基于螺旋滚筒模型的采煤机装煤性能研究.pdf

1602023 年第 8 期基于螺旋滚筒模型的采煤机装煤性能研究乔 晋（晋能控股集团大阳泉煤炭有限责任公司，山西 阳泉 045000）摘 要 为提高采煤机装煤效率，基于离散元数值模拟理论、螺旋滚筒模型，分析了螺旋升角、滚筒直径、筒毂直径、截割深度和滚筒转速对采煤机装煤率的影响程度。结果表明：随着螺旋升角的提高，装煤率随之上升，装煤率与螺旋升角呈现正相关关系。滚筒直径越大，装煤率越高，曲线斜率也是呈现出先增后减变化趋势。增加筒毂直径后，会导致采煤机的容量减小，筒毂直径与装煤率呈现负相关关系。增加滚筒转速，能使螺旋叶片排出煤颗粒速度加快，进而提高了装煤率。关键词 采煤机；装煤率；离散元；接触模型中图分类号 TD421.6+1 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.052Research on the Coal Loading Performance of Coal Mining Machine Based on the Spiral Drum ModelQiao Jin(Jinneng Holding Group Dayangquan Coal Co.,Ltd.,Shanxi Yangquan 045000)Abstract:In order to improve the coal loading efficiency of the coal mining machine,based on the discrete element numerical simulation theory and the spiral drum model,the influence degree of spiral lift angle,drum diameter,drum hub diameter,cutting depth,and drum speed on the coal loading rate of the coal mining machine is analyzed.The results show that as the spiral lift angle increases,the coal loading rate increases,and there is a positive correlation between the coal loading rate and the spiral lift angle.The larger the diameter of the drum,the higher the coal loading rate,and the curve slope also shows a trend of first increasing and then decreasing.Increasing the diameter of the drum hub will lead to a decrease in the capacity of the coal mining machine,and there is a negative correlation between the diameter of the drum hub and the coal loading rate.Increasing the drum speed can accelerate the speed of coal particle discharge from the spiral blades,thereby increasing the coal loading rate.Key words:coal mining machine;coal loading rate;discrete element;contact model收稿日期 2023-01-16作者简介 乔晋（1974），男，山西右玉人，2016 年毕业于太原理工大学采矿工程专业，本科，工程师，现从事采掘管理技术工作，研究方向：煤矿机电运输。乔 晋：基于螺旋滚筒模型的采煤机装煤性能研究螺旋滚筒作为采煤机的核心部件，对采煤机工作效率有直接影响，许多研究人员对此做了一系列研究。曹现刚等1基于神经网络算法，提出了一种新的采煤机工作状态的评估方法，并通过实际案例进行了验证，结果表明该方法精度较高。李明昊等2通过刚柔耦合虚拟样机技术，对采煤机进行了仿真模拟，研究了薄煤层采煤机截割部壳体的可靠性和抗疲劳特性。李泽宇3对 MG650/1630-WD 型采煤机进行了一系列优化改进设计，提升了采煤机的稳定性和安全性。包从望等4提出了一种针对不同工况的采煤机故障诊断迁移学习方法，能够解决采煤机故障诊断时样本不足的问题。