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采煤机螺旋滚筒辅助设计软件开发及综合性能分析
摘要：为解决采煤机螺旋滚筒截割性能与装煤性能欠佳等实际问题，基于MATLAB GUI与Excel软件开发采煤机螺旋滚筒辅助设计及性能分析系统。该系统利用MATLAB GUI平台实现滚筒辅助设计及性能分析，输入的参数以及计算后的数据可实现GUI与Excel双向保存，为设计数据的二次利用与开发提供了便利的条件。以大采高采煤机为例，分析采煤机的综合性能，通过最优设计参数生成大采高采煤机螺旋滚筒最佳模型，螺旋滚筒在整个试验过程中安全可靠，为采煤机的高效设计提供了有效途径。
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螺旋滚筒作为滚筒采煤机工作机构的核心部件，直接与被截割煤岩体接触，完成落煤与装煤任务，其性能的好坏直接影响煤炭生产效能与煤炭生产质量。由于井下工作环境恶劣、工况复杂、工作面条件差，使得采煤机截割过程中其螺旋滚筒的截割性能与装煤性能复杂多变，规律难寻，难以找到各种工况下的最佳设计方案，给螺旋滚筒的设计带来了困难。
大采高采煤机螺旋滚筒的设计大多针对一个或几个变量的改变设计新型滚筒并分析其性能，但能直观地通过输入相关参数来确定螺旋滚筒的综合性能并进行螺旋滚筒辅助设计及可靠性分析的方法较少。基于此，本文将MATLAB GUI与Excel软件联合，开发采煤机螺旋滚筒辅助设计及性能分析系统，为采煤机螺旋滚筒的设计与改进优化、综合性能的分析与评价研究提供了新的方法。
1、螺旋滚筒辅助设计及性能分析系统开发
螺旋滚筒辅助设计及性能分析系统由主界面控制，如图1所示，其由6个单元组成。参数设定包含2个子界面。子界面1输入几何参数及螺旋滚筒运动学参数后，便可计算出截齿排列数据，如图2所示。计算螺旋滚筒力学性质参数的子界面2如图3所示，输入煤岩物理力学性能等参数后，便可绘制三向力、三向力矩、电机功率及截割比能耗曲线，同步生成的截割和装煤性能数据如图4所示。
图1系统控制主界面
图2子界面1
图3子界面2
2、螺旋滚筒综合性能试验研究
(1）螺旋滚筒截割性能的试验研究
改变滚筒转速n和牵引速度vq，选定参数将其导入采煤机螺旋滚筒辅助设计及性能分析系统中，获得各截割性能指标随之变化的规律，如图5所示。
图4综合性能数据
图5截割性能指标随滚筒转速和牵引速度变化的规律
由图5可知，牵引速度由8 m/min逐渐增加到12 m/min时，最大切削面积逐渐增加，方正率增加，粉尘量减少，生产量增加；而随着牵引速度的增加，截割阻力增加，载荷波动系数变大，截割功率增加，截割比能耗减少。这是由于随着牵引速度的增加，单位时间内参与截割的截齿切削厚度增加，使截割阻力增大，但随着截深的增加，生产量得到了提升。牵引速度不宜过大，过大的牵引速度会导致截齿出现过载的现象。
滚筒转速从18 r/min到30 r/min变化时，其最大切削面积减小，方正率减小，粉尘量增加，生产量降低；而转速越大，截割阻力越小，载荷波动系数越小，截割功率随之增加；同时截割比能耗随着转速的增加而增加。这是因为随着转速的增加，单位时间内参与截割的齿数增加，但是每一个截齿的切削量减小，导致截割功率提高的同时减小了截割阻力；与此同时截齿在截割相同体积的煤岩体时，同一个截齿与煤壁的接触次数增加，导致切削面积减小，获得的方正率减小，粉尘量增大，生产效益降低。
在转速n及牵引速度vq一定的条件下，分别改变叶片螺旋升角β、截齿安装角α、截线距t、截齿排列方式，获得各截割性能指标变化的规律如表1所示。
表1不同参数及条件下的各截割性能指标 由表1可知，在试验条件下，叶片螺旋升角10°、截齿安装角45°时滚筒的截割性能最佳。截线距不易过大或过小。棋盘式排列截齿间隔或跳跃次序截割，载荷波动相对较大，但是保证了截齿两侧受力均衡，切削厚度较大，截割阻力小，截割比能耗低，截割功率下降。
(2）螺旋滚筒装煤性能的研究
采煤机在工作过程中，被截齿破落的煤岩体在螺旋叶片作用下实现装煤，滚筒的结构参数、运动参数对装煤性能产生直接影响。
螺旋滚筒的装煤量
式中Dy———螺旋叶片的外径；
Dg———螺旋叶片的内径；
Dc———滚筒直径；
b———截深；
cb———端盘圆柱宽度；
αs———端盘锥角；
z———头数；
δ———叶片厚度；
φz———滚筒卸载端断面利用系数；
