1、采煤机螺旋叶片磨损问题分析研究安力钢（山西焦煤霍州煤电雪坪煤业有限公司，山西临汾041000）摘要：针对综采工作面采煤机的滚筒螺旋叶片出现的严重磨损问题，利用 ANSYS 仿真模拟软件进行分析，发现螺旋叶片尾部出现较为严重的应力集中现象，其主要原因是叶片在装煤过程中尾部出现严重的装煤阻力。针对磨损原因进行螺旋叶片尾部材质更换，可显著提升采煤机的生产效率及使用寿命。关键词：采煤机螺旋叶片磨损三维模型网络剖分中图分类号：TD421.6文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0058-02引言现阶段综采工作面采煤机已成为大多数煤矿首选生产设备，而采煤机滚筒螺旋叶片作为采煤机上最重
2、要的组成部件，直接承担截割煤壁以及装运煤炭的任务，其工作环境极为恶劣。因此螺旋叶片的磨损问题是影响煤壁截割效率，限制生产能力的一大因素。基于采煤机螺旋叶片磨损问题进行研究分析，是提高采煤机生产效率和使用寿命的重要途径。1采煤机滚筒结构组成采煤机作为综采工作面主要的生产设备，负责煤壁的截割工作，其滚筒结构如图 1 所示。在工作过程中，采煤机通过滚筒旋转截割煤壁，将截割下的煤体运输至刮板输送机槽体中，因此滚筒工作性能的优劣直接决定着采煤机生产效率以及整个煤矿综采工作面的产量。由图 1 可以看出，采煤机滚筒通过上部固定在轮毂及端盘上的螺旋叶片进行煤壁的截割作业，为了保证煤壁的截割效率，就要确保采煤机
3、滚筒螺旋叶片的安全可靠运行。2螺旋叶片仿真模拟2.1仿真模型建立对采煤机滚筒螺旋叶片进行仿真模拟建模主要包括以下几个方面：1）三维模型的建设工作。首先利用 SoildWorks 软件绘制出一个采煤机滚筒的三维模型，忽略三维模型中的一些倒角、螺纹等对仿真实验的影响效果。2）设置采煤机滚筒模型的具体材料参数，并对网格进行剖分。螺旋叶片、轮毂以及端盘的材料均设置为 16Mn，该材料的密度为 7.85103kg/m3、弹性模量为 219 GPa。合金头的材质选取 YG8，其密度为 1.46103kg/m3、弹性模量为 590 GPa。截齿的材料选取 42CrMn，材料的密度与 16Mn 材料的密度相同
4、，弹性模量值为 212 GPa。对于网格的剖分为自由划分方式。3）约束条件以及边界载荷的添加情况为：确保按照采煤机滚筒能够绕轴自由转动的方式对滚筒添加约束，载荷的添加方向保持与采煤机滚筒的轴线相垂直即可。2.2仿真结果完成上述采煤机滚筒的三维模型建立后即可开始进行仿真试验，利用 ANSYS 仿真软件进行计算，其中采煤机滚筒螺旋叶片的等效应力分布如图 2 所示。由图 2 可以看出，采煤机滚筒螺旋叶片在对煤壁进行截割的过程中会出现应力集中现象，而且应力集中出现的位置主要集中在采煤机滚筒螺旋叶片的尾部，最大值可达 440 MPa 左右。出现应力集中现象的原因进行初步经验分析认为：采煤机滚筒螺旋叶片在
5、煤壁截割过程中会同时起到对煤的支撑装运效果，将截割下来的煤装运至刮板输送机上，因此随着时间的增加，采煤机滚筒螺旋叶片上必定会出现煤炭的堆积，而且在螺旋叶片的尾部也是最先出现煤炭堆积的部位，也就使得这一位置处受到的摩擦力以及压力会迅速增收稿日期：2022-03-14作者简介：安力钢（1982），男，河北保定人，硕士，毕业于河南理工大学安全工程专业，工程师，研究方向为安全与通风工程。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.
