任朝暉

（陽(yáng)泉市南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司西上莊煤礦，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

采煤機(jī)是綜采工作面必不可少的設(shè)備，其工作質(zhì)量和效率對(duì)采煤效率有重要影響[1-2]。截割滾筒是采煤機(jī)中的關(guān)鍵零部件，主要起到落煤和裝煤的作用[2]。傳統(tǒng)截割滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于受到空間的限制，在實(shí)踐中暴露出一些問(wèn)題，制約了采煤機(jī)采煤效率的進(jìn)一步提升[3-4]。隨著采煤技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)當(dāng)前礦井采煤效率提出了更高的要求[5]。本文基于某煤礦中使用的MG800/2040WD 型采煤機(jī)，對(duì)其截割滾筒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將其應(yīng)用到煤礦開采實(shí)踐中，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 MG800/2040WD 型采煤機(jī)截割滾筒概述

MG800/2040WD 型采煤機(jī)屬于雙滾筒采煤機(jī)。采煤機(jī)整體結(jié)構(gòu)可以劃分成為行走部、牽引部、中間箱和截割部四大部分[6]，其中截割滾筒屬于截割部。各部分明確分工，實(shí)現(xiàn)不同的功能，從而完成整個(gè)采煤工作。

采煤機(jī)工作時(shí)截割部在牽引力的作用下對(duì)煤層進(jìn)行擠壓，同時(shí)滾筒做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)將煤壁打碎落下，通過(guò)滾筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行裝煤，如圖1 所示為雙滾筒采煤機(jī)對(duì)煤層進(jìn)行截割的過(guò)程簡(jiǎn)圖。采煤機(jī)完成一個(gè)行程的截割工作后，需要在刮板輸送機(jī)和液壓支架的共同作用下，向前推進(jìn)一個(gè)截深進(jìn)行下一輪的截割。滾筒內(nèi)部裝有螺旋葉片，作用是對(duì)落入滾筒內(nèi)的煤礦物料進(jìn)行引導(dǎo)，使其盡快流入到刮板輸送機(jī)溜槽中進(jìn)行運(yùn)輸。

圖1 雙滾筒采煤機(jī)對(duì)煤層進(jìn)行截割的過(guò)程簡(jiǎn)圖

2 采煤機(jī)截割滾筒結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 截割滾筒優(yōu)化思路

傳統(tǒng)的截割滾筒對(duì)煤巖進(jìn)行破碎時(shí)采用的是連續(xù)的、平穩(wěn)的破碎方式，稱為切削破碎技術(shù)。這種采煤方式雖可確保設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，但其采煤效率會(huì)受到一定程度的限制。已有的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)均表明，沖擊破碎技術(shù)與傳統(tǒng)的切削破碎技術(shù)相比較具有很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)于脆性煤巖而言優(yōu)勢(shì)更加明顯。基于此，本研究擬在MG800/2040WD 型采煤機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)截割滾筒進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，采用振動(dòng)型滾筒。

2.2 截割滾筒偏心錘的設(shè)計(jì)

MG800/2040WD 型采煤機(jī)截割滾筒由多個(gè)部分構(gòu)成，如截齒、筒體、齒座和噴嘴等。對(duì)截割滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可以將新型滾筒結(jié)構(gòu)視為一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)。新型滾筒與傳統(tǒng)滾筒的最大區(qū)別在于內(nèi)部設(shè)置有偏心錘及各種行星齒輪。在偏心錘的作用下可實(shí)現(xiàn)滾筒的振動(dòng)，從而提升煤巖破碎效果。由于本研究是在原有采煤機(jī)截割滾筒的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，因此在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)必須遵循原有的滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何約束關(guān)系。如何確定偏心錘的幾何形狀尺寸、數(shù)量及其與其他零部件之間的位置關(guān)系是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容。

在對(duì)偏心錘結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，利用MATLAB 軟件中的fmincon 函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以滾筒結(jié)構(gòu)尺寸、其他零部件的位置等作為約束條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。最終計(jì)算得到的偏心錘尺寸參數(shù)如下：偏心錘數(shù)量為5個(gè)；偏心錘的圓弧直徑大小為630 mm；偏心距大小為135 mm。如下頁(yè)圖2 所示為振動(dòng)截割滾筒偏心錘的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。從圖中可以看出，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用的是凸輪狀偏心結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有花鍵軸孔，與其他零部件進(jìn)行有效連接，傳遞力矩。

