截齿排列方式对薄煤层采煤机载荷的影响.pdf

摇第36卷第8期煤摇摇炭摇摇学摇摇报Vol.36摇No.8摇摇2011年8月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYAug.摇2011摇摇摇文章编号:0253-9993(2011)08-1401-06截齿排列方式对薄煤层采煤机载荷的影响赵丽娟1,何景强2,许摇军2,刘摇威2(1郾辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新摇123000；2郾辽宁工程技术大学研究生学院,辽宁阜新摇123000)摘摇要:根据采煤机破煤理论的单齿受力模型,应用Matlab软件编制计算机程序来模拟薄煤层采煤机滚筒的瞬时负载,得到滚筒随时间变化的载荷谱。并利用此程序对薄煤层典型的4种工况,分别使用4种不同截齿排列方式的滚筒进行了模拟截割,通过分析比较4种排列方式在不同工况下的载荷谱,得出了各截齿排列方式适用的工况范围,为薄煤层采煤机滚筒的设计与选用提供了更为可靠的理论依据。研究结果表明:在一般工况下,为了提高块煤率,推荐采用混合1式和棋盘式的截齿排列方式；在工况恶劣、冲击较大时,推荐采用小截距排列的混合2式截齿排列方式,避免采用棋盘式的排列方式；在含有断层较多,不可避免的要大量截割顶底板岩石时,推荐采用顺序式截齿排列方式。关键词:截齿排列方式；薄煤层；采煤机；Matlab；螺旋滚筒中图分类号:TD421郾63摇摇摇文献标志码:A收稿日期:2010-11-11摇摇责任编辑:许书阁摇摇作者简介:赵丽娟(1964),女,辽宁阜新人,教授,博士生导师。E-mail:zlj2120163郾com。联系人:何景强(1986),E-mail:hejingqiang86126郾comEffectofpickarrangementontheloadofshearerinthethincoalseamZHAOLi鄄juan1,HEJing鄄qiang2,XUJun2,LIUWei2(1郾CollegeofMechanicalEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin摇123000,China；2郾GraduateCollege,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin摇123000,China)Abstract:Accordingtothetheoryofsingletoothbrokenmodelincoalminer,gotthedrumloadspectrumwithtimebytheapplicationofMatlabtosimulatethethinseamminercutting.Andusedthissoftwareonatypicalfourthinseamconditions,respectively,usingfourdifferentarrangement(thesequence,thepunnettsquare,theaberrance鄄1andtheaberrance鄄2)oftherollercutterforcuttinginthesimulation.Throughanalysisandcomparisonoftheloadspectrumoffourdifferentarrangementsindifferentconditions,obtainedtheworkingrangeforeveryarrangementofthepicks,whichcanprovideamorereliabletheoreticalbasisforthincoalseamshearerdrumdesignandselection.Theresearchresultsindicatethat:ifworkinginthegeneralconditions,inordertoimprovetherateoflumpcoal,recommendtheab鄄errance鄄1andthepunnettsquare；inpoorconditions,particularlywiththelargeimpact,recommendtheaberrance鄄2andavoidtheuseofthepunnettsquarearrangement；inthecaseofcontainingmanyfaultsinthecoal,inevitabletocutalargenumberoftheroofandfloorrocks,therecommendedarrangementisthesequence.Keywords:pickarrangement；thinseamcoal；shearer；Matlab；spiraldrum摇摇薄煤层采煤机的工作条件恶劣,工况复杂,其螺旋滚筒的设计质量更是对采煤机的运行稳定性、截割效率、截割比能耗、可靠性、块煤率及粉尘的含量具有举足轻重的影响1。尤其是其截齿排列方式不同,同工况下其截割煤壁所受的载荷也大不相同,这将直接影响采煤机的受载状态,从而对采煤机的薄弱部件产生重大影响,甚至破坏。虽然以往的文献中也有很多对截齿排列方式的讨论,但是大部分都基于单变量的定性理论研究,而复杂煤层条件下的薄煤层采煤机的受载状态存在强烈的非线性和瞬时性,其各参数的煤摇摇炭摇摇学摇摇报2011年第36卷函数关系也十分复杂。因此本文利用Matlab软件模拟滚筒瞬时负载,得到了滚筒随时间变化的载荷谱,应用数值方法深入分析了滚筒的不同截齿排列方式对其载荷的影响,为薄煤层采煤机滚筒的优化设计提供了更为可靠的理论依据。1摇采煤机滚筒瞬时负载的数学模型及其求解2-7摇摇采煤机工作机构截割煤壁时,截齿要承受截割阻力,并形成对滚筒轴的截割阻力矩,如图1所示。图1摇滚筒单齿受力分析Fig郾1摇Stressanalysisofsingle鄄toothofdrum由于同时参与截割的齿数是变化的,煤层的物理机械性质也是随机的,因此截齿给予煤层的截割力、截割力矩等动力学参数也是变化的。采用前苏联的破煤理论建立单个截齿所受平均截割力(kN)的数学模型为Zcp=Z0+f忆(啄cmSaK啄)式中,Z0为锐利截齿所承受的截割力,kN；f忆为截割阻抗系数；啄cm为煤的单向抗压强度,MPa；Sa为截齿磨钝后,磨损面在截割平面上的投影面积,m2；K啄为矿体应力状态体积系数。Z0=AP(0郾35bp+0郾003)hcptcpKZKYK椎KCKot/K追(bp+hcptan渍)cos茁式中,AP为煤层非地压影响区的平均截割阻抗,kN/m；bp为截齿工作部分计算宽度,m；hcp为平均切削厚度,m；tcp平均截线距,m；KZ为外露自由表面系数；KY为截角琢的影响系数；K椎为截齿前刀面形状影响系数；KC为截齿排列方式系数；Kot为地压对工作面煤壁影响系数；K追为煤的脆性系数；渍为截槽侧面倒塌角,(毅)；茁为截齿对于采煤机推进方向偏转角,(毅)。采煤机切入煤壁时滚筒受到的附加轴向力为Xq=仔DL2RYK2sin琢0/(4L1B)式中,D为滚筒直径,m；L2为采煤机后滑靴中心到前滚筒煤壁侧端面中心的距离,m；RY为正常采煤时滚筒受到的牵引方向的阻力(合力),N；K2为截割力增加系数；琢0为切入煤壁时,采煤机的最大旋转角度,(毅)；L1为采煤机导向滑靴之间的距离,m；B为滚筒截深,m。滚筒叶片上装煤反力为RS=0郾25仔(D2sr-D2g)1-啄Z/(Lcos琢)BWZ追酌式中,Dsr为有效直径,m；Dg为筒毂直径,m；啄为螺旋叶片的厚度,m；Z为螺旋叶片的头数；L为螺旋叶片的导程,m；WZ为原煤被推移时的阻力系数；追为滚筒充满系数；酌为松散煤容重,kN/m3。采煤机滚筒工作环境复杂多变,滚筒所受载荷具有非线性、随机性和强耦合性的特点,利用上述数学模型计算量非常大,因此利用Matlab软件进行数值求解,程序流程如图2所示。图2摇Matlab载荷模拟程序流程Fig郾2摇Theflowofshearerdrummomentaryload2摇滚筒的截齿排列方式对其受载的影响以相似理论为基础,以“含硫化铁矿结核体薄煤层采煤机截割部可靠性研究冶项目中800伊680型滚筒为原型,1/3为相似比。端盘截齿总数为10个,分为两组,每组5个,沿滚筒周向均匀布置在编号为A、B、C、D的4条截线上,其中A截线上截齿为4个,B、C、D三条截线上截齿各2个。截线A、B、C、D上截齿倾斜角分别为35毅、24毅、12毅和0；保持端盘上截齿布置不变,根据叶片上截齿布置的不同,得到顺序式、棋盘式、混合1式、混合2式4种排列方式,如图3所示。