关于含夹矸煤岩采煤机螺旋滚筒截齿磨损问题分析研究.pdf

1412023 年第 8 期王 超：关于含夹矸煤岩采煤机螺旋滚筒截齿磨损问题分析研究关于含夹矸煤岩采煤机螺旋滚筒截齿磨损问题分析研究王 超（霍州煤电集团云厦白龙矿建分公司，山西 霍州 031400）摘 要 针对目前薄煤层夹矸煤岩采煤过程中采煤机螺旋滚筒磨损严重，造成人力物力浪费等问题，白龙矿建分公司牵头，以采煤机截齿为研究对象，通过三维软件对采煤机滚筒进行建模，按照实际工作状态进行约束设置，通过 ADAMS 进行前处理，使用 EDEM 仿真软件进行仿真分析，确定各因素对截齿磨损的影响程度，最后得出了采煤机最佳配合参数。关键词 夹矸煤岩；滚筒截齿；EDEM；磨损中图分类号 TD421.6+1 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.046Analysis and Research on the Wear and Tear Problem of the Cutting Teeth of the Spiral Drum of Coal Mining Machine Containing Coal Gangue RockWang Chao(Huozhou Coal Electricity Group Yunxia Bailong Mine Construction Branch,Shanxi Huozhou 031400)Abstract:Aiming at the serious wear and tear of the spiral drum of the coal mining machine during the current coal mining process of thin coal seam and coal gangue rock,resulting in waste of manpower and material resources.Leads by Bailong Mining Construction Branch,taking the cutting teeth of the coal mining machine as the research object,the drum of the coal mining machine is modeled by using 3D software,sets constraints according to the actual working state,preprocesses through ADAMS,and conducts simulation analysis using EDEM simulation software to determine the degree of influence of various factors on the wear and tear of the cutting teeth.Finally,the optimal coordination parameters of the coal mining machine are obtained.Key words:coal gangue rock;drum cutting teeth;EDEM;wear and tear收稿日期 2023-01-06作者简介 王超（1988），男，山西临汾人，2011 年毕业于山西大学经济学专业，助理工程师，从事采煤生产技术管理工作。王 超：关于含夹矸煤岩采煤机螺旋滚筒截齿磨损问题分析研究晋牛煤矿开采夹矸煤以及薄煤层时，采煤机螺旋滚筒受到复杂冲击，出现磨损甚至报废问题，导致煤矿原煤产出率降低，造成了人力财力浪费。本文以晋牛煤矿采煤机螺旋滚筒截齿为研究对象，使用软件对螺旋滚筒进行建模，利用 EDEM 进行磨损仿真，通过数值模拟方式，快速精准锁定磨损位置以及磨损量，确定最佳的参数组合，确保磨损量最小化，为后续提高滚筒寿命的研究提供依据。1 磨损机理分析根据文献统计，导致采煤机滚筒截齿失效的原因大部分是由于螺旋滚筒磨损造成。一旦截齿失效就需要立即更换，而频繁更换将会带给企业较大的成本投入1-4。基于此，本文首先进行采煤机螺旋滚筒的磨损研究。1）采煤机截齿破煤过程分析破煤过程分为四大阶段：首先为煤岩层变形阶段，即采煤机截齿碰到煤岩体，继续前进受力导致形变；其次为煤岩体形成裂纹阶段，即截齿继续前进齿尖插入煤岩体，造成中部与两侧受力不均匀，随着应力加大，达到煤岩体的抗拉强度，出现裂纹；接下来为裂纹发展阶段，即截齿继续插入，形成裂纹相互交汇，持续增大，煤岩体出现破裂；最后为煤岩崩落阶段，即随着截齿持续深入，齿尖能量不断被放大，裂纹延伸与纹理重叠，导致煤块开始崩落。至此，采煤机就完成了一整套落煤过程，接下来循环往复，完成整个煤层落煤。