薄煤層采煤機螺旋滾筒截割性能研究

田震，荊雙喜，趙麗娟，高珊，張成光

(1.周口師范學院 機械與電氣工程學院，河南 周口 466000；2.河南理工大學 機械與動力工程學院，河南 焦作 454000；3.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

0 引 言

薄煤層賦存條件不穩(wěn)定、工作面空間狹小、環(huán)境惡劣，因此實現(xiàn)機械化開采對機械設備性能的要求較高[1-2]。螺旋滾筒是采煤機的工作機構(gòu)，承擔著破煤、裝煤及除塵等任務，采煤機的裝機功率絕大部分消耗在螺旋滾筒截割煤巖的過程中，因此，螺旋滾筒的設計是否合理，將直接影響截齒受力及其波動、截割比能耗等截割性能指標[3-4]。此外，在復雜工況下，采煤機行星架等薄弱環(huán)節(jié)的可靠性研究也是煤礦高產(chǎn)高效的重要課題。

為了提高薄煤層采煤機螺旋滾筒截割性能，國內(nèi)外許多學者開展了相關研究。M.Ayhan等[5]對采用錐型和圓柱型2種形狀筒轂的螺旋滾筒進行截割試驗，比較分析了2種型式滾筒的截割性能；A.W.Reid等[6]提出了利用擴展卡爾曼濾波器間接識別截齒受力的動態(tài)方法，并通過數(shù)值模擬驗證了該方法的正確性；陳洪月等[7]利用Tikhonov正則化方法對滾筒截齒所受載荷進行重構(gòu)，找出了采煤機牽引速度對截齒載荷的影響，并進行了試驗驗證；張強等[8]通過試驗獲得了采煤機在截割時螺旋滾筒受到的載荷特性；陸輝等[9]通過數(shù)值模擬得到鎬型截齒截割時的載荷，并用UG/NASTRAN對截齒進行了疲勞壽命分析；羅晨旭[10]通過螺旋滾筒截割試驗，找出了煤巖性質(zhì)與沖擊載荷之間的關系，并對影響截割比能耗、塊煤率等截割性能指標的參數(shù)進行了分析。以上研究取得了很多有價值的成果，但多從受力或載荷的角度對螺旋滾筒截割性能進行分析，而從螺旋滾筒截割阻力矩、截割功率以及采煤機動態(tài)特性等方面對螺旋滾筒截割性能進行研究的較少。

本文以MG400/951-WD型采煤機螺旋滾筒為研究對象，從滾筒載荷、截割阻力矩和截割功率等方面對2種不同結(jié)構(gòu)螺旋滾筒的截割性能進行分析。采用MATLAB與VB編寫的采煤機螺旋滾筒載荷計算軟件，找出截割阻力矩、截割功率的變化規(guī)律，對采用不同結(jié)構(gòu)螺旋滾筒的采煤機動態(tài)特性進行仿真，得到關鍵零部件的應力狀態(tài)。通過對螺旋滾筒截割性能進行多角度分析評價，可以選擇與采煤機及其所應用煤層更為匹配的螺旋滾筒，同時也可根據(jù)截割阻力矩和截割功率變化規(guī)律，對相關運動參數(shù)進行合理匹配。

1 螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

為了與MG400/951-WD型電牽引采煤機配套，基于該型采煤機機身尺寸、截齒形狀以及煤層條件，設計2種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋滾筒A型和B型，其中A型滾筒截齒排列如圖1所示。該滾筒具有18條截線，螺旋升角為12.17°，其中滾筒端盤截齒數(shù)為14，分布在沿滾筒周向均勻布置的A，B，C，D，E5 條截線上，A截線上截齒為6個，B和C截線上截齒各3個，D，E截線上截齒各1個，截齒安裝角均為40°；傾斜角分別為15°，12°，8°，5°和2°；轉(zhuǎn)角分別為45°，35°，20°，0°和10°。