6、0221截齿；2齿座；3轮毂；4端盘；5螺旋叶片图 1采煤机滚筒结构示意图图 2采煤机滚筒螺旋叶片应力（Pa）分布示意图12345tBDDxDyr4.397e+083.666e+082.935e+082.203e+081.472e+087.405e+079.139e+05试验研究2023 年第 2 期大，随着时间的增长造成了采煤机滚筒螺旋叶片尾部更容易产生磨损的现象。2.3结果分析对上页图 2 中的采煤机滚筒三维模型网格中的三个单元应力随时间变化情况进行绘图分析，如图 3所示。由图 2 可以看出，最左侧即采煤机滚筒螺旋叶片的外边缘菱角处 575 797 单元、最上部 612 236 单元以及右
7、下侧 659 538 单元即螺旋叶片靠近尾处，这3 个部位是螺旋叶片最容易出现磨损的地方。通过对图 3 中曲线进行分析可以看出，左侧外边缘棱角在1.1 s 时刻被磨掉，而靠近尾处则在 1.6 s 处被磨掉。通过各单元的应力振幅可以看出，采煤机滚筒螺旋叶片在进行工作时，初始情况下螺旋叶片截割煤炭在叶片上的赋存量较少，叶片的承受应力载荷也就较小1。随着时间的延长，截割煤量在螺旋叶片上的赋存增加，截割煤量也在增大，螺旋叶片的承受载荷也在相应增大，造成了仿真模拟中各单元的应力振幅值开始增大；直到采煤机滚筒所有螺旋叶片参与截割作业时，螺旋叶片之间的应力数值将区域稳定，振幅变化也趋于稳定数值，应力不再变化
8、，这一现象也符合综采工作面采煤机滚筒的实际生产过程。3螺旋叶片磨损区域及原因分析3.1叶片磨损区域变化研究通过仿真模拟对采煤机滚筒螺旋叶片的磨损区域渐变效果进行分析，结果如图 4 所示。在 0.6 s 时，螺旋叶片在末尾端出现了较为严重的磨损，到 1 s 及2 s 时，同一位置的磨损情况更为严重。也就是说，随着采煤机滚筒运转时间的延长，螺旋叶片在相同位置的磨损情况也会越为严重，而磨损面积却在变小。基于这种现象进行螺旋叶片磨损原因分析，在叶片截割煤壁过程中，由于与煤壁的接触面不会是完全光滑的平面，总会存在一些凹凸面，在截割煤壁的初始过程中叶片就会将这些凹凸面磨掉，因此在螺旋叶片工作前期会出现磨损
9、，而到工作后期，磨损面积也就不会快速增长，磨损情况也就变得相对稳定2。3.2磨损深度变化研究利用仿真模拟对采煤机滚筒螺旋叶片的磨损深度随时间变化关系进行分析，具体结果如图 5 所示。由图 5 可以看出，采煤机滚筒螺旋叶片的磨损深度随时间的增长而逐渐加深，同样加深的速率在不断变缓，其中到 2 s 时螺旋叶片的磨损深度达到了 3.6m。通过对采煤机滚筒螺旋叶片磨损深度随时间的变化情况可以发现，更换螺旋叶片的材质可显著降低叶片的磨损效果。在综采工作面进行采煤截割作业过程中，螺旋叶片的直接受力是煤体，而煤体的普遍坚固性系数为 3.5，在采煤机滚筒转速设置为 90 r/min，采煤机牵引速度保持在 4
10、m/min 时，采煤机叶片的磨损情况保持在 3.6m，若加大螺旋叶片材质的硬度，这一数值将进一步减小，因此适当调整采煤机滚筒螺旋叶片的材质可基本忽略螺旋叶片的磨损深度影响3。3.3磨损原因分析通过对图 4 中采煤机滚筒螺旋叶片的磨损情况进行分析发现，除了在尾部较容易出现磨损之外，磨损面还有向内部倾斜的现象。出现这种现象的原因是采煤机滚筒螺旋叶片在尾部受到的作用力大于其他部位，由于螺旋叶片的作用是进行煤壁截割的同时起到一定的装煤作用，因此螺旋叶片在尾部承受的作用力大多是叶片截割下煤壁后装煤造成的。螺旋叶片从煤壁上截割下煤体后，利用叶片的推力将煤体推至刮板输送机，这也是导致采煤机滚筒螺旋叶片的尾部
11、容易出现磨损变形的主要原因。而螺旋叶片尾部与刮板输送机溜槽之间的距离较小，装煤阻力在这一点的作用力使得螺旋叶片尾部出现磨损的程度也就越大，而且若出现块度较大的煤体时，还会出图 3滚筒模型截取单元的应力随时间变化曲线图 4采煤机滚筒螺旋叶片磨损区域变化示意图图 5采煤机滚筒螺旋叶片磨损深度随时间变化曲线90075060045030015000.00.51.01.52.0时间/s应力/MPa单元 612 236单元 659 538单元 575 7974-1t=0.6 s4-2t=1.0 s4-3t=2.0 s4.03.53.02.52.01.51.00.50.51.01.52.0时间/s磨损总深度
