王翔虎

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 太原 030000）

采煤機(jī)作為煤礦作業(yè)的主要開采設(shè)備，主要負(fù)責(zé)落煤及運(yùn)煤，通過(guò)其截割部滾筒來(lái)實(shí)現(xiàn)。滾筒的截割性能優(yōu)良與否直接關(guān)系到整個(gè)采煤系統(tǒng)的生產(chǎn)效率。因此，滾筒截割性能的研究對(duì)于煤礦生產(chǎn)的高效性與可靠性是十分必要的。采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)繁雜，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)都能直接影響采煤機(jī)的截割性能，雖然采煤機(jī)截割性能取得了很大進(jìn)步，但仍難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變的井下生產(chǎn)要求，故障問(wèn)題依然存在。采煤機(jī)滾筒截齒直接作用于煤壁，改變運(yùn)動(dòng)參數(shù)將改變滾筒的截割特征。因此，對(duì)于截齒運(yùn)動(dòng)參數(shù)與截割性能的關(guān)系研究是改善采煤機(jī)性能的理論基礎(chǔ)。本文通過(guò)PFC3D進(jìn)行了截割過(guò)程仿真實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)不同采煤機(jī)滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行模擬，得出了各運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截割性能的影響，給采煤機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了研究依據(jù)。

1 截割參數(shù)與煤壁破壞

煤塊截落的過(guò)程是截齒作用于煤壁以及形成裂紋的擴(kuò)展，對(duì)截割過(guò)程分析時(shí)，近似作為直線截割，沿著切線方向進(jìn)行，切削厚度不變，以此簡(jiǎn)化分析，有利于調(diào)整參數(shù)再分析。截齒截割過(guò)程中，拉伸的作用力大于煤壁的抗拉強(qiáng)度后會(huì)產(chǎn)生裂紋，剪切作用力大于煤壁的抗剪強(qiáng)度后會(huì)出現(xiàn)剪切裂紋，裂紋擴(kuò)展后引起煤壁的剝落。建立采煤機(jī)的截齒模型和煤壁模型，被截割煤壁長(zhǎng)寬高尺寸參數(shù)分別為180mm，120mm，60mm，參數(shù)設(shè)置如表1所示，其余半徑設(shè)為2mm，顆粒數(shù)為59776。

表1 煤壁模型參數(shù)

分別設(shè)置不同的截割角、截割線速度和切削厚度進(jìn)行模擬，截割角設(shè)置為 40o、45o、50o、55o，截割線速度為4m/s，5m/s，6m/s，截割距離設(shè)置為30mm。觀察煤壁的裂紋擴(kuò)展情況及破壞情況，如圖1、圖2分別為某個(gè)方向的拉伸失效破壞和剪切失效破壞。

圖1 Y方向拉伸失效

圖2 Y方向剪切失效

由圖1、圖2可以看出5000次運(yùn)算仿真時(shí)煤壁未被破壞，7500次運(yùn)算仿真時(shí)齒尖處的煤壁出現(xiàn)了微變形，未發(fā)生破壞，13000次運(yùn)算仿真時(shí)煤壁破壞嚴(yán)重，煤塊截落，煤炭顆粒發(fā)生脫離。由此可見截齒截割開始時(shí)，先接觸的煤壁最先破壞，擴(kuò)展與截齒的移動(dòng)方向一致，最大擴(kuò)展區(qū)域位于煤壁表面，沿深度方向擴(kuò)展逐漸平穩(wěn)。剪切裂紋的產(chǎn)生與拉伸相似，由表面擴(kuò)展，沿深度方向裂紋擴(kuò)展趨于穩(wěn)定，但總體上剪切裂紋擴(kuò)展沒(méi)有拉伸裂紋明顯。

分別改變截割角，設(shè)置切削厚度15mm，觀察截割阻力和截割線速度之間的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 不同截割角的截割阻力變化情況

由圖3可以看出，截割阻力會(huì)隨著截割線速度的增大而先減小，隨后增大。由于起始階段截齒速度低，沒(méi)有進(jìn)入煤壁，速度升高后，沖擊作用也明顯加強(qiáng)，煤壁破壞，阻力相應(yīng)降低，但當(dāng)截割速度增大到一定程度時(shí)，煤量增多造成阻力隨著速度增大而增大。截割角度低時(shí)，分力較大，因此阻力也比其他角度的值要大。

2 截割比能耗

單位體積煤消耗能量即為截割比能耗，截割比能耗的數(shù)值反映了采煤過(guò)程的效率及經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)有關(guān)資料，截割比能耗的計(jì)算公式如下：

式中：

F-截割過(guò)程的平均阻力，N；

s-截割過(guò)程的截割距離，m；

ρ- 截落煤塊密度，kg·m-3；

m-截落煤塊質(zhì)量，kg。

仿真過(guò)程中記錄的截落煤塊的數(shù)量及半徑可以作為計(jì)算參數(shù)，可以導(dǎo)出不同截割角度下的截割比能耗曲線，如圖4所示。

圖4 截割角度和截割線速度對(duì)截割比能耗的影響情況

由圖4可以看出，截割比能耗隨著截割速度變化，呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，截割角度55°時(shí)比能耗最大，截割角度45°時(shí)截割阻力和截割比能耗相對(duì)更加均衡。當(dāng)切削厚度增加時(shí)截割比能耗降低，這是由于切削厚度提高后截齒進(jìn)深越大，利于煤礦截落，減小能耗。但切削厚度太大會(huì)破壞截齒，因此切削厚度要在可行范圍內(nèi)適當(dāng)提高。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用PFC3D技術(shù)創(chuàng)建了采煤機(jī)滾筒截齒和煤壁的模型，通過(guò)改變不同的切削厚度、截割角度以及截割速度，完成了截割過(guò)程的仿真。針對(duì)不同參數(shù)下的截割阻力與截割比能耗進(jìn)行對(duì)比分析，得出在一定范圍內(nèi)截割線速度的提高有利于煤壁破壞，截割角度的改變會(huì)影響煤壁破壞過(guò)程，對(duì)截割阻力以及截割比能耗影響較大，在截割角45°左右截割比能耗相對(duì)較小，可以圍繞此角度進(jìn)行截割部位優(yōu)化，切削厚度可以降低截割比能耗，可適當(dāng)提高。通過(guò)本次模擬仿真，為采煤機(jī)滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。