基于ANSYS分析的采煤機超大型螺旋滾筒開發(fā)

梁寶英，王永清，王明明

(1.山西大同大學機電工程學院，山西大同 037003；2.山西大同大學計算機與網(wǎng)絡工程學院，山西大同 037009）

我國厚煤層儲量豐富，可采儲量達1.75億t，一次采全高綜合機械化采煤是礦井實現(xiàn)高產(chǎn)高效的有效手段。隨著機電一體化、自動化技術和計算機技術的發(fā)展，大采高也越來越大，相應地要求滾筒式采煤機螺旋滾筒截割直徑也越來越大。針對采高為7 m 以上特厚煤層一次采全高，目前國內(nèi)外最大Φ3.5 m 滾筒，已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)需要，需研制Φ4.5 m采煤機螺旋滾筒。目前，采煤機螺旋滾筒只是基于單一的要素進行設計和制造，存在著破煤效果較差、能量利用率低下、截割比能耗浪費嚴重的缺點，并在截割過程中受到高周期性的應力、負荷、磨損，經(jīng)常發(fā)生齒座和葉片開裂、磨損以及部分截齒的損壞現(xiàn)象，大大影響著采煤機的工作性能和生產(chǎn)效率[1-2]。因此，在開發(fā)Φ4.5 m滾筒時，利用采煤機螺旋滾筒輔助設計軟件優(yōu)化滾筒主要參數(shù)，并利用ANSYS 有限元軟件分析滾筒主要部件的強度和剛度，使其結構更合理，性能更優(yōu)。

1 Φ 4.5 m采煤機螺旋滾筒的設計

1.1 滾筒結構參數(shù)和運動參數(shù)的確定

1.1.1 滾筒的結構參數(shù)

滾筒的結構參數(shù)對落煤、裝煤能力都有重要影響，包括滾筒直徑、寬度（截深）和螺旋葉片參數(shù)等。螺旋葉片參數(shù)包括螺旋升角、螺距、葉片頭數(shù)以及葉片在筒轂上的圍包角。螺旋升角的大小直接影響滾筒的裝煤效果，升角較大時，排煤能力強，裝煤速度快，但升角過大會把煤拋到溜槽的采空側(cè)，升角過小，煤在螺旋葉片內(nèi)循環(huán)，造成煤的重復破碎，塊煤率小，一般取8°～30°；螺距的大小應保證煤從滾筒中順利排出，螺旋葉片的頭數(shù)一般按照截割參數(shù)的要求確定，一般為2～4。大直徑滾筒要求裝煤能力高，增加螺旋頭數(shù)可增加導程和升角，以適應裝煤要求，一般用三頭或四頭[3-4]。

1.1.2 滾筒的運動參數(shù)

滾筒的運動參數(shù)包括滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度。當同一截線上截齒數(shù)一定時，切削厚度與牽引速度成正比，與滾筒轉(zhuǎn)速成反比，即滾筒轉(zhuǎn)速越高，牽引速度越低，裝煤效率低、煤的塊度越小，并造成煤塵飛揚。降低滾筒轉(zhuǎn)速、提高采煤機牽引速度是向最佳和良好裝載性能邁進[5]。

由于滾筒參數(shù)間的相互制約與影響，傳統(tǒng)的計算方法很難實現(xiàn)滾筒參數(shù)的優(yōu)化，所以利用采煤機螺旋滾筒輔助設計軟件自動配置出影響滾筒整體性能最佳的結構參數(shù)和運動參數(shù)[6-7]，見表1。

表1 滾筒結構參數(shù)和運動參數(shù)

1.2 截齒的配置

截齒裝在滾筒上，合理配置截齒可提高塊煤率，減少粉塵。葉片截齒排列根據(jù)螺旋葉片上的截齒截線距是否相等可分為等截線距截齒排列和變截線距截齒排列。變截線距截齒排列，這種配置方式的截齒沿圓周均勻分布，葉片升角由煤壁向外逐漸加大，裝煤效果好，但葉片的制造較難。

截線距是滾筒截齒布置的重要參數(shù)，其大小直接影響塊煤率、受力及截割比能耗。最佳截線距既能充分利用崩落效應，又不留下煤脊，而截線距與滾筒的切削厚度必須相匹配，才能保證滾筒在重復截割過程中切屑斷面大，使采出的煤塊度大、粉塵少[8-9]。

通過采煤機幾何及運動學參數(shù)，由采煤機螺旋滾筒輔助設計軟件自動計算出Φ4.5 m 滾筒截齒排列參數(shù)：采用4 頭螺旋葉片，滾筒葉片上截齒采用變截線距一線4 齒截齒排列，采用等升角葉片，葉片升角為8.18°，52個截齒布置在13條截線上，各截齒沖擊角為47°，葉片上各截齒安裝角為0°；端盤上截齒有44 個，布置在A、B、C、D、F 共5 條截線上，每條截線上截齒安裝角分別為47°、35 °、20°、12°、5°，截線距從煤壁向外逐漸增大，每條截線上齒數(shù)分別為16 個、8 個、8 個、8 個、4 個。滾筒上截齒排列配置和截線距，見表2。