圖 1 A型滾筒截齒排列示意Fig.1 Pick arrangement schematic of A type drum

B型滾筒截齒排列如圖2所示。該滾筒具有17條截線，螺旋升角為13°(1～7截線)和17°(8～11截線)，端盤截齒數(shù)為15，分布在沿周向均勻布置的A，B，C，D，E和F截線上，A截線上截齒為6個，B和C截線上截齒各3個，D，E，F(xiàn)截線上截齒各1個，截齒安裝角均為45°；傾斜角分別為15°，12°，8°，5°，2°和0°；轉(zhuǎn)角分別為47°，35°，20°，12°，5°和0°。

圖 2 B型滾筒截齒排列示意Fig.2 Pick arrangement schematic of B type drum

2 螺旋滾筒截割性能分析

為使?jié)L筒所受載荷更符合實際工況，對采煤機所用煤礦進行煤層取樣。通過煤樣性質(zhì)測定，得其密度為1 309 kg/m3，抗拉強度為1.08 MPa，抗壓強度為17.71 MPa，彈性模量為4 388 MPa，泊松比為0.23，內(nèi)摩擦角為59°，堅固性系數(shù)為2.0，凝聚力為1.85 MPa。

對螺旋滾筒進行受力分析，基于MATLAB和VB軟件編寫采煤機滾筒載荷計算軟件[11-12]，并利用該軟件計算采煤機以牽引速度5 m/min、截深1 150 mm進行截割上述煤層時的 A、B兩型號滾筒所受載荷，如圖3和圖4所示。B型滾筒葉片為變螺旋升角，其截齒排列較A型滾筒出現(xiàn)了變化，而且截線距分布更加均勻、截齒總數(shù)減小。在相同截割條件下，B型滾筒所受載荷比A型滾筒小，且載荷波動也有一定程度降低。

圖3 A型螺旋滾筒瞬時載荷曲線Fig.3 Instantaneous load curves of A type drum

圖4 B型螺旋滾筒瞬時載荷曲線Fig.4 Instantaneous load curves of B type drum

A、B型滾筒在上述工況下的截割阻力矩、截割功率曲線如圖5所示。由圖5可知，兩型號螺旋滾筒截割阻力矩和截割功率波動趨勢均保持一致，但B型螺旋滾筒截割時受到?jīng)_擊載荷的波動明顯低于A型滾筒，且B型滾筒截割阻力矩和功率消耗相對于A型滾筒有一定程度的降低。在截割同一煤層時，采用B型螺旋滾筒的采煤機不僅能夠保證采煤機的工作穩(wěn)定性，而且能夠以較快的牽引速度進行截割作業(yè)，從而提高煤炭生產(chǎn)效率。

圖 5 截割阻力矩、截割功率曲線Fig.5 Cutting resistance moment and cutting power curves

計算得到兩型號螺旋滾筒截割阻力矩隨滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6可知，由于A型滾筒截齒總數(shù)比B型滾筒的多，在相同條件下截割同一性質(zhì)煤層時，其截割阻力矩高于B型滾筒的。在滾筒截割阻力矩分布特性中，截割阻力矩分布曲面沿滾筒轉(zhuǎn)速降低和牽引速度增大兩個方向緩慢上升，曲面較為平坦，但當二者增加到與某一曲線相交時，曲面率迅速增加，直至最大。滾筒轉(zhuǎn)速越高，截割阻力矩相對于牽引速度的變化范圍越小，其剛性沿某一方向越來越低?？傮w而言，滾筒轉(zhuǎn)速或牽引速度在某一范圍內(nèi)變化時，滾筒截割阻力矩的變化不會劇烈。

圖6 截割阻力矩分布規(guī)律Fig.6 Distribution law of cutting resistance moment

截割功率隨滾筒轉(zhuǎn)速及牽引速度的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可見，截割功率沿滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度增大的兩個方向不斷上升，曲面變化同截割阻力矩趨勢類似，且A型滾筒的功率消耗略大于B型滾筒。隨著滾筒轉(zhuǎn)速降低，截割功率相對于牽引速度變化曲線的斜率增加，說明在滾筒高轉(zhuǎn)速下，變速牽引時滾筒截割功率相對穩(wěn)定。該采煤機若選用A型螺旋滾筒與其配套，為充分發(fā)揮采煤機的生產(chǎn)能力，根據(jù)滾筒截割阻力矩以及截割功率分布規(guī)律，計算得到該型采煤機在該工作面截割時的最大牽引速度，約為6.78 m/min；若選用B型螺旋滾筒時，該采煤機最大牽引速度約為7.53 m/min。

