复杂煤层条件下滚筒截割性能影响分析

寇 岩

（山西新元煤炭有限责任公司， 山西 晋中 045400）

1 理论研究基础

采煤机截割部滚筒为采煤机与煤层直接接触的部件，其截割性能与采煤机所承受的载荷及波动情况相关，同时还影响滚筒的磨损程度。截割部滚筒上分布的镐形截齿是实现破碎煤岩体的直接部件。为保证采煤机截割煤层时的安全性，降低滚筒的波动，实现高效的落煤和装煤能力，截割部滚筒的分布及每个镐形截齿的性能需达到更高的要求[1-2]。采煤机滚筒最终结构确定的参数包括有滚筒直径、宽度、叶片螺旋升角、叶片数量、截齿排列方式、截齿布置角度等。

滚筒的叶片直径主要影响采煤机整机的装煤性能。一般的，滚筒直接与工作面煤层的厚度直接相关，如表1 所示。

表1 滚筒直径与工作面煤层厚度之间的关系 m

根据采煤机截割部滚筒的直径确定其螺旋叶片的直径。

螺旋滚筒的宽度需综合工作面设计的生产率确定。目前，采煤机螺旋滚筒的宽度一般取标准值，主要包括有500 mm、630 mm、680 mm、750 mm 和1000 mm。

螺旋升角也是影响整机滚筒装煤能力的关键因素。而从结构上，螺旋升角参数主要受滚筒直径和叶片头数等因素影响。

滚筒螺旋叶片头数与滚筒直径相关。当滚筒直径小于1.25 m 时，取螺旋叶片的头数为2；当滚筒直径D 处于[1.25,1.4]的区间内时，取螺旋叶片的头数为2 或者3；当滚筒直径大于1.6 时，取螺旋叶片的头数为3 或4。

2 仿真模型的搭建

本文将通过仿真分析的方式对复杂煤层条件下滚筒截割性能进行分析。因此，本节首先对螺旋滚筒与煤壁耦合模型进行搭建；然后，基于EDEM 软件开展仿真分析工作。

本文所研究截割滚筒载体的采煤机型号为MG2×55/250-BW，该型采煤机滚筒的主要参数如表2 所示，该参数也成为建立采煤机截割部滚筒仿真模型的主要依据[3]。

表2 MG2×55/250-BW 采煤机滚筒的主要参数

根据表2 中的参数完成采煤机截割部滚筒各个零部件的模型，而后根据各零部件的相互约束关系以及截齿在滚筒的分布情况，装配而成采煤机滚筒的三维模型。所建立的MG2×55/250-BW 采煤机截割部滚筒的三维模型如图1 所示。

图1 采煤机截割部滚筒三维模型

将图1 中基于Pro/E 软件所建立的滚筒三维模型导入EDEM 软件中，与其所截割煤层的模型实现耦合，建立采煤机截割滚筒与夹矸煤壁相耦合的模型，如图2 所示。

图2 采煤机截割部滚筒与夹矸煤层的耦合模型

仿真参数设置：根据采煤机与夹矸煤层实际截割的工况对图2 中的耦合模型完成参数设置。具体参数设置如下：设定采煤机的牵引速度为4 m/min，加速度为0；设定采煤机截割部滚筒的旋转速度为91 r/min，对应的角速度为9.5 rad/s，加速度为0。

在正式开始仿真前，需对所建立仿真模型的准确性进行验证。通过仿真可知：在截割煤层时滚筒所承受的平均值为51420 N；通过理论计算得出滚筒的平均受力为52706 N；二者之间的误差在2.5%之间，在可承受的合理范围之内[4]。即说明所建立的仿真模型可用于后续的研究。

3 滚筒参数对其所承受载荷的影响

本节将基于上述所建立的模型分别研究滚筒截齿排列方式、叶片螺旋升角以及煤岩坚固系数等参数对滚筒所承受的载荷的影响。

3.1 截齿排列方式对滚筒所承受载荷的影响

滚筒截齿的排列方式分为顺序式和交叉式两种，对两种排列方式滚筒所承受的最大值、均值和载荷波动系数进行对比，仿真结果如表3 所示。

分析表3 可知，截齿不同的排列方式对滚筒所承受载荷的影响较大；同时，顺序式排列方式滚筒的受力值大于交叉式；而顺序式排列方式滚筒的载荷波动小于交叉式。

表3 不同截齿排布方式对滚筒所承受载荷的影响

3.2 叶片螺旋升角对滚筒所承受载荷的影响

本文对滚筒叶片螺旋升角为10°、12°、14°、16°四种情况下对滚筒所承受载荷的最大值、均值和载荷波动系数进行对比，仿真结果如表4 所示。

如表4 所示，随着螺旋升角的增加，对应滚筒的受力最大值减小，滚筒受力均值增加，对应滚筒的波动情况减小。

表4 不同螺旋升角对滚筒所承受载荷的影响

3.3 煤层坚固系数对滚筒所承受载荷的影响

本文对煤层坚固系数分别为3.5、5.1、6.8 和8.4四种情况下对滚筒所承受载荷的最大值、均值和载荷波动系数进行对比，仿真结果如表5 所示。

如表5 所示，随着煤层坚固系数的增加，对应滚筒的受力最大值增加，滚筒受力均值增加，对应滚筒的波动情况增加。

表5 不同煤层坚固系数对滚筒所承受载荷的影响

4 结论

采煤机为综采工作面对煤层进行截割和落煤的设备，滚筒作为直接与煤层接触的部件其截割性能直接决定采煤机的截割效率和落煤性能[5]。本文重点基于Pro/E 软件建立采煤机截割部滚筒的三维模型，并导入EDEM 软件对不同滚筒参数对其所承受载荷的影响进行仿真分析，并总结如下：

1）顺序式排列方式滚筒的受力值大于交叉式，而顺序式排列方式滚筒的载荷波动系数小于交叉式。

2）随着螺旋升角的增加，对应滚筒的受力最大值减小，滚筒受力均值增加，对应滚筒的载荷波动系数减小。

3）随着煤层坚固系数的增加，对应滚筒的受力最大值增加，滚筒受力均值增加，对应滚筒的波动情况增加。