采煤機螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性分析

胡登高，遲煥磊，郎瑞峰，王會枝，孫鵬亮

(1.中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京 100011； 2.中煤華晉集團有限公司王家?guī)X分公司，山西 河津 043300)

縱觀全球多個國家，我國的煤炭生產量與消費量最顯著[1-3]。據相關資料顯示，自2000年開始，我國煤炭生產量增長速度明顯，直到2014年，煤炭產業(yè)出現供大于求的狀態(tài)，導致我國原煤產量變少[4]?；陂L遠角度分析，自從我國頒布新能源發(fā)展、節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略，煤炭在天然能源結構中占比從多變少，但目前我國能源消費結構主體仍然是煤炭[5]。因為煤層保存條件穩(wěn)定性較差，工作面空間有局限，環(huán)境條件復雜，在實施采煤作業(yè)時，采煤機的機械性能必須滿足要求。螺旋滾筒屬于采煤機的核心構件，可實現破煤、裝煤、除塵等作業(yè)[6]。所以，螺旋滾筒的穩(wěn)定性對采煤機的穩(wěn)定應用存在直接影響。

目前我國煤炭產業(yè)所用的采煤機經常出現異常問題導致不可用，滾動裝煤效率也受到負面影響，由此可見，我國在螺旋滾筒穩(wěn)定性研究方面還有待完善。分析采煤機螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性，對完善采煤機的正常使用、保護操作人員生命安全存在重要意義。相關研究學者對采煤機機械性能進行研究，針對采煤機滾筒截割性能方面，使用應力—強度干涉理論分析采煤機截割部關鍵零件穩(wěn)定性能[7]，針對采煤機截割部振動特性方面，使用雙向耦合理論分析采煤機截割部振動特性[8]。基于上述分析，本文提出了采煤機螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性分析，以市面上最常見的2種螺旋滾筒為例實施對比分析，并擇優(yōu)對其實施深度分析，全面研究采煤機螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性影響因素。

1 滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性分析

1.1 研究對象概況

在分析采煤機螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性時，分析目標結構如圖1所示。

圖1 研究對象結構Fig.1 Structure of research object

如圖1所示，此采煤機結構分為螺旋滾筒、搖臂減速器、固定減速器、牽引部與電動機，其中滾筒、搖臂減速器、固定減速器都具有前后雙向[9-11]。當電動機把動力發(fā)送至牽引部之后，采煤機便會順著輸送機前進，將動力發(fā)送至雙向固定減速器，然后驅動左右搖臂減速器，控制滾筒旋轉[12]。

1.2 分析程序設計

采煤機螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性分析主要是在Excel表格里導入基礎信息，使用MATLAB軟件參數運算后，將運算結果反饋至Excel表格實施分析[13-15]。程序流程如圖2所示。

圖2 分析程序流程Fig.2 Analysis program flow chart

1.3 螺旋滾筒結構設計與穩(wěn)定性分析情景設置

在A1類、A2類2種類型的螺旋滾筒中對比分析，選擇穩(wěn)定性最優(yōu)螺旋滾筒，實施急速滾轉控制穩(wěn)定性深入分析。A1類、A2類螺旋滾筒截齒排列信息如圖3所示。

圖3 A1類、A2類螺旋滾筒截齒排列信息Fig.3 Arrangement information of pick of type A1、 A2 spiral drum

如圖3所示，A1類螺旋滾筒與A2類螺旋滾筒的截齒分布存在差異，葉片螺旋升角都是14°。

為了分析采煤機2種螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性，對采煤機應用的煤礦進行煤層采樣[16]。煤層密度為1 310 kg/m3，抗拉強度為1.09 MPa，抗壓強度為17.72 MPa，彈性模量為4 339 MPa，泊松比為0.24，內摩擦角為60°，堅固性系數為2.1，黏聚力為1.85 MPa。

對比分析A1類、A2類2種類型的螺旋滾筒中，為了分析穩(wěn)定性最優(yōu)的螺旋滾筒在急速滾轉控制下截割性能的穩(wěn)定性[17-19]，設置不同測試情景，情景條件如下。

(1)情景1。夾矸堅固性系數依次設定為3.6、5.2、6.9、8.5，牽引速度為4.1 m/min，滾筒轉速為200 r/min，葉片螺旋升角為14°。

(2)情景2。牽引速度依次為3.1、3.6、4.1、4.6、5.1 m/min，夾矸堅固性系數為5.2，滾筒轉速為200 r/min，葉片螺旋升角為14°。

(3)情景3。葉片螺旋升角依次為8°、10°。12°、14°、16°，夾矸堅固性系數為5.2，牽引速度為4.1 m/min，滾筒轉速為200 r/min。

在3個情景中，使用MATLAB軟件計算螺旋滾筒的受載均值與最大值、載荷波動系數、截割比能耗[20]。

2 穩(wěn)定性測試結果分析

當采煤機滾筒轉速是200 r/min、截深是1 200 mm時，A1、A2類型螺旋滾筒急速滾轉控制下，2種類型的螺旋滾筒載荷信息分析結果見表1、表2。

表1 A1類型螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性分析結果Tab.1 Stability analysis results of rapid rolling control of A1 type spiral drum

表2 A2類型螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性分析結果Tab.2 Stability analysis results of rapid rolling control of A2 type spiral drum

