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        關(guān)于采煤機行走輪的動力學(xué)仿真分析

        2019-11-05 06:49:52郇郭建
        山西焦煤科技 2019年9期
        關(guān)鍵詞:搖臂樣機采煤機

        郇郭建

        (霍州煤電集團 呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦, 山西 方山 033100)

        采煤機作為重要的煤礦開采設(shè)備,在煤礦開采中發(fā)揮著重要作用。但由于采煤機在實際工作過程中,經(jīng)常處于超負荷狀態(tài),加上井下環(huán)境相對復(fù)雜,導(dǎo)致采煤機經(jīng)常出現(xiàn)部件受力不均勻、卡死等故障,無法保證長時間正常作業(yè)。掌握作業(yè)過程中關(guān)鍵部件的運動特性及運動規(guī)律,對提高采煤機的開采效率很重要。

        因此,以采煤機結(jié)構(gòu)組成為基礎(chǔ),建立了采煤機的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型,采用UG和ADAMS軟件,建立了采煤機的虛擬樣機模型,對采煤機在空載和受載狀態(tài)進行了動力學(xué)仿真分析研究,并提出了提高采煤機工作效率的措施。

        1 采煤機結(jié)構(gòu)組成分析

        目前,采煤機主要采用的是雙滾筒采煤機,運行可靠,開采效率高。其結(jié)構(gòu)主要包括螺旋滾筒、截割部、液壓傳動部、噴霧冷卻系統(tǒng)、行走部、滑靴、中間控制箱、破碎機等。其中,滾筒機構(gòu)是采煤機中的主要工作機構(gòu),焊接該結(jié)構(gòu)上的螺旋葉片和端盤,可實現(xiàn)快速開采。牽引電機進行動力輸出,通過行走部上軌道與輪軌之間的相互嚙合,將動力傳輸至行走機構(gòu),從動帶動采煤機沿工作面移動。采煤機中的噴霧系統(tǒng)主要進行降塵和煤炭冷卻。電控系統(tǒng)對采煤機進行直接操作控制。

        2 采煤機動力學(xué)模型分析

        建立采煤機動力學(xué)模型是進行整機動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。結(jié)合采煤機的結(jié)構(gòu)特點,去除采煤機中的電控、液壓、噴霧系統(tǒng)等,采用質(zhì)量塊進行配重代替;采用連桿機構(gòu),建立包含多個機構(gòu)的采煤機簡化機構(gòu)模型。其中,將滾筒到牽引箱和搖臂之間的連接件用l1桿表示,搖臂與牽引箱之間的轉(zhuǎn)接連桿用l2表示,搖臂與牽引箱體鉸接點到行走輪軸心的水平距離、垂直距離采用l3和l4表示,行走輪軸心到牽引箱體與活塞缸鉸接處的水平距離、垂直距離用l6、l7表示,采煤機簡化后的動力學(xué)模型見圖1. 同時,對圖1中各個鉸接處進行了受力分析,得出采煤機的整體受力傳遞情況。此動力學(xué)模型可作為采煤機動力學(xué)仿真分析的理論基礎(chǔ)。

        圖1 采煤機整機簡化后的動力學(xué)模型圖

        3 采煤機虛擬樣機建立

        3.1 三維模型建立

        結(jié)合采煤機的結(jié)構(gòu)組成機構(gòu)可知,采煤機的結(jié)構(gòu)包含左截割部、右側(cè)調(diào)高油缸、右截割部等部件。為進一步對采煤機的運動情況進行分析,采用UG軟件,建立包含采煤機主要部件的三維模型;同時,為提高模型的仿真精度,減少因非關(guān)鍵零件對仿真結(jié)果的影響,對三維模型中的螺栓、螺母、定位銷、圓角、倒角等零件及特征進行了模型簡化。由此,建立采煤機三維模型,見圖2.

        圖2 采煤機三維模型圖

        3.2 虛擬樣機仿真模型建立

        將建立的三維模型導(dǎo)入至ADAMS動力學(xué)軟件中,建立動力學(xué)仿真模型。在軟件中,對所有零件進行材料的定義,將零件材料設(shè)置為Q235材料;同時,對滾筒與搖臂、行走輪與導(dǎo)向滑靴、牽引箱體與行走輪等零件之間的鉸接處施加旋轉(zhuǎn)副,銷排與地面之間設(shè)置為固定副,并在l3連桿上施加驅(qū)動力,對整體施加重力,保證該樣機模型的重量與實際的重量基本相同。仿真時間設(shè)置為15 s,步長設(shè)置為0.2 s. 由此,建立了采煤機的虛擬樣機仿真模型。

