采煤机螺旋滚筒急速滚转控制稳定性分析

胡登高，迟焕磊，郎瑞峰，王会枝，孙鹏亮

(1.中国煤矿机械装备有限责任公司，北京 100011； 2.中煤华晋集团有限公司王家岭分公司，山西 河津 043300)

纵观全球多个国家，我国的煤炭生产量与消费量最显著[1-3]。据相关资料显示，自2000年开始，我国煤炭生产量增长速度明显，直到2014年，煤炭产业出现供大于求的状态，导致我国原煤产量变少[4]。基于长远角度分析，自从我国颁布新能源发展、节能减排的发展战略，煤炭在天然能源结构中占比从多变少，但目前我国能源消费结构主体仍然是煤炭[5]。因为煤层保存条件稳定性较差，工作面空间有局限，环境条件复杂，在实施采煤作业时，采煤机的机械性能必须满足要求。螺旋滚筒属于采煤机的核心构件，可实现破煤、装煤、除尘等作业[6]。所以，螺旋滚筒的稳定性对采煤机的稳定应用存在直接影响。

目前我国煤炭产业所用的采煤机经常出现异常问题导致不可用，滚动装煤效率也受到负面影响，由此可见，我国在螺旋滚筒稳定性研究方面还有待完善。分析采煤机螺旋滚筒急速滚转控制稳定性，对完善采煤机的正常使用、保护操作人员生命安全存在重要意义。相关研究学者对采煤机机械性能进行研究，针对采煤机滚筒截割性能方面，使用应力—强度干涉理论分析采煤机截割部关键零件稳定性能[7]，针对采煤机截割部振动特性方面，使用双向耦合理论分析采煤机截割部振动特性[8]。基于上述分析，本文提出了采煤机螺旋滚筒急速滚转控制稳定性分析，以市面上最常见的2种螺旋滚筒为例实施对比分析，并择优对其实施深度分析，全面研究采煤机螺旋滚筒急速滚转控制稳定性影响因素。

1 滚筒急速滚转控制稳定性分析

1.1 研究对象概况

在分析采煤机螺旋滚筒急速滚转控制稳定性时，分析目标结构如图1所示。

图1 研究对象结构Fig.1 Structure of research object

如图1所示，此采煤机结构分为螺旋滚筒、摇臂减速器、固定减速器、牵引部与电动机，其中滚筒、摇臂减速器、固定减速器都具有前后双向[9-11]。当电动机把动力发送至牵引部之后，采煤机便会顺着输送机前进，将动力发送至双向固定减速器，然后驱动左右摇臂减速器，控制滚筒旋转[12]。

1.2 分析程序设计

采煤机螺旋滚筒急速滚转控制稳定性分析主要是在Excel表格里导入基础信息，使用MATLAB软件参数运算后，将运算结果反馈至Excel表格实施分析[13-15]。程序流程如图2所示。

图2 分析程序流程Fig.2 Analysis program flow chart

1.3 螺旋滚筒结构设计与稳定性分析情景设置

在A1类、A2类2种类型的螺旋滚筒中对比分析，选择稳定性最优螺旋滚筒，实施急速滚转控制稳定性深入分析。A1类、A2类螺旋滚筒截齿排列信息如图3所示。

图3 A1类、A2类螺旋滚筒截齿排列信息Fig.3 Arrangement information of pick of type A1、 A2 spiral drum

如图3所示，A1类螺旋滚筒与A2类螺旋滚筒的截齿分布存在差异，叶片螺旋升角都是14°。

为了分析采煤机2种螺旋滚筒急速滚转控制稳定性，对采煤机应用的煤矿进行煤层采样[16]。煤层密度为1 310 kg/m3，抗拉强度为1.09 MPa，抗压强度为17.72 MPa，弹性模量为4 339 MPa，泊松比为0.24，内摩擦角为60°，坚固性系数为2.1，黏聚力为1.85 MPa。

对比分析A1类、A2类2种类型的螺旋滚筒中，为了分析稳定性最优的螺旋滚筒在急速滚转控制下截割性能的稳定性[17-19]，设置不同测试情景，情景条件如下。

(1)情景1。夹矸坚固性系数依次设定为3.6、5.2、6.9、8.5，牵引速度为4.1 m/min，滚筒转速为200 r/min，叶片螺旋升角为14°。

(2)情景2。牵引速度依次为3.1、3.6、4.1、4.6、5.1 m/min，夹矸坚固性系数为5.2，滚筒转速为200 r/min，叶片螺旋升角为14°。

(3)情景3。叶片螺旋升角依次为8°、10°。12°、14°、16°，夹矸坚固性系数为5.2，牵引速度为4.1 m/min，滚筒转速为200 r/min。

在3个情景中，使用MATLAB软件计算螺旋滚筒的受载均值与最大值、载荷波动系数、截割比能耗[20]。

2 稳定性测试结果分析

当采煤机滚筒转速是200 r/min、截深是1 200 mm时，A1、A2类型螺旋滚筒急速滚转控制下，2种类型的螺旋滚筒载荷信息分析结果见表1、表2。

表1 A1类型螺旋滚筒急速滚转控制稳定性分析结果Tab.1 Stability analysis results of rapid rolling control of A1 type spiral drum

