高 珊，田 震，趙麗娟

(1.周口師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河南 周口 466000；2 .遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

中國(guó)是世界上煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)的大國(guó). 從2000年到2013年間，中國(guó)煤炭產(chǎn)量持續(xù)高速增長(zhǎng)，但自2014年以來，出現(xiàn)了煤炭供大于求的現(xiàn)象，全國(guó)原煤產(chǎn)量有所降低. 長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，在中國(guó)推行新能源戰(zhàn)略以及節(jié)能減排的大背景下，煤炭在未來天然能源結(jié)構(gòu)中所占的比重將有所下降，但以煤炭為主體的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)仍很難改變.

由于煤層賦存條件不穩(wěn)定、工作面空間狹小、環(huán)境惡劣，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化開采對(duì)機(jī)械設(shè)備性能要求較高. 螺旋滾筒作為采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，其承擔(dān)著破煤、裝煤及除塵等任務(wù)，采煤機(jī)裝機(jī)功率絕大部分消耗在螺旋滾筒截割煤巖過程當(dāng)中. 因此，螺旋滾筒設(shè)計(jì)是否合理將直接影響截齒受力及其波動(dòng)、截割比能耗、塊煤率、裝煤率及生產(chǎn)效率等性能指標(biāo).

采煤機(jī)頻發(fā)的機(jī)械故障以及滾筒裝煤效率較低反映出中國(guó)在螺旋滾筒設(shè)計(jì)方法和薄煤層采煤機(jī)動(dòng)態(tài)可靠性等方面存在著嚴(yán)重不足，如何設(shè)計(jì)出高性能螺旋滾筒、并提高其工作性能對(duì)于提高中國(guó)煤炭機(jī)械化生產(chǎn)程度、實(shí)現(xiàn)中國(guó)煤礦開采的高產(chǎn)高效而言具有重要意義.

1 螺旋滾筒性能的研究

1.1 截割性能的研究

螺旋滾筒是采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，其主要通過分布在螺旋葉片上的截齒對(duì)煤層進(jìn)行切削并使煤巖塊體剝落. 截割能力是評(píng)價(jià)螺旋滾筒工作性能的一個(gè)重要指標(biāo)，截割性能的優(yōu)劣對(duì)采煤機(jī)生產(chǎn)率、截割比能耗、工作面粉塵量、工作平穩(wěn)性等方面有著重要的影響.

國(guó)外對(duì)截割性能開展研究較早，其中別隆和保晉[1]等人在20世紀(jì)50年代通過對(duì)“刀型”刀具的破煤過程進(jìn)行大量的試驗(yàn)研究，并提出了“密實(shí)核”理論. I.Evans[2]給出了“鎬型”刀具破煤時(shí)的力學(xué)模型，并對(duì)煤巖體在切削作用下的破壞形式及其受力進(jìn)行了分析. T.Muro[3]等人對(duì)正弦波以及三角波兩種形式的振動(dòng)截齒進(jìn)行了試驗(yàn)研究，找出了截割比能耗隨牽引速度變化的規(guī)律. Dolipski[4]提出牽引速度和煤巖硬度的大小對(duì)截齒受力有著重要的影響，可根據(jù)滾筒上動(dòng)態(tài)載荷的大小進(jìn)行控制采煤機(jī)的牽引速度，并在KSW-500型采煤機(jī)上進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn). GV Wyk[5]等人對(duì)不同形狀截齒恒速截割煤壁的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲取了截齒在三個(gè)方向上的受力大小，找出了切削深度以及刀具磨損對(duì)截齒受力的影響規(guī)律.

中國(guó)學(xué)者自20世紀(jì)80年代以來對(duì)滾筒截割性能也開展了大量研究工作，其中韓振鐸[6]等人采用計(jì)算機(jī)模擬的方法編制了采煤機(jī)滾筒載荷譜程序，其計(jì)算得到的載荷譜與實(shí)測(cè)載荷譜具有較高的相似度. 劉春生[7]在分析鎬齒安裝角對(duì)其受力和截煤影響的基礎(chǔ)上推導(dǎo)出煤巖屬性、截齒參數(shù)與安裝角之間的關(guān)系，并采用分形幾何方法分析了截齒截割性能. 姬國(guó)強(qiáng)[8]等人提出采用顯式動(dòng)力分析程序DYNA對(duì)鎬型截齒進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真并對(duì)不同截割速度、截割厚度、截割錐角以及安裝角度下的三向力進(jìn)行了對(duì)比分析. 董瑞春[9]分別采用LS-DYNA對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭破巖過程及采煤機(jī)滾筒的截割過程進(jìn)行了模擬，并對(duì)截割過程中截齒和煤巖體的應(yīng)力進(jìn)行了分析. 陳穎[10]采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件分析了采煤機(jī)滾筒負(fù)載對(duì)截割部可靠性的影響. 羅晨旭[11]對(duì)滾筒截割不同性質(zhì)煤層時(shí)的截割性能進(jìn)行試驗(yàn)研究(如圖1所示)，找出了煤巖性質(zhì)與沖擊載荷之間的關(guān)系. 何景強(qiáng)[12]通過建立螺旋滾筒-煤壁耦合的有限元模型(如圖2所示)，模擬了螺旋滾筒的截煤過程，找到了較適合薄煤層采煤機(jī)滾筒的截齒排列方式.

