胡躍飛

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046699）

引言

隨著我國對煤炭資源需求量的增大，煤礦開采條件更加惡劣，所面臨的地質(zhì)條件更加復雜，對于采煤機械的工作性能有了更進一步的提升要求。采煤機是實現(xiàn)煤炭物料剝落的機械設(shè)備，其通過螺旋滾筒的圓周運動，不斷地將煤炭物料切落和裝載至刮板輸送機中。螺旋滾筒面臨惡劣的地層條件，在工作過程中受到了較大的載荷力和載荷波動，尤其是包含有硬質(zhì)石塊的薄煤層對螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了磨損的不利影響[1]。當螺旋滾筒的磨損情況較為嚴重時，將降低切削的效率，甚至會出現(xiàn)工作失效的情況，由此給煤礦企業(yè)帶來較大的人力和物力損失。如何延緩螺旋滾筒的磨損速度和提升螺旋滾筒的使用壽命是煤炭開采工藝過程中的一個關(guān)鍵問題。MG2-70325-BW型采煤機是目前工程中較常見的采煤機型號。通過有限元仿真技術(shù)，對該型號采煤機在不同轉(zhuǎn)速和螺旋葉片升角的工況條件下影響螺旋滾筒磨損的規(guī)律進行了研究。采用金屬磨損仿真的專業(yè)軟件——EDEM 對螺旋滾筒的磨損情況進行仿真分析[2]。該研究成果為采煤機螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 螺旋滾筒磨損機理

1.1 螺旋滾筒破巖過程分析

螺旋滾筒通過截齒對煤炭進行切削，截齒的安裝及材料的選型至關(guān)重要，且對螺旋滾筒的工作性能有很大的影響。截齒破巖主要分為四個階段，分別為變形階段、裂紋形成、裂紋發(fā)展、煤巖崩落[3]。巖石受到截齒的作用力后，由彈性變形階段發(fā)展到塑性變形階段，該階段稱為變形階段。隨著截齒運動和作用力的增加，巖石發(fā)生了剪切破壞，由產(chǎn)生裂紋并逐漸發(fā)展到裂紋的形成，當煤巖內(nèi)部材料黏接力無法支撐作用力時就發(fā)生了崩落。

1.2 螺旋滾筒磨粒磨損分析

螺旋滾筒的磨損性質(zhì)可視作磨粒磨損狀態(tài)，截齒的磨損過程也屬于機械磨損中的磨粒磨損。當截齒遇到表面凹凸不平的煤巖材質(zhì)時，會發(fā)生表面材料的脫落。同時螺旋滾筒的葉片受到了煤炭掉落的質(zhì)量沖擊時，也會在葉片表面發(fā)生切向的材料剝落現(xiàn)象。上述現(xiàn)象均屬于磨粒磨損，但是磨粒磨損由多種形式產(chǎn)生，主要分為微觀切削、疲勞破壞、壓痕三種機理。磨粒磨損受到磨粒機械特性、金屬表面光滑程度和材料硬度等因素的影響。其中磨粒機械特性與螺旋滾筒的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)，尤其是葉片螺旋升角對螺旋滾筒截齒排布有很大的影響[4]。

2 螺旋滾筒截割仿真計算分析

2.1 三維模型建立

首先將MG2-70325-BW型采煤機的螺旋滾筒截齒排布設(shè)計進行數(shù)字化編號管理，其中截割直徑為850 mm、深度為650 mm[5]。將局部的截齒排布編號由1～24 進行排列，如圖1 所示。

通過Pro/E 軟件進行命令操作，根據(jù)圖1 截齒排布形式生成螺旋滾筒的三維模型圖，并將螺旋滾筒部分與采煤機其他零部件進行裝配，生成截割部分的裝配圖，如下頁圖2 所示。

圖1 截齒排列編號示意圖

圖2 螺旋滾筒三維模型圖

截割部分的三維模型圖去除了零碎部件及對受力影響不大的構(gòu)件，提升了仿真計算的效率，并減小了網(wǎng)格劃分時出現(xiàn)的網(wǎng)格單元畸變率。

2.2 仿真參數(shù)及邊界條件設(shè)定

對螺旋滾筒進行仿真前處理，主要對各部件的材料屬性進行定義并劃分網(wǎng)格。以堅固砂巖作為地質(zhì)條件，密度為2 700 kg/m3、彈性模量為8 100 MPa、泊松比為0.24、堅固性系數(shù)為12.2[6]。將煤巖設(shè)置為顆粒形態(tài)，建立離散元仿真模型，顆粒半徑為12 mm、接觸半徑為14 mm、黏結(jié)半徑為12 mm。同時對螺旋滾筒進行網(wǎng)格劃分，采用六面體8 節(jié)點網(wǎng)格單元。根據(jù)實際情況，將大地的邊際設(shè)置為無反射邊界條件，模擬大地無限大的現(xiàn)實情況。設(shè)置仿真區(qū)域大小為1 200 mm×1 800 mm×3 600 mm，給定螺旋滾筒初始轉(zhuǎn)速80 r/min，葉片螺旋升角的初始角度14°，如圖3 所示。

