王東東， 許向前

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)成莊礦， 山西 晉城 048000）

引言

煤炭資源存儲(chǔ)的地質(zhì)條件非常的惡劣，對開采設(shè)備關(guān)鍵部件的工作性能要求非常高，要求開采設(shè)備具有一定的使用壽命能夠保證煤炭開采作業(yè)的連續(xù)進(jìn)行[1-3]。掘進(jìn)機(jī)是開辟煤炭開采巷道的重要專業(yè)設(shè)備，在對開采工作面進(jìn)行掘進(jìn)的時(shí)候會(huì)遇到許多不可預(yù)見的地質(zhì)障礙物，主要為堅(jiān)硬的巖石體。掘進(jìn)機(jī)在開辟工作面通道的時(shí)候，不可避免地會(huì)與堅(jiān)硬物質(zhì)發(fā)生切削作用，從而造成掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。掘進(jìn)機(jī)在開辟通道的時(shí)候會(huì)根據(jù)掘進(jìn)工作進(jìn)程的不同而調(diào)整不同的姿態(tài)以完成掘進(jìn)作業(yè)，因此，掘進(jìn)機(jī)截割部結(jié)構(gòu)一直會(huì)不斷地調(diào)整位置和姿態(tài)，從而帶動(dòng)截齒在四周不同的方位進(jìn)行連續(xù)的調(diào)整，截割部結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)就會(huì)隨著不同的姿態(tài)而發(fā)生改變，對于整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性影響也非常的大，將直接決定截割部開采煤炭的能力和效率。

1 EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)及功能特性

1.1 EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)

EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)是目前大型現(xiàn)代化煤礦企業(yè)常用的掘進(jìn)設(shè)備，可以很好地適應(yīng)現(xiàn)代煤礦開采發(fā)展的工作性能要求。該類型掘進(jìn)機(jī)與其他類型常見的掘進(jìn)機(jī)組成部件大致相同，主要分為裝載部、截割部、本體部、后穩(wěn)定裝置、運(yùn)輸部、行走部等六大關(guān)鍵部件[4]，為了帶動(dòng)六個(gè)關(guān)鍵部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，主要通過掘進(jìn)機(jī)的四大系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，分別為液壓系統(tǒng)、噴水降塵系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)[5]。其中最關(guān)鍵的部件為截割部結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是直接與地層物質(zhì)進(jìn)行接觸并進(jìn)行破碎作業(yè)的關(guān)鍵部件，由驅(qū)動(dòng)箱帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)，通過變速箱進(jìn)行變速，使截割部結(jié)構(gòu)能夠在一定角速度下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，通過截齒與煤炭或巖石進(jìn)行切割，開辟出新的開采通道。為提高切削力度，截割部結(jié)構(gòu)的切割頭為圓錐形結(jié)構(gòu)，EBG200B型掘進(jìn)機(jī)的切割頭直徑為1 300 mm，通常采用88 個(gè)截齒，每一個(gè)截齒按照一定的角度進(jìn)行集中布置，具有耐沖擊、耐腐蝕、使用壽命較強(qiáng)的特點(diǎn)[6]，如圖1 所示。

圖1 EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 功能特性

EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)的截割部部分與其他掘進(jìn)機(jī)有一定的區(qū)別，其滾筒部件與懸臂部件是呈垂直的關(guān)系，該類型掘進(jìn)機(jī)的最大工作高度為5.8 m，最大的切割寬度為9.8 m，可切削的巖層硬度較大，最大硬度可達(dá)到12 級。為了提高工作效率，將該類型掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)為裝煤和運(yùn)煤相分離的工作系統(tǒng)，減小了掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)工作面的時(shí)候發(fā)生安全生產(chǎn)事故的概率并且提高了裝卸煤炭的工作性能。EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)尤其適合于當(dāng)代煤礦生產(chǎn)大斷面巷道開采，工作穩(wěn)定性較好且使用壽命較長。

2 三維實(shí)體建模

2.1 截割部三維建模

由于本次研究的主要對象為掘進(jìn)機(jī)的截割部結(jié)構(gòu)，按照實(shí)際尺寸1∶1 的比例對截割部結(jié)構(gòu)建立起三維模型，對于螺栓、螺母、連接板等零碎性部件進(jìn)行簡化，可以提高劃分有限元仿真網(wǎng)格的質(zhì)量以及求解速度。將截割頭結(jié)構(gòu)與伸縮臂進(jìn)行分別建模，并將兩者進(jìn)行裝配組合在一起形成截割部結(jié)構(gòu)，如下頁圖2 所示。

