滚筒式采煤机是机械化采煤作业的主要机械设备,在煤矿开采中占有重要地位。研究截齿与煤壁的相互作用规律,有助于进一步研究滚筒的截割性能,继而改善采煤机的工作效率、稳定性与寿命。有鉴于此,研究不同参数下截齿对煤壁的破坏作用与截割性能,对于螺旋滚筒的优化设计具有重要的意义。本课题对截齿与滚筒截割过程进行研究,主要包括以下内容。

        首先,基于对煤壁物理力学性质的了解,借助PFC3D软件建立了离散元煤壁模型,进行单轴抗压与巴西劈裂模拟试验,测出了模拟煤壁的力学性质,使之与真实煤壁相匹配;随后,利用UG软件建立镐型截齿模型并导入PFC3D,在不同切削厚度下对该模拟煤壁进行直线截割仿真,并利用回归分析的方法验证了煤壁模型的可靠性。其次,在切削厚度为5 mm、10 mm、15 mm的条件下,分别分析了截割角为40°、45°、50°和55°以及截割线速度为2 m/s、3 m/s、4 m/s和5 m/s十六种情况下煤壁微破坏、截齿载荷以及截割比能耗。

        再次,建立了双齿截割模型,研究了相关截割模式与非相关截割模式下镐型截齿截割机理与截割性能。此外,探讨了切削厚度为5 mm、10 mm、15 mm和20 mm的条件下及截线距为10 mm、20 mm、30 mm、40mm、50 mm、60 mm、70 mm和80 mm三十二种情况下镐型截齿对煤壁的微破坏、载荷以及截割比能耗。最后,建立了单齿旋转截割模型与滚筒截割模型,分别分析了截齿(滚筒)转速为40 r/min、50 r/min、60 r/min和70 r/min以及牵引速度为2 m/min、3 m/min、4 m/min和5 m/min十六种情况下截齿与滚筒的截割性能。

        通过上述研究内容,得出以下结论:利用回归分析法验证了仿真结果的正确性与模拟煤壁的可靠性;截割线速度越大,截齿对煤体的剪切错动作用越强,随着截割线速度与截割角的增大,截齿载荷与截割比能耗均呈先增大后减小的趋势,综合考虑,截割线速度应取3~4 m/s,截割角取45~50°为宜;截线距越大,截齿间的相互程度作用越弱,截齿对煤壁的剪切错动作用越强,截齿载荷越大,截线距与切削厚度之比为3.5~4之间时,截割比能耗最小;滚筒载荷随牵引速度的增大而增大,而随着滚筒转速的增大,滚筒载荷为先减小后增大,当截齿转速为60 r/min,牵引速度为2m/min时,滚筒载荷达到最小值,与单齿旋转截割仿真结果一致;滚筒截割比能耗随牵引速度的增大而减小,而当牵引速度恒定时,随着滚筒转速的增大,截割比能耗则为先减小后增大,当滚筒转速为50 r/min,牵引速度为5 m/min时,截割比能耗达到最小值,截割效率最高。