提升采煤机截割滚筒截齿受力均衡性的优化研究_曹琼.pdf

[6] 邵爱军,张发旺,邵太升等.煤矿地下水[M].北京科学出版 社.2005. 作者简介 温小伟 （1991-） ， 山西大同人， 本科学历， 毕业于河北工 程大学， 助理工程师， 主要从事煤矿水文地质方面的工作。 （收稿日期 2019- 12- 9） 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 0引言 矿井提升机截割滚筒是采煤过程中关键的设备， 据相关资料查阅可知， 截割滚筒作业消耗的功耗可以 达到整个采煤作业的 90左右。因此， 截割滚筒割煤 的工作效率对煤矿企业的生产效率以及经济性有着 较大的影响。截割滚筒截齿是直接接触煤炭， 利用其 自身强度及结构进行掘进开采的关键构件[1]。在实际 生产工程中发现滚筒截齿在受到煤炭物料切割阻力 的工况下， 其结构受力不均匀， 产生了磨损、 断裂、 裂 痕等破坏形式， 各种形式的破坏常常集中于某几个截 齿[2]。上述现象说明截齿在切割煤炭作业过程中受力 不均匀， 没有充分发挥每个截齿的工作性能， 对开采 煤层的工作效率造成的影响， 提高了无用工作过程在 整个工作中所占的比例。 根据实际工况建立起仿真模 型， 以降低受力载荷波动为优化目标， 降低各个截齿 的受力载荷数值的差异率， 达到截齿受力均衡性的目 标， 使整个采煤机的工作过程更加的平稳高效[3]。 1采煤机滚筒结构分析 滚筒式采煤机以螺旋运动形式通过滚筒机构可 以实现切割煤炭和传送煤炭， 最终实现落煤的采煤机 械。通过一定运转速度的旋转， 按照一定的角度切入 矿井的侧壁，被割落下的煤炭将落入至螺旋叶片， 然 后被推入工作面的刮板运输机当中。 滚筒式的采煤机 可按各种类型进行分类，可按结构机构进行分类、 按 适用煤层厚度进行分类、按电机布置方法进行分类、 按机身设置方式进行分类、 按牵引控制方式进行分类 等[4]。 每种类型的滚筒采煤机均可分为截割部分、 牵引 部分、 电器部分及辅助装置组成， 滚筒采煤机的滚筒 提升采煤机截割滚筒截齿受力均衡性的优化研究 曹琼 （霍州煤电集团辛置煤矿 ， 山西 霍州 031412 ） 摘要 矿井采煤机截割滚筒利用截齿的作用力对煤层进行掘进， 通过现场作业观察， 每个截齿在长 时间作业过后磨损程度不同， 表明了各个截齿的受力不均匀， 影响了整个滚筒结构的使用寿命。为确 保煤层开采过程中截齿受力更加均匀， 采用 MATLAB 数值模拟软件以载荷波动系数为优化目标， 优 化截割滚筒的结构， 提高每个截齿受力的均衡性。 仿真试验结果表明优化后的截割滚筒截齿受力更加 均匀， 保障了煤炭开采的生产效率。 关键词 截割滚筒 ； 截齿 ； 均衡性 ； 优化 中图分类号 TD 412文献标识码 A 文章编号 1009-0797 （2020 ） 06-0120-03 Research on Optimization of Force Balance of Shearer Cutting Drum CAO Qiong （Huozhou Coal and Electric Group Xinzhi Coal , Huozhou 031412 , China ） Abstract The cutting drum of a coal mining machine uses the force of a cutting tooth to excavate the coal seam. According to the obser- vation of the field operation, the wear degree of each cutting tooth is different after a long time operation, which indicates that the force of each cutting tooth is uneven and affect This increases the service life of the entire drum structure. In order to ensure that the forces of the picks are more