近年来，随着计算机科学的发展，离散元方法已经证明了其在 MG400/930 型采煤机的装煤性能模拟方面具有良好的有效性，是一种较为可靠的研究方式5-6。因此，本文基于离散元数值模拟理论，选定了煤颗粒接触模型，对 MG400/930 型采煤机的装煤性能进行了研究，并基于螺旋滚筒模型，分析了螺旋升角、滚筒直径、筒毂直径、截割深度和滚筒转速对采煤机装煤率的影响程度。1 离散元数值模拟理论离散元方法的关键在于接触模型的构建，通过离散体之间的接触模型来进行整体的数值分析模1612023 年第 8 期乔 晋：基于螺旋滚筒模型的采煤机装煤性能研究拟。在本研究中，将煤颗粒看作球体进行考虑，图1 展示了煤颗粒的接触模型。图中，v1、v2分别表示两颗球体的速度，1、2表示两颗球体的角速度，R1、R2表示煤颗粒的半径，Fcn为法向接触力，Fct为切向接触力，Fdn为法向接触阻尼力，Fdt为切向接触阻尼力。图 1 煤颗粒离散元接触模型在煤颗粒运动过程中，其法向刚度 kn和切向刚度 ks通过下式进行表示：()12n22=3 1EkR （1）()1223ns12 1=12R FEk+（2）式中：表示煤颗粒的泊松比；E 表示煤颗粒的弹性模量；Fn表示在碰撞过程中煤颗粒的法向力。在采煤机工作过程中，煤层的截割是通过螺旋滚筒中的截齿实现的，然后通过螺旋叶片进行装煤。2 螺旋滚筒装煤性能分析2.1 物理力学特性使用切割机制作煤标准试样，通过电阻应变片、试验机、烘干法、比重瓶以及捣碎法测得煤样的物理力学参数。结果显示，煤样的抗压强度为 17.82 MPa，抗拉强度为 1.12 MPa，弹性模量为 4412 MPa，泊松比为 0.22，天然含水率为 8.72%，孔隙率为 9.47%，密度为 1 344.6 kg/m3，坚固系数为 2.0。2.2 耦合模型根据上述测得的煤样物理参数，通过离散元软件建立了螺旋滚筒截齿耦合模型，研究对象为MG400/930 型采煤机。螺旋滚筒选用 TY1150 顺序式排列型，截割方式为抛射截割。2.3 装煤性能分析以 0.1 s 为计算步长，进行了 10 s 仿真模拟。设置采煤机滚筒转速为 58 r/min，牵引速度为 4 m/min，统计了采煤机装煤的分布情况。通过对煤颗粒进行统计，装煤颗粒数为 8031，未成功装煤颗粒数为 5324，装煤率为 60.13%。3 装煤率影响因素分析研究了装煤率的几个主要影响因素，分别为旋转升角、滚筒直径、筒毂直径、截割深度和滚筒转速。初始参数设置如下：旋转升角 13，滚筒直径1150 mm，筒毂直径 525 mm，截割深度 800 mm，滚筒转速 58 r/min，通过单因素法研究了各因素对装煤率的影响情况。3.1 螺旋升角其余初始参数不变，研究了螺旋升角分别为8、11、13、15和18时的采煤机的装煤率。图 2 展示了装煤率随螺旋升角的变化情况。由图 2 可知，随着螺旋升角的提高，装煤率随之上升，装煤率与螺旋升角呈现正相关关系。增大螺旋升角，会提升煤颗粒与螺旋叶片的接触速度，进而导致落入区域的煤颗粒增多，使得装煤率提高。螺旋升角为 8时，装煤率仅为 53.82%；螺旋升角 13时，装煤率为 60.13%，提升了 6.31%；螺 旋 升 角 15 时，装 煤 率 为 63.42%，提 升 了9.6%；螺旋升角 18时，装煤率为 63.97%，提升了 10.15%。由此可见，曲线斜率在 11 15间较大，装煤率随螺旋升角增加而大幅上涨，在 11前和 15后，变化幅度较小，曲线较为平缓。图 2 装煤率随螺旋升角变化曲线3.2 滚筒直径其余初始参数不变，设置螺旋滚筒直径分别为1050 mm、1100 mm、1150 mm、1200 mm 和 1300 mm，进行了装煤率计算，计算结果如图 3。从图 3 中可以看出，采煤机的装煤率与螺旋滚筒直径呈正相关关系，滚筒直径越大，装煤率越高，曲线斜率也是呈现出先增后减变化趋势，变化规律与上述螺旋升角情况较为类似。螺旋滚筒直径增大，会使得采煤机容煤量增加，进而导致更多煤颗粒落在区域上，装煤率提高。1622023 年第 8 期图 3 装煤率随滚筒直径变化曲线3.3 筒毂直径分别对筒毂直径 475 mm、500 mm、525 mm、550 mm 和 570 mm 时的工况进行了计算，其余参数保持不变，计算结果如图 4。从图 4 中可以看出，筒毂直径增大，采煤机装煤率降低，筒毂直径与装煤率呈现负相关关系，且变化曲线接近直线，斜率较为稳定。筒毂直径为475 mm 时，其装煤率为 65.42%；筒毂直径为 570 mm 时，装煤率仅为 57.13%，下降了 8.29%。出现这种现象是由于增加筒毂直径后，会导致采煤机的容量减小，致使装煤率降低。图 4 装煤率随筒毂直径变化曲线3.4 截割深度截割深度分别设置为 600 mm、650 mm、700 mm、750 mm 和 800 mm，图 5 展示了五种截割深度工况下装煤率的变化情况。