2）磨损机理分析在采煤机破煤过程，截齿与煤岩体直接接触，1422023 年第 8 期煤岩中固性较大的硬质材料会与截齿表面发生摩擦，导致截齿表面脱落，形成磨粒磨损。磨粒磨损机理主要分为三种：微观切削机理；疲劳破坏机理；压痕机理。磨粒磨损机理主要与表面载荷、磨粒大小、金属表面特性以及硬度等相关，随着表面载荷、磨粒大小等参数变化而发生变化。采煤机截齿磨损机理结合微观与压痕机理，即磨粒在外力作用下压入截齿表面形成梨沟状。2 构建煤岩截割仿真模型1）采煤机截割部三维建模 本文选取常见 MG270/325-BW 采煤机为研究对象，图 1 为该机型采煤机截齿分布以及编号图。螺旋滚筒的截割直径为 0.8 m，最大的截割深度达到 0.6 m。图 1 采煤机截齿分布以及编号图 图 2 螺旋滚筒、截割部装配模型图下面使用三维建模软件 Creo 对螺旋滚筒进行建模，按照图 1 的截齿编号以及分布位置确定截齿装配关系，确保截齿精准性，其螺旋滚筒装配模型图如图 2。在对截割部摇臂建模时，为了提高仿真效率可以将截割部的外形圆倒角特征等取消，而内部起传动作用的部件需要通过准确建模来进行，保证组件准确性，其余零件则按照标准件自动生成即可。2）ADAMS 前处理将 截 割 部 三 维 模 型 另 存 为.stp 格 式 导 入ADAMS后，需要对模型的材质、属性等进行设置。在对材料进行定义时，首先左击选中组件，通过Modity 设置为 Mass Properties，进行材料定义。在完成材料的设置后，软件将会根据材料属性自动生成部件质量与转动惯量。完成属性设置后，需要根据实际装配关系来对模型中组件完成约束，旨在准确模拟组件的相对运动。在对截割部约束定义时，包含的低副有：截割部组件与地面滑动、电机与截割部内的齿轮副等。根据实际运动特点，限制模型自由度，例如截割部与地面的垂直方向限制相对运动。完成约束定义后，需要在模型上按照实际情况添加驱动。在软件中，选择使用在不同组件上添加驱动的方式进行，其中驱动分为两类：滑动、旋转。3）构建离散元仿真模型在构建离散元仿真模型时，按照图 3 仿真模型逻辑流程图来展开，具体见图 3。图 3 仿真模型逻辑流程图3 基于 EDEM 仿真结果对比分析3.1 滚筒磨损情况分析将实际工况设置为仿真条件，分析滚筒的磨损状态。图 4 为仿真运行 10 s 后的磨损云图以及截齿的磨损渐变云图。图 4 滚筒磨损云图与截齿磨损渐变云图从云图上可以看出，在 10 s 时，滚筒出现了一些磨损，其中较为严重部位为截齿，尤其是截齿的齿尖位置。在整个运动过程中，随着载荷的波动，截齿受到外力作用也较为剧烈，原因是在采煤过程中，滚筒匀速旋转，截齿在采空区与截煤区交替，由于煤层中间包含夹矸层，导致截齿在碰到矸石时载荷突然增大，同时应力集中在齿尖位置，这与云图结果完全吻合。3.2 控制变量法分析各影响因素与滚筒磨损的关系采煤机正常运转是受到多个强时变性因素协同作用的结果，每个影响因素对滚筒的寿命均会造成1432023 年第 8 期王 超：关于含夹矸煤岩采煤机螺旋滚筒截齿磨损问题分析研究影响，影响程度各有不同。下面采用控制变量法，分别对截割深度、滚筒转速以及牵引速度展开分析，确定各因素对滚筒截齿磨损的影响规律，为后续采煤机参数调整提供合理范围。表 1 为按照要求设计的 15 组试验参数。根据上述试验工况，对模型参数进行调整，不同工况下滚筒截齿受到外力不同，随着外力变化，截齿磨损程度也会相应发生变化。因此对应上述工况，按照 EDEM 仿真结果分别输出对应工况下的截齿平均合力以及截齿磨损总量，具体见表 2。从表 2 可知，在截割深度以及牵引速度不变的前提下，随着滚筒速度的增加，截齿的平均合力以及磨损总量呈下降趋势。即随着转速的增加，单位时间内的截齿切煤的次数增加，导致截齿割煤的厚度等减小，阻力降低，磨损减小。在截割深度以及转速不变时，随着牵引速度的增加，截齿的合力以及磨损量在不断加大，同时变化量相较其他两者是最大的。原因是，牵引速度增加，意味着在单位时间内煤炭的开采量上升，煤层的切割厚度增加，阻力加大，冲击加大，磨损变大。在采煤机滚筒转速以及牵引速度均不变的前提下，随着截割深度的增加，截齿平均合力以及磨损总量也在不断增加，且两者的增加比例呈一致状态。表 1 工况参数表种类工况滚筒转速/（r/min）牵引速度/（m/min）截割深度/mmA160560027056003805600490560051005600B19026002903600390460049056005906600C19054802905500390556049056005905640表 2 不同工况下截齿平均合力以及磨损总量汇总表滚筒转速变化牵引速度变化截割深度变化工况截齿平均合力/N截齿磨损总量/10-3 mm工况截齿平均合力/N截齿磨损总量/10-3 mm工况截齿平均合力/N截齿磨损总量/10-3 mmA14 628.7317.89B11 068.234.98C1998.574.89A23 998.9513.98B22 568.569.79C21 835.287.28A33 258.5212.58B33 658.8714.01C32 512.5811.53A42 538.6311.87B44 448.2516.21C43 221.2014.05A51 998.538.68B55 201.2517.32C54 659.3519.923.3 滚筒截齿磨损参数最优组确定为减少仿真运算时长，现使用正交试验法来验证前面描述三个因素对采煤机截齿的影响大小，同时验证得出三者的最佳参数配合。