采煤机滚筒运动参数对滚筒截割性能的影响

王翔虎

（山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 太原 030000）

采煤机作为煤矿作业的主要开采设备，主要负责落煤及运煤，通过其截割部滚筒来实现。滚筒的截割性能优良与否直接关系到整个采煤系统的生产效率。因此，滚筒截割性能的研究对于煤矿生产的高效性与可靠性是十分必要的。采煤机滚筒结构繁杂，其结构参数与运动参数都能直接影响采煤机的截割性能，虽然采煤机截割性能取得了很大进步，但仍难以应对复杂多变的井下生产要求，故障问题依然存在。采煤机滚筒截齿直接作用于煤壁，改变运动参数将改变滚筒的截割特征。因此，对于截齿运动参数与截割性能的关系研究是改善采煤机性能的理论基础。本文通过PFC3D进行了截割过程仿真实验，分别对不同采煤机滚筒运动参数进行模拟，得出了各运动参数对截割性能的影响，给采煤机的优化设计提供了研究依据。

1 截割参数与煤壁破坏

煤块截落的过程是截齿作用于煤壁以及形成裂纹的扩展，对截割过程分析时，近似作为直线截割，沿着切线方向进行，切削厚度不变，以此简化分析，有利于调整参数再分析。截齿截割过程中，拉伸的作用力大于煤壁的抗拉强度后会产生裂纹，剪切作用力大于煤壁的抗剪强度后会出现剪切裂纹，裂纹扩展后引起煤壁的剥落。建立采煤机的截齿模型和煤壁模型，被截割煤壁长宽高尺寸参数分别为180mm，120mm，60mm，参数设置如表1所示，其余半径设为2mm，颗粒数为59776。

表1 煤壁模型参数

分别设置不同的截割角、截割线速度和切削厚度进行模拟，截割角设置为 40º、45º、50º、55º，截割线速度为4m/s，5m/s，6m/s，截割距离设置为30mm。观察煤壁的裂纹扩展情况及破坏情况，如图1、图2分别为某个方向的拉伸失效破坏和剪切失效破坏。

图1 Y方向拉伸失效

图2 Y方向剪切失效

由图1、图2可以看出5000次运算仿真时煤壁未被破坏，7500次运算仿真时齿尖处的煤壁出现了微变形，未发生破坏，13000次运算仿真时煤壁破坏严重，煤块截落，煤炭颗粒发生脱离。由此可见截齿截割开始时，先接触的煤壁最先破坏，扩展与截齿的移动方向一致，最大扩展区域位于煤壁表面，沿深度方向扩展逐渐平稳。剪切裂纹的产生与拉伸相似，由表面扩展，沿深度方向裂纹扩展趋于稳定，但总体上剪切裂纹扩展没有拉伸裂纹明显。

分别改变截割角，设置切削厚度15mm，观察截割阻力和截割线速度之间的关系，如图3所示。

图3 不同截割角的截割阻力变化情况

由图3可以看出，截割阻力会随着截割线速度的增大而先减小，随后增大。由于起始阶段截齿速度低，没有进入煤壁，速度升高后，冲击作用也明显加强，煤壁破坏，阻力相应降低，但当截割速度增大到一定程度时，煤量增多造成阻力随着速度增大而增大。截割角度低时，分力较大，因此阻力也比其他角度的值要大。

2 截割比能耗

单位体积煤消耗能量即为截割比能耗，截割比能耗的数值反映了采煤过程的效率及经济性。根据有关资料，截割比能耗的计算公式如下：

式中：

F-截割过程的平均阻力，N；

s-截割过程的截割距离，m；

ρ- 截落煤块密度，kg·m-3；

m-截落煤块质量，kg。

仿真过程中记录的截落煤块的数量及半径可以作为计算参数，可以导出不同截割角度下的截割比能耗曲线，如图4所示。

图4 截割角度和截割线速度对截割比能耗的影响情况

由图4可以看出，截割比能耗随着截割速度变化，呈现先降低后升高的趋势，截割角度55°时比能耗最大，截割角度45°时截割阻力和截割比能耗相对更加均衡。当切削厚度增加时截割比能耗降低，这是由于切削厚度提高后截齿进深越大，利于煤矿截落，减小能耗。但切削厚度太大会破坏截齿，因此切削厚度要在可行范围内适当提高。

3 结论

本文运用PFC3D技术创建了采煤机滚筒截齿和煤壁的模型，通过改变不同的切削厚度、截割角度以及截割速度，完成了截割过程的仿真。针对不同参数下的截割阻力与截割比能耗进行对比分析，得出在一定范围内截割线速度的提高有利于煤壁破坏，截割角度的改变会影响煤壁破坏过程，对截割阻力以及截割比能耗影响较大，在截割角45°左右截割比能耗相对较小，可以围绕此角度进行截割部位优化，切削厚度可以降低截割比能耗，可适当提高。通过本次模拟仿真，为采煤机滚筒的优化设计提供了参考依据。