uni during the mining of the coal seam, MATLAB numerical simulation software is used to optimize the fluctuation coefficient of the load, optimize the structure of the cutting drum, and improve the balance of the forces of each pick. The simulation test results show that the force of the cutting teeth of the optimized cutting drum is more uni, which guarantees the production efficiency of coal mining. Keywords cutting drum ; cutting teeth ; balance ; optimization 120 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 结构部分如图 1 所示。 图 1采煤机滚筒结构示意图 2采煤机滚筒结构建模 2.1三维模型 由于采煤机结构部分有多种零部件组成， 包括滚 筒、 挡板等结构， 但是最重要的关键结构为滚筒， 它由 螺旋叶片、 端盘、 截齿、 齿座和轮毂等部件组成。以上 部件的组成才带动了整个采煤机滚筒装置的运转， 但 本文研究内容为截齿受力平衡研究， 因此忽略其他传 动部件， 以最重要的滚筒结构为研究对象， 将一些零 散部件进行消除并合理配送至滚筒三维模型中 [5]， 通 过 UG 建模软件对截割滚筒结构进行建模， 如图 2 所 示为截止结构和轮毂模型的建立。 （a ） 截齿（b） 轮毂 图 2截齿及轮毂结构示意图 此外还应建立截割滚筒螺旋叶片以及端盘三维 模型图使其组成一个完整的结构， 上述结构均采用 1 1 的比例进行建模。 完成截割滚筒结构的建模后， 应对地下煤矿环境 进行模拟， 由于地下煤矿实体为无限大结构， 建立无 限大模型将不切实际。 因此设置煤矿侧壁表面为无反 射边际[6]， 提高模拟煤矿实体的精确性， 并将已建立的 截割滚筒模型与煤矿模型进行组合， 如图 3 所示. 图 3滚筒和煤壁的三维模型 2.2仿真模型 利用 UG 软件和 LS- DYNA 软件的通讯接口， 在 LS- DYNA软件中划分单元网格，并对每一个网格单 元的类型进行定义， 最重要的为确保仿真结果的真实 性应对材料模型进行准确的定义。 为表现出煤矿在截 齿作用下的破碎效果， 应在仿真软件中对是失效参数 进行设置。 表 1滚筒及截齿的材料参数 滚筒、煤壁的网格单元分别采用 SOLID168、 SOLID164 单元，将每一层定义为各项异性非均匀布 置的物质， 控制煤块单元的长度为 30mm。并根据实 际情况对滚筒结构的金属材料进行， 具体材料参数如 表 1、 表 2 所示。 表 2煤壁的材料参数 2.3仿真工况参数 根据现场实际应用的三一重工 MG300/710- WD 采煤机型号的性能参数作为本次仿真的参数设置条 件， 对截割滚筒结构施加相应的力矩作用使其按照一 定的转速进行旋转切入煤层进行切割， 具体工况参数 如表 3 所示。 表 3工况参数表 3仿真结果分析 完成上述设置之后， LS- DYNA 软件将输出 k 文 件进行运算求解， 如图 4 所示为截割滚筒在转动过程 中切割煤层的示意图，共计有 38 个截齿参与到本次 切割仿真过程当中， 当煤层应力值超过极限值的时候 就会出现破碎脱落的现象， 整个仿真过程的时间设置 为 6.25s，每个 5ms 对 38 个截齿进行相应数值的提 取， 并生成每个截齿的平均合力值。 仿真结果显示 38 个截齿的受力情况很不均匀， 出现了较大的波动，其中 15 号截止的受力最大， 为 61518.4N， 12 号截止的受力最小， 为 1888.2N。 