ρ———摩擦角。
螺旋滚筒的落煤量
式中λ———煤的松散系数，通常取λ=1.5～1.7;
k———滚筒应达到的煤量系数。
螺旋滚筒的装煤率
基于辅助设计软件采用控制设计变量的方法对滚筒装煤性能进行分析。首先在滚筒其他结构参数和运动参数不变的条件下，分别改变滚筒的转速和叶片螺旋升角，获得装煤率随其变化的规律，如图6所示，装煤率呈先增加后降低的趋势。主要是由于随着转速的增加，煤岩颗粒在滚筒轴向方向上运动的速度增加；而随着滚筒转速的继续增加，煤岩体所受到的离心力增加，大量煤岩颗粒飞出筒毂被甩到滚筒前端或者未被截割的煤壁处，降低了装煤率。在低转速时，煤岩颗粒在螺旋升角较大叶片作用下能够获得较高的速度，不易在出煤口形成堆积，提高了装煤率。
图6装煤率随转速及叶片螺旋升角变化规律
选定不同的牵引速度、安装角、截线距和截齿排列方式，获得螺旋滚筒的装煤性能评价指标随不同参数变化的规律，如表2所示。
表2不同参数及条件下的装煤率
由表2可知，牵引速度过大或过小都会影响装煤率。安装角过大容易形成干涉，安装角过大或过小同样也会影响装煤率，当安装角40°时，装煤率达到最大。截线距为74 mm时装煤率达到最大。截齿排列方式对装煤率几乎无影响。
3、螺旋滚筒辅助设计软件应用
根据上述螺旋滚筒综合性能分析，利用该辅助软件设计大采高φ4 500×865型采煤机螺旋滚筒，确定螺旋滚筒综合性能最优的设计方案：采取4头螺旋叶片，叶片螺旋升角为10°，叶片上截齿安装角为45°，截线距74 mm，截齿排列方式选择棋盘式，滚筒转速为24 r/min，采煤机牵引速度为10 m/min。
在此方案下获得力与力矩的曲线与数据统计结果如图7所示。由图7可知，螺旋滚筒运动比较平稳，载荷波动较小，截齿受力合理。
图7力与力矩的曲线及数据统计结果
截割功率与截割比能耗曲线如图8所示，由图8可知，此方案下采煤机电机最大的消耗功率为893.467 8 k W，截割比能耗较低，其平均值为0.570 6 k W·h/m3。
图8截割功率与截割比能耗曲线及统计数据
系统自动计算切削面积，获得切削图的仿真图像及统计数据如图9所示，各截齿切削断面的形状较为方正，大小均匀，获得相对较高的方正率。最终通过截齿排列数据得到截齿排列图及滚筒三维模型如图10所示。
图9切削图的仿真图像及统计数据
图1 0截齿排列图及滚筒三维模型
4、工业性试验
为验证滚筒辅助设计软件所设计优化的螺旋滚筒是否符合要求，依托企业合作，将优化设计的SL1000采煤机滚筒在矿区进行工业性试验。
经企业反馈，该采煤机滚筒装煤性能提升27.8%，截煤量达到5.14万t/d，工作状态稳定，性能良好，达到实际生产设计要求。
5、结语
基于MATLAB GUI与Excel联合开发采煤机螺旋滚筒辅助设计软件，开展采煤机螺旋滚筒的综合性能的分析、设计试验，得到如下结果：
(1）以大采高采煤机螺旋滚筒为例，利用该系统对其综合性能进行分析，最终得到滚筒综合性能最优的参数：滚筒转速24 r/min，采煤机牵引速度10 m/min，叶片螺旋升角10°，叶片上截齿安装角45°，截线距74 mm，截齿排列方式选择棋盘式；
(2）利用最优设计参数，结合Pro/E技术与STL文件规范生成采煤机螺旋滚筒三维模型。工业性试验结果表明，滚筒在截割过程中安全可靠，为滚筒的设计以及改进提供了一条快捷有效的途径。
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基金资助:国家自然科学基金资助项目(51674134);教育部科技发展中心“数启科教智见未来”产教联合基金(2018A04025);辽宁省教育厅重点资助项目(LJ2017ZL001);辽宁省教育厅基础项目(LJ2019JL024);博士科研启动基金资助项目(KYZ2022052Q);
文章来源:张美晨,赵丽娟,张凯等.采煤机螺旋滚筒辅助设计软件开发及综合性能分析[J].煤矿机械,2024,45(01):174-178.
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2025-07-07我要评论
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2024-01-11
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