采煤机截割滚筒自动调高技术是实现采煤工作面自动化的重要关键技术之一[1-3].滚筒自动调高技术的实现依赖于调高系统的优化设计,煤岩分界辨识技术的精确可行及自动调高控制策略的合理制定.然而受采煤工作面特殊工况的限制,无法通过真实采煤机结合现场工况来研究采煤机调高的相关问题[4],为此提出建立采煤机模拟截割实验装置,该装置能模拟采煤机的截割运动、调高运动及牵引运动,为采煤机的自动调高研究提供实验平台.
模拟截割实验装置以某型薄煤层采煤机为原型，按照相似理论进行设计,如图 1所示：截割电机8经过模拟摇臂2驱动模拟螺旋滚筒3旋转来模拟采煤机截割运动；调高油缸5连接于机身6与模拟摇臂2,在液压泵站1的驱动下实现采煤机调高运动模拟；牵引油缸9一端固定在底座7上,另一端固定在机身6下部,在液压泵站1的驱动下实现采煤机牵引运动模拟.
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| 1—液压泵站；2—模拟摇臂；3—模拟螺旋滚筒；4—模拟煤壁；5—调高油缸；6—机身；7—底座；8—截割电机；9—牵引油缸. 图 1 采煤机模拟截割实验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of simulated cutting experiment device for shearer |
螺旋滚筒具有外形结构复杂、截齿定位参数多、截齿配置困难等特点,同时它作为采煤机的工作机构,其结构与运动参数是牵引部、调高部等其他部件设计的基础,对整机的性能有重要影响,是采煤机模拟截割实验装置设计中的重点和难点.为此,本文重点论述该模拟截割实验装置中模拟螺旋滚筒的设计.
1 确定模拟螺旋滚筒相关参数 1.1 相似参数的确定在相似模型设计中,首先需要确定相似参数.为使模拟截割实验装置准确模拟采煤机的实际工况,必须做到2个相似：一是模拟螺旋滚筒与实际螺旋滚筒相似,二是截割材料与实际煤岩的力学性质相似.据此,在确定模拟螺旋滚筒的相似参数时,不仅需要选取螺旋滚筒结构参数,同时应选取采煤机运动参数和截割材料特性参数[5].螺旋滚筒结构参数包括滚筒直径D、螺旋叶片外缘直径Dy、筒毂直径Dg、螺旋叶片导程L、滚筒宽度B、截齿冲击角β、叶片头数Z和叶片上同一截线上截齿数m.采煤机运动参数包括滚筒转速n和牵引速度ν.截割材料特性参数包括材料密度ρ和材料抗压强度σ.此外,考虑到装置实验结果的相似性,因螺旋滚筒截割阻力矩Tf能够反映截割状态,故将截割阻力矩Tf作为实验结果的相似参数.
1.2 相似准则的推导对于量纲相同的多个参数，其满足相同的相似准则,为简化计算,仅取其中一个参数进行相似准则推导.对于滚筒直径D、螺旋叶片外缘直径Dy、筒毂直径Dg、螺旋叶片导程L和滚筒宽度B这5个参数,其单位均为mm,即满足相同的相似准则,限于篇幅在表 1、表 2、表 3中仅对参数滚筒直径D进行相似准则推导.
