采煤機(jī)滾筒截割動(dòng)力學(xué)研究

史小軍

（山西省陽泉市燕龕煤炭有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

采煤機(jī)作為我國煤礦生產(chǎn)的主要機(jī)械設(shè)備，在煤礦開采中有著重要的影響。目前我國使用最廣的采煤機(jī)為滾筒式采煤機(jī)，其主要部件有電動(dòng)機(jī)、截割部、附屬裝置及牽引部。在采煤機(jī)工作過程中，截割部與截割煤壁進(jìn)行接觸，煤壁的變化直接反應(yīng)到傳動(dòng)裝置及工作機(jī)構(gòu)上，所以采煤機(jī)的截割性能對煤礦的開采效率、采煤機(jī)滾筒的使用壽命及可靠性至關(guān)重要，因此對采煤機(jī)的滾筒截割性能進(jìn)行分析十分必要。此前我國眾多學(xué)者對此進(jìn)行過一定的研究，徐盼盼[1]等針對采煤機(jī)裝煤差的問題，對采煤機(jī)鼓形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過離散元對設(shè)計(jì)后的滾筒截割性能進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的滾筒截割煤塊更大、裝煤率更大，有效地解決了采煤機(jī)裝煤效果差的問題。呂斌[2]利用matlab軟件對不同工況下采煤機(jī)滾筒截割性能進(jìn)行分析，給出了不同工況下截割載荷及截割力矩的變化趨勢，為降低截割機(jī)構(gòu)的沖擊載荷做出一定的貢獻(xiàn)。肖守業(yè)[3]為了解決截齒的受力不均導(dǎo)致采煤機(jī)的截齒磨損，通過研究采煤機(jī)滾筒截齒的截割性能，通過得到的數(shù)據(jù)對采煤機(jī)滾筒進(jìn)行合理化配置，有效地增大了采煤機(jī)滾筒的使用壽命。溫慶華[4]通過分析截齒的受力，利用CATIA進(jìn)行三維模型建立，并利用ANSYS進(jìn)行模擬，給出了截齒受力的主要影響因素。并通過正交試驗(yàn)給出了三種影響因素的最優(yōu)組合法，對滾筒的設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。本論文利用PFC3D軟件對不同截割參數(shù)下煤壁變形、及截割性能進(jìn)行分析，給出采煤機(jī)滾筒截割的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 模型建立

采煤機(jī)滾筒截齒是影響采煤機(jī)截割性能的重要因素，截齒在接觸煤壁后造成煤塊的掉落，本文通過對采煤機(jī)截割參數(shù)如截割角、截割厚度等進(jìn)行改變，研究不同參數(shù)下煤壁的破壞特征及截齒受力情況，以此來達(dá)到對截割參數(shù)的優(yōu)化目的。

在進(jìn)行采煤機(jī)正常工作時(shí)，采煤機(jī)滾筒截齒以恒定的截割線速度進(jìn)行截割，但由于截割的距離較短，所以默認(rèn)為截齒沿著切線的方向進(jìn)行截割，同時(shí)在截割過程中，截割的厚度液是恒定的，以此達(dá)到簡化結(jié)果的目的。首先進(jìn)行模型的建立，煤壁模型的長寬高尺寸分別為150 mm、200 mm和120 mm，其中截割煤壁尺寸分別為150 mm、100 mm和50 mm，煤壁的參數(shù)設(shè)置分別為：顆粒密度為1 675 kg/m3、接觸剛度15 GPa、抗拉強(qiáng)度為1.5 MPa、孔隙率為0.2、摩擦角為35°和內(nèi)聚力為4 MPa。完成模型參數(shù)設(shè)置后，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，需要充分考慮到計(jì)算精度及電腦性能。本文網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)為61 344，模型示意圖如1所示。

圖1 采煤機(jī)截齒截割模型示意圖

2 模型計(jì)算

完成上述操作后，對模型進(jìn)行計(jì)算，截齒在與煤壁進(jìn)行接觸時(shí)，會產(chǎn)生復(fù)雜的應(yīng)力環(huán)境，當(dāng)截齒與煤壁間的拉伸應(yīng)力大于煤的抗拉強(qiáng)度后，煤壁發(fā)貨時(shí)能斷裂，煤塊發(fā)生截落，當(dāng)煤壁與截齒間的剪切應(yīng)力大于煤的抗剪強(qiáng)度時(shí)，煤壁產(chǎn)生剪切裂縫。分別對截齒截割過程中煤壁剪切機(jī)拉伸斷裂進(jìn)行分析，示意圖如下頁圖2所示。

圖2 截割過程示意圖

如圖2所示為截齒截割煤壁示意圖，當(dāng)模型運(yùn)行至5 000次時(shí)，此時(shí)截齒與煤壁剛發(fā)生接觸，與截齒接觸的煤壁受到拉升作用，發(fā)生拉伸破壞，隨著截齒的移動(dòng)，煤壁的破壞面積逐步增大，截割深度逐步加深，當(dāng)運(yùn)行次數(shù)達(dá)到13 000次時(shí)，煤壁發(fā)生明顯的破壞，受到截齒厚度的影響，裂縫的擴(kuò)展逐步趨于穩(wěn)定，模型運(yùn)行5 000次和運(yùn)行13 000次后煤壁斷裂個(gè)數(shù)分別為2 338和39 432。

