采煤機(jī)截割參數(shù)對(duì)截齒受力情況的影響研究

祁高陽(yáng)

（山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 沁水 048214）

引言

煤炭作為人們生產(chǎn)生活必不可少的能源之一，近年來(lái)的需求量不斷增大，加重了煤炭企業(yè)采掘煤炭的工作量[1]。采煤機(jī)作為煤炭掘進(jìn)工作中的關(guān)鍵設(shè)備，其工作可靠性和安全性至關(guān)重要[2]。截割齒輪作為采煤機(jī)的重要組成部件，工作過(guò)程中直接截割煤巖，受力情況極其復(fù)雜，其受到的煤炭截割反力直接作用于采煤機(jī)截割滾筒[3-4]。采煤機(jī)采煤時(shí)會(huì)承受截齒截割煤炭時(shí)的反作用力，其數(shù)值大小直接關(guān)系著采煤機(jī)的沖擊振動(dòng)程度，沖擊振動(dòng)得不到有效控制，將會(huì)加速截齒的破壞速度，必須引起高度重視[5]。采煤機(jī)在開采工作過(guò)程中截齒一旦出現(xiàn)故障，不僅停車停工，而且影響煤炭企業(yè)的采煤量及經(jīng)濟(jì)效益[6]。因此，開展采煤機(jī)截割參數(shù)對(duì)截齒受力情況的影響研究，對(duì)于提高采煤機(jī)工作的可靠性意義重大。

1 截割系統(tǒng)組成

截割系統(tǒng)作為采煤機(jī)的重要組成部分，是采煤機(jī)正常截割煤巖的關(guān)鍵部件之一，其系統(tǒng)組成如圖1 所示。截割系統(tǒng)主要由電機(jī)、離合器、I 軸組件、II軸組件、III 軸組件、惰輪組件、VI 軸組件、行星機(jī)構(gòu)組成。工作過(guò)程中，滾筒截齒由電機(jī)提供動(dòng)力，動(dòng)力傳輸系統(tǒng)主要由齒輪減速器組成，減速器扮演著降速增扭的角色，為截齒提供足夠穩(wěn)定可靠的驅(qū)動(dòng)力。截割滾筒在行星減速器的帶動(dòng)下不斷旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)截齒連續(xù)不斷地截割煤炭，實(shí)現(xiàn)采煤工作。

圖1 采煤機(jī)截割傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖

2 煤巖截割模型

分析截割滾筒中截齒的受力情況之前需要弄清楚其截割煤炭時(shí)的狀態(tài)，建立截齒工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和受力分析，方可準(zhǔn)確地描述煤巖對(duì)于截齒的作用力。如圖2 所示，給出了截齒工作時(shí)的力學(xué)模型，由圖2 可以看出，采煤機(jī)進(jìn)行連續(xù)采煤作業(yè)過(guò)程中，截割滾筒帶動(dòng)截齒連續(xù)做圓周運(yùn)轉(zhuǎn)，截割滾筒的模型為圓柱形，截齒在其圓周邊緣承受煤炭的切向反作用力。

圖2 煤巖截割模型

3 采煤機(jī)截割參數(shù)對(duì)截齒受力情況的影響

采煤機(jī)截割參數(shù)變化對(duì)截割滾筒截齒受力情況的影響研究，借助MATLAB2019a 仿真計(jì)算軟件完成。根據(jù)長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累現(xiàn)在已經(jīng)形成合理的滾筒直徑、牽引速度及滾筒角速度等經(jīng)驗(yàn)值，其中直徑D=0.25～1.3 m、牽引速度v=0.05～0.13 m/s、滾筒轉(zhuǎn)速ω=5.2～8 rad/s，最大截割厚度hmax=0.06～0.11 m。煤巖的物理性質(zhì)為：抗拉強(qiáng)度數(shù)值為0.27 MPa，抗壓強(qiáng)度數(shù)值為2.73 MPa，密度數(shù)值為1.4 g/cm3，體積模量為690 MPa，剪切模量為650 MPa，黏聚力為3.07 MPa，內(nèi)摩擦角為34.3°。依據(jù)上述材料屬性完成仿真計(jì)算模型的建立。

3.1 不同滾筒半徑對(duì)截割力的影響

在MATLAB2019a 仿真計(jì)算軟件中完成采煤機(jī)截割滾筒相關(guān)參數(shù)設(shè)置之后，即可開展仿真計(jì)算工作。分析采煤機(jī)截割滾筒不同半徑對(duì)截齒作用力影響時(shí)，固定采煤機(jī)牽引速度和滾筒旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)值，分別設(shè)置為v=0.13 m/s 和ω=7.55 rad/s。分別設(shè)置截割滾筒的半徑數(shù)值如下：R=0.45m、R=0.55m、R=0.65 m、R=0.75 m，仿真計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。由圖3 的截齒作用力的數(shù)值可以看出，當(dāng)采煤機(jī)工作時(shí)的牽引速度和滾筒旋轉(zhuǎn)速度不變的情況下，截割滾筒的半徑尺寸變化對(duì)截割力的影響程度較小，幾乎是沒(méi)什么影響。觀察數(shù)值情況可得，不同截割半徑情況下的截齒受力最大數(shù)值均處于2.3 kN 左右。

