基于有限元法的采煤機(jī)截割滾筒截線距優(yōu)化設(shè)計(jì)

朱 毅

（晉能控股集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048200）

引言

煤礦開(kāi)采過(guò)程中采煤機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性會(huì)對(duì)煤礦開(kāi)采效率產(chǎn)生決定性影響，截割滾筒是采煤機(jī)中非常重要的結(jié)構(gòu)件，主要是利用滾筒上安裝的截齒與煤壁發(fā)生直接作用，從而達(dá)到截割的效果[1]。截齒在滾筒上的安裝結(jié)構(gòu)與形式會(huì)對(duì)截割滾筒的性能產(chǎn)生直接影響[2]。隨著煤礦領(lǐng)域的不斷發(fā)展和技術(shù)水平的不斷提升，對(duì)采煤機(jī)的性能要求越來(lái)越高，基于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法難以滿足高穩(wěn)定性、高采煤效率的基本需要，有必要利用先進(jìn)的有限元方法對(duì)采煤機(jī)截割滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，進(jìn)一步提升滾筒的綜合性能。本文主要利用PFC 軟件對(duì)采煤機(jī)截割滾筒的截線距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于提升截割滾筒的性能和采煤機(jī)的工作效率具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 截割滾筒截線距概述

以MG132/320-W 型采煤機(jī)為對(duì)象進(jìn)行研究，對(duì)截割滾筒的截線距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。所謂截線距指的是相鄰兩根截齒在截線方向之間的距離大小，是決定截割滾筒性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一。截線距設(shè)置合理與否，不僅會(huì)對(duì)截割滾筒的采煤效率產(chǎn)生一定影響，還會(huì)影響結(jié)構(gòu)件的使用壽命和能耗。當(dāng)截割滾筒的截線距設(shè)置相對(duì)較大時(shí)，滾筒工作時(shí)特別容易出現(xiàn)封閉式切削，在相鄰兩根截齒之間形成“煤脊”，能在一定程度上提升塊煤率。但與此同時(shí)，過(guò)大的截線距使得截齒在對(duì)煤壁進(jìn)行破碎時(shí)，難以對(duì)煤壁裂隙進(jìn)行有效利用，會(huì)在一定程度上提升截割滾筒的能源消耗，同時(shí)會(huì)使截齒的磨損加大，縮短其使用壽命。相反地，如果截線距設(shè)置過(guò)小，雖然能夠降低單個(gè)截齒工作時(shí)的受力，但會(huì)在一定程度上減小塊煤率，不利于煤礦開(kāi)采過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性。基于此，有必要對(duì)截割滾筒的截線距進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，確保截齒之間的載荷均勻、截割比能耗小。

2 截割滾筒工作過(guò)程有限元建模

2.1 三維幾何模型建立

利用SolidWorks 軟件根據(jù)MG132/320-W 型采煤機(jī)截割滾筒的實(shí)際尺寸建立三維幾何模型，其中滾筒的直徑為1 250 mm。為了分析不同截線距對(duì)截割滾筒性能的影響，分別將截線距設(shè)置為60 mm、65 mm、70 mm、75 mm、80 mm 建立幾何模型，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同。建立模型時(shí)對(duì)一些細(xì)小結(jié)構(gòu)，比如倒角、倒圓、小孔等進(jìn)行忽略處理，這種處理措施能保證計(jì)算結(jié)果精度的同時(shí)壓縮模型計(jì)算時(shí)間。

2.2 有限元模型建立

將建立的三維幾何模型導(dǎo)入到PFC 有限元軟件中，除建立截割滾筒模型外還建立了煤壁模型。截割滾筒主體使用42CrMo 鋼材料加工，截齒合金頭基于YG 系列硬質(zhì)合金加工，以上兩種材料的彈性模量分別為 212 GPa 和 600 GPa，泊松比分別為 0.28 和0.22，密度分別為7 850 kg/m3和14 600 kg/m3。煤壁在PFC 軟件中基于離散元方法獲得，彈性模量和泊松比分別為23 GPa 和0.25，抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為3.67 MPa 和 15.98 MPa，密度為 1 674 kg/m3。煤壁由顆粒狀物質(zhì)構(gòu)成，顆粒半徑及其孔隙率分別為0.008 m和0.06，法向抗拉強(qiáng)度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角分別為1.8×106Pa、2.4×106Pa 和 34.66°。邊界條件方面，滾筒前進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度分別為0.04 m/s 和57 r/min。如下頁(yè)圖1 所示為滾筒對(duì)煤壁進(jìn)行截割的過(guò)程。

