采煤机截齿截割角度不同对煤岩破碎率的影响分析

贺 龙，李治毅

（晋能控股煤业集团北辛窑矿，山西 忻州 036700）

引言

采煤机作为综合机械化采煤的关键设备，其截割性能对于采煤作业的效率具有直接的影响。滚筒式采煤机具有功率大、产量高的优点，是广泛使用的采煤机类型[1]。在滚筒式采煤机作业的过程中，截割部是进行煤岩截割作业的机构，截齿作为直接的接触零件，其工作环境恶劣，截齿与煤岩接触时的楔入截割角度的不同，对于煤岩造成的破坏作用不同，从而影响到采煤作业的破碎率不同。基于离散元分析的方式，对不同楔入截割角度的截齿工作过程进行模拟，探寻截割角度对破碎率的影响规律，从而选择最优的截割角度参数，提高采煤机的作业效率[2]。

1 截齿不同截割角度截割模型的建立

在截齿进行煤岩截割的过程中，楔入截割角度的不同影响到截割阻力的不同。截齿不同的楔入截割角如图1所示，在楔入截割角为0°时（图1-1），截齿的齿尖可以较为容易地切入煤岩，但在实际应用中，这种方式会造成截齿与煤岩的剧烈摩擦，截齿的磨损剧烈，煤层受到较大的拉伸及剪切作用，产生较大的粉尘。此时产生较大的截割阻力，截割比能耗增加。为了减小截齿的磨损，常采用楔入截割角β>截齿半锥角α的设计（图1-2），此时进行截割作业时，截齿通过挤压形成煤岩的裂纹，通过剪切及拉伸作用对煤岩造成破坏，减小了截割阻力及截割比能耗。当楔入截割角β>90°-α时（图1-3），此时截齿与煤岩的作用力指向岩层内部，造成截割阻力、粉尘量较大。在使用过程中，应尽量在图1-2的范围内，选择最优的角度进行截割作业[3]。

图1 不同的楔入截割角截割作业示意图

采用离散元分析的方式对截齿截割的过程进行模拟，煤岩作为非均质材料，破煤的过程作为动态破裂过程，采用离散元法进行分析，不仅可以计算弹性连续阶段的变形，还能计算破裂过程中的不连续阶段，适用于对煤岩的破裂进行分析。采用三维建模软件建立煤岩的模型尺寸为50 cm×30 cm×50 cm（长×宽×高），设定模型的半径为0.5 mm。同时，采用ANSYS建立截齿模型，对煤岩的破碎进行分析，不分析截齿的受力及变形问题，对截齿的结构进行简化处理，并进行网格划分处理。采用的截齿半锥角为40°，选定截齿的楔入截割角为0°~50°六种角度均布，设定截割头的转速为60 r/min，由此对不同的截齿楔入截割角破碎率进行分析[4]。

2 截齿不同截割角度下煤岩破碎率的模拟分析

对不同楔入截割角时的煤岩的破碎率进行分析，设定分析步为1 000步，当楔入截割角为40°时的模拟过程如图2所示，对煤岩破碎的体积进行统计，在煤岩截割过程中的破碎率变化如下页图3所示。

图2 截齿进行煤岩截割的过程模拟

图3 截齿楔入截割角为40°时的破碎率变化曲线

分别对六种不同截齿楔入截割角时的截割过程进行模拟，统计各角度下的最大破碎率及平均破碎率的变化，得到如图4所示的不同截齿楔入截割角破碎率的变化图。从图4中可以看出，在截齿楔入截割角为0°时的破碎率最高，此时煤岩是理想的应力状态，截齿的受力均匀，保持较好的自锐性[5]。在实际的应用中，截齿楔入截割角不能为0°，当截齿楔入截割角度变化时，如图4中所示，截齿楔入截割角为10°时，煤岩的破碎率显著下降，然后随着截齿楔入截割角度的增加，破碎率呈现缓慢上升的趋势，在达到半锥角40°时，破碎率达到最大值。这是由于当截齿楔入截割角度小于截齿半锥角时，截齿受到的压应力在锥体上呈椭圆形的分布趋势，此时截齿进行截割受到的截割阻力较大，煤岩的脱落概率小。当截齿楔入截割角等于半锥角时，破碎率达到最大值，此时截齿对煤岩的作用力指向煤岩的自由面，通过挤压作用使得煤岩的内部形成裂纹，通过剪切和拉伸应力的作用，造成煤岩的脱落，此时的截割阻力和截割比能耗较小，形成的块煤率高[6]。当截齿楔入截割角继续增加时，则破碎率开始减小，此时截齿齿身与煤岩的接触面较大，相互干涉，形成摩擦作用，对煤岩的作用力越过自有表面指向煤岩的内部，此时的挤压作用强烈，没有有效的拉伸及剪切作用，使得煤岩的破碎率减小，并且此时的截割阻力及截割比能耗较大，并形成较大的粉尘量，不利于煤炭的开采。

图4 不同截齿楔入截割角时的破碎率变化

3 结论

当截齿楔入截割角等于半锥角的角度时，此时的破碎率最高，当截齿楔入截割角小于半锥角的角度时，破碎率较低，此时提高截齿楔入角度能提高煤岩的破碎率，当截齿楔入截割角大于半锥角的角度时，破碎率较低，此时不利于截割过程的进行。因此，在进行截齿的截割角度选择时，应尽量让截齿楔入角度等于截齿的半锥角，从而提高煤岩的破碎率及块煤率，提高截齿截割的效率。