圖3 不同截割半徑對(duì)截割力的影響

3.2 不同牽引速度對(duì)截割力的影響

分析采煤機(jī)截割滾筒不同牽引速度對(duì)截齒作用力的影響時(shí)，固定采煤機(jī)截割半徑和滾筒旋轉(zhuǎn)角速度數(shù)值，分別設(shè)置為R=0.75 m 和ω=7.55 rad/s。分別設(shè)置截割滾筒的牽引速度數(shù)值如下：v=0.05 m/s、v=0.08 m/s、v=0.11 m/s、v=0.13 m/s，仿真計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同牽引速度對(duì)截割力的影響

由圖4 不同牽引速度對(duì)截割力影響的規(guī)律曲線可以看出，當(dāng)采煤機(jī)截割滾筒的半徑尺寸和滾筒旋轉(zhuǎn)速度不變的情況下，不同的牽引速度對(duì)采煤機(jī)截割滾筒的截齒作用力的影響較為明顯。采煤機(jī)截割滾筒的牽引速度數(shù)值由0.05 m/s 升高到0.13 m/s 的過(guò)程中，截割滾筒上截齒的受力數(shù)值由0.4 kN 升高至2.25 kN，變化前后數(shù)值對(duì)比較為明顯，相差將近6 倍之多。因此，由上述分析結(jié)果可以得出，采煤機(jī)進(jìn)行煤炭掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況合理確定采煤機(jī)的牽引速度，當(dāng)采煤機(jī)牽引速度合適時(shí)，既能夠保證煤炭企業(yè)的采煤量，又能夠有效降低截割滾筒上截齒的截割力，減小采煤機(jī)工作過(guò)程中的振動(dòng)幅度，提高采煤機(jī)的工作可靠性。

3.3 不同滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)截割力的影響

分析采煤機(jī)截割滾筒不同轉(zhuǎn)速對(duì)截齒作用力的影響時(shí)，固定采煤機(jī)截割半徑和牽引速度數(shù)值，分別設(shè)置為R=0.75 m 和v=0.13 m/s。分別設(shè)置截割滾筒的轉(zhuǎn)速數(shù)值如下：ω=8.2 rad/s、ω=7.2 rad/s、ω=6.2 rad/s、ω=5.2 rad/s，仿真計(jì)算結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)截割力的影響

由圖5 不同截割滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)截割力影響的規(guī)律曲線可以看出，當(dāng)采煤機(jī)截割滾筒的半徑尺寸牽引速度不變的情況下，不同的滾筒旋轉(zhuǎn)速度對(duì)采煤機(jī)截割滾筒的截齒作用力的影響較為明顯。采煤機(jī)截割滾筒的旋轉(zhuǎn)速度數(shù)值由5.2 rad/s 升高到8.2 rad/s的過(guò)程中，截割滾筒上截齒的受力數(shù)值由1.4 kN 升高至3.6 kN，變化前后數(shù)值對(duì)比較為明顯，相差將近2.5 倍之多。因此，由上述分析結(jié)果可以得出，采煤機(jī)進(jìn)行煤炭掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況合理確定采煤機(jī)滾筒的旋轉(zhuǎn)速度。眾所周知，提高采煤機(jī)截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，能夠提高煤炭企業(yè)的煤炭掘進(jìn)產(chǎn)量，達(dá)到企業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)，但是，提高采煤機(jī)截割滾筒時(shí)，會(huì)明顯增大截割滾筒上截割齒所受的作用力，增加采煤機(jī)的振動(dòng)程度，極易出現(xiàn)采煤機(jī)截割部件的破壞，耽誤煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)作業(yè)。

4 結(jié)語(yǔ)

截割系統(tǒng)作為采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)煤炭掘進(jìn)開采的重要組成部件之一，其工作的安全性和可靠性至關(guān)重要。針對(duì)某煤炭企業(yè)服役中的采煤機(jī)存在振動(dòng)的問(wèn)題，采用仿真計(jì)算的方法，完成了采煤機(jī)截割滾筒半徑尺寸、工作過(guò)程截割滾筒牽引速度和截割滾筒轉(zhuǎn)速變化對(duì)截割力的影響規(guī)律分析。結(jié)果如下：

1）采煤機(jī)截割滾筒半徑尺寸的變化對(duì)滾筒截割齒的作用力大小變化影響較小，最大截割力均在1.8 kN 左右；

2）截割滾筒工作時(shí)牽引速度變化對(duì)滾筒截齒作用力大小影響明顯，牽引速度數(shù)值由0.05 m/s 升高到0.13 m/s 的過(guò)程中，截割滾筒上截齒的受力數(shù)值增加近6 倍；

3）截割滾筒旋轉(zhuǎn)速度變化對(duì)滾筒截齒作用力大小影響明顯，旋轉(zhuǎn)速度數(shù)值由5.2 rad/s 升高到8.2 rad/s 的過(guò)程中，截割滾筒上截齒的受力數(shù)值增加近2.5 倍。