采煤機(jī)滾筒螺旋葉片磨損分析及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

趙云亮

（霍州煤電集團(tuán)金能煤業(yè)有限公司， 山西 靜樂 035100）

引言

煤礦資源為我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作出了非常重要的貢獻(xiàn)，為了更好地促進(jìn)我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，每年都需要開采大量的煤炭資源，供人們正常的生活和工業(yè)使用[1]。采煤機(jī)是煤礦開采中的重要機(jī)電裝備，其性能好壞對(duì)煤礦開采效率有決定性的影響[2]。隨著社會(huì)對(duì)煤礦開采效率要求的不斷提升，對(duì)采煤機(jī)各項(xiàng)性能要求也越來越高[3]。截割部是直接參與采煤的工作部件，其運(yùn)行過程的可靠性和穩(wěn)定性會(huì)影響采煤機(jī)整體的性能[4]。由于截割滾筒工作時(shí)需要與煤巖發(fā)生直接接觸，所以會(huì)存在明顯的磨損現(xiàn)象，進(jìn)而影響截割滾筒的可靠運(yùn)行。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，截割滾筒中的螺旋葉片是磨損量較大的零部件之一，對(duì)葉片磨損量進(jìn)行控制顯得尤為重要。本文主要基于有限元分析軟件對(duì)采煤機(jī)滾筒螺旋葉片的磨損行為進(jìn)行分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，應(yīng)用到工程實(shí)踐中取得了較好的效果。

1 采煤機(jī)滾筒整體結(jié)構(gòu)分析

本文以MG2×55/250BW 型采煤機(jī)為例進(jìn)行研究，圖1 為采煤機(jī)截割滾筒的整體結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1 可知，滾筒整體上主要由五大部分構(gòu)成，分別為端蓋、葉片、齒座、截齒、筒轂。其中，端蓋的作用是將筒轂兩端進(jìn)行封閉，葉片以螺旋形式纏繞在筒轂表面，齒座固定在螺旋葉片上，截齒安裝在齒座上。不同型號(hào)的采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)可能會(huì)存在一定的差異，需要根據(jù)煤礦實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，但是其整體結(jié)構(gòu)基本類似。本文所述型號(hào)采煤機(jī)滾筒的最大直徑為800 mm、寬度為630 mm，筒轂的內(nèi)徑和外徑分別為425 mm、465 mm，螺旋葉片數(shù)量為2 個(gè)，葉片高度和厚度分別為68 mm、90 mm。葉片螺旋升角為13°。

2 螺旋葉片磨損有限元模型的建立

2.1 三維幾何模型

根據(jù)上文所述的采煤機(jī)滾筒整體結(jié)構(gòu)，利用PRO-E 軟件建立滾筒結(jié)構(gòu)的三維幾何模型，圖1 所示即利用PRO-E 軟件建立的模型。需要特別說明的是，由于實(shí)際的滾筒結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，內(nèi)部包含很多細(xì)小結(jié)構(gòu)，如倒角、倒圓、小圓孔等，這些結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)模型計(jì)算過程造成不利影響，但對(duì)結(jié)果的影響卻非常小。所以在建立三維幾何模型時(shí)，這些細(xì)節(jié)之處作忽略處理。

圖1 采煤機(jī)滾筒整體結(jié)構(gòu)

2.2 有限元模型

利用PRO-E 軟件建立的三維幾何模型，需要導(dǎo)出為igs 通用格式，才能導(dǎo)入EDEM 軟件中進(jìn)行后續(xù)有限元模型的建立。在EDEM 軟件中首先需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其是有限元分析中的重要環(huán)節(jié)，劃分質(zhì)量會(huì)直接影響計(jì)算過程和結(jié)果。一般而言，網(wǎng)格尺寸越大，則計(jì)算過程速度越快，但結(jié)果精度越低；相反的，如果網(wǎng)格尺寸越小，則計(jì)算過程效率越低，但結(jié)果精度較高。本研究中利用EDEM 軟件自動(dòng)識(shí)別網(wǎng)格尺寸及網(wǎng)格單元類型，最終劃分的是六面體網(wǎng)格類型，獲得的單元數(shù)量和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為13424個(gè)和15689個(gè)。

完成網(wǎng)格單元?jiǎng)澐趾?，需要設(shè)置模型不同結(jié)構(gòu)件的材料屬性。葉片、端盤和筒轂使用16Mn 材料加工制作，齒座使用42CrMo 材料加工制作，截齒使用YG8 材料加工制作。以上三種材料的泊松比分別為0.3、0.3、0.23；密度（體積質(zhì)量）依次為7 850 kg/m3、7 850 kg/m3、1 640 kg/m3；抗拉強(qiáng)度依次為862 MPa、1 350 MPa、1 800 MPa；彈性模量依次為218.7 GPa、212.5 GPa、590 GPa；屈服強(qiáng)度依次為767 MPa、1 200 MPa、1 500 MPa。煤巖的泊松比、密度、彈性模量、抗壓強(qiáng)度依次為0.28、1 280 kg/m3、2.01 GPa、12 MPa。

模擬仿真過程中，將滾筒的旋轉(zhuǎn)速度和牽引速度分別設(shè)置為82 r/min 和4 m/min。圖2 所示為采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖2 采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)有限元模型