圖1 實(shí)驗(yàn)滾筒

圖2 螺旋滾筒-煤壁耦合的有限元模型

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)螺旋滾筒的截割性能進(jìn)行了研究，并取得大量的研究成果. 但他們主要研究的是截齒受力狀態(tài)，而未對(duì)多種因素影響下螺旋滾筒截割性能變化規(guī)律進(jìn)行研究；另外，由于試驗(yàn)條件限制，只能針對(duì)截割某一特定人工煤壁的螺旋滾筒性能進(jìn)行研究，而無法對(duì)多工況下螺旋滾筒截齒受力狀態(tài)進(jìn)行研究，不能全面反映出滾筒的截割性能. 因此，對(duì)于螺旋滾筒在多種因素影響、多工況條件下的截割性能有待于進(jìn)一步地研究.

1.2 裝煤性能的研究

螺旋滾筒在對(duì)煤層進(jìn)行切削并使煤巖塊體剝落后，利用螺旋葉片將破碎后的煤巖體裝運(yùn)到刮板輸送機(jī)上，螺旋滾筒裝煤效果的優(yōu)劣影響采煤機(jī)生產(chǎn)效率以及工人勞動(dòng)強(qiáng)度等眾多方面. 因此，裝煤性能也是評(píng)價(jià)螺旋滾筒工作性能的一個(gè)重要指標(biāo).

西德瓦爾朱姆礦通過試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)葉片頭數(shù)由兩頭增加到三頭時(shí)，截割能耗降低了16%左右；當(dāng)葉片由三頭增加到六頭時(shí)，螺旋滾筒的裝煤能力也有大幅度的提高，相同功率下，滾筒的采煤能力能提高到10%左右，而截割能耗則降低40%左右. C.J.Morris[13]等人對(duì)螺旋滾筒在不同條件下的裝煤性能進(jìn)行了分析與預(yù)測(cè)，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到滾筒的設(shè)計(jì)當(dāng)中，取得較好的效果. J.Ludlow[14]等人分析了葉片包角對(duì)螺旋滾筒裝煤性能的影響，指出了葉片包角過大或過小對(duì)螺旋滾筒裝煤效率的不利影響. Ayhan[15]對(duì)采用錐型和圓柱型兩種形狀筒轂的螺旋滾筒進(jìn)行截割試驗(yàn)，比較分析了兩種形式滾筒的截割性能和裝煤性能.

中國(guó)學(xué)者陶嶸[16]通過對(duì)采煤機(jī)和運(yùn)輸機(jī)的配套問題進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間合理的配套尺寸能夠提高采煤機(jī)的裝煤效率并能較大程度的增加產(chǎn)煤量. 劉春生[17]對(duì)螺旋滾筒的裝煤機(jī)理進(jìn)行了研究，提出通過對(duì)拋煤流量矩、葉片傾斜推力等因素可以實(shí)現(xiàn)對(duì)螺旋滾筒裝煤性能的預(yù)測(cè)與評(píng)估，為螺旋滾筒設(shè)計(jì)提供理論參考. 趙宏梅[18]通過量綱分析方法推出了螺旋滾筒裝煤的相似準(zhǔn)則，根據(jù)相似理論設(shè)計(jì)出模擬滾筒模型，并證明了對(duì)螺旋滾筒的裝煤性能進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的正確性. 劉送永[19]等人對(duì)螺旋滾筒截割煤巖進(jìn)行了如圖3所示的截割試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)三個(gè)影響因素中葉片螺旋升角對(duì)滾筒裝煤效率的影響最大，而牽引速度對(duì)滾筒裝煤效率的影響最小. 高魁東[20]利用理論解析法和PFC仿真相結(jié)合對(duì)影響滾筒裝煤效率的因素進(jìn)行了分析(如圖4所示)，通過正交試驗(yàn)分析了牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速以及葉片升角對(duì)裝煤效果的貢獻(xiàn)程度.