| 参数 | 符号 | 数值 | 单位 | 量纲 | M | L | T |
| 滚筒直径 | D | 1 150 | mm | M0L1T0 | 0 | 1 | 0 |
| 螺旋叶片头数 | Z | 2 | 个 | M0L0T0 | 0 | 0 | 0 |
| 叶片上同一截线上截齿数 | m | 2 | 个 | M0L0T0 | 0 | 0 | 0 |
| 截齿冲击角 | β | 40 | (°) | M0L0T0 | 0 | 0 | 0 |
| 滚筒转速 | n | 54 | r/min | M0L0T-1 | 0 | 0 | -1 |
| 牵引速度 | ν | 6.47 | m/min | M0L1T-1 | 0 | 1 | -1 |
| 材料密度 | ρ | 1 350 | kg/m3 | M1L-3T0 | 1 | -3 | 0 |
| 材料抗压强度 | σ | 23 | MPa | M1L-1T-2 | 1 | -1 | -2 |
| 截割阻力矩 | Tf | — | N·m | M2L1T2 | 1 | 2 | -2 |
| 参数 | n | ρ | D | ν | σ | Tf |
| 指数 | a1 | a2 | a3 | a4 | a5 | a6 |
| M | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| L | 0 | -3 | 1 | 1 | -1 | 2 |
| T | -1 | 0 | 0 | -1 | -2 | -2 |
| 参数 | n | ρ | D | ν | σ | Tf |
| 指数 | a1 | a2 | a3 | a4 | a5 | a6 |
| π1 | 1 | 0 | 0 | -1 | -1/3 | 1/3 |
| π2 | 0 | 1 | 0 | 2 | -1 | 0 |
| π3 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1/3 | -1/3 |
采用MLT基本量纲系统,列出原型机滚筒相关参数数值及量纲表,如表 1所示.
由表 1知在MLT基本量纲系统下Z,m和β为无量纲物理量,在相似模型设计中,原型与模型相关物理量数值相等[6],不需要推导相似准则.
经上述分析,需推导相似准则的参数共6个,分别为D，n，ρ，ν，σ，Tf.根据相似第二定理(π定理),相似参数个数为6,基本量纲个数为3,那么π法则数目为3(6-3)个.由量纲分析知D，n，ρ包含了M，L，T三个基本量纲.同时D，n，ρ分别对应着螺旋滚筒结构类参数、采煤机运动类参数、截割材料特性类参数.所以,选定D，n，ρ为基本物理量列出量纲矩阵指数表，如表 2所示.
根据表 2中量纲的指数值,由因次量纲矩阵的量纲关系得
根据量纲矩阵列出π矩阵.按式(1)计算出矩阵中各数值并填入表 3的矩阵中.
根据表 3列出π法则,如式(2)所示：
相似系数Cx为
式中：x 表示原型中物理量；xm表示对应原型中x的模型物理量.
由式(2)和式(3)可建立相似系数关系式为
目前,滚筒模型的相似系数取值并没有可借鉴的理论方法.在文献[7]中取CD=1/8,Cn=8,Cρ=1/82；在文献[8]中，CD=1/3,Cn=3,Cρ=1.本文结合具体的设计要求确定相似系数.要求模拟滚筒直径Dm≤300 mm,故取CD=1/4.考虑截割速度vj为截齿齿尖线速度,其式为
常用的截割速度vj=3～4 m/s[ 9],取模型vj=4 m/s,因此确定Cn=2.5,模拟截割材料由原型机截割的煤粉及岩粉配制而成,Cρ=1,由此结合式(4)确定其他相关参数的相似系数，如表 4所示.
| 参数 | 原型 | 模型 |
| 滚筒直径 | D | D/4 |
| 螺旋叶片头数 | Z | Z |
| 截齿冲击角 | β | β |
| 叶片上同一截线上截齿数 | m | m |
| 滚筒转速 | n | 2.5n |
| 牵引速度 | ν | ν/1.6 |
| 材料密度 | ρ | ρ |
| 材料抗压强度 | σ | σ/2.56 |
| 截割阻力矩 | Tf | Tf/163.84 |
螺旋叶片上的截线数Ny为
其中,叶片上截线距t与截齿平均截割高度h有以下关系：
对裂缝多且崩裂角大的脆性煤：t/h=2～2.5；
对裂缝少而崩裂角小的黏性煤：t/h=1.5～2.
对于配制的模拟截割材料,具有均质无裂隙、崩裂角大的特点,取
截齿平均截割高度 [10]为
由式(6)，式(7)，式(8)计算得Ny=7 条,所以,叶片上布置7条截线.
目前,叶片上截齿配置方式有顺序式、棋盘式、畸变Ⅰ式、畸变Ⅱ式等方式[11-12].原型机叶片上采用Z=2个,m=2个的顺序式截齿配置,由表 4知,模型的螺旋叶片头数、叶片上同一截线上截齿数数值与原型机相应参数相同,即模型的叶片上也采用顺序式截齿配置.
