陳 浩

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦 ，山西 霍州 031412）

0 引 言

采煤機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，負(fù)荷變化很大，一些關(guān)鍵部件經(jīng)常因過(guò)載工作而損壞。比如采煤機(jī)牽引行走部的負(fù)荷大、載荷不均，其支撐軸承很容易出現(xiàn)磨損或滾動(dòng)體破裂等現(xiàn)象和鏈輪齒根的斷裂。特別是采煤機(jī)完成斜切截煤后才能開(kāi)始直線(xiàn)截煤工作，而在斜切截煤的過(guò)程中輸送機(jī)會(huì)呈現(xiàn)彎曲為“S”型的扭曲狀態(tài)，也正是這種“S”型的扭曲使輸送機(jī)具有引導(dǎo)采煤機(jī)前進(jìn)、截煤的能力，但這種“S”型彎曲或一定角度的扭曲，會(huì)造成采煤機(jī)牽引部瞬時(shí)載荷過(guò)大，從而導(dǎo)致局部區(qū)域應(yīng)力超過(guò)材料屈服極限，產(chǎn)生塑性形變的累積，在長(zhǎng)時(shí)間的工作后產(chǎn)生疲勞斷裂或脆斷。這些存在的問(wèn)題很大程度上是由采煤機(jī)的動(dòng)態(tài)特性研究不夠造成的，動(dòng)態(tài)特性的研究不足導(dǎo)致我們無(wú)法了解采煤機(jī)牽引部在位移、速度、載荷變化的劇烈程度，因此采煤機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)也缺乏理論參考，對(duì)局部零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用考慮不足，引起結(jié)構(gòu)的破壞也就在所難免。針對(duì)采煤機(jī)牽引部動(dòng)態(tài)特性研究不足的情況，本文采用基于ADAMS-LSDYNA聯(lián)合仿真的手段，對(duì)采煤機(jī)牽引部在斜切進(jìn)刀截煤時(shí)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究。

1 采煤機(jī)牽引部動(dòng)態(tài)特性研究流程

針對(duì)斜切工況下采煤機(jī)的載荷波動(dòng)幅度較大，工況惡劣，但又缺乏相關(guān)研究的問(wèn)題，文章旨在開(kāi)展采煤機(jī)在斜切截煤時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性研究。首先建立了采煤機(jī)的整體三維模型，于ADAMAS軟件中加以斜切工況時(shí)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系及運(yùn)動(dòng)輸入條件，如行走輪初始速度等參數(shù)，得到采煤機(jī)的前后滾筒在此工況下的軸向偏移、滾筒相對(duì)于煤壁的偏轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。并以這兩種參數(shù)隨時(shí)間的變化作為L(zhǎng)SDYNA軟件中滾筒斜切截煤有限元模型的邊界條件，得到了滾筒的動(dòng)態(tài)載荷。最后將滾筒的動(dòng)態(tài)載荷加載到滾筒質(zhì)心上，結(jié)合采煤機(jī)的整體樣機(jī)模型，最后得到了采煤機(jī)在斜切時(shí)的牽引部總體的動(dòng)力學(xué)特性。研究流程可表述如圖1所示。

圖1 斜切工況下采煤機(jī)牽引部動(dòng)力學(xué)仿真流程圖

2 采煤機(jī)斜切截煤運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 斜切煤模型的建立

根據(jù)相關(guān)文件規(guī)定，刮板輸送機(jī)在水平方向的彎曲角度應(yīng)控制在1°范圍內(nèi)，同時(shí)，要求其彎曲部分的橫向位移值應(yīng)大于滾筒的最大寬度。因此，結(jié)合相關(guān)理論計(jì)算公式，確定了輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)的數(shù)量為11套，其彎曲段的長(zhǎng)度為23.5m，其主要性能參數(shù)如表1所示。同時(shí)，建立了經(jīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的采煤機(jī)斜切截煤模型，如圖2所示。

表1 采煤機(jī)中部槽參數(shù)表

圖2 采煤機(jī)斜切模型

將采煤機(jī)斜切3D模型導(dǎo)入ADAMAS，設(shè)置其零部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系：電機(jī)軸與牽引箱、齒輪與牽引箱、行星輪與行星架、行星架與內(nèi)齒圈設(shè)定為轉(zhuǎn)動(dòng)副；內(nèi)齒圈與牽引箱、外花鍵與齒輪設(shè)定為固定副；導(dǎo)向滑靴與牽引箱、平滑靴與牽引箱設(shè)定為旋轉(zhuǎn)副。如圖3所示。

圖3 斜切截煤仿真模型

2.2 仿真結(jié)果獲取

運(yùn)動(dòng)仿真的參數(shù)設(shè)定為：行走輪初始轉(zhuǎn)速為4.2r/min，采煤機(jī)整個(gè)仿真過(guò)程的仿真時(shí)間定義為290s。最后得到采煤機(jī)斜切進(jìn)刀時(shí)滾筒運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線(xiàn)，如圖4所示。因此，在后面的仿真分析過(guò)程中，將會(huì)以圖4的滾筒運(yùn)動(dòng)特性曲線(xiàn)作為其邊界條件。

