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郭强强
（山西凌志达煤业有限公司，山西 长治 046000）
为了提升矿井开采效率，提升矿井智能化水平，加强对采掘设备的优化研究十分重要。采煤机作为我国煤炭开采重要的机械设备，其主要功能是用于煤块的截落和装运，采煤机的截割效率在很大程度上限制着矿井的开采效率[1-2]，目前我国应用最广泛的采煤机是滚筒式采煤机。采煤机主要由电动机、截割部、牵引部、附属装置等构成，在运行过程中截齿截割参数对于采煤机的运行也有着较大的影响[3-4]。本文利用数值模拟软件对不同截割参数下的截割效果进行分析，为采煤机滚筒的后续优化提供一定的参考。
研究采煤机截割煤壁过程选用离散单元法对煤壁截割效果进行分析。离散元法能够充分考虑到煤壁岩体的不连续性，对解决岩石力学问题有着较好的优越性，其能够反应真实煤体的物理性质，较好还原煤壁截割过程。选择PFC3D数值模拟软件建立煤壁模型，同时进行截割单齿直线截割仿真研究，软件内部单元格式为球形刚性体颗粒，颗粒与颗粒间设有接触，用于力和力矩的传递。
使用PFC3D软件进行模型建立，采煤机螺旋滚筒截齿实际是速度恒定地旋转截割，但考虑到模拟过程截割距离较小，可以类化为直线截割。同时为了降低由于切削厚度不均匀造成的截割差异，将截齿直线截割过程中切削煤壁厚度设定为恒定值，大大简化了模拟的计算时间。对煤壁进行尺寸的设定，设定煤壁长、宽、高分别为150 mm、200 mm、120 mm，截齿截割部分煤壁尺寸为150 mm、100 mm、50 mm，对煤壁的参数进行设定，煤壁颗粒密度为1 675 kg/m3，煤壁孔隙率为0.2，截割颗粒半径为2 mm，煤壁整体抗拉强度为1.5 MPa，接触刚度为15 GPa，内聚力为4 MPa，内摩擦角为35°，弹性模量为22.4 GPa，未截割颗粒的半径为3 mm，模型共计颗粒总数61 344，截齿截割模型如图1所示。
图1 截齿截割模型图
2.1 不同截割距离下推进阻力的变化
首先对推进阻力随着截割距离的变化进行研究，绘制推进阻力随截割距离变化曲线如图2所示。
图2 推进阻力随截割距离变化曲线
从图2中可以看出，随着截割距离的增加，推进阻力呈现大幅度波动情况，推进阻力的最大值能够达到2 812 N，最小推进阻力为0，从图2中还可以看出虚线部分为推进阻力的均值790 N，整体推进阻力较小。出现推进阻力大幅度波动情况的原因是在截齿截割煤壁过程中，存在振动破壁情况，使得煤块颗粒出现松动，截割需要的力也就有所降低，同时截割截齿煤壁颗粒过程推进阻力呈现先增大后减小的趋势。
2.2 不同截割角度下截割阻力和截割比能耗随截割线速度的变化
2.2.1 截割阻力
对切削厚度5 mm下不同截割角度下截割阻力均值随截割线速度的变化趋势进行研究，选定截割角度分别为40°、45°、50°、55°时进行分析，不同截割角下截割阻力均值随线速度变化曲线如下页图3所示。
图3 不同截割角下截割阻力均值随线速度变化曲线
从图3可以看出，随着截齿截割线速度的不断增大，截割阻力均值整体呈现出先减小后增大的趋势。这是由于当截割线速度较小时，采煤机截齿很难楔入煤体，此时截齿受到较大的截割阻力，而随着截齿截割线速度的不断增大，截齿对煤壁的冲击效果有所提升，对于截割煤体有着促进作用，但考虑到截割速度过大，单位时间内截齿在单位时间内能够截落的煤颗粒数量增多，从而会造成截割阻力出现增大的趋势。从图3中可以看出截割角为40°时，此时的截割阻力均值明显大于截割角度45°、50°、55°时的情况，这是由于当截割角度较小时，随着截齿截割深度的不断增加，截齿与煤体发生挤压，截割分力降低，使得截割竖向力减小，截割难度增大，截齿阻力会有所增加。所以在设定截割速度和截齿角度时，应当充分考虑如上因素。
2.2.2 截割比能耗
对切削厚度5 mm下不同截割角度下截割比能耗随截割线速度的变化趋势进行研究，同样选定截割角度分别为40°、45°、50°、55°时进行分析，不同截割角下截割比能耗随线速度变化曲线如图4所示。
从图4可以看出，随着截齿截割线速度的不断增大，截割比能耗呈现出先减小后增大的趋势。同样是由于当截割线速度较小时，采煤机截齿很难楔入煤体，此时截齿截割需要的能量也就越多；
而随着截齿截割线速度的不断增大，截齿对煤壁的冲击效果有所提升，采煤机截齿截割煤壁的难度降低，需要的截割比能耗也就越低；
随着截割线速度进一步增大，单位时间截齿行进距离增大，所以截割比能耗也就有所增大。同时对比不同截割角度下的截割比能耗可以看出，随着截割角度的增大，相同截割线速度下的截割比能耗呈现先减小后增大的趋势，当截割角度为45°时，此时的截割比能耗效果最佳。
图4 不同截割角下截割比能耗随线速度变化曲线
1）利用数值模拟对推进阻力随截割距离变化曲线进行研究，发现随着截割距离的增加，推进阻力呈现大幅度波动情况，推进阻力的最大值能够达到2 812 N，推进阻力的均值790 N，整体推进阻力较小。
2）随着截齿截割线速度的不断增大，截割阻力均值整体呈现出先减小后增大的趋势，同时截割角为40°时，此时的截割阻力均值明显大于截割角度为45°、50°、55°时。
3）随着截齿截割线速度的不断增大，截割比能耗呈现出先减小后增大的趋势，同时对比不同截割角度下的截割比能耗可以看出，随着截割角度的增大，相同截割线速度下的截割比能耗呈现先减小后增大的趋势。
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