杜利偉
(西山煤電官地礦, 山西 太原 030053)
采煤機(jī)作為煤礦生產(chǎn)中的核心設(shè)備,其性能直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力。衡量采煤機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)為其截割能力和裝煤能力,這兩項(xiàng)能力主要由采煤機(jī)的螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)決定,進(jìn)而影響采煤機(jī)的截割性能。在實(shí)際生產(chǎn)中,煤層為非均勻介質(zhì),而且呈現(xiàn)不連續(xù)和各向異性的特點(diǎn),針對(duì)復(fù)雜煤層采用不同的截割參數(shù)達(dá)到提升截割性能的效果,從而提升采煤機(jī)的截割能力和落煤能力[1]。本文將從理論層面對(duì)采煤機(jī)截割性能參數(shù)的優(yōu)化展開研究。
本文針對(duì)以復(fù)雜煤層條件下采煤機(jī)螺旋滾筒截割性能的仿真分析為基礎(chǔ),結(jié)合工作面煤層巖層的參數(shù)建立復(fù)雜煤層的仿真模型。該模型需要真實(shí)反應(yīng)巖層和煤層的容重、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)以及堅(jiān)固性系數(shù)等。含矸復(fù)雜煤層的力學(xué)性質(zhì)如表1 所示。
表1 含矸復(fù)雜煤層力學(xué)參數(shù)
根據(jù)上述參數(shù)建立煤巖體與采煤機(jī)螺旋滾筒的耦合仿真模型,仿真模型如圖1 所示。
圖1 采煤機(jī)螺旋滾筒與復(fù)雜煤層的耦合仿真模型
本文所研究的采煤機(jī)的具體型號(hào)為MG2×55/250-BW,重點(diǎn)對(duì)該型采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)(包括截割深度、牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速)和結(jié)構(gòu)參數(shù)(重點(diǎn)研究葉片螺旋升角)對(duì)整機(jī)截割性能的影響展開研究,截割性能通過采煤機(jī)在不同工況下的截割阻力、塊煤率、生產(chǎn)率和截割比能耗進(jìn)行反應(yīng)[2]。所研究各參數(shù)的具體取值如下:牽引速度為3 m/min、3.5 m/min、4 m/min和4.5 m/min;螺旋滾筒轉(zhuǎn)速為80 r/min、85 r/min、90 r/min、95 r/min 和100 r/min;截割深度為550 mm、565 mm、580 mm、600 mm 和620 mm;葉片螺旋升角為8°、10°、13°、15°和18°。
針對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)截割性能仿真模擬研究,重點(diǎn)分析葉片螺旋升角對(duì)截割性能的影響。此時(shí),設(shè)定采煤機(jī)牽引速度為4 m/min,截割深度為580 mm,螺旋滾筒旋轉(zhuǎn)速度為90 r/min;分別對(duì)葉片螺旋升角為8°、10°、13°、15°和18°五種工況下采煤機(jī)對(duì)應(yīng)的截割阻力、塊煤率、生產(chǎn)率以及截割比能耗進(jìn)行對(duì)比分析,所得的數(shù)據(jù)如表2 所示:
表2 不同葉片螺旋升角下采煤機(jī)的截割性能對(duì)比
如表2 所示,隨著葉片螺旋升角的增加,對(duì)應(yīng)截割阻力呈現(xiàn)不規(guī)律的變化趨勢(shì),導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)橛捎谌~片螺旋升角的變化使得截齒的相對(duì)位置與截割順序發(fā)生了變化,從而引發(fā)的大塊煤不規(guī)律的崩落;其中,在葉片螺旋升角為10°時(shí)對(duì)應(yīng)的截割阻力最小。
同樣,對(duì)于截割比能耗而言,隨著葉片螺旋升角的增加,其也呈現(xiàn)不規(guī)律的變化,其與截割阻力的變化一致;導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)榻馗钭枇Φ臏p小所消耗的能量也減小。其中,在葉片螺旋升角為10°時(shí)對(duì)應(yīng)的截割比能耗最小。
對(duì)于最大截割面積而言,隨著葉片螺旋升角的增加,其不斷減??;導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因?yàn)槁菪窃龃笾苯臃磻?yīng)至滾筒結(jié)構(gòu)上相鄰截線兩截齒在圓周方向上的距離減小。