圖4 滾筒偏轉(zhuǎn)角度與軸向位移隨時(shí)間的變化

3 滾筒斜切截過(guò)程中的載荷計(jì)算

3.1 采煤機(jī)滾筒截割煤巖有限元模型

結(jié)合建立的滾筒三維模型，采用LS-DYNA軟件，對(duì)其進(jìn)行有限元仿真模型的建立，所建立的仿真模型如圖5所示。根據(jù)模型中滾筒結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，對(duì)其進(jìn)行了10節(jié)點(diǎn)單元的SOLID168；而煤壁的三維模型相對(duì)較簡(jiǎn)單，因此，選用8節(jié)點(diǎn)單元的SOLID185。同時(shí)，束條件設(shè)置為：將滾筒X方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和Y方向的平動(dòng)自由度均設(shè)置為0個(gè)，把第2節(jié)獲得的滾筒偏轉(zhuǎn)角度與軸向位移隨時(shí)間的變化作為此次仿真的邊界條件進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間設(shè)定為290s，獲取分析結(jié)果。

圖5 滾筒斜切截煤有限元模型

3.2 仿真結(jié)果獲取

仿真結(jié)束后獲得前后滾筒分別在X、Y、Z三個(gè)方向上的受力變化，如圖6所示。

圖6 前后滾筒三向受力變化曲線(xiàn)

4 斜切工況下?tīng)恳縿?dòng)力學(xué)分析

4.1 載荷施加

將第3節(jié)獲得的三向力分解成數(shù)據(jù)后導(dǎo)入ADAMAS軟件，并將載荷施加采煤機(jī)斜切截煤時(shí)的前后滾筒質(zhì)心上，完成載荷施加，并進(jìn)行采煤機(jī)斜切截煤時(shí)的牽引部運(yùn)動(dòng)特性仿真。

4.2 結(jié)果分析

1）導(dǎo)向滑靴受力分析。

采煤機(jī)主要通過(guò)彎曲段的刮板輸送機(jī)和導(dǎo)向滑靴的共同引導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)在斜切工況下斜切進(jìn)刀操作，導(dǎo)致導(dǎo)向滑靴因受外力過(guò)大而出現(xiàn)了較大程度損壞。因此，采用了ADAMS軟件，對(duì)采煤機(jī)開(kāi)展了動(dòng)力學(xué)仿真研究，得到了導(dǎo)向滑靴及行走輪的動(dòng)態(tài)載荷曲線(xiàn)，并由此確定了導(dǎo)向滑靴在彎曲段行走過(guò)程中相對(duì)銷(xiāo)排的接觸位置示意圖，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)向滑靴與銷(xiāo)軌接觸示意圖

通過(guò)分析可知，導(dǎo)靴A、B的內(nèi)側(cè)與銷(xiāo)排的外側(cè)之間由于相互接觸。產(chǎn)生了較大的摩擦力，此摩擦力即為導(dǎo)靴、銷(xiāo)排在Y方向上的接觸力。從圖8中可以看出：導(dǎo)靴Y方向上有著十分復(fù)雜的接觸力，而前后導(dǎo)靴在Y方向上的受載變化相反。當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)出彎曲部分刮板輸送機(jī)時(shí)，前導(dǎo)靴和后導(dǎo)靴受載波動(dòng)較大。

圖8 導(dǎo)靴Y向受力變化

圖9 行走輪受載曲線(xiàn)隨時(shí)間的變化

2）行走輪受力分析。

從圖9中的行走輪的力曲線(xiàn)可以看出，在傾斜切割條件下，采煤機(jī)行走輪的牽引阻力呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)，分析其原因?yàn)椋河捎诓擅簷C(jī)隨著切割作業(yè)的不斷進(jìn)行，其切割所涉及的截齒逐漸增加，因接觸產(chǎn)生的摩擦力也逐漸增加，最終導(dǎo)致了采煤機(jī)所需的牽引力也逐步增大，以現(xiàn)象與實(shí)際工作情況基本吻合。

5 結(jié) 論

文章提供了連續(xù)過(guò)程仿真獲得牽引部動(dòng)力學(xué)特性的方式，采用ADAMS-LSDYNA聯(lián)合仿真的手段獲取了較為可靠的滾筒軸向偏移與轉(zhuǎn)角等運(yùn)動(dòng)參數(shù)隨時(shí)間的變化、滾筒三向載荷變化曲線(xiàn)、導(dǎo)靴、行走輪受力隨時(shí)間的變化。根據(jù)多種仿真分析可得到以下結(jié)論：

1）在采煤機(jī)彎曲段兩節(jié)銷(xiāo)排的連接處由于存在局部誤差，導(dǎo)致導(dǎo)靴與行走輪在此處產(chǎn)生了較大的沖擊作用力，長(zhǎng)時(shí)間工作后易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞?？赏ㄟ^(guò)對(duì)彎曲段的參數(shù)的合理設(shè)置，以此來(lái)減小銷(xiāo)排連接處的誤差和導(dǎo)向滑靴與行走輪在此處的沖擊力值，保證采煤機(jī)的正常運(yùn)行。

2）連續(xù)過(guò)程仿真與多種軟件的聯(lián)合仿真，獲取的牽引部動(dòng)斜切截煤的動(dòng)力學(xué)特性，為后續(xù)其他工況下動(dòng)力學(xué)特性分析提供了思路和方法，重要的是獲得部件如滾筒、行走輪的受載隨時(shí)間的變化可用作有限元強(qiáng)度分析的輸入與邊界條件，為開(kāi)展零部件的強(qiáng)度評(píng)估提供了先決條件。

3）滾筒在170s斜切截煤時(shí)，偏轉(zhuǎn)角與軸向偏移都較大，這就容易引起剛度失效與強(qiáng)度失效，可在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)減小滾筒軸距的方式來(lái)提高滾筒在軸向的剛度，對(duì)局部應(yīng)力集中的位置進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、開(kāi)圓孔、選用高強(qiáng)度材料的方式來(lái)降低局部應(yīng)力。