表2 A2类型螺旋滚筒急速滚转控制稳定性分析结果Tab.2 Stability analysis results of rapid rolling control of A2 type spiral drum

分析表1、表2数据可知，A2类型螺旋滚筒急速滚转控制下，三相力与三相力矩的波动比A1类型螺旋滚筒平稳，载荷波动小，稳定性高。

A1、A2类型螺旋滚筒急速滚转控制下，2种类型的螺旋滚筒截割阻力矩、截割功率变化信息见表3、表4。

表3 螺旋滚筒截割阻力矩对比结果Tab.3 Comparison results of cutting resistance torque of spiral drum

表4 螺旋滚筒截割功率对比结果Tab.4 Comparison results of cutting power of spiral drum

分析表3、表4可知，A1、A2类型螺旋滚筒急速滚转控制下，2种类型的螺旋滚筒截割阻力矩与截割功率变化趋势都存在相似性，但对比之下，A2类型螺旋滚筒的截割阻力矩、截割功率变化区间低于A1类型螺旋滚筒，表示A2类型螺旋滚筒截割煤层时，采煤机稳定性最高，可以在急速滚转下完成截割任务。

综上所述，相比之下，A2类型螺旋滚筒急速滚转控制下，稳定性最高。为此，本文在MATLAB平台中，使用该类型螺旋滚筒在表1的环境条件参数下进行模拟作业，分析该螺旋滚筒模态频率和变形量，以此判断该螺旋滚筒在多个固有频率阶数下的稳定性。A2类型螺旋滚筒模态频率和变形量见表5。

在18阶时，螺旋滚筒的模态振型如图4所示。

如表5、图4所示，螺旋滚筒1～20阶固有频率最小值是544.53 Hz，最大值是1 198.22 Hz，变形量的最小值与最大值依次是3.4 mm、12.4 mm，螺旋滚筒最易变形的地方是截齿，变形时，变形最大值高达3.747 mm，其他部位的变形情况相对较弱，当采煤机螺旋滚筒急速滚转时，截齿的稳定性最差，需要引起注意。

表5 A2类型螺旋滚筒模态频率和变形量Tab.5 Modal frequency and deformation of A2 type spiral drum

图4 螺旋滚筒的模态振型Fig.4 Modal shape of spiral drum

情景1中A2类型螺旋滚筒截割性能的稳定性测试结果见表6。分析表6可知，当夹矸坚固性系数逐渐变大，A2类型螺旋滚筒受载均值与最大值、载荷波动系数、截割比能耗值也变大，截割比能耗是指采煤机螺旋滚筒截齿截割单位体积的煤所耗损的能量，此数值越大，采煤机螺旋滚筒的稳定性越差，振动越大。

表6 情景1稳定性测试结果Tab.6 Stability test results of scenario 1

情景2中A2类型螺旋滚筒截割性能的稳定性测试结果见表7。分析表7可知，当牵引速度从3.1 r/min提升至5.1 r/min，A2类型螺旋滚筒受载均值与最大值、载荷波动系统也逐渐变大，但截割比能耗逐渐变小。原因是牵引速度提升，A2类型螺旋滚筒的最大切削厚度变大，截割比能耗就变大，稳定性就越差。

表7 情景2稳定性测试结果Tab.7 Stability test results of scenario 2

情景3中A2类型螺旋滚筒截割性能的稳定性测试结果见表8。分析表8数据可知，当A2类型螺旋滚筒的螺旋升角从8°提升至16°，A2类型螺旋滚筒的受载均值与最大值都逐渐变大，虽然增幅不显著，但是呈现出增大趋势。而载荷波动系数和截割比能耗都逐渐变小，原因是叶片螺旋升角变化后，A2类型螺旋滚筒截齿在叶片中的坐标与角度都会出现变化，螺旋升角较小，相同叶片中，前后两个截齿之间圆周角变大，导致A2类型螺旋滚筒载荷波动变大。A2类型螺旋滚筒在急速滚转控制时，螺旋升角对其稳定性不存在直接影响。

表8 情景2稳定性测试结果Tab.8 Stability test results of scenario 2

综上所述，A2类型螺旋滚筒在急速滚转控制时，夹矸坚固性系数、牵引速度对A2类型螺旋滚筒稳定性存在直接影响，螺旋升角对其稳定性不存在直接影响。

3 结论

采煤机螺旋滚筒急速滚转控制时，稳定性的变化情况十分重要。如果采煤机螺旋滚筒急速滚转控制时抖动严重，那么稳定性便较差，如果不停止运行将会导致采煤机受损，作业中断。本文主要对A1类、A2类螺旋滚筒急速滚转控制稳定性进行对比分析，并通过分析可知A2类螺旋滚筒急速滚转控制稳定性最佳，且针对A2类螺旋滚筒急速滚转控制稳定性进行更深入的稳定性测试分析。分析结果显示，该螺旋滚筒急速滚转控制时，主要遭到夹矸坚固性系数、牵引速度2个变量影响，在实际操作中，需格外注意2个变量的合理设置，以免影响采煤机螺旋滚筒稳定运行。