對不同采煤機(jī)截齒截割角度進(jìn)行計(jì)算,模型的截割角是指截齒軸線與XY所在的平面夾角，本文選定截割角為45°、50°和55°，截割距離為20 mm。計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同截割角度下煤壁破壞示意圖

從不同截割角度下煤壁的變形情況可以看出，當(dāng)截割角度為45°時(shí)，此時(shí)煤壁內(nèi)部裂縫是由采煤機(jī)滾筒截在X方向上運(yùn)動(dòng)及滾筒截齒在軸向運(yùn)動(dòng)共同作用產(chǎn)生，此時(shí)煤壁內(nèi)部的破壞顆粒數(shù)為135355個(gè)，破裂的擴(kuò)展相對較為均勻，在采煤機(jī)滾筒截齒移動(dòng)及軸線方向上的破壞并不明顯。當(dāng)截割角度為50°時(shí)，此時(shí)煤壁破壞情況較截割角度45°有所增大，截齒在沿著移動(dòng)方向的擴(kuò)展是三種截割角度下最遠(yuǎn)的，此時(shí)煤壁的破壞顆粒數(shù)為146 342個(gè)，同時(shí)截割角度為50°時(shí)截齒會在軸線的方向發(fā)生一定的擴(kuò)展。當(dāng)截割角度為55°時(shí)，此時(shí)的破壞區(qū)在沿滾筒截齒軸線方向上的延伸最為明顯，在沿著截齒運(yùn)動(dòng)方向的擴(kuò)展長度較截割角度50°時(shí)有所下降，但較截割角度45°有著明顯的改善，此時(shí)煤壁的截落顆粒數(shù)為167 726個(gè)，為三種截割角度下的最大值。

當(dāng)切削厚度為10 mm，截割線速度3 m/s，截割角度為40°時(shí)，此時(shí)的截齒的三向受力隨截割距離的變化趨勢如圖4所示。

圖4 截齒載荷隨截割距離變化曲線

從圖4-1可以看出，隨著截割距離的增大，推進(jìn)阻力呈現(xiàn)出大幅度的波動(dòng)，波峰位置是截齒與煤壁進(jìn)行接觸，截齒受到較大的阻力出現(xiàn)峰值，截齒在完成截割后推進(jìn)阻力出現(xiàn)較小值，且在截割距離小于2 mm時(shí)，波峰位置的波動(dòng)明顯大于其余位置的峰值。這是由于截齒剛接觸煤壁，造成截齒受到的阻力瞬間增大，出現(xiàn)最大值。根據(jù)圖4-2可以看出，隨著截割距離的增大，截齒的側(cè)向力呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，且隨著距離的增大，波動(dòng)的幅度也在逐步增大，在截割距離為20mm時(shí)，截齒受到的側(cè)向力最大，為3565N。觀察圖4-3可以看出，當(dāng)截齒距離在5～15 mm內(nèi)時(shí)，截割阻力的峰值較大，最大值為4 214 N。圖4中虛線分別為推進(jìn)阻力、側(cè)向力及截割阻力的平均值，分別為790 N、-37 N及1 195 N。

對切削厚度5 mm時(shí)，不同截割角度下截割阻力均值隨切割速度變化趨勢進(jìn)行分析，不同截割角下截割阻力隨截割線速度變化趨勢如下頁圖5所示。

圖5 不同截割角下截割阻力隨截割線速度變化趨勢圖

從圖5可以看出，隨著截割線速度的不斷增大，截割阻力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，當(dāng)截割線速度為4 m/s時(shí)，截割阻力出現(xiàn)最小值，這是由于截割線速度較小時(shí)，截齒嵌入煤壁較難，所以承受較大的阻力，隨著截割線速度的增大，截齒嵌入煤壁難度逐步降低，截割阻力降低，但當(dāng)截割線速度進(jìn)一步增大時(shí)，由于截齒在一定的時(shí)間內(nèi)截割的煤體增多，所以截割阻力呈現(xiàn)增大的趨勢。同時(shí)根據(jù)不同截割角度的變化趨勢可以看出，截割角度為40°時(shí)截割阻力明顯高于其他三種截割角度，這是由于截割角度較小時(shí)，隨著截齒的深入，截齒與媒體發(fā)生擠壓，造成截割阻力增大。

3 結(jié)論

1）不同截割角度下截齒在沿著移動(dòng)方向的擴(kuò)展長度從小至大分別為50°、55°及45°，截齒沿滾筒截齒軸線方向上的延伸長度從小至大分別為55°、50°和 45°。

2）根據(jù)截割載荷隨截割距離的變化曲線可以看出，推進(jìn)阻力、側(cè)向力及截割阻力的平均值分別為790 N、-37 N及1 195 N。

3）隨著截割線速度的不斷增大，截割阻力呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，同時(shí)當(dāng)截割角度為40°時(shí)，截割阻大于截割角度45°、50°、55°的截割阻力。