張亮華

(霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400)

采煤機(jī)滾筒結(jié)構(gòu)性能測試的傳統(tǒng)方法是采用實體滾筒及煤壁的模型進(jìn)行的，實驗成本高，測試時間較長。模擬測試過程的煤壁停留時間短，采用傳感器采集數(shù)據(jù)分析裝煤效率，對于滾筒內(nèi)煤塊運動軌跡以及運動軌跡對滾筒結(jié)構(gòu)性能的影響則不能確定[1]. 采用離散元仿真分析的方法可將煤塊進(jìn)行分散處理，模擬分析煤塊運動軌跡，研究煤塊與滾筒結(jié)構(gòu)的相互影響，能夠?qū)L筒裝煤效率進(jìn)行分析，對于高效采煤意義重大。本文以木瓜煤礦MG-500/1200-WD型采煤機(jī)為研究對象，采用離散元仿真方法對裝煤過程煤流運動軌跡進(jìn)行了分析，對煤流與葉片的相關(guān)影響機(jī)理進(jìn)行了研究，得出了滾筒逆轉(zhuǎn)和滾筒順轉(zhuǎn)的裝煤效率影響[2].

1 滾筒結(jié)構(gòu)的特點及其三維模型建立

木瓜煤礦MG-500/1200-WD型采煤機(jī)為變升角螺旋截割滾筒，此滾筒葉片為先凹后凸的曲線螺旋面，端盤處、中點螺旋線與固定升角螺旋滾筒一致。采煤機(jī)參數(shù)參照表1.螺旋滾筒結(jié)構(gòu)見圖1，圖1a)為葉片展開圖，圖1b)為拋煤示意圖。圖1中曲線1為固定升角的螺旋滾筒葉片展開圖，采煤時煤塊M沿曲線1下滑，最終到達(dá)M1點；而曲線2為變升角螺旋滾筒葉片展開圖，采煤時煤塊從M點開始，沿著曲線2下滑，由于曲線2在中間部位外凸，因此在煤塊運動到曲線2中端時被拋出最終在M2點落地，與M1點相比，距離較遠(yuǎn)。

表1 MG-500/1200-WD型采煤機(jī)參數(shù)表

圖1 變升角螺旋滾筒結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)采煤機(jī)變升角螺旋滾筒結(jié)構(gòu)及相應(yīng)參數(shù)，通過UG軟件創(chuàng)建螺旋滾筒實體模型，見圖2[3].

圖2 變升角螺旋滾筒模型圖

2 煤流運動軌跡研究的模型建立

本文使用PFC3D離散元仿真軟件對滾筒裝煤過程的煤流運動軌跡進(jìn)行模擬分析，將UG軟件創(chuàng)建的滾筒模型導(dǎo)出為.stl格式，導(dǎo)入至PFC3D軟件成為三角形面組成的滾筒模型，滾筒葉片截齒和端盤截齒數(shù)量龐大，影響計算效率，所以對模型應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分[4]. 由于采煤機(jī)裝煤過程使用螺旋運送，因此使用3個葉片將滾筒細(xì)分為3部分，即1號葉片、2號葉片、3號葉片，相互不干涉，滾筒截割過程見圖3.

3 逆、順轉(zhuǎn)工況滾筒結(jié)構(gòu)對裝煤效率的影響

3.1 逆轉(zhuǎn)工況滾筒結(jié)構(gòu)對裝煤效率的影響

導(dǎo)入變升角螺旋滾筒模型至PFC中，對拋射裝煤過程進(jìn)行模擬。根據(jù)實際工況設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min，牽引速度3 m/min. 設(shè)定仿真時間為3 s，滾筒葉片轉(zhuǎn)動后產(chǎn)生300顆粒，取其中20顆進(jìn)行記錄以描述顆粒運動軌跡[5]，以同樣方法和數(shù)據(jù)對固定升角的螺旋滾筒進(jìn)行模擬仿真，結(jié)果見圖4.