對(duì)于生產(chǎn)率而言,螺旋升角對(duì)采煤機(jī)生產(chǎn)率的影響可以忽略不計(jì)。
以采煤機(jī)螺旋滾筒的截割深度為例,設(shè)定采煤機(jī)的牽引速度為4 m/min,螺旋滾筒旋轉(zhuǎn)速度為90 r/min,葉片螺旋升角的角度13°;對(duì)滾筒截割深度為550 mm、565 mm、580 mm、600 mm 和620 mm 五種工況下采煤機(jī)截割阻力、塊煤率、生產(chǎn)率以及截割比能耗進(jìn)行對(duì)比分析,仿真所得的數(shù)據(jù)如表3 所示。
表3 不同截割深度下采煤機(jī)的截割性能對(duì)比
如表3 所示,隨著采煤機(jī)截割深度的增加,截割阻力呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢(shì);截割比能耗呈現(xiàn)不斷減小的變化趨勢(shì);最大截割面積不變;生產(chǎn)率呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢(shì)。
同理得出:隨著采煤機(jī)牽引速度的增加,截割阻力、截割比能耗、最大截割面積以及生產(chǎn)率等均呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢(shì)。隨著采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速的增加,截割阻力、最大截割面積呈現(xiàn)不斷減小的變化趨勢(shì);截割比能耗呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢(shì);生產(chǎn)率不變。
綜合上述仿真分析得出:采煤機(jī)截割滾筒的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)截割比能耗參數(shù)的影響最大;采煤機(jī)牽引速度對(duì)生產(chǎn)率和塊煤率兩個(gè)參數(shù)的影響最大;采煤機(jī)截割深度對(duì)截割阻力的影響最大。
在上述對(duì)不同參數(shù)影響采煤機(jī)截割性能仿真分析的基礎(chǔ)上,基于上述仿真分析所得結(jié)論采用多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對(duì)采煤機(jī)螺旋滾筒的采煤工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合采煤機(jī)裝備本身的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和上述仿真結(jié)算,得出螺旋滾筒參數(shù)的取值范圍如下:螺旋滾筒轉(zhuǎn)速范圍為[80 r/min,100 r/min]、牽引速度范圍為[3 m/min,5 m/min]、截割深度范圍為[550 mm,620 mm]、葉片螺旋升角范圍為[8°,18°]。
采用多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化前后上述參數(shù)值的具體變化如表4 所示。
表4 采煤機(jī)滾筒運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比
優(yōu)化前后采煤機(jī)截割性能對(duì)比如表5 所示。
表5 螺旋滾筒參數(shù)優(yōu)化前后采煤機(jī)截割性能對(duì)比
如表5 所示,對(duì)“2”中仿真得出的螺旋滾筒參數(shù)采用多目標(biāo)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化后,采煤機(jī)的截割性能得到明顯提升;其中,采煤機(jī)的截割面積和生產(chǎn)率得到顯著增加,截割比能耗降低了0.44 kWh/m3。
采煤機(jī)為煤礦綜采工作面生產(chǎn)的核心設(shè)備,其截割性能直接決定了生產(chǎn)率、截割比能耗、截割阻力等因素。因此,對(duì)于采煤生產(chǎn)而言,采用合理的螺旋滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于保證其截割性能具有重要意義。本文重點(diǎn)開展了復(fù)雜煤層條件下螺旋滾筒的截割性能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)螺旋滾筒結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化后,采煤機(jī)的截割性能得到明顯提升。