國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者在對(duì)螺旋滾筒裝煤性能研究中所采用的方法不同，國(guó)外研究以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為主，能夠直接指導(dǎo)井下生產(chǎn)以及螺旋滾筒設(shè)計(jì)，但其研究側(cè)重點(diǎn)多為中厚煤層采煤機(jī)，而對(duì)薄煤層采煤機(jī)螺旋滾筒裝煤性能的研究較少. 由于中國(guó)薄煤層井下開采條件復(fù)雜，難以從現(xiàn)場(chǎng)獲取有用的數(shù)據(jù)資料，而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室截割試驗(yàn)又需要大量的資金投入，且人工煤壁不能真實(shí)反映實(shí)際煤層所具有的性質(zhì)，目前國(guó)內(nèi)研究多以理論計(jì)算為主，而缺乏試驗(yàn)驗(yàn)證.

圖3 截割試驗(yàn)

圖4 離散元仿真

2 對(duì)采煤機(jī)可靠性影響的研究

螺旋滾筒在截割含硬質(zhì)包裹體或多層夾矸的復(fù)雜煤層時(shí)將受到非線性沖擊載荷的作用，采煤機(jī)在強(qiáng)大沖擊作用下將會(huì)產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，過于強(qiáng)烈的振動(dòng)不僅影響采煤機(jī)的穩(wěn)定性，還會(huì)對(duì)采煤機(jī)機(jī)械、液壓以及電氣系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生不利影響.

B.Tiryaki[21]為分析采煤機(jī)截割時(shí)的動(dòng)態(tài)特性，通過計(jì)算機(jī)編程編制出能夠分析采煤機(jī)橫向和縱向振動(dòng)的計(jì)算機(jī)程序，對(duì)影響采煤機(jī)振動(dòng)的相關(guān)因素進(jìn)行分析，并對(duì)兩種不同截齒排列方式的滾筒進(jìn)行截割試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明軟件的計(jì)算結(jié)果能夠較好反映采煤機(jī)的工作狀態(tài). J.Antoniak[22]等人利用計(jì)算機(jī)編程對(duì)螺旋滾筒受力以及采煤機(jī)的工作可靠性進(jìn)行了分析，找到了牽引速度對(duì)采煤機(jī)可靠性的影響，指出通過控制牽引速度來保證采煤機(jī)的可靠性. E.Mustafa[23]研究了不同截齒布置方式的滾筒對(duì)采煤機(jī)整機(jī)振動(dòng)的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明兩種滾筒截割煤層時(shí)采煤機(jī)振動(dòng)及可靠性方面并沒明顯的差異. S.H.Hoseinie[24]等人對(duì)采煤機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析，建立了采煤機(jī)可靠性評(píng)估的數(shù)學(xué)模型.

國(guó)內(nèi)的一些專家學(xué)者對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析也取得了一定的研究成果，其中吳彥于[25]采用MSC.Patran將采煤機(jī)截割部簡(jiǎn)化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并對(duì)簡(jiǎn)化的滾筒進(jìn)行加載，仿真得到搖臂的應(yīng)力分布. 向虎[26]利用Pro/E、ADAMS以及兩者之間的接口軟件建立了采煤機(jī)滾筒調(diào)高系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，并對(duì)模型進(jìn)行了仿真分析，最終實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)機(jī)械系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真. 廉自生[27]建立了采煤機(jī)搖臂的剛?cè)狁詈夏Ｐ停⒉捎秒A躍、正弦負(fù)載模擬滾筒受力，進(jìn)而對(duì)所建模型進(jìn)行仿真分析；紀(jì)玉祥[28]通過UG軟件建立了采煤機(jī)的三維模型，將其保存為parasolid格式后導(dǎo)入ADAMS中，建立采煤機(jī)整機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，通過施加階躍信號(hào)對(duì)模型進(jìn)行了仿真分析. 在將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到采煤機(jī)研究的早期受到了多種因素的限制，比如建立的模型多為簡(jiǎn)化模型，不能全面地反映出設(shè)備內(nèi)部不同零部件之間力的傳遞；加之電腦硬件的限制無法進(jìn)行復(fù)雜的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)仿真，致使仿真無法更接近真實(shí)環(huán)境.