圖3 滾筒截割狀態(tài)圖

圖4 滾筒逆轉(zhuǎn)顆粒流運動軌跡圖

由圖4可以看出，煤流在滾筒內(nèi)運動可分為碰撞加速期和穩(wěn)定滑移期兩個階段。前一階段為截落煤流碰撞葉片后，煤流顆粒受到葉片接觸面法線方向的沖擊作用，重力抵消了豎直分力，剩余水平分力使得煤流顆粒開始進(jìn)行加速運動，直至煤流完全分布到葉片上。后一階段為穩(wěn)定狀態(tài)的煤流顆粒受到法線方向作用后，重力和摩擦力分別對其進(jìn)行抵消，從而煤流作勻速直線滑移運動。同時由于變升角螺旋滾筒煤流集中均落入刮板輸送機(jī)，而固定升角螺旋滾筒煤流部分落入刮板輸送機(jī)外，因此變升角螺旋滾筒提高了裝煤效率。

3.2 順轉(zhuǎn)工況滾筒結(jié)構(gòu)對裝煤效率的影響

模擬推擠裝煤過程中設(shè)定轉(zhuǎn)速70 r/min，牽引速度3 m/min，仿真時間為2 s. 顆粒d25 mm，取隨機(jī)生成的1 360顆粒中的50個進(jìn)行運動軌跡記錄，仿真后統(tǒng)計滾筒下側(cè)、后側(cè)、中槽及中槽和煤壁間距中的顆粒數(shù)目，見圖5.

圖5 升角螺旋滾筒順轉(zhuǎn)顆粒流運動軌跡圖

由圖5可以看出，推擠裝煤過程中煤流運動軌跡為：底部煤顆粒先與葉片端盤側(cè)接觸，推動煤流向前推移，使?jié)L筒內(nèi)部煤流堆積；煤顆粒接觸卸載端后在法向作用力下被推出，葉片旋轉(zhuǎn)加速了煤流被推出，相比固定升角螺旋滾筒，變升角螺旋滾筒提高煤流推出速度，增加裝煤效率。

4 煤流軸向運動與滾筒葉片結(jié)構(gòu)的關(guān)系

變升角螺旋滾筒葉片存在凹凸面，作用于煤流的力不斷改變，由煤流軸向力計算公式(1)可以得出：當(dāng)滾筒速度和牽引速度不變時，煤流受到的軸向拋煤作用力隨螺旋升角增大而減小。煤流加速度和軸向力成正比。

(1)

式中：

v—采煤機(jī)的牽引速度，m/min；

K—滾筒裝煤阻力系數(shù)，N/m，取3.5×104；

n—采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；

α—滾筒截割葉片升角，(°)；

f—煤流域截割葉片之間的摩擦系數(shù)，取0.59.

變升角與固定升角葉片結(jié)構(gòu)見圖6，當(dāng)普通螺旋升角為20°，B、D螺旋升角也為20°，A點到B點為加速度減小過程，B點到D點為加速度增加過程，D點到E點為加速度減小過程。

圖6 變升角葉片示意圖

由加速度變化情況對煤流軸向速度進(jìn)行描述，見圖7. 由圖7可看出，變升角螺旋滾筒的煤流C點拋出后速度更大，拋煤水平高于普通滾筒。

圖7 煤流軸向速度曲線圖

5 結(jié) 論

本文通過離散元仿真法對木瓜煤礦MG-500/1200-WD采煤機(jī)變升角螺旋滾筒機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，分別對滾筒順轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)工況進(jìn)行了分析，檢驗了滾筒的拋煤能力。通過仿真得出逆轉(zhuǎn)滾筒能夠使煤流得到更大加速度，減少了滾筒內(nèi)煤流停留時間，提升了裝煤效率；順轉(zhuǎn)滾筒則會影響推擠裝煤過程，不利于裝煤。在綜合分析基礎(chǔ)上得出，變升角螺旋滾筒減小葉片摩擦力，增加煤流加速度，提高了采煤機(jī)的裝煤效率。