基于有限元法的采煤机截割滚筒截线距优化设计

朱 毅

（晋能控股集团沁水胡底煤业有限公司， 山西 晋城 048200）

引言

煤矿开采过程中采煤机的运行稳定性会对煤矿开采效率产生决定性影响，截割滚筒是采煤机中非常重要的结构件，主要是利用滚筒上安装的截齿与煤壁发生直接作用，从而达到截割的效果[1]。截齿在滚筒上的安装结构与形式会对截割滚筒的性能产生直接影响[2]。随着煤矿领域的不断发展和技术水平的不断提升，对采煤机的性能要求越来越高，基于传统的经验设计方法难以满足高稳定性、高采煤效率的基本需要，有必要利用先进的有限元方法对采煤机截割滚筒的结构进行优化改进，进一步提升滚筒的综合性能。本文主要利用PFC 软件对采煤机截割滚筒的截线距进行优化设计，对于提升截割滚筒的性能和采煤机的工作效率具有一定的现实意义。

1 截割滚筒截线距概述

以MG132/320-W 型采煤机为对象进行研究，对截割滚筒的截线距进行优化设计研究。所谓截线距指的是相邻两根截齿在截线方向之间的距离大小，是决定截割滚筒性能的重要结构参数之一。截线距设置合理与否，不仅会对截割滚筒的采煤效率产生一定影响，还会影响结构件的使用寿命和能耗。当截割滚筒的截线距设置相对较大时，滚筒工作时特别容易出现封闭式切削，在相邻两根截齿之间形成“煤脊”，能在一定程度上提升块煤率。但与此同时，过大的截线距使得截齿在对煤壁进行破碎时，难以对煤壁裂隙进行有效利用，会在一定程度上提升截割滚筒的能源消耗，同时会使截齿的磨损加大，缩短其使用寿命。相反地，如果截线距设置过小，虽然能够降低单个截齿工作时的受力，但会在一定程度上减小块煤率，不利于煤矿开采过程的经济性。基于此，有必要对截割滚筒的截线距进行科学合理的设计，确保截齿之间的载荷均匀、截割比能耗小。

2 截割滚筒工作过程有限元建模

2.1 三维几何模型建立

利用SolidWorks 软件根据MG132/320-W 型采煤机截割滚筒的实际尺寸建立三维几何模型，其中滚筒的直径为1 250 mm。为了分析不同截线距对截割滚筒性能的影响，分别将截线距设置为60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm 建立几何模型，其他结构参数完全相同。建立模型时对一些细小结构，比如倒角、倒圆、小孔等进行忽略处理，这种处理措施能保证计算结果精度的同时压缩模型计算时间。

2.2 有限元模型建立

将建立的三维几何模型导入到PFC 有限元软件中，除建立截割滚筒模型外还建立了煤壁模型。截割滚筒主体使用42CrMo 钢材料加工，截齿合金头基于YG 系列硬质合金加工，以上两种材料的弹性模量分别为 212 GPa 和 600 GPa，泊松比分别为 0.28 和0.22，密度分别为7 850 kg/m3和14 600 kg/m3。煤壁在PFC 软件中基于离散元方法获得，弹性模量和泊松比分别为23 GPa 和0.25，抗拉强度和抗压强度分别为3.67 MPa 和 15.98 MPa，密度为 1 674 kg/m3。煤壁由颗粒状物质构成，颗粒半径及其孔隙率分别为0.008 m和0.06，法向抗拉强度、内聚力、内摩擦角分别为1.8×106Pa、2.4×106Pa 和 34.66°。边界条件方面，滚筒前进速度和旋转速度分别为0.04 m/s 和57 r/min。如下页图1 所示为滚筒对煤壁进行截割的过程。

