1、收稿日期：作者简介：贺炳伟（），男，陕西横山人，硕士，现从事煤矿安全管理工作。采煤机滚筒截割性能参数优化分析贺炳伟（延安车村煤业（集团）有限责任公司，陕西 延安 ）摘要：为提高采煤机装煤率，对采煤机滚筒运动参数与几何参数的最优组合进行研究。建立综采工作面煤炭离散颗粒体在截齿上的动力学模型，运用离散元软件 对采煤机的装煤率开展正交模拟试验，对基于离散元法的研究结果进行回归分析，并应用 软件计算获得装煤率的回归方程，由 绘制三维等值线图，确定相关因素对装煤率的影响规律。通过参数优化，获得采煤机圆整后的最优参数组合，滚筒转速为 ，筒毂直径为 ，截齿升角角度为 时，装煤率为 。关键词：采煤机；离散元；
2、旋转正交试验中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（），）：，：，：；引言装煤率作为综采工作面采煤机工作性能的主要评价指标，其与采煤机运动参数、几何参数以及两者之间的匹配性有着复杂的非线性关系 。目前已有的有限元等分析方法存在较大的局限性，且不能完全满足并符合实际采煤的工作要求 。离散元法是求解与分析复杂离散系统运动规律与力学特性的一种新型数值方法 。等 通过离散元法得到煤壁在不同冲击速度下其内部的断裂键数目，从而得出开采煤炭所适宜的冲击速度。等 由离散元法研究不同刮板输送机运行速度下，煤炭颗粒体对其中部槽的磨损情况。赵丽娟等 应用离散元软件 对采煤机的滚筒开展仿真研究，从而对滚筒的薄弱环节进
3、行优化，降低其最大应力。刘春生等 解决极薄煤层采煤机滚筒的装煤效率问题，分析极薄煤层采煤机滚筒的工作参数，在此基础上建立以装煤效率和装煤能耗为评价目标的评价模型，通过 离散元软件进行割煤效果的分析。由检索查询结果得知，已有离散元法的研究多数将颗粒体定义为刚体并未粘，故造成无法达到破碎的效果。笔者以“”型号采煤机为研究载体，建立贺炳伟采煤机滚筒截割性能参数优化分析 年结煤炭颗粒在滚筒截齿处的运动学模型，将装煤率作为评价指标，通过 对离散元法内煤炭颗粒接触模型进行二次开发，由 进行以二次回归正交旋转组合为方案的仿真研究，以期获得采煤机的最优参数组合，为采煤机的优化研究提供理论依据。煤炭颗粒体运动学
4、模型煤炭颗粒受力分析：忽略煤炭颗粒的自身重力，对煤炭颗粒在滚筒截齿上的受力开展分析，如图 所示。?图 煤炭颗粒在截齿上的受力 得到煤炭颗粒的受力平衡方程为（）（）（）式中，为轴向抛煤力，；为煤炭颗粒所受切向力，；为摩擦系数；为截齿对煤炭颗粒的支持力，；为截齿螺旋角，（）。由式（）与转速可以求得滚筒的采煤功率（）（）式中，为煤颗粒切向速度，式（）中，滚筒采煤功率 可表示为 （）式中，为采煤机滚动直径，；为采煤机截齿线速度，；为阻力系数，有、无挡煤板分别取值为 、；为采煤机滚筒转速，。通过式（）、式（）的相等关系得出 （）（）（）式中，为摩擦角，（）；为煤炭颗粒所在处的旋转直径，。将式（）得出式（
5、）的表达为 （）（）（）（）（）（）至此，可以分析得知煤炭颗粒在截齿部的受力运动受截齿升角 、筒毂直径 以及滚筒转速 多参数的复杂综合作用。影响装煤率的主要因素：滚筒转速、筒毂直径和截齿升角。基于 的辅助参数设计和优化表 物理特性 材料密度（）泊松比剪切模量 煤炭颗粒 截齿 叶片、滚筒 表 力学特性 相互作用静摩擦系数动摩擦系数碰撞恢复系数煤炭颗粒与截齿 煤炭颗粒与叶片、滚筒 煤炭颗粒与煤炭颗粒 软件仿真虽然由前文得知将 （）作为煤炭颗粒与截齿、叶片、滚筒表面的接触模型，鉴于煤炭颗粒体之间具有较小粘结的作用。另外 内的 接触模型可以较好完成颗粒体粘结，为保证所选择接触模型更好地适用于所研究颗粒
6、，实现煤炭破碎开采的效果，故利用应用程序编程接口 （）对该接触模型进行二次编程开发，将煤炭颗粒间的接触设置成编译后的 模型 。为验证离散元模拟颗粒破碎的可行性以及编译后的 模型，在离散元软件中命令截齿以一定的运动与煤炭颗粒发生撞第 期贺炳伟采煤机滚筒截割性能参数优化分析 几何模型的建立与颗粒模型的测试鉴于离散元软件 自身的建模能力较弱，且基于离散元法的仿真研究只需要将和煤炭颗粒所接触的外界几何体导入 ，为保证仿真计算的效率，对 采煤机滚筒结构相关几何尺寸进行测量以及简化，由 软件对采煤机滚筒进行建模。根据塌落实验测试煤炭颗粒休止角，通过将休止角测试结果输入到离散元官方网站的在线测试工具，来获得