3 螺旋葉片磨損結(jié)果分析與討論

3.1 葉片累積接觸能量

MG2×55/250BW 型采煤機(jī)滾筒中有2 片葉片，呈對(duì)稱布置，以下主要對(duì)其中1 片葉片進(jìn)行分析。完成有限元模型計(jì)算工作后，可以在EDEM 軟件中提取葉片在法向和切向兩個(gè)方向上累計(jì)的接觸能量，相關(guān)結(jié)果如圖3 所示。圖3 中主要顯示了截割開始10 s 后的數(shù)據(jù)，到20.55 s 時(shí)截割過程結(jié)束。結(jié)束時(shí)刻在切向和法向方向上累積的接觸能量分別為2 405.14 J 和417.67 J。由此可以看出，切向方向上的能量比法向方向的能量更高。接觸能量越大，意味著兩個(gè)物體之間的接觸越明顯，則磨損現(xiàn)象越顯著。

圖3 葉片累積接觸能量的演變情況

3.2 葉片的磨損量分析

進(jìn)一步分析了螺旋葉片的磨損量分布情況，結(jié)果如圖4 所示。圖4 中顯示的是20.55 s 時(shí)刻對(duì)應(yīng)的磨損量云圖。由此可見，葉片不同位置的磨損量存在一定程度的差異，其中邊緣位置的磨損情況相對(duì)更加嚴(yán)重，葉片尾端與前端相比較磨損量更加嚴(yán)重，最大磨損量為0.254 16 mm。以上模擬分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果較吻合，驗(yàn)證的模型分析的正確性。出現(xiàn)這種情況的原因主要是采集得到的煤礦物料顆粒在運(yùn)行時(shí)，與葉片邊緣接觸更多，所以邊緣部位的磨損量相對(duì)更大。與此同時(shí)，煤礦在滾筒旋轉(zhuǎn)的帶動(dòng)作用下會(huì)從前端不斷地向后端移動(dòng)，導(dǎo)致煤礦物料在后端堆積。而螺旋葉片不同位置的螺旋升角又完全一樣，所以后端部位煤塊更容易擠壓葉片，其磨損量相對(duì)更大。

圖4 螺旋葉片磨損量云圖

4 螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)用分析

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

基于以上分析可以看出，由于采集得到的煤塊在滾筒不同軸向位置的累積量存在一定程度差異，而葉片的螺旋升角又保持定值，所以煤塊與葉片之間的磨損量不同?；诖?，充分考慮煤塊在滾筒中運(yùn)行速度的變化規(guī)律，設(shè)計(jì)了變升角的螺旋葉片。以螺旋葉片兩端為界共將其劃分成為5 段，每段都設(shè)置不同的螺旋升角，分別為10.0°、11.5°、13.0°、14.5°、16.0°，其中端盤部位的升角最大。為確保煤礦截割的平穩(wěn)性，截齒同樣沿著螺旋葉片方向等距離分布。

為了驗(yàn)證螺旋葉片結(jié)構(gòu)優(yōu)化的效果，再次使用PRO-E 軟件和EDEM 軟件建立采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)的有限元模型。除葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)改變外，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)及建模過程全部與前述模型相同。完成模型計(jì)算工作后，在有限元軟件中調(diào)取螺旋葉片的磨損量云圖，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，沿著螺旋葉片軸線方向其整體磨損量相對(duì)較均勻，且磨損現(xiàn)象全部集中在葉片的邊緣部位，特別是葉片尾端位置的磨損量與優(yōu)化改進(jìn)前相比有了明顯的改善。在本文研究范圍內(nèi)，優(yōu)化后葉片的最大磨損量為0.230 99 mm，而優(yōu)化前的最大磨損量達(dá)到了0.254 16 mm。由此可見，在相同工況條件下螺旋葉片的磨損量降低了0.023 17 mm，降低幅度達(dá)到了9.17%。基于以上分析可以看出，通過對(duì)螺旋葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要是將螺旋升角定值改變成為螺旋升角變值，有效改善了葉片的磨損情況，為采煤機(jī)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后的螺旋葉片磨損量云圖

4.2 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

將優(yōu)化后的螺旋葉片結(jié)構(gòu)運(yùn)用到MG2×55/250BW 型采煤機(jī)工程實(shí)踐中，并對(duì)其實(shí)踐運(yùn)行效果進(jìn)行連續(xù)3 個(gè)月的測(cè)試，將相關(guān)結(jié)果與優(yōu)化改進(jìn)前的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：通過優(yōu)化改進(jìn)使得螺旋葉片不同部位的磨損更加均勻，總的磨損量有了顯著降低。初步統(tǒng)計(jì)認(rèn)為，通過對(duì)螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，使其使用壽命提升了30%左右，提升了采煤機(jī)截割部運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，為設(shè)備的長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為煤礦企業(yè)節(jié)省了一定的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)MG2×55/250BW 型采煤機(jī)滾筒葉片的磨損行為進(jìn)行了分析和研究，提出了結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化改進(jìn)措施，所得結(jié)論主要如下：

1）當(dāng)葉片螺旋升角為定值時(shí)，沿著葉片軸向方向的磨損量呈現(xiàn)出很大的不均勻性，后端磨損量相對(duì)更大；

2）對(duì)螺旋葉片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，主要是采用變螺旋升角結(jié)構(gòu)，后端螺旋升角最大，前端螺旋旋角較小，螺旋升角的范圍為10.0°～16.0°；

3）將優(yōu)化后的葉片結(jié)構(gòu)應(yīng)用到采煤機(jī)工程計(jì)踐中，發(fā)現(xiàn)其磨損量得到了很好的改善，初步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)螺旋葉片的使用壽命提升了30%以上，效果顯著。