圖1 滾筒對(duì)煤壁進(jìn)行截割的過(guò)程圖

3 截齒受力分析及截線距優(yōu)化

3.1 截齒合力演變曲線

如下頁(yè)圖2 所示為截線距為70 mm 時(shí)截割合力隨時(shí)間的演變狀態(tài)，其他截線距時(shí)獲得的曲線與該曲線基本類似。由圖2 可知，截割滾筒的截割合力隨時(shí)間呈現(xiàn)出不均勻變化形式，出現(xiàn)這種情況的原因在于不同時(shí)刻實(shí)際參與截割的截齒數(shù)量不同，截齒與煤壁顆粒之間的相互作用狀態(tài)也存在差異，所以不同時(shí)刻的截割合力變化幅度相對(duì)較大。特別是剛開(kāi)始階段，由于參與截割的截齒數(shù)量較少，所以合力變化幅度更加明顯，后續(xù)變化幅度基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 截線距為70 mm 時(shí)截割合力隨時(shí)間的演變狀態(tài)

3.2 考慮截齒受力狀態(tài)的截線距優(yōu)化

對(duì)不同截線距模型中的所有截齒受力情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖3 所示為截線距對(duì)截齒平均受力及標(biāo)準(zhǔn)差的影響規(guī)律。圖3 中X、Y、Z 方向分別表示截割滾筒的前進(jìn)阻力、側(cè)向阻力和截割切向阻力。由圖3可知，截割滾筒的截線距對(duì)截齒不同方向以及合力的平均受力均存在一定程度的影響。X 方向阻力方面，當(dāng)截線距為70 mm 和80 mm 時(shí)相對(duì)較?。划?dāng)截線距為80 mm 時(shí)，Y 方向上的阻力最?。划?dāng)截線距為70 mm 時(shí)，Z 方向阻力相對(duì)最小。對(duì)于滾筒的截割合力，截線距為75 mm 時(shí)最大，截線距為60 mm、65 mm、70 mm、80 mm 時(shí)，截割合力相差不大，但70 mm 時(shí)相對(duì)最小。

圖3 截線距對(duì)截齒平均受力及標(biāo)準(zhǔn)差的影響規(guī)律

圖3 中還顯示了不同截線距時(shí)截割滾筒所有截齒受力的標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差描述的是不同截齒之間受力的均勻性，標(biāo)準(zhǔn)差越小說(shuō)明截齒之間的受力越均勻，相反地，如果標(biāo)準(zhǔn)差越大意味著不同截齒之間的受力越不均勻。從圖中可以明顯看出，當(dāng)截線距為70 mm時(shí)，不管是X、Y、Z 方向阻力還是整體合力，所有截齒受力的標(biāo)準(zhǔn)差均相對(duì)最小，說(shuō)明在此結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，滾筒中所有截齒的受力最為均衡，波動(dòng)性最小。綜上，從截齒受力狀態(tài)角度出發(fā)，確定的截線距最優(yōu)值為70 mm。

4 基于截割比能耗的截線距優(yōu)化

4.1 截割比能耗概述

在節(jié)能減排的大環(huán)境下，截割比能耗是反映截割滾筒綜合性能的重要指標(biāo)之一，描述的是截割獲得單位體積的煤礦物料需要消耗的總能量。可以根據(jù)式（1）計(jì)算截割比能耗：

式中：Hw為截割比能耗；n 和t 分別為滾筒的旋轉(zhuǎn)速度及截割時(shí)間，分別取57 r/min 和3.6 s；Tm和Vm分別為滾筒的平均扭矩及截割獲得的煤礦物料體積，扭矩可根據(jù)滾筒受力計(jì)算獲得，煤礦體積可在模型中進(jìn)行提取。

4.2 截線距優(yōu)化

在模型提取數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)截割滾筒的扭矩平均值、煤礦顆粒體積進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)式（1）獲得了不同截線距時(shí)的截割比能耗，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，截線距對(duì)截割比能耗的影響規(guī)律比較復(fù)雜，隨著截線距的不斷增大，截割比能耗呈現(xiàn)出先降低再升高最后又降低的演變趨勢(shì)。當(dāng)截線距為70 mm 和80 mm 時(shí)截割滾筒的截割比能耗相對(duì)較小，以70 mm時(shí)最小，另外三種截線距對(duì)應(yīng)的截割比能耗相差不大，均處在較高水平。綜上，從截割比能耗角度出發(fā)，截割滾筒的截線距設(shè)置為70 mm 時(shí)最優(yōu)。

圖4 截線距對(duì)扭矩、顆粒體積和截割比能耗的影響

5 結(jié)語(yǔ)

以MG132/320-W 型采煤機(jī)截割滾筒為對(duì)象，利用有限元軟件對(duì)截線距進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，所得結(jié)論主要有：截割滾筒的截線距是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，會(huì)對(duì)截齒之間的受力均勻性以及整體的截割比能耗產(chǎn)生重要的影響；利用SolidWorks 和PFC 軟件建立了不同截線距時(shí)截割滾筒工作過(guò)程有限元模型，可以真實(shí)地描述煤壁截割過(guò)程；分析不同截線距時(shí)滾筒所有截齒受力均勻性，發(fā)現(xiàn)截線距為70 mm 時(shí)截齒受力標(biāo)準(zhǔn)差最小，此時(shí)截齒受力波動(dòng)性最??；從截割比能耗角度分析了不同截線距時(shí)滾筒的性能，同樣發(fā)現(xiàn)截線距為70 mm 時(shí)，滾筒的性能最優(yōu)。