作為落煤和裝煤的主要工作機構，螺旋滾筒可直接影響采煤機的工作性能。近年來，已對采煤機螺旋滾筒的設計和工作性能開展了大量的研究項目。這些成果為提高采煤機的運行效率提供了參考。

螺旋滾筒在復雜煤層條件下運行時，非線性和強耦合沖擊載荷會對螺旋滾筒本身以及采煤機關鍵部件的可靠性產生巨大影響。為此，我們的研究人員基于 CAE 模型和 EDEM 離散元仿真分析軟件的剛柔耦合，利用經過改進的粒子群優化算法來提高螺旋滾筒的綜合性能。

通過剛柔結合對采煤機進行建模和仿真

采煤機工作時，作用在前滾筒上的載荷要大于后滾筒，因此前截割截面是本項目的主要關切目標。依照前蘇聯的破煤理論，并根據項目組開發的“載荷仿真程序”，采煤機的截深為 800 mm，滾筒轉速為 58 r/min，牽引速度為 10 m/min。

研究團隊用 Pro/Engineer 建立采煤機模型，并將其導入到全球最值得信賴的多體動力學軟件 MSC Adams 中。然后用有限元軟件生成螺旋滾筒和行星架柔性體，替換 Adams 模型中的相應剛性部件。在添加了約束條件、接觸點及虛擬樣機驅動力之后，含剛性部件和柔性部件的采煤機 Adams 模型如圖 3 所示。

圖3.MSC Adams中的采煤機虛擬樣機

下一步將來自真實實物試驗的初始載荷正確導入到 Adams 模式中，以確保用于仿真的邊界條件與現實相符。圖 4 至圖 6 給出了一些仿真結果，顯示了前滾筒上的應力分布、最大應力曲線以及滾筒齒的應力圖。行星架的應力圖和應力曲線如圖 7 和圖 8 所示。

圖4.前滾筒上的應力分布

圖5.螺旋滾筒的最大應力曲線

圖7.行星架上的應力分布

圖8.行星架的應力變化歷程曲線

從圖 4 至 圖 6 可以看出，螺旋滾筒的最大應力值為 779.946 MPa，計算出的安全系數為 1.635。最大應力值節點位于第 12 條剖面線的第 24 個齒上。如圖 7 和圖 8 所示，行星架的最大應力值為 347.17 MPa，因此安全系數為 1.872，最大應力點出現在行星軸的孔洞處。

用 EDEM 軟件預測采煤機的運煤性能

依照采煤理論，選擇 Hertz-M 接觸模型進行仿真。在 EDEM 軟件中設置材料參數以及滾筒與采煤工作面之間的接觸參數。根據滾筒樣機和滾筒模型的開采條件，煤炭顆粒設備如圖 9 所示。

圖9.EDEM中的煤炭顆粒裝置模型

將采煤機的 CAD 模型以 IGES 格式導入 EDEM 之后，仿真模型如圖 10 所示。

圖10.包含采礦機和煤炭塊料的EDEM模型

如圖 11 所示，在正常操作條件下，成功的裝煤顆粒數為 9,476，未成功的裝煤顆粒數為 5,964。裝煤成功率為 61.37%。根據實際使用 MG400/951-WD 采煤機的實物試驗結果，裝煤率超過 60%。通過應用離散元法，該采煤性能仿真結果為采煤機螺旋滾筒的可靠性設計提供了明確的數據支持。

圖11.EDEM中的裝煤效果仿真

改進螺旋滾筒的穩健設計

螺旋滾筒的結構參數會對其工作性能產生影響。因此，要想改進滾筒的性能，就必須對螺旋滾筒的穩健設計進行優化。

經過優化設計后，會得到新的螺旋滾筒模態中性文件，然后將其導入到 MSC Adams 中，以便進行有限元分析—多體動力學耦合仿真分析從圖 12 中可見，經優化的螺旋滾筒的最大應力為 735.841 MPa，比以前的設計低 5.65%。行星架的最大應力值為 332.117 MPa，比以前低 4.34%。螺旋滾筒設計變量的這些變化可減少截割抗力，從而降低了作用在關鍵零部件上的載荷。

總結

這種基于仿真的設計結果表明，結構參數對螺旋滾筒可靠性的負面影響有所降低，并且提高了螺旋滾筒的綜合性能。優化后的螺旋滾筒滿足設計要求。2015 年 6 月，這種經過改進的采煤機完成制造，已在兗州煤業的鄂爾多斯礦區正式投入運行。單機年產量已達 120 萬噸。該采煤機工作穩定可靠。

參考文獻

1. 趙麗娟、范佳藝、李明昊，復雜煤層采煤機螺旋滾筒漸變可靠性設計 [J]，煤炭學報（中國）。