遼寧工程技術(shù)大學(xué)采掘機(jī)械裝備與技術(shù)課題組將如圖5所示的多軟件協(xié)同仿真技術(shù)引入到煤礦機(jī)械動(dòng)態(tài)特性分析方面[29-31]，通過采用剛?cè)狁詈下?lián)合仿真的方法更為準(zhǔn)確地反映出了采煤機(jī)械實(shí)際工作狀態(tài). 通過采用MATLAB與VB聯(lián)合開發(fā)出采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件，利用該軟件結(jié)合煤巖性質(zhì)測(cè)定結(jié)果計(jì)算出螺旋滾筒截割包裹體、頂板以及底板時(shí)的負(fù)載特性，利用ADAMS與ANSY建立了采煤機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ?，如圖6所示. 通過動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)關(guān)鍵零件的可靠性進(jìn)行了分析，找到了薄弱環(huán)節(jié)并提出了優(yōu)化方案，設(shè)計(jì)單位依據(jù)仿真結(jié)果對(duì)這些薄弱零件進(jìn)行了改進(jìn)，經(jīng)過修改后各薄弱零件均達(dá)到了較高的可靠度，改進(jìn)后的采煤機(jī)在煤礦經(jīng)過長(zhǎng)期的工作狀態(tài)追蹤，在追蹤期間這些零件并未出現(xiàn)任何故障，確保了物理樣機(jī)的一次成功.

圖5 多軟件協(xié)同仿真技術(shù)

3 螺旋滾筒性能研究的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合

螺旋滾筒截割機(jī)理的研究是以蘇聯(lián)學(xué)者破煤理論為基礎(chǔ)進(jìn)行展開研究的，破煤理論是在對(duì)蘇聯(lián)眾多煤礦進(jìn)行的井下試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析而得到的. 由于地質(zhì)條件以及煤層賦存條件的不同，沿用破煤理論中的公式來指導(dǎo)采煤機(jī)螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不符合我國(guó)煤礦的實(shí)際情況. 因此，若想設(shè)計(jì)出性能較高的螺旋滾筒，必須針對(duì)實(shí)際煤層賦存條件進(jìn)行大量的截割試驗(yàn)，以獲取截割過程中截齒受力規(guī)律及其作用機(jī)理.

圖6 采煤機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ蛨D

3.2 耦合動(dòng)力學(xué)仿真

通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬或仿真能夠?qū)崿F(xiàn)脫離物理樣機(jī)既能對(duì)產(chǎn)品性能分析，在螺旋滾筒性能的分析中常采用的有多體動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS以及有限元分析軟件ANSYS，通過動(dòng)力學(xué)仿真能夠?qū)β菪凉L筒截割過程中的受力以及應(yīng)變信息進(jìn)行分析，而通過有限元分析能夠?qū)γ簬r破碎過程的變化狀態(tài)進(jìn)行模擬. 隨著離散元技術(shù)的發(fā)展，通過EDEM等軟件能夠分析煤巖體破碎后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有利于進(jìn)一步研究煤巖的破碎、崩落規(guī)律. 通過動(dòng)力學(xué)、有限元以及離散元仿真相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)三者之間數(shù)據(jù)的傳遞能夠全面的了解螺旋滾筒的性能，有利于螺旋滾筒的最優(yōu)化設(shè)計(jì).

3.3 計(jì)算機(jī)仿真與智能算法相結(jié)合

由于計(jì)算機(jī)仿真可以在無物理樣機(jī)條件下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，可通過設(shè)置相關(guān)工況邊界條件實(shí)現(xiàn)多工況條件下零部件相關(guān)信息的分析，具有成本低、周期短等特點(diǎn). 但通過計(jì)算機(jī)仿真對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)需要大量的數(shù)據(jù)分析，而通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等方法與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合可對(duì)小樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)螺旋滾筒性能的全面分析與評(píng)價(jià).

4 結(jié)語

螺旋滾筒是采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，其在截割煤巖時(shí)所受載荷對(duì)采煤機(jī)的穩(wěn)定性、生產(chǎn)效率以及結(jié)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)可靠性都有著重要的影響. 雖然目前對(duì)螺旋滾筒性能的研究取得了較多成果，但螺旋滾筒設(shè)計(jì)仍存在眾多亟待解決的問題. 隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，螺旋滾筒設(shè)計(jì)及其性能研究考慮煤礦的實(shí)際賦存條件，同時(shí)借助于動(dòng)力學(xué)、有限元以及離散元仿真，并利用智能算法等手段，以提高螺旋滾筒的綜合性能.