圖2 截割滾筒偏心錘的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（單位：mm）

2.3 截割滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

利用SolidWorks 軟件對(duì)振動(dòng)截割滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并建模，在對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)建模時(shí)，可以直接調(diào)用軟件中的齒輪工具箱，按照提示輸入齒輪的齒數(shù)、模數(shù)及齒輪寬度等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)即可。根據(jù)優(yōu)化得到的偏心錘結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)其進(jìn)行建模，而截割滾筒整體外部結(jié)構(gòu)尺寸并沒(méi)有進(jìn)行調(diào)整，與原有尺寸完全相同。完成截割滾筒內(nèi)部各個(gè)零部件的建模工作后，可以直接在SolidWorks 軟件中對(duì)各個(gè)零件之間的位置關(guān)系進(jìn)行確定，即完成裝配工作。通過(guò)在軟件中進(jìn)行模擬裝配，可以發(fā)現(xiàn)各個(gè)零部件之間是否存在相互干涉的問(wèn)題。從而在制作樣機(jī)前就發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題，避免后續(xù)出現(xiàn)問(wèn)題。對(duì)于本研究而言，對(duì)各零部件進(jìn)行虛擬裝配后并未發(fā)現(xiàn)零部件之間存在相互干涉的問(wèn)題。因此認(rèn)為設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是合理的，可以正常運(yùn)行。如圖3 所示為振動(dòng)截割滾筒的整體結(jié)構(gòu)爆炸圖。

圖3 振動(dòng)截割滾筒的整體結(jié)構(gòu)爆炸圖

3 新型采煤機(jī)截割滾筒的振動(dòng)情況分析

由于新型截割滾筒工作時(shí)會(huì)進(jìn)行振動(dòng)，必然會(huì)在一定程度上影響設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此有必要對(duì)新型截割滾筒的振動(dòng)情況進(jìn)行分析，明確結(jié)構(gòu)的固有頻率大小。經(jīng)分析認(rèn)為在采煤機(jī)截割滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，最容易引起振動(dòng)問(wèn)題的為行星齒輪結(jié)構(gòu)，因此只需對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)分析即可。本研究中利用COMSOL 軟件對(duì)截割滾筒進(jìn)行振動(dòng)分析，可以將SolidWorks 軟件中建立的三維模型直接導(dǎo)入到該軟件中，然后設(shè)置相關(guān)物理屬性后即可進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)過(guò)分析后發(fā)現(xiàn)，行星齒輪結(jié)構(gòu)的一階、二階和三階固有頻率分別為82.25 Hz、82.26 Hz 和126.96 Hz，振動(dòng)形式分別對(duì)應(yīng)為太陽(yáng)輪的左右擺動(dòng)、扭曲擺動(dòng)和隨意擺動(dòng)。

根據(jù)相關(guān)理論可知，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的頻率與設(shè)備的固有頻率相同時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時(shí)設(shè)備的振動(dòng)情況最為嚴(yán)重。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該盡量避免結(jié)構(gòu)工作頻率與固有頻率相近，兩者之間相差越大越好，越不容易產(chǎn)生共振問(wèn)題，設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性越好。結(jié)合采煤機(jī)截割滾筒實(shí)際工作情況可知，行星齒輪結(jié)構(gòu)正常工作時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度大小為每分鐘22.74 轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率大小為38Hz。該頻率大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于行星齒輪結(jié)構(gòu)的一階、二階和三階固有頻率。因此可以認(rèn)為新型截割滾筒運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振問(wèn)題，設(shè)備運(yùn)行將會(huì)保持在穩(wěn)定狀態(tài)。

4 新型采煤機(jī)截割滾筒的實(shí)踐應(yīng)用

將設(shè)計(jì)的具有振動(dòng)功能的新型截割滾筒應(yīng)用到MG800/2040WD 型采煤機(jī)中，并利用該采煤機(jī)進(jìn)行采煤。經(jīng)過(guò)連續(xù)一個(gè)月的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)具有振動(dòng)功能的截割滾筒運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定，中間未出現(xiàn)各類故障問(wèn)題。與傳統(tǒng)的截割滾筒相比較而言，新型截割滾筒由于具備有振動(dòng)功能，破煤效率更高，因此具有更高的采煤效率。經(jīng)過(guò)初步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，采煤效率提升了15%以上，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

基于沖擊破碎技術(shù)將截割滾筒設(shè)計(jì)為振動(dòng)形式，在工作過(guò)程中能夠發(fā)生振動(dòng)，對(duì)煤巖產(chǎn)生沖擊，提升破碎效果，從而保障采煤效率。偏心錘是關(guān)鍵零件，利用MATLAB 軟件對(duì)偏心錘結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終決定在滾筒內(nèi)部同時(shí)使用5 個(gè)偏心錘結(jié)構(gòu)，偏心距設(shè)置為135 mm；滾筒內(nèi)部行星齒輪結(jié)構(gòu)的固有頻率和工作時(shí)的頻率相距甚遠(yuǎn)，表明該結(jié)構(gòu)工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題，能夠確保運(yùn)行穩(wěn)定性；將設(shè)計(jì)的具有振動(dòng)功能的新型截割滾筒應(yīng)用到采煤機(jī)中，取得了很好的應(yīng)用效果，顯著提升了采煤效率。