        4 整機動力學(xué)仿真結(jié)果

        由于采煤機右側(cè)行走輪為主要受力部件。因此,根據(jù)滾筒的實際受載情況,通過在右側(cè)行走輪的滾筒質(zhì)心上施加1 010 N驅(qū)動載荷和130 N·m的旋轉(zhuǎn)力矩,分別對采煤機空載狀態(tài)及受載狀態(tài)時右側(cè)行走輪的受力情況進行分析研究,得出其受力變化曲線圖,見圖3,圖4. 由圖3,4可知,行走輪在整個受力過程中,其接觸力的變化均相對穩(wěn)定,波動性較小,僅在零件剛啟動瞬間出現(xiàn)了較大的波動現(xiàn)象。

        圖3 采煤機空載時右側(cè)行走輪受力曲線圖

        圖4 采煤機受載時右側(cè)行走輪受力曲線圖

        根據(jù)圖3,圖4的分析結(jié)果,對曲線中的數(shù)據(jù)進行整理,得到兩種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)對比表,見表1. 由表1可知,行走輪在受載時的平均接觸力是空載時的1.17倍,其峰值接觸力是空載時的1.23倍。由此可知,行走輪在受載狀態(tài)時具有更高的接觸力,在行走輪長期作用過程中,受載狀態(tài)下更容易發(fā)生故障失效的可能性,而行走輪的失效將對采煤機的正常運行產(chǎn)生重要影響。因此,需對行走輪的結(jié)構(gòu)性能及采煤機的運動效率進行優(yōu)化改進。

        表1 行走輪空載與受載狀態(tài)下的接觸力對比表

        采煤機空載時左側(cè)行走輪受力曲線見圖5. 結(jié)合圖3,圖5,對采煤機在空載狀態(tài)下右側(cè)行走輪與左側(cè)行走輪的接觸力進行了對比分析,得對比表,見表2. 由表2可知,采煤機右側(cè)行走輪的接觸力值無論是峰值還是平均值均比左側(cè)行走輪的接觸力大,其原因為:采煤機在向左截割運動過程中,重心向右進行了偏移,此時,右側(cè)搖臂向下產(chǎn)生了力,左側(cè)搖臂則向上產(chǎn)生了部分作用力,進而使右側(cè)行走輪承受的作用力比左側(cè)更大。因此,在空載或作業(yè)過程中,同比條件下要求右側(cè)行走輪具有更高的結(jié)構(gòu)性能,以保證采煤機的正常運行。

        圖5 采煤機空載時左側(cè)行走輪受力曲線圖

        工作狀態(tài)平均接觸力/kN峰值接觸力/kN右側(cè)行走輪3 3145 870左側(cè)行走輪3 2905 140右側(cè)與左側(cè)比值1.0071.14

        5 提高整機工作效率的措施

        結(jié)合采煤機運動過程的動力學(xué)分析可知,右側(cè)行走輪在受載狀態(tài)下具有更高的接觸力,在使用過程中極易發(fā)生故障。因此,需對行走輪的結(jié)構(gòu)性能及采煤機的工作效率進行優(yōu)化改進,提出如下措施:

        1) 增大行走輪接觸力較大處材料的強度及結(jié)構(gòu)厚度,提高其結(jié)構(gòu)強度;同時,加大行走輪上受力較大處圓弧結(jié)構(gòu),提高其承載能力。

        2) 定期對行走輪進行維護保養(yǎng),對接觸力較大位置處定時添加潤滑油,保證接觸時摩擦力較小。

        3) 應(yīng)避免采煤機在超負荷狀態(tài)下長時間的開采作業(yè),且在受載狀態(tài)下工作時,應(yīng)按照規(guī)定的作業(yè)時間對行走輪的運行情況進行檢查,保證行走輪及采煤機的正常運行。

        4) 采煤機應(yīng)嚴格按照正確的操作規(guī)程開采作業(yè),針對出現(xiàn)問題,應(yīng)及時維修和保養(yǎng),以提高采煤機的工作效率和作業(yè)安全。

        6 結(jié) 論

        以采煤機結(jié)構(gòu)組成為基礎(chǔ),建立了采煤機的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型,采用UG和ADAMS軟件,建立了采煤機的虛擬樣機模型,對采煤機在空載和受載狀態(tài)進行了動力學(xué)仿真分析研究,仿真結(jié)果表明,采煤機的右側(cè)行走輪在受載狀態(tài)下具有更高的接觸力,且右側(cè)行走輪比左側(cè)受到的接觸力更大,此現(xiàn)象與實際狀態(tài)基本吻合。因此,在使用過程中,要求行走輪需具有更高的結(jié)構(gòu)性能,且重點提高右側(cè)行走輪結(jié)構(gòu)性,以降低采煤機的故障,提高開采效率。

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