其中顺序式、棋盘式、混合1式的叶片上截线总数为8条,截线距相同从上到下编号为18,第1条截线的截齿倾斜角为7毅,第27条截线的截齿倾斜角为0,第8条截线的倾斜角为-12毅(偏向煤壁侧为2041第8期赵丽娟等:截齿排列方式对薄煤层采煤机载荷的影响图3摇叶片上不同的截齿排列形式Fig郾3摇Differentpickarrangementontheleaves正)；混合2式的截线数为16条,截距为前3种排列方式截距的一半,但都满足截距与切削厚度比在13范围以内,各截线编号从上到下为116,第1条截线的截齿倾斜角为7毅,第215条截线的截齿倾斜角为0,第8条截线的倾斜角为-12毅；4种排列方式中所有截齿的安装角均为40毅,叶片总围包角相同。利用上述4种不同排列方式的滚筒对表1所列的4种典型工况进行模拟截割计算,滚筒转速为86郾7r/min,截深600mm。表1摇4种截割工况Table1摇Fourcuttingconditions工况牵引速度/(mmin-1)煤的截割阻抗包裹体的截割阻抗顶底板截割阻抗及截割厚度16郾861郾6924郾001郾699郾030郾501郾697郾0(底板厚0郾6m)40郾501郾698郾5(顶板厚0郾4m)摇摇工况1:截割含有夹矸的煤层；工况2:截割含有硫化铁结核及夹矸的煤层(硬结核为云块状或扁豆状,按照较恶劣的工况,块度分别为300mm伊200mm(厚度)伊300mm及300mm伊185mm(厚度)伊200mm两种,在采煤机工作过程中按照同时遇到两块硬结核考虑)；工况3:截割含夹矸煤层,同时截割0郾6m厚的底板岩石(截割阻抗为7郾0)；工况4:截割含夹矸煤层,同时截割0郾4m厚的顶板岩石(截割阻抗为8郾5)。经过计算机模拟后得到4种工况下滚筒的瞬时截割阻力矩和截割功率随时间变化的曲线和数值统计如表2和图4所示。表2摇滚筒截割阻力矩的数据统计Table2摇Datastatisticsofcuttingtorqueofdrum工况截齿排列方式截割阻力矩/(Nm)最大值最小值均值波动系数滚筒平均截割功率/kW顺序式19096郾064117466郾331118465郾37390郾0216171郾94961棋盘式18022郾171115178郾576416939郾08810郾0365157郾7368混合1式18598郾880615296郾986516921郾26830郾0468157郾5709混合2式21408郾418018319郾004919918郾52710郾0350185郾4814顺序式55691郾36819129郾556120107郾61820郾4005187郾2422棋盘式78768郾83236254郾266619262郾57520郾5441179郾37322混合1式54699郾80647535郾051318953郾62930郾4225176郾4962混合2式66603郾342912347郾198422495郾71940郾4157209郾4802顺序式28536郾753322047郾547825528郾11950郾0594237郾7179棋盘式23038郾981117336郾720820272郾18340郾0716188郾77463混合1式23759郾154516860郾263220251郾10080郾0935188郾5783混合2式31864郾208622765郾089327101郾14970郾0675252郾3660顺序式26520郾076620073郾636824420郾54810郾0516227郾4042棋盘式22265郾654514348郾607619297郾10440郾0849179郾69474混合1式24932郾024114507郾291619277郾07740郾1170179郾5082混合2式30702郾450021426郾047826000郾43220郾0722242郾11613041煤摇摇炭摇摇学摇摇报2011年第36卷图4摇滚筒的截割阻力矩曲线Fig郾4摇Torquecurvesofdifferentpickarrangementdrums摇摇由图4可以看出,相同牵引速度,相同滚筒转速,相同滚筒直径,相同载荷工况下,不同的截齿排列方式其各项载荷参数明显不同。由表2中的统计数据可知,4种工况下,4种截齿排列方式的滚筒总阻力矩的均值关系为:混合2式顺序式