圖7 截割功率分布規(guī)律Fig.7 Distribution law of cutting power

3 采煤機動態(tài)特性分析

對關鍵零件進行柔性化處理是采煤機動態(tài)特性分析的重要環(huán)節(jié)[13-14]。在采煤機工作過程中，搖臂殼體不僅承受著傳動系統(tǒng)內(nèi)部齒輪嚙合時的沖擊，而且還承受螺旋滾筒截割時受到的交變沖擊載荷作用，在機械系統(tǒng)中屬于受力惡劣的薄弱環(huán)節(jié)。采煤機截割時受到的交變沖擊載荷使行星機構(gòu)承受較大的負載，負載過大極易造成行星減速器的損壞，進而影響整個生產(chǎn)過程的進行[15-16]，因此，有必要對行星減速器的可靠性進行分析。在對搖臂殼體、行星架和行星軸柔性化后，建立采煤機的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，如圖8所示。

計算采煤機以牽引速度5 m/min、前滾筒截煤厚度1 150 mm(滾筒直徑)、后滾筒截煤厚度450 mm截割煤層時兩種型號螺旋滾筒受到的瞬時載荷，并將載荷施加到前后滾筒質(zhì)心后進行動力學仿真[17-18]。根據(jù)仿真結(jié)果，統(tǒng)計得到相關零部件受力信息，如表1所示。由表1可知，無論采用何種型號螺旋滾筒，各零件的最值節(jié)點所處區(qū)域位置變化不大，但采用B型螺旋滾筒后關鍵零件在穩(wěn)定截割后的受力均小于采用A型螺旋滾筒時的受力，零件的受力狀態(tài)得到明顯改善。

圖8 采煤機剛?cè)狁詈夏Ｐ虵ig.8 Rigid-flexible coupling model of shearer

表1 相關零件應力信息統(tǒng)計Tab.1 Stress information statistics of related parts

4 工業(yè)試驗

根據(jù)2種型號螺旋滾筒在截割性能、裝煤性能以及對采煤機動態(tài)性能影響等方面的綜合比較，MG400/951-WD型采煤機最終采用B型螺旋滾筒與其配套。該采煤機定型生產(chǎn)后進行井下工業(yè)性試驗，試驗中B型螺旋滾筒能夠?qū)γ簩又械膴A矸、硫化鐵硬結(jié)核體和厚度500 mm以內(nèi)的底板巖石實現(xiàn)有效截割，如圖9所示。根據(jù)滾筒截割功率分布規(guī)律，該型采煤機在工業(yè)性試驗中以牽引速度7.53 m/min截割純煤時，在大截深、高牽引速度條件下，采煤機仍能安全可靠地進行生產(chǎn)作業(yè)。在截割頂?shù)装逡约昂w煤層時，采用降低截割深度的方法進行截割，此時搖臂及機體振動較小，設備能夠平穩(wěn)運行。工業(yè)性試驗期間，該采煤機除導向滑靴磨損較快以外，其他結(jié)構(gòu)正常，整機具有良好的結(jié)構(gòu)性能和可靠性。

圖 9 采煤機工業(yè)性試驗Fig.9 Industrial test of shearer

5 結(jié) 語

基于MATLAB與VB編寫采煤機載荷計算軟件，對2種結(jié)構(gòu)的螺旋滾筒所受載荷、功率消耗、截割阻力矩等截割性能指標的變化規(guī)律進行了分析。構(gòu)建了薄煤層采煤機剛?cè)狁詈隙囿w模型，分析不同型號螺旋滾筒所受載荷對薄煤層采煤機動態(tài)特性的影響，得到了關鍵零部件的應力狀態(tài)。通過對2種型號螺旋滾筒的綜合性能分析，發(fā)現(xiàn)B型螺旋滾筒具有良好的煤巖適應性。在工業(yè)性試驗中，根據(jù)螺旋滾筒截割功率分布規(guī)律，對采煤機的運動參數(shù)進行合理匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機安全高效的工作。研究結(jié)果可為螺旋滾筒截割性能的綜合評價提供一定的參考。