復(fù)雜煤層條件下滾筒截割性能參數(shù)優(yōu)化分析

杜利偉

（西山煤電官地礦， 山西 太原 030053）

0 引言

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。

1 復(fù)雜煤層條件下滾筒截割模型的建立

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

2 螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割性能的影響

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°。

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)截割性能的影響

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，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)。

2.2 運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割性能的影響

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；截割比能耗呈現(xiàn)不斷減小的變化趨勢；最大截割面積不變；生產(chǎn)率呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢。

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。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；截割比能耗呈現(xiàn)不斷增大的變化趨勢；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。

3 采煤機(jī)螺旋滾筒參數(shù)的優(yōu)化

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。

4 結(jié)語

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。