独立电机，是整个采煤机能量消耗最大的部件。采煤机截割部主要的组成结构有滚筒、挡煤板、调高系统等，滚筒作为采煤机截割部的主要部件，其工作性能直接关乎着采煤机的正常运转，其主要组成零件有截齿、齿座、端盘、螺旋叶片等，由于采煤机工作环境较为恶劣，使得采煤机滚筒部件极易发生折断、磨损等现象，当煤壁强度较大时，采煤机滚筒极易发生振动应力折断，所以本文对采煤机滚筒进行研究，旨在设计振动小、能耗低、效率高的采煤机滚筒。

首先利用数值模拟软件对滚筒的截齿、螺旋叶片进行模型建立，截齿的材料选定位42CrMo 钢，刀头的材料选择为YG-8C，由于采煤机滚筒截齿与煤壁进行直接接触，所以刀头及截齿的材料应当具备极高的韧度及强度。由于螺旋叶片为螺旋结构，在实际建模中极难建立，所以选定UG 软件的扫掠命令，对叶片的截面进行建立，通过命令完成整个螺旋叶片的整合。对于煤壁的建立，由于煤壁体积较大，无法直接建立，所以本文建立长宽高分别为1 100 mm、900 mm、2 400 mm 的模型。完成各部件的建立后，对模型进行装配，完成装配后将模型导入ANSYS 模拟软件中，模型三维图如1 所示。

图1 滚筒煤壁三维模型示意图

完成模型建立后对模型进行网格划分，由于滚筒的形状较为复杂，且划分过细或者过粗均会对模拟产生一定的影响，所以在进行网格划分时选定SOLID164 单元划分方式，完成模型划分后对模型的材料参数进行设定，煤壁的密度为1 400 kg/m3，泊松比为0.36，滚筒的参数为密度为7 800 kg/m3，泊松比为0.3。部件接触采用单面接触、面面接触和点面接触，接触因子设定为0.01，对煤壁进行约束设定，固定煤壁上下边界X、Y 方向的位移，依靠滚筒进行煤壁的切割。

2 数值模拟计算

对模型进行模拟计算。模拟结果如下页图2 所示。

从图2 中可以看出，采煤机滚筒截割煤壁大致可分为两个阶段，分别为第一阶段滚筒与煤壁进行接触，此时的滚筒截齿主要受力点为截齿与煤壁的接触面，此时煤壁颗粒出现少量的掉落，第二阶段为采煤机滚筒进行旋转，此时采煤机截齿大面积接触煤壁，煤壁的颗粒大量脱落，此时的煤壁煤颗粒间的黏结力被破坏，滚筒出现沿截割方向的移动，完成煤壁煤体颗粒的截割。

图2 滚筒截割煤壁过程模拟图

由于每个滚筒均是由截齿组合而成，所以对采煤机滚筒的单个截齿进行受力分析，同时将单个截齿的受力进行整合，得出每个截齿受力平均值的折线如图3 所示。

图3 每个截齿受力平均值折线图

如图3 所示，每个截齿的平均受力差距较为明显，大致分布在300～2 200 N 之间，可以看出截齿编号为27 号、34 号、36 号及37 号截齿的受力明显偏大，受力的均值均超过1 700 N，其中受力均值最大的截齿为27 号截齿，最大值的均值为2 131 N，这是由于27 号截齿率先接触煤壁，此时由于截齿刚接触煤壁，出现一定的冲击，造成截齿受力均值出现较大的情况。8 号截齿、18 号截齿、24 号接触和 38 号截齿的受力均值明显较小，最小值为24 号截齿，最小值为339 N。

根据模拟结果对采煤机滚筒进行优化，建立目标函数，将采煤机结构参数设定为优化目标，利用MATLAB 软件进行结构参数优化，通过优化选定采煤机的总功率600 kW，截割电机的功率为250 kW，采煤机设定的采高为3 m，平均截线距为30 mm，提升了12.8%；螺旋升角为19.8°，提升量为4.21%；平均截距由原来的237 调整为249，提升幅度为5.06%。对优化后的采煤机截割性能进行分析，给出优化前后每个截齿受力平均值的折线对比（见图4）。

图4 优化前后每个截齿受力平均值的折线对比图

从图4 优化前后每个截齿受力平均值的折线对比图可以看出，优化后每个截齿受力平均值的折线波动明显小于优化前的折线波动情况，通过计算得知，经过优化后截齿受力均值的差异系数为0.252，较优化前的截齿受力均值的差异系数0.425 降低了0.173，降低的幅度为40.8%，同时对比优化前后的截齿受力均值发现，经过优化后截齿的受力均值从未优化前的1 076 N 降低至914 N，降低了152 N，降低的幅度为15.06%，此时经过优化截齿的受力有了较大幅度的改善，达到了通过优化截齿参数提升采煤机截割性能的目的。

3 结论

1）对采煤机截割过程进行分析，利用数值模拟软件对采煤机滚筒截割煤壁的模型进行建立，并对模型进行了网格划分、边界条件设定等模拟前准备工作，为后续的模拟提供一定的铺垫。

2）利用数值模拟软件对采煤机滚筒截割煤壁进行模拟分析，发现采煤机滚筒截割煤壁大致可分为两个阶段，一阶段为垂直煤壁进刀，第二阶段为平行于煤壁截割。

3）利用模拟对采煤机滚筒接触煤壁截齿受力进行分析，发现优化后截齿受力平均值波动明显小于优化前的波动，且经过优化后截齿的受力均值从未优化前的1 076 N 降低至914 N，降低了152 N，降低的幅度为15.06%。