结合参数影响规律以及开采量的大小关系，将正交试验分为三个水平，表 3 为因素水平表。通过因素水平表设计正交试验，将各因素对于截齿磨损量趋势关系进行表达，具体变化规律如图5。图 5 为正交试验后各因素对磨损量影响的趋势变化图，该结果与控制变量法中单因素的变化趋势基本一致，具体变化规律不做赘述。现以截齿磨损最小为目标，由图 5 得出，参数最优组合为 A3B1C1，即滚筒转速 100 r/mm，牵引速度 3 m/min，截割深度540 mm。将此参数组合进行仿真，结果显示截齿磨损总量为 8.5810-4 mm，截齿的磨损总量值较前文15 种工况下每种工况的磨损总量值都小，说明在A3B1C1 组合参数下磨损总量是最小的，为最优的参数组合。经验证，正交试验法结果与仿真结果一致，证明了正交试验法结果的准确性以及最优参数的有效性。表 3 因素水平表水平滚筒转速/（r/min）牵引速度/（m/min）截割深度/mm18035402904580310056301442023 年第 8 期【参考文献】1 焦向东，王和堂.高突煤层综采工作面立体化防降尘技术研究 J.煤炭工程，2018，50（10）：109-1122 刘宁.煤矿综采工作面防尘技术研究现状及趋势分析 J.西部探矿工程，2019，31（11）：106-107 3 佟林全，王雪涛，徐洋，等.井下回采工作面呼吸性粉尘危害现状及防治对策 J.中国煤炭，图 5 截齿磨损影响因素水平规律图4 结论本文以采煤机螺旋滚筒为研究对象，主要针对截齿磨损进行研究，利用三维建模以及 EDEM 仿真方式来进行展开，根据控制变量法对截割深度、牵引速度以及滚筒转速等因素对截齿的磨损进行分析，随后使用正交试验法确定参数的最佳组合方案，同时使用仿真进行验证，证明试验的准确性，为实际的采煤机运动参数调整提供依据。【参考文献】1 赵丽娟，赵名扬，刘旭南.采煤机截齿失效形式及 对 策 探 讨 J.机 械 强 度，2017，39（05）：1224-1229.2 周俊丽.基于润滑油劣化度监测与分析的采煤机异常磨损辨识方法J.煤炭科技，2019，40（05）：91-94.3 崔旭东.含夹矸煤岩条件下采煤机螺旋滚筒磨损问题研究 D.阜新：辽宁工程技术大学，2020.4 赵丽娟，王雅东，刘旭南.薄煤层采煤机强力螺旋滚筒设计研究 J.机械科学与技术，2019，38（11）：1712-1719.0.42%0.68%，回风流中瓦斯浓度为0.38%0.65%，均小于瓦斯浓度报警临界值 0.8%，表明所采用的瓦斯综合治理措施对15501工作面瓦斯治理效果显著。5 结语1）分析了工作面回采期间瓦斯来源，预测工作面瓦斯相对涌出量为 21.36 m3/t，绝对瓦斯涌出量为 48.53 m3/min。2）提出了“本煤层顺层平行钻孔抽采+走向高抽巷抽采+裂隙带高位钻孔抽采+上隅角插管抽采”的瓦斯综合治理措施。3）现场应用结果表明：进行瓦斯综合治理后，工作面上隅角瓦斯浓度为 0.42%0.68%，回风流中瓦斯浓度为 0.38%0.65%，瓦斯治理效果显著。（上接第 134 页）【参考文献】1 姜小强，樊少武，程志恒，等.基于井上下联合抽采的三区联动瓦斯综合治理模式 J.煤炭科学技术，2018，46（06）：107-1132 代精宇.九龙矿 15247S 工作面瓦斯综合治理技术应用研究 J.煤炭与化工，2021，44（12）：103-108.3 姚美红.综采工作面瓦斯综合治理技术应用 J.山东煤炭科技，2022，40（01）：112-115.4 李晓斌.马兰矿 12504 综采工作面瓦斯综合治理技术应用 J.煤，2021，30（07）：59-61+70.5 王学兵，苏保山.厚煤层大采高工作面瓦斯综合治理技术研究J.山东煤炭科技，2021，39（11）：101-104.6 董琦.一八九煤矿 3310 工作面瓦斯综合治理技术 J.山西焦煤科技，2022，46（01）：53-56.（上接第 137 页）2020，46（04）：47-514 王建国，闫涛，者雅茹.控变因子对矿工粉尘防治干预效能的影响研究 J.煤矿安全，2021，52（01）：157-160 5 程根银，侯佳音，司俊鸿，等.煤层注水降尘关键参数影响规律研究 J.煤矿安全，2021，52（08）：188-1936 彭亚，蒋仲安，付恩琦，等.综采工作面煤层注水防尘优化及效果研究 J.煤炭科学技术，2021，46（01）：224-230