1.3 滾筒的結構設計

滾筒結構采用整體式；滾筒葉片上截齒采用變截線距一線4齒截齒排列，輪轂法蘭上均勻排布12處直徑為440 mm 的減重孔，在與筒體焊接一側(cè)的防塵圈上切出6處半圓形漏煤孔，以滿足搖臂在截割時額定載荷的要求；在防塵圈、支撐柱與筒體之間和輪轂法蘭、支撐柱與筒體之間各均勻焊接12塊加強筋，加強筋為整體式連接筒體與支撐柱，以防止筒體、輪轂法蘭及防塵圈在滾筒截割時發(fā)生開裂、變形等現(xiàn)象；齒座在滾筒結構過程中，易發(fā)生變形、開裂、磨損等失效，所以在設計時采用強力鍛造制成的齒座，經(jīng)完全熱處理的中碳合金鋼，因而提供了良好的焊接性能和更長的使用壽命，制造過程中所用焊絲均為進口藥芯焊絲，質(zhì)量可靠，焊縫強度高，確保了滾筒的使用效果；齒座龍骨帶及葉片尾部易磨損部位均焊有碳化鎢鑄造合金鋼耐磨塊，以提高抗磨損性能。為了準確定位齒座的安裝方向，滾筒要加裝齒座定位銷[10-11]。采煤機左螺旋滾筒的結構，見圖1。

表2 采煤機螺旋滾筒截齒配置

圖1 采煤機左螺旋滾筒結構

Φ4.5 m滾筒的主要技術參數(shù)，見表3。

表3 滾筒的主要技術參數(shù)

2 有限元分析及優(yōu)化設計

采煤機截割煤壁時受沖擊較大，尤其是在截齒過度磨損或缺失，采煤機工作負荷將明顯增大。這些載荷最終都將作用到采煤機滾筒輪轂上。采煤機滾筒輪轂面積大、厚度相對小，屬于薄壁板。在動態(tài)載荷的作用下會發(fā)生薄壁振動，對整個滾筒的工作性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。為了校驗滾筒輪轂在采煤機滿載作用下的受力與變形情況，采用用有限元ANSYS 軟件對Φ4.5 m 螺旋滾筒輪轂進行了有限元靜力分析，并根據(jù)分析結果對其結構進行了優(yōu)化。

2.1 有限元模型的建立

滾筒設計參數(shù)為：筒體材料Q345B，壁厚為35 mm；輪轂材料Q345B，厚度60 mm，以內(nèi)材料27SiMn；防塵圈材料Q345B，厚度30 mm；支撐柱采用無縫鋼管12 根，壁厚為10 mm；考慮加強筋，取加強筋材料Q345B，板厚20 mm。利用pro/E軟件建立滾筒輪轂三維實體模型，見圖2。

圖2 滾筒輪轂三維模型圖

考慮加強筋，取加強筋材料Q345B，板厚20 mm，加強筋形狀及布局，見圖3。

圖3 滾筒原結構的加強筋模型

2.2 滾筒受力分析

采煤機螺旋滾筒在截割過程中，由于煤巖物理力學性質(zhì)和同時參與截割截齒數(shù)的不同，截齒受到的阻力亦是變化的。截齒受到煤巖作用力有截割阻力、牽引阻力和切向力。

單個截齒所受截割阻力[12]為：

單個截齒所受牽引阻力為：

單個截齒所受的側(cè)向力為：

式中：σy為煤的單軸抗壓強度；K'y為平均接觸應力，對單向抗壓強度的比值，其取0.8～1.5；Sd為截齒磨損面積，一般取10～30 cm2；Z0為截齒的截割阻力的平均值，其值為：

式中：A為存在礦壓時煤巖的截割阻抗平均值；h為切屑厚度；bp為截齒計算寬度；φi為第i個截齒轉(zhuǎn)過的角度；vq為采煤機的牽引速；n為滾筒轉(zhuǎn)速；m為滾筒同一周線上的截齒數(shù)。

滾筒在豎直方向所受阻力為：

牽引阻力：

軸向方向所受阻力：

基于以上分析，結合采煤機實際參數(shù)，由上式計算得滾筒軸向阻力為8.302 02×105N；滾筒承受的豎直方向阻力為2 767 340 N；滾筒承受的牽引阻力為150 609 N，轉(zhuǎn)矩338 870 N ?m，此力對滾筒產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，筒體的筒壁產(chǎn)生應力0.7 MPa，遠遠小于材料許用扭轉(zhuǎn)應力，在隨后的滾筒有限元分析中不予考慮。

2.3 滾筒有限元分析

將上述滾筒承受的最大軸向力及豎直方向的力按實際受力狀態(tài)加載到滾筒上，中心施加固支約束，進行有限元分析[13]。其變形云圖、應力云圖，見圖4、圖5。

圖4 原結構滾筒的變形云圖

圖5 原結構的滾筒應力云圖

經(jīng)過有限元分析得出最大變形量11.679 mm，最大應力912.93 MPa，集中在加強筋與支撐柱焊接連接處，并且在很多結構板上的應力也已超過了材料的應力極限，所以必須對滾筒的設計結構進行改進，以滿足其工況需求。