12、/m（下转第 62 页）安力钢：采煤机螺旋叶片磨损问题分析研究59机械管理开发第 38 卷最终，等待转速趋于稳定后，将其输入到动力模型中，对各个张力点的情况进行探讨，得到了如图 6所示的张力图，观察图 6 可知，最大张力有所下降，但是处在中间处的张力大小会有微微的上升，综合以上实验结论可以得知，通过机尾部电机的调速，电机的功率能够实现平衡。4结语基于现有的理论分析，根据仿真模拟手段，具体分析了刮板输送机电动机平衡功率的干扰因素，通过功率分配方案的提出，研制出了一套实现电动机功率平衡的控制系统。在本文最后采用仿真分析，验证了该控制系统的可靠性与可行性。参考文献1孟国营，程晓涵.我国矿用刮板输送机
13、技术现状及发展分析J.煤炭工程，2014（4）：91-93.2张东升，毛君，刘占胜.刮板输送机启动及制动动力学特性仿真与实验研究J.煤炭学报，2016（9）：241-249.3何柏岩，孙阳辉，聂锐，等.矿用刮板输送机圆环链传动系统动力学行为研究J.机械工程学报，2012（6）：54-60.（编辑：贾娟）图 5机尾电动机电流图 6特殊点张力Scraper Motor Power Balance Control Strategy and Simulation AnalysisWang Xufeng（Yangquan Coal Group Qiyuan Coal Industry Co.,Ltd.,
14、Shouyang Shanxi 045000）Abstract:In response to the disturbance of motor by factors such as lay length,motor load and changes in structural performanceparameters of scraper,power imbalance occurs,resulting in damage to equipment and even shutdown.Based on the existing theoreticalanalysis and accordin
15、g to the simulation means,the disturbance factors of the scraper conveyor motor balance power are specificallyanalyzed,and a control system to realize the motor power balance is developed through the proposal of power allocation scheme.Usingsimulation analysis,the reliability and feasibility of this
16、 control system are verified.Key words:scraper conveyor;electric motor；power balancing;control system;stimulation analysis8004002000-200-400-600012345678时间/s电流/AC相Park s d 轴10620.015.010.05.00.0222324252627282930时间/s张力/N机头啮合点机头分离点机尾啮合点机尾分离点现螺旋叶片尾部卡煤的情况，从而加剧尾部的磨损效果。4结语采煤机滚筒螺旋叶片作为采煤机截割煤壁时最重要的工作组件，其磨损性能的优劣直接决定了采煤机在综采工作面的工作效率以及采煤机设备的使用寿命。针对采煤机滚筒螺旋叶片的磨损问题进行仿真试验模拟，对螺旋叶片的磨损原因进行分析，发现螺旋叶片的尾部最容易出现应力集中现象，出现的原因主要是因为螺旋叶片在装煤过程中出现较大的装煤阻力，因此基于这种现象进行螺旋叶片尾部材质改进，降低叶片磨损效果，可显著提升采煤机的生产效率。参考文献1李斌.采煤机滚筒螺旋叶片磨损的影响因素分析J.机