滚筒上截齿具有3类安装角度:冲击角β、倾斜角β1、歪斜角β2.截齿安装角示意如图 2.
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| 图 2 截齿安装角示意图 Fig.2 Sketch of the assembly angle of cutting pick |
螺旋滚筒上的所有截齿冲击角相等,螺旋叶片上截齿歪斜角与倾斜角都为零,只有冲击角不为零[8].由表 1知,原型机截齿冲击角为40°,因而模型叶片上截齿冲击角β=40°.
2.2 端盘上截齿配置端盘上的截齿靠近煤壁,工作条件恶劣,端盘部截距t′应为叶片部截线距t的一半,即
端盘截齿的截线数Nd为
得Nd=3条,故端盘上布置3条截线.
从煤壁向采空区,依次定义端盘上3条截线为D1,D2,D3.
截齿数：截线D1暴露在最外侧,工作条件最恶劣,截线上齿数最多,其截齿数应比叶片上截齿数多3～4个,为提高设计可靠性, D1上布置6个截齿；截线D2 及D3上截齿数应大于叶片上截齿数,且小于截线D1上截齿数,取截齿数为3个.
冲击角：端盘上截齿冲击角与叶片上截齿冲击角相同,即β=40°.
倾斜角：截线D1截齿应具备在煤壁上自开缺口的能力,截线D1截齿应取较大倾斜角,且倾斜角不大于50°,取倾斜角为40°；截线D2为0°齿截线,倾斜角为0°；螺旋滚筒工作中受较大侧向力,为抵消滚筒所受侧向力,截线D3倾斜角取-8°,向采空区一侧倾斜.
歪斜角：歪斜角的设置是为了增加最外侧截线上齿座与煤壁侧壁间隙,减小齿座与煤壁间摩擦.对于本设计,只有截线D1上截齿与煤壁侧壁可能产生摩擦,取截线D1歪斜角为5°,截线D2和D3上截齿歪斜角取0°.
汇总端盘截齿配置信息如表 5所示.模拟螺旋滚筒截齿配置如图 3所示.
| 截线 | 截齿数/个 | 冲击角/(°) | 倾斜角/(°) | 歪斜角/(°) |
| D1 | 6 | 40 | 40 | 5 |
| D2 | 3 | 40 | 0 | 0 |
| D3 | 3 | 40 | -8 | 0 |
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| 图 3 模拟螺旋滚筒截齿配置图 Fig.3 Picks arrangement of simulated spiral drum |
在SolidWorks软件环境下,首先建立模拟螺旋滚筒中各零件的模型：1)筒毂,2)螺旋叶片,3)端盘,4)截齿,5)齿座.螺旋叶片2上开有安装槽,安装槽定位对于后续截齿虚拟装配十分重要,现就螺旋叶片2建模过程作简要说明：①在SolidWorks草图模式下绘制2条直径分别为叶片外缘直径与筒毂直径的螺旋线；②使用放样折弯特征,选取①中的2条螺旋线,设定叶片厚度为20 mm,生成螺旋叶片；③根据图 3中滚筒上端部安装槽的位置信息,使用拉伸切除特征在螺旋叶片上切出一个安装槽；④运用曲线阵列特征阵列③中安装槽,阵列出7个安装槽,完成螺旋叶片全部建模.
根据螺旋滚筒零件间连接关系,在零件模型间添加配合约束实现虚拟装配.运用SolidWorks干涉检查功能对装配体进行干涉检查,根据检查结果完善设计.最终,模拟螺旋滚筒的三维建模如图 4所示.
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| 1—筒毂；2—螺旋叶片；3—端盘；4—截齿；5—齿座. 图 4 模拟螺旋滚筒三维图 Fig.4 Graphic model of simulated spiral drum |
论文依据相似理论确定了模拟螺旋滚筒的结构参数、运动学参数及截割材料特性参数；对螺旋滚筒进行了截齿配置，确定了叶片和端盘上的截线条数、截齿分布及各齿的冲击角、倾斜角和歪斜角，在此基础上完成了模拟螺旋滚筒的三维建模，为采煤机模拟截割实验装置整机设计奠定了基础.
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