2.4 滾筒結構的優(yōu)化設計

通過對原結構的滾筒變形云圖及應力云圖分析，可知滾筒輪轂與防塵圈之間的軸向支撐較為薄弱。在現(xiàn)階段不想過多地增大滾筒質(zhì)量的前提下，應通過改變加強筋的形狀、位置、厚度及材料等簡單方法來改善，優(yōu)化后加強筋的布局，見圖6。將優(yōu)化后滾筒的結構重新進行有限元分析，其變形云圖、應力云圖，見圖7、8。

由圖7、8 可知，其最大變形量9.373 3 mm，最大應力354.4 MPa，最大應力仍主要集中在加強筋與支撐柱焊接連接處，而在大多結構板上的應力都在200 MPa左右，小于材料的應力極限345 MPa，此時滾筒的結構設計趨于合理，在很大程度上提高了滾筒的截割性能。

圖6 滾筒結構改進后的加強筋模型

圖7 結構改進后的滾筒變形云圖

圖8 結構改進后的滾筒應力云圖

3 井下工業(yè)性試驗

本文設計的Φ4.5 m 采煤機螺旋滾筒于2017 年8 月4 日開始至2018 年3 月6 日在神華神東煤炭集團公司補連塔煤礦12511綜采工作面，進行了為期8 個月的生產(chǎn)性工業(yè)性試驗，見圖9。試驗結果符合生產(chǎn)需求，取得了預期的設計效果。

圖9 Φ 4.5 m滾筒綜采工作面試驗

3.1 綜采工作面煤層賦存條件和開采方法

12511 綜采工作面煤層厚度為4.6～10.4 m，平均6.82 m，煤層傾角為1°～3°，煤層的普氏系數(shù)為1.62～2.6，平均為2.1，抗壓強度為16.2～26 MPa，平均約21 MPa。采用全機械化長壁采煤法開采一次采全高，采高為3.5～8 m，頂板管理采用全部垮落法，工作面走向長度2 000～5 000 m，起伏角度不大于9°，一般3°～5°，工作面布置長度300～330 m，起伏角度不大于5°。工作面使用高產(chǎn)高效雙滾筒采煤機落煤，工作面設計生產(chǎn)原煤能力不小于6 000 t/h。

3.2 試驗效果

試用過程中，設備運行狀況良好，根據(jù)現(xiàn)場記錄和相關技術檢測分析，使用該滾筒，工作性能穩(wěn)定，使工作面采高由原來的7 m，提高到了7.8 m，每刀煤比原來多回采293.7 t，截齒消耗量為13個/萬t，降低了12%，塊煤率提高了8%，截割比能耗降低了12.35 %，粉塵量顯著減少，比原來減低了32%。運行期間，未發(fā)生重大結構性損壞和性能故障，大幅度提高了工作面回采率和滾筒使用壽命，同時創(chuàng)造出更高的經(jīng)濟價值。

3.3 經(jīng)濟效益分析

（1）使用該滾筒，使工作面采高增加到了7.8 m，每刀煤比原來多回采293.7 t，每日按照20刀組織生產(chǎn)，每日多出煤5 873.7t，每噸煤按照500元價格計算，每天直接經(jīng)濟增收293.7 萬元，年直接經(jīng)濟效益增收10.72億元。

（2）通過采煤機螺旋滾筒輔助設計軟件開發(fā)設計的滾筒，截齒消耗量降低了12 %，在累計割煤46.26 萬時，優(yōu)化配置的滾筒可獲益55.11 萬元，折合噸效益1.19元。另外，由于滾筒可靠性高，采煤機故障少，在統(tǒng)計的152 d 內(nèi)可減少正常生產(chǎn)影響時間432 h，多出煤2.4萬t，具有130萬元的間接經(jīng)濟效益。

4 結論

（1）根據(jù)采煤機螺旋滾筒輔助設計軟件設計了國內(nèi)外最大Φ4.5 m 螺旋滾筒，結構合理，工作可靠，具有單位能耗低，力波動小，粉塵量增加，塊煤率高等，并且縮短設計開發(fā)周期，降低設計成本。

（2）運用有限元ANSYS軟件，對Φ4.5 m滾筒關鍵零部件進行強度和剛度分析，進一步優(yōu)化滾筒的結構，使?jié)L筒結構更合理。

（3）改進了焊接工藝，防止筒體等零部件在截割過程中，開裂、變形等現(xiàn)象發(fā)生。

（4）采用新技術，新工藝，減輕滾筒的重量，滿足了搖臂和滾筒額定載荷的要求。

（5）研發(fā)了結構合理的Φ4.5 m采煤機螺旋滾筒，滿足一次采全高7.8 m要求，填補了國內(nèi)外Φ4.5 m螺旋滾筒的空白。