从图 5 中可以看出，采煤机装煤率与截割深度呈现负相关关系，截割深度越大，装煤率越低，且变化曲线接近于直线。增大截割深度后，开采深度也随之增大，导致螺旋叶片不能及时排出端盘处的煤颗粒，致使落在区域上的煤颗粒增多，装煤率下降。截割深度为 600 mm 时，装煤率为 66%，截割深度达到 800 mm 时，装煤率仅为 60.32%，下降较为明显。因此，实际工程中应注意截割深度的选取，在加大采煤量的同时，也应注重装煤率的控制。图 5 装煤率随截割深度变化曲线3.5 滚筒转速设计了滚筒转速为 50 r/min、54 r/min、58 r/min、62 r/min 和 66 r/min 五种工况，其余初始参数不变，计算五种工况下的装煤率，结果如图 6。从图 6 中可以看出，随着滚筒转速的提高，采煤机装煤率提高。增加滚筒转速，能使螺旋叶片排出煤颗粒速度加快，进而提高了装煤率。前期装煤率增速较快，转速 54 r/min 时出现拐点，曲线斜率下降，增长率降低。滚筒转速为 50 r/min 时，装煤率为 57.6%；滚筒转速为 54 r/min 时，装煤率达到了 59.4%；滚筒转速为 66 r/min 时，装煤率达到了61.9%，整体提高幅度不是很明显。图 6 装煤率随滚筒转速变化曲线4 结论本 文 通 过 离 散 元 数 值 模 拟 手 段，研 究 了MG400/930 型采煤机的装煤性能。基于螺旋滚筒模1632023 年第 8 期乔 晋：基于螺旋滚筒模型的采煤机装煤性能研究型，对螺旋升角、滚筒直径、筒毂直径、截割深度和滚筒转速等参数进行了敏感性分析，得出主要结论如下：1）随着螺旋升角的提高，装煤率随之上升，装煤率与螺旋升角呈现正相关关系。滚筒直径越大，装煤率越高，曲线斜率也是呈现出先增后减变化趋势，变化规律与螺旋升角情况较为类似。2）增加筒毂直径后，会导致采煤机的容量减小，筒毂直径越大，采煤机装煤率越低，筒毂直径与装煤率呈现负相关关系，且变化曲线接近直线，斜率较为稳定。3）采煤机装煤率与截割深度呈现负相关关系，截割深度越大，装煤率越低，且变化曲线接近于直线。增大截割深度后，开采深度也随之增大，导致螺旋叶片不能及时排出端盘处的煤颗粒，致使落在区域上的煤颗粒增多，装煤率下降。4）增加滚筒转速，能使螺旋叶片排出煤颗粒速度加快，进而提高了装煤率。前期装煤率增速较快，转速 54 r/min 时出现拐点，曲线斜率下降，增长率降低。【参考文献】1 曹 现 刚，陈 瑞 昊，伍 宇 泽，等.基 于 CNN-XGBoost 的采煤机健康状态评估 J.煤炭技术，2022，41（11）：173-176.2 李明昊，赵丽娟，乔捷，等.薄煤层采煤机截割部壳体疲劳可靠性分析 J.煤矿机械，2022，43（10）：72-76.3 李泽宇.MG650/1630-WD 型采煤机优化改进设计及实践 J.山东煤炭科技，2022，40（09）：152-153+161.4 包从望，江伟，刘永志，等.变工况下采煤机故障诊断的迁移学习方法 J.机床与液压，2022，50（18）：176-182.5 任春平，赵中旭，万丰，等.含夹矸煤层采煤机滚筒截割载荷特性研究 J.煤炭技术，2023，42（05）：185-188.6 王鹏飞，周常飞，李庆亮.基于 EDEM 的薄煤层采煤机滚筒旋向对装煤效率的影响J.煤矿机电，2022，43（06）：11-15.（上接第 159 页）1）井下电力监控系统由井上电力监控主站、井下电力测控分站以及高开综合保护器三个系统层级构成，分别对主站、分站和防越级跳闸控制器进行设计，实现高效保护煤矿供电网络安全，避免越级跳闸问题的出现；2）防越级跳闸闭锁保护控制器以 STM32F207为控制核心，进行软件流程设计，兼顾电力保护系统动作灵敏度的同时，精准进行故障断闸，防止越级跳闸；3）对设计的井下电力监控系统的状态监控、录波功能以及防越级跳闸功能进行测试与试验，试验结果表明该电力监控系统电力监测与开关控制功能有效，能够避免越级跳闸问题出现。【参考文献】1 齐喜峰，徐云，曹伟峰，等.矿井供电系统接地网中交流杂散电流分布规律研究 J.电子技术与软件工程，2022（18）：94-98.2 朱发和，薛冰.煤矿井下供电系统远方漏电试验功能的设计 J.山西焦煤科技，2022，46（07）：12-15.3 成泽军.基于工业以太网的煤矿电力监控系统设计 J.机械工程与自动化，2022（03）：176-178.4 欧阳敏，杜三恩，李文俊，等.基于广域电流暂态分量的井下供电系统接地故障区段定位方法J.工矿自动化，2022，48（03）：47-54.5 刘婧岩，王玉梅.基于 EtherCAT 的井下电力监控系统冗余网络 J.电子科技，2021，34（06）：73-78.6 赵志征.浅谈营盘壕煤矿井下电力监测监控的实施 J.山东煤炭科技，2020（08）：88-90.