图1 滚筒对煤壁进行截割的过程图

3 截齿受力分析及截线距优化

3.1 截齿合力演变曲线

如下页图2 所示为截线距为70 mm 时截割合力随时间的演变状态，其他截线距时获得的曲线与该曲线基本类似。由图2 可知，截割滚筒的截割合力随时间呈现出不均匀变化形式，出现这种情况的原因在于不同时刻实际参与截割的截齿数量不同，截齿与煤壁颗粒之间的相互作用状态也存在差异，所以不同时刻的截割合力变化幅度相对较大。特别是刚开始阶段，由于参与截割的截齿数量较少，所以合力变化幅度更加明显，后续变化幅度基本保持稳定状态。

图2 截线距为70 mm 时截割合力随时间的演变状态

3.2 考虑截齿受力状态的截线距优化

对不同截线距模型中的所有截齿受力情况进行统计分析，如图3 所示为截线距对截齿平均受力及标准差的影响规律。图3 中X、Y、Z 方向分别表示截割滚筒的前进阻力、侧向阻力和截割切向阻力。由图3可知，截割滚筒的截线距对截齿不同方向以及合力的平均受力均存在一定程度的影响。X 方向阻力方面，当截线距为70 mm 和80 mm 时相对较小；当截线距为80 mm 时，Y 方向上的阻力最小；当截线距为70 mm 时，Z 方向阻力相对最小。对于滚筒的截割合力，截线距为75 mm 时最大，截线距为60 mm、65 mm、70 mm、80 mm 时，截割合力相差不大，但70 mm 时相对最小。

图3 截线距对截齿平均受力及标准差的影响规律

图3 中还显示了不同截线距时截割滚筒所有截齿受力的标准差。标准差描述的是不同截齿之间受力的均匀性，标准差越小说明截齿之间的受力越均匀，相反地，如果标准差越大意味着不同截齿之间的受力越不均匀。从图中可以明显看出，当截线距为70 mm时，不管是X、Y、Z 方向阻力还是整体合力，所有截齿受力的标准差均相对最小，说明在此结构参数条件下，滚筒中所有截齿的受力最为均衡，波动性最小。综上，从截齿受力状态角度出发，确定的截线距最优值为70 mm。

4 基于截割比能耗的截线距优化

4.1 截割比能耗概述

在节能减排的大环境下，截割比能耗是反映截割滚筒综合性能的重要指标之一，描述的是截割获得单位体积的煤矿物料需要消耗的总能量。可以根据式（1）计算截割比能耗：

式中：Hw为截割比能耗；n 和t 分别为滚筒的旋转速度及截割时间，分别取57 r/min 和3.6 s；Tm和Vm分别为滚筒的平均扭矩及截割获得的煤矿物料体积，扭矩可根据滚筒受力计算获得，煤矿体积可在模型中进行提取。

4.2 截线距优化

在模型提取数据的基础上，对截割滚筒的扭矩平均值、煤矿颗粒体积进行了计算，并根据式（1）获得了不同截线距时的截割比能耗，结果如图4 所示。由图4 可知，截线距对截割比能耗的影响规律比较复杂，随着截线距的不断增大，截割比能耗呈现出先降低再升高最后又降低的演变趋势。当截线距为70 mm 和80 mm 时截割滚筒的截割比能耗相对较小，以70 mm时最小，另外三种截线距对应的截割比能耗相差不大，均处在较高水平。综上，从截割比能耗角度出发，截割滚筒的截线距设置为70 mm 时最优。

图4 截线距对扭矩、颗粒体积和截割比能耗的影响

5 结语

以MG132/320-W 型采煤机截割滚筒为对象，利用有限元软件对截线距进行了优化设计，所得结论主要有：截割滚筒的截线距是重要的结构参数，会对截齿之间的受力均匀性以及整体的截割比能耗产生重要的影响；利用SolidWorks 和PFC 软件建立了不同截线距时截割滚筒工作过程有限元模型，可以真实地描述煤壁截割过程；分析不同截线距时滚筒所有截齿受力均匀性，发现截线距为70 mm 时截齿受力标准差最小，此时截齿受力波动性最小；从截割比能耗角度分析了不同截线距时滚筒的性能，同样发现截线距为70 mm 时，滚筒的性能最优。