圖2 EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)截割部

2.2 掘進(jìn)機(jī)三維建模

由于掘進(jìn)機(jī)除了截割部結(jié)構(gòu)以外，還包括其他關(guān)鍵部件，分別為裝載部、本體部、后穩(wěn)定裝置、運(yùn)輸部、行走部等五大關(guān)鍵部件。上述幾個(gè)部件也是組成掘進(jìn)機(jī)開采工作的重要部件，為了提高整體結(jié)構(gòu)的仿真準(zhǔn)確性，應(yīng)精準(zhǔn)地建立起其他部件的三維模型。由于上述部件與截割部結(jié)構(gòu)是直接相聯(lián)系，應(yīng)按照對截割部結(jié)構(gòu)的三維模型建模標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行同樣的模型建立準(zhǔn)則，并將主要的6 個(gè)部件裝備在一起，作為后期仿真分析，劃分網(wǎng)格單元的模型本體，以此通過各個(gè)部件之間的相互配合建立起EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型，如圖3 所示。

圖3 EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)三維結(jié)構(gòu)模型

3 仿真結(jié)果分析

3.1 運(yùn)動(dòng)關(guān)系定義

按照實(shí)際工況運(yùn)轉(zhuǎn)條件，對決定及各個(gè)部件之間的相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)定，將主要的重心位置設(shè)置于掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)臺(tái)的中央部位，利用Adams 動(dòng)力學(xué)分析軟件對每個(gè)運(yùn)動(dòng)主體的慣性屬性進(jìn)行設(shè)定。通過設(shè)定運(yùn)動(dòng)副相等條件將掘進(jìn)機(jī)在360°轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行參數(shù)規(guī)定，并設(shè)定每個(gè)部件的質(zhì)量屬性，通過對邊界條件的約束，設(shè)定掘進(jìn)機(jī)各個(gè)支撐零部件的仿真運(yùn)動(dòng)模型結(jié)構(gòu)。

3.2 網(wǎng)格劃分

基于三維模型結(jié)構(gòu)對掘進(jìn)機(jī)截割部結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用SOLID60 結(jié)構(gòu)體單元，應(yīng)用4 個(gè)截面6節(jié)點(diǎn)的高精度網(wǎng)格單元對于畸形網(wǎng)格進(jìn)行整體合并，要求網(wǎng)格四面體夾角必須大于45°。通過對掘進(jìn)機(jī)整體網(wǎng)格的劃分，網(wǎng)格數(shù)目為1 216 631，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為3 887 296，EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

圖4 EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 模態(tài)分析求解

對EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)截割部結(jié)構(gòu)前6 階模態(tài)進(jìn)行分析，求解出每一階模態(tài)的固有頻率大小以及最大振幅發(fā)生的結(jié)構(gòu)部位，以此可以判斷出截割部結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)的振型特性。通過分析求解得出，EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)截割部結(jié)構(gòu)最大振幅為第6 階模態(tài)形態(tài)，如圖5 所示。

圖5 截割部6 階模態(tài)振型示意圖

由圖5 分析求解結(jié)果可知，第一階模態(tài)的頻率為26.12 Hz，相對于截割部法蘭固聯(lián)約束，這一振型中最大振幅0.02 mm 位于截割電機(jī)外殼端一側(cè)；第二階模態(tài)的頻率為27.27 Hz，相對于截割部法蘭固聯(lián)約束，這一振型中最大振幅0.013 mm 位于截割電機(jī)外殼端上部；第三階模態(tài)的頻率為81.29 Hz，相對于截割部法蘭固聯(lián)約束，這一振型中最大振幅0.003 mm 位于截割頭一端截齒處；第八階模態(tài)的頻率為85.03 Hz，相對于截割部法蘭固聯(lián)約束，這一振型中最大振幅0.008 mm 位于截割臂外筒前端處；第四階模態(tài)的頻率為87.71 Hz，相對于截割部法蘭固聯(lián)約束，這一振型中最大振幅0.006 mm 位于截割臂外筒前端下部；第六階模態(tài)的頻率為88.29 Hz，相對于截割部法蘭固聯(lián)約束，這一振型中最大振幅0.016 mm位于截割臂伸縮內(nèi)筒前端蝶形板處。

4 結(jié)論

通過仿真結(jié)果可以得知，要求EBG200B 型掘進(jìn)機(jī)截割部機(jī)構(gòu)在工作過程中應(yīng)避開26.12 Hz、27.27 Hz、81.29 Hz、85.03 Hz、87.71 Hz、88.29 Hz 振動(dòng)頻率的載荷力作用。因此應(yīng)加強(qiáng)對截割部結(jié)構(gòu)中部的結(jié)構(gòu)材料優(yōu)化以及設(shè)置加強(qiáng)筋板。