7、煤炭颗粒部分物理特性与力学特性的相关数据，并结合文献将煤炭颗粒与截齿、叶片以及滚筒物理特性和相互间的力学特性设置见表 和表 。击，如图 （）所示，当截齿的切割力超过煤炭颗粒间的粘结力（粘结力通过仿真与实验值标定方法获得，结果为 ），则煤体发生破碎如图（）所示 。?图 煤体破碎 从图 可以看出当截齿撞击煤体时，随着切入深度增加，煤体发生破碎，煤炭颗粒间的粘彻底被破坏，进而煤炭颗粒呈现出脱落的现象，剩余煤体仍继续被截割。另外，该过程与 破碎理论相符合 。在 中添加颗粒工厂使其生成煤炭颗粒体个数为 颗，其半径平均值为 ，采用正态分布的方式生成颗粒尺寸，标准差为 ，通过 中颗粒堆积挤压的形式构成煤壁，
8、于仿真开始至 完成煤炭颗粒体全部构建 。将 所建立的采煤机三维模型导入离散元软件 ，来进行采煤过程的离散元法研究。另外，根据采煤工艺相关要求，在采煤机下方设置与刮板输送机尺寸对应的 ，对落入其中的煤炭颗粒进行划分网络统计，全部设置完毕后的仿真过程如图 所示。图 某一时刻颗粒统计的截割状态 仿真试验因素与指标采煤机的工作性能评价指标装煤率（）为（）式中，为装煤率；为落入到刮板输送机尺寸对应网格内的煤炭颗粒数目；为被截割煤壁部分煤炭颗粒数目。根据理论分析和实际采煤机作业要求，对滚筒转速、筒毂直径、截齿升角各因素水平进行编码取值见表 ，每个编码重复进行 次仿真试验，取其均值为仿真结果，仿真方案与结果
9、见表 。表 因素水平编码 编码因素滚筒转速（）筒毂直径 截齿升角（）表 试验方案与结果 序号滚筒转速 筒毂直径 截齿升角 装煤率 试验结果及分析通过 软件将表 装煤率的离散元法研究结果开展非线性回归分析见表 。表 装煤率回归方程检验表 来源平方和自由度均方值回归 残差 修正前 修正后 查 表得 （，），（，），因此回归方程表现显著，其二次回归的方程模型陕西煤炭 年结 通过 编写程序计算获得所研究因素的三维等值线如图 所示。?图 装煤率等值线 由图 可以看出，滚筒转速对装煤率影响最大，筒毂直径次之，截齿升角对装煤率影响最小。滚筒转速位于零水平，当筒毂直径开始逐渐增大，装煤率与其有着非线性关系，出
10、现了先急剧上升后缓慢下降的现象；将筒毂直径固定在零水平时，当滚筒转速开始逐渐增加，装煤率则呈现出先上升后下降的现象。当滚筒转速固定在零水平时，随着截齿升角的增加，装煤率呈现出缓慢下降的现象；当截齿升角固定在零水平时，随着滚筒转速的增加，装煤率呈现出先上升后下降的现象。当筒毂直径固定在零水平时，随着截齿升角的增加，装煤率呈现出缓慢上升的现象；当截齿升角固定在零水平时，随着滚筒转速的增加，装煤率呈现出先急剧上升后缓慢下降的现象上述图表明滚筒直径、截齿升角、滚筒转速和筒毂直径之间存在复杂的非线性耦合关系。采煤机性能优化通过煤矿综采采区设计规范以及采煤机各性能评价指标的回归方程建议约束函数 （）由 中
11、非线性优化函数 及程序开展 寻 优 处 理，最 终 求 得 圆 整 后 滚 筒 转 速 为 ，筒毂直径为 ，截齿升角角度为 。在此条件下进行仿真验证试验，试验结果得到装煤率为 。结论（）将 采煤机作为研究对象，对煤炭颗粒位于截齿上的动力学模型开展分析研究，并利用应用程序编程接口（）对煤炭颗粒接触模型进行二次开发。（）通过离散元软件 开展仿真，由二次回归正交旋转组合方法建立以装煤率为采煤机工作性能评价指标的回归方程，并以 绘制该评价指标的等值线图，得到试验因素对其影响趋势以及主次因素。（）确定所研究采煤机的最佳部分参数组合，当圆整后采煤机滚筒转速为 ，筒毂直径为 ，截齿升角角度为 时，装煤率最大
12、为 。参考文献：赵振保 采煤机截割粉尘扩散运移规律的试验研究 北京理工大学学报，（）：，刘永刚，侯立良，秦大同，等 基于 神经网络的煤层硬度多等级识别方法 东北大学学报（自然科学版），（）：赵亚兰，郭红兵 运用离散元法的物料颗粒体流动特性与储料斗结构优化研究 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，（）：第 期贺炳伟采煤机滚筒截割性能参数优化分析（下转第 页）。郭佐宁，高?，薛忠新，等 张家峁选煤厂智能化建设架构设计研究 煤炭工程，（）：孙再征 基于 的选煤厂 正向设计方法研究 煤炭工程，（）：杨新，焦柯，鲁恒 基于 的建筑正向协同设计平台模式研究 土木建筑工程信息技术，（）：张德海，韩进宇，赵
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