圖3 螺旋滾筒仿真模型示意圖

2.3 磨損情況分析

采用EDEM 仿真軟件對螺旋滾筒切削煤炭的過程進行分析計算，得到螺旋滾筒的磨損圖，如圖4所示。

由圖4 可知，螺旋滾筒的磨損主要發(fā)生在截齒部位，尤其是截齒的齒尖磨損情況最為嚴重，其次在齒尖與齒身的連接處發(fā)生了磨損現(xiàn)象。由于螺旋滾筒的截齒呈一定的排布方式，與結(jié)構(gòu)的葉片升角有關(guān)。為了延緩截齒的磨損速度，需對螺旋滾筒的葉片升角和轉(zhuǎn)速進行優(yōu)化。

圖4 螺旋滾筒磨損云圖

3 螺旋滾筒轉(zhuǎn)速對磨損量的影響

分別選取螺旋滾筒的轉(zhuǎn)速為60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min 作為轉(zhuǎn)速對比分析數(shù)據(jù)。按照2.2 節(jié)的邊界條件和運算參數(shù)對螺旋滾筒依次進行計算，得到螺旋滾筒每一顆截齒的磨損量，并計算出截齒的總磨損量。當轉(zhuǎn)速由60 r/min 增加到100 r/min 時，截齒磨損總量分別為0.016 34 mm、0.014 17 mm、0.013 08 mm、0.012 14 mm、0.009 77 mm。經(jīng)計算，每增加10 r/min，相比前一個轉(zhuǎn)速條件下的磨損量分別下降14.8%、7.8%、7.1%、19.9%，轉(zhuǎn)速由90 r/min 增加到100 r/min 時磨損量下降19.9%，如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)速與磨損量關(guān)系示意圖

通過計算證明，轉(zhuǎn)速與截齒的磨損量呈反比例關(guān)系，隨著轉(zhuǎn)速的增大，磨損量將變小。在實際工程中應(yīng)用該理論時，應(yīng)在合理安全的范圍內(nèi)，盡可能地提高螺旋滾筒的轉(zhuǎn)速。

4 葉片螺旋升角對磨損量的影響

葉片螺旋升角與葉片的裝煤能力在理論上呈正比，但升角過大使葉片帶煤能力增加，導致部分煤流在葉片內(nèi)循環(huán)而使裝煤效果降低，因此葉片螺旋升角應(yīng)該根據(jù)滾筒直徑大小和葉片頭數(shù)進行選擇。

由下頁圖6 可知，當葉片螺旋升角由10°增加到18°時，葉片磨損量分別下降了12.8%、14.1%、5.0%、10.2%。因為葉片螺旋升角過小時筒運煤能力弱，截落的煤塊在葉片內(nèi)部出現(xiàn)重復破碎的現(xiàn)象，使得葉片與煤塊撞擊和摩擦次數(shù)增大造成磨損加劇。隨著葉片螺旋升角增大，被截落的煤塊獲得更大的軸向速度，使拋煤效果和滾筒的運煤能力增強，因此落入葉片內(nèi)的煤流量減少，降低了葉片與煤粒之間的摩擦而使得葉片的受載及磨損量下降。螺旋升角在大于14°時，葉片磨損量的下降趨勢開始減緩，這是由于在其他因素不變時螺旋升角的增大對增加葉片的軸向拋煤能力是有一定限制性的。

圖6 葉片螺旋升角與磨損量關(guān)系示意圖

5 結(jié)語

針對礦井采煤機在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的磨損問題進行了深入研究。采用 EDEM 軟件對MG2-70325-BW型采煤機螺旋滾筒的磨損進行了仿真計算，得到了螺旋滾筒的轉(zhuǎn)速和葉片螺旋升角與磨損量之間的數(shù)量關(guān)系。在工程實際應(yīng)用中，應(yīng)適當?shù)靥岣邼L筒轉(zhuǎn)速和葉片的螺旋升角，以延緩截齒及葉片的磨損速率，延長螺旋滾筒的使用壽命，并且能夠提升開采煤炭過程中的經(jīng)濟性和機械穩(wěn)定性。