分析表1、表2數據可知，A2類型螺旋滾筒急速滾轉控制下，三相力與三相力矩的波動比A1類型螺旋滾筒平穩(wěn)，載荷波動小，穩(wěn)定性高。

A1、A2類型螺旋滾筒急速滾轉控制下，2種類型的螺旋滾筒截割阻力矩、截割功率變化信息見表3、表4。

表3 螺旋滾筒截割阻力矩對比結果Tab.3 Comparison results of cutting resistance torque of spiral drum

表4 螺旋滾筒截割功率對比結果Tab.4 Comparison results of cutting power of spiral drum

分析表3、表4可知，A1、A2類型螺旋滾筒急速滾轉控制下，2種類型的螺旋滾筒截割阻力矩與截割功率變化趨勢都存在相似性，但對比之下，A2類型螺旋滾筒的截割阻力矩、截割功率變化區(qū)間低于A1類型螺旋滾筒，表示A2類型螺旋滾筒截割煤層時，采煤機穩(wěn)定性最高，可以在急速滾轉下完成截割任務。

綜上所述，相比之下，A2類型螺旋滾筒急速滾轉控制下，穩(wěn)定性最高。為此，本文在MATLAB平臺中，使用該類型螺旋滾筒在表1的環(huán)境條件參數下進行模擬作業(yè)，分析該螺旋滾筒模態(tài)頻率和變形量，以此判斷該螺旋滾筒在多個固有頻率階數下的穩(wěn)定性。A2類型螺旋滾筒模態(tài)頻率和變形量見表5。

在18階時，螺旋滾筒的模態(tài)振型如圖4所示。

如表5、圖4所示，螺旋滾筒1～20階固有頻率最小值是544.53 Hz，最大值是1 198.22 Hz，變形量的最小值與最大值依次是3.4 mm、12.4 mm，螺旋滾筒最易變形的地方是截齒，變形時，變形最大值高達3.747 mm，其他部位的變形情況相對較弱，當采煤機螺旋滾筒急速滾轉時，截齒的穩(wěn)定性最差，需要引起注意。

表5 A2類型螺旋滾筒模態(tài)頻率和變形量Tab.5 Modal frequency and deformation of A2 type spiral drum

圖4 螺旋滾筒的模態(tài)振型Fig.4 Modal shape of spiral drum

情景1中A2類型螺旋滾筒截割性能的穩(wěn)定性測試結果見表6。分析表6可知，當夾矸堅固性系數逐漸變大，A2類型螺旋滾筒受載均值與最大值、載荷波動系數、截割比能耗值也變大，截割比能耗是指采煤機螺旋滾筒截齒截割單位體積的煤所耗損的能量，此數值越大，采煤機螺旋滾筒的穩(wěn)定性越差，振動越大。

表6 情景1穩(wěn)定性測試結果Tab.6 Stability test results of scenario 1

情景2中A2類型螺旋滾筒截割性能的穩(wěn)定性測試結果見表7。分析表7可知，當牽引速度從3.1 r/min提升至5.1 r/min，A2類型螺旋滾筒受載均值與最大值、載荷波動系統(tǒng)也逐漸變大，但截割比能耗逐漸變小。原因是牽引速度提升，A2類型螺旋滾筒的最大切削厚度變大，截割比能耗就變大，穩(wěn)定性就越差。

表7 情景2穩(wěn)定性測試結果Tab.7 Stability test results of scenario 2

情景3中A2類型螺旋滾筒截割性能的穩(wěn)定性測試結果見表8。分析表8數據可知，當A2類型螺旋滾筒的螺旋升角從8°提升至16°，A2類型螺旋滾筒的受載均值與最大值都逐漸變大，雖然增幅不顯著，但是呈現出增大趨勢。而載荷波動系數和截割比能耗都逐漸變小，原因是葉片螺旋升角變化后，A2類型螺旋滾筒截齒在葉片中的坐標與角度都會出現變化，螺旋升角較小，相同葉片中，前后兩個截齒之間圓周角變大，導致A2類型螺旋滾筒載荷波動變大。A2類型螺旋滾筒在急速滾轉控制時，螺旋升角對其穩(wěn)定性不存在直接影響。

表8 情景2穩(wěn)定性測試結果Tab.8 Stability test results of scenario 2

綜上所述，A2類型螺旋滾筒在急速滾轉控制時，夾矸堅固性系數、牽引速度對A2類型螺旋滾筒穩(wěn)定性存在直接影響，螺旋升角對其穩(wěn)定性不存在直接影響。

3 結論

采煤機螺旋滾筒急速滾轉控制時，穩(wěn)定性的變化情況十分重要。如果采煤機螺旋滾筒急速滾轉控制時抖動嚴重，那么穩(wěn)定性便較差，如果不停止運行將會導致采煤機受損，作業(yè)中斷。本文主要對A1類、A2類螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性進行對比分析，并通過分析可知A2類螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性最佳，且針對A2類螺旋滾筒急速滾轉控制穩(wěn)定性進行更深入的穩(wěn)定性測試分析。分析結果顯示，該螺旋滾筒急速滾轉控制時，主要遭到夾矸堅固性系數、牽引速度2個變量影響，在實際操作中，需格外注意2個變量的合理設置，以免影響采煤機螺旋滾筒穩(wěn)定運行。