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摘要
复杂煤层赋存条件下工作的采煤机,其螺旋滚筒所受载荷具有非线性、时变性、冲击性和强耦合性,磨损问题不可避免,且严重影响其工作性能和生产效率。基于虚拟样机技术,采用离散元数值模拟方法研究含夹矸煤层条件下螺旋滚筒的磨损特性,以提高其截割性能、延长其使用寿命。以煤岩截割机理和离散元素法为基础,分析了滚筒与煤岩体间相互作用关系及滚筒磨损模型;以MG2×55/250-BWD型采煤机螺旋滚筒为工程对象,采用Hertz-Mindlin with bonding黏结模型为颗粒间接触模型、Hertz-Mindlin with Archard Wear模型为煤岩体与滚筒间接触模型,利用Proe/E与EDEM建立滚筒截割含夹矸煤层耦合模型;采用正交试验法,分析采煤机牵引速度、滚筒转速、螺旋升角和煤岩抗压强度对滚筒磨损问题的影响趋势,经过多元回归分析得到截齿、叶片磨损深度的评价模型;基于实际工况,综合考虑采煤机截割比能耗、载荷波动系数和生产率,构造多目标优化函数,利用MATLAB求解得到滚筒最优工作参数。基于EDEM离散元仿真分析结果,发现滚筒组件存在不同程度磨损,其中截齿齿尖局部接触区域磨损最为严重,叶片主要磨损区域为尾片齿座根部位置附近。煤岩抗压强度、采煤机牵引速度增加,截齿、叶片磨损加剧;滚筒转速增加,截齿磨损深度减小,叶片磨损深度先增加后减小;螺旋升角增加,截齿磨损深度先增加后减小,叶片磨损深度逐渐减小;其中,煤岩抗压强度是造成截齿、叶片磨损的主要因素。当截割煤岩抗压强度为30 MPa的煤层时,采煤机牵引速度为5.66 m/min、滚筒转速为80.40 r/min、螺旋升角为11.35°时,滚筒性能达到最优,此时采煤机截割比能耗为0.713 2 kW·h/m3、载荷波动系数为0.081 9、截齿、叶片和端盘的磨损深度分别为1.595μm,1.061 7 nm和0.907 nm,生产率为315.465 5 t/h。离散元仿真结果中滚筒磨损部位分布与现场工况下滚筒实际磨损情况具有一致性,验证了建立的仿真模型与过程的可行性。基于此研究方法可实现滚筒磨损问题的定量分析,极大地降低试验成本,有助于高效、强力、耐磨滚筒的研发。
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