由此可 密度 （kg/m3） 弹性模量 （Pa ）泊松比硬度 滚筒及截齿75604.5E110.3HRc80- 90 密度 （kg/m3） 弹性 模量 （Pa ） 泊松 比 硬度 分形 维数 内摩 擦角 （rad ） 粘着力 （Pa ） 膨胀 系数 煤壁13803E090.35f42.70.555E051.5 采高范围1600～3800mm 滚筒转速33.2r/min 滚筒直径Φ1600mm 长宽高12845mm1994mm1354mm 整机重量45t 装机总功率710kW 煤质硬度f≤4 121 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 知各个截齿的平均合力差异较大， 详细数据统计如图 5 所示。38 个截尺的平均值波动达到了接近 1800N， 最小为 3862N， 最大为 2190N， 波动范围较大， 不利于 发挥每一个截齿的工作性能。 图 4滚筒截割煤壁过程示意图 图 5截齿受力平均值 4优化后结果分析 通过 MATLAB 数值分析软件的优化模块，对于 截割滚筒结构的相关参数进行优选， 以载荷波动系数 为优化目标函数， 通过软件分析得出结论， 应优化平 均截线距、 螺旋升角、 平均截距三个滚筒结构的相关 参数， 优化后数值显示， 平均截线距应为 31.2mm、 螺 旋升角应为 19.2、 平均截距为 248mm， 相比与原有 数值分别提高了 11.78、 3.92、 5.16。 将上述优化参数重新建立仿真模型， 并按照同样 的边界条件和参数进行仿真数值计算，截取 38 个截 齿平均合力数值绘制曲线与原有结构的曲线图进行 对照比较， 如图 6 所示。 图 6优化前后截齿受力平均值 由图 6 可知， 优化后滚筒结构截齿所受的载荷作 用力更加的均匀， 波动范围更小。 38 个截齿的平均合 力均分布于 5001500N 之间， 经统计分析， 优化前结 构各个截齿的平均合力值为 1178.3N， 优化后的数值 为 915.4N， 变化率为 - 14.99。 38 个的合力差异系数 由优化前的 0.423 减小为 0.244，数值变化率为 - 41. 9， 数值下降变化明显。 每一个截齿的受力分布状况 得到了良好的改善， 经现场对截齿工作状态的分析可 知各个截齿的磨损受损状况较为一致， 试验结果表明 结构优化设计合理， 提升了提升机滚筒结构的工作性 能及使用寿命。 5结语 矿井煤层地质结构复杂， 提升机截割滚筒装置的 截齿构件在切割煤层的时候受到各种形式的载荷作 用力。如滚筒结构的设计不合理， 就会造成每个截齿 受力不均， 造成每一个截齿的磨损程度不一致， 在每 一次切削过程中就会降低生产效率， 还会对整体结构 产生振动破坏效应， 影响正常的开采作业。通过有限 元仿真技术提取了 38 个截齿的平均合力数值，在现 有结构截齿受力不均衡的条件下， 提出以载荷波动系 数为优化目标， 通过优化平均截线距、 螺旋升角、 平均 截距目标值， 找到三个目标值的最优组合， 通过优化 滚筒结构， 达到使截齿受力更加均匀的目的。仿真结 果显示优化后结构使截齿各个齿的受力平衡性得到 了良好的改善， 从而解决了在实际作业过程中滚筒结 构振动较为严重的问题， 提高了采煤机开采作业的效 率， 对煤矿企业的经济价值产出有积极的作用。 参考文献 [1] 赵丽娟,何景强,许军等.截齿排列方式对薄煤层采煤机载 荷的影响[J].煤炭学报,2011,36 （8） 1401- 1406. [2] 陆辉,王义亮,杨兆建.采煤机镐形截齿疲劳寿命分析及优 化[J]. 煤 炭 科 学技术,2013,41 （7） 100- 102． [3] 朱玉胜,王义亮,陆辉.采煤机滚筒截齿的截线距分析及优 化[J].太原理工大学学报,2013,44 （5） 584- 588. [4] 李占权,赵宏梅,闫晓琳等.采煤机滚筒截齿的配置[J].煤炭 技术,2006,25 （5） . [5] 王俊生,钱伯军,宋鹏等.采煤机截割滚筒截齿排列问题的 分析[J]. 煤 矿 机械,2009,30 （12） 72- 74. [6] 沈春根,王贵成,王树林.UGNX7.0 有限元分析入门与实例 精讲[M].第一版.北京北京双青印刷厂,20121- 2. 作者简介 曹琼 （1990-） ， 女， 山西古县人， 2016 年毕业于太原理工 大学安全工程专业， 助理工程师， 现从事煤矿机电技术工作。 （收稿日期 2020- 4- 13） 122 ChaoXing