董小兵

（陽(yáng)煤五礦機(jī)運(yùn)區(qū)， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其主要負(fù)責(zé)工作面煤層的截割、落煤任務(wù)。采煤機(jī)的截割效率和可靠性是保證工作面生產(chǎn)能力的關(guān)鍵。在實(shí)際生產(chǎn)過程中由于煤層特點(diǎn)的不確定性很大，不同煤層采煤機(jī)所承受的載荷處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)，從而使得采煤機(jī)的壽命和可靠性，受到影響。為提升采煤機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)中的可靠性，需掌握不同載荷對(duì)采煤機(jī)壽命影響機(jī)理，為采煤機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考[1]。本文著重對(duì)采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)行期間截割部和牽引部的負(fù)載特性進(jìn)行研究，并分析不同載荷對(duì)采煤機(jī)可靠性及壽命的影響。

1 采煤機(jī)負(fù)載特性研究

采煤機(jī)截割部和牽引部為其關(guān)鍵分系統(tǒng)，本文著重對(duì)該處的負(fù)載特性進(jìn)行研究，為后續(xù)負(fù)載對(duì)采煤機(jī)可靠性影響機(jī)理研究提供依據(jù)。

1.1 采煤機(jī)截割部負(fù)載特性研究

截割部為采煤機(jī)的關(guān)鍵部件，其能耗占據(jù)整機(jī)運(yùn)行功率的80%左右，螺旋滾筒為截割部的關(guān)鍵部件，其主要任務(wù)實(shí)現(xiàn)落煤和裝煤任務(wù)。因此，截割部在實(shí)際截割過程中承受煤層和落煤對(duì)滾筒的反作用力，即截割部所承受的外部載荷[2]。本節(jié)著重對(duì)上述外部載荷的特性展開研究。

截齒為截割部承受外部載荷的單一個(gè)體，當(dāng)其截入煤壁時(shí)主要承受截割阻力和牽引阻力、裝煤反作用力等幾種力構(gòu)成采煤機(jī)截割部的外部載荷體系。在建立采煤機(jī)在截割生產(chǎn)中的瞬時(shí)截割力、牽引阻力、側(cè)向力、裝煤反作用力以及附加軸向力數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，基于Matlab 對(duì)截割部的瞬時(shí)載荷進(jìn)行模擬分析。本文對(duì)采煤機(jī)截割一般煤層和含硫化鐵煤層時(shí)的受力情況進(jìn)行模擬分析，得出如圖1 所示的仿真模擬結(jié)果。

圖1 采煤機(jī)截割部載荷特性仿真結(jié)果

如圖1-1 所示，當(dāng)采煤機(jī)截割正常煤層時(shí)截割部三個(gè)方向所承受載荷變化趨勢(shì)一致均類似于正弦曲線，且截割部所承受的最大合力為14 533.2 N，所承受的最小合理為10 096.2 N。如圖1-2 所示，當(dāng)采煤機(jī)截割含硫化鐵煤層時(shí)截割部在三個(gè)方向的受力均出現(xiàn)峰值，并且截割部應(yīng)力出現(xiàn)峰值后又瞬時(shí)降至很低，說(shuō)明截割含硫化鐵煤層時(shí)截割部所承受載荷具有沖擊性[3]。經(jīng)耦合可知截割含硫化鐵煤層三個(gè)方向的最大合力為77 940.3 N，三個(gè)方向的最小合力為8 196.4 N。

綜上所述，對(duì)于正常煤層而言截割部所承受載荷相對(duì)均勻，而對(duì)于含硫化鐵煤層而言截割所承受的載荷的波動(dòng)距離，且所消耗的功率也很大。

1.2 采煤機(jī)牽引部負(fù)載特性研究

采煤機(jī)牽引部的主要負(fù)載為牽引阻力，其主要任務(wù)是根據(jù)生產(chǎn)需求實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在工作面的移動(dòng)，其功耗占據(jù)全機(jī)功率的15%左右。實(shí)際上，采煤機(jī)牽引阻力與截割阻力相關(guān)，為避免牽引電機(jī)的過載或者超載需通過對(duì)牽引速度的實(shí)時(shí)控制已達(dá)到平衡負(fù)載的效果[4]。因此，研究采煤機(jī)牽引部的負(fù)載特性對(duì)采煤機(jī)牽引阻力的確定和后續(xù)傳動(dòng)部件的強(qiáng)度校核具有實(shí)際意義。

本節(jié)對(duì)截割含硫化鐵煤層時(shí)最惡劣工況下采煤機(jī)牽引部的負(fù)載特性進(jìn)行研究。對(duì)應(yīng)截割部的截割參數(shù)如下：截割深度為0.45 m，滾筒直徑為0.8 m，滾筒轉(zhuǎn)速為91.1 r/min，牽引速度為2.5 m/min。采煤機(jī)牽引部所受到的牽引阻力有明顯的峰值與采煤機(jī)所需牽引力的變化趨勢(shì)一致。在實(shí)際牽引過程中，牽引部所承受的負(fù)載波動(dòng)劇烈。

2 不同負(fù)載對(duì)采煤機(jī)壽命影響的仿真分析

2.1 仿真模型的搭建

基于Pro/E 三維建模軟件對(duì)采煤機(jī)的搖臂殼體、截割部行星齒輪減速器、滾筒、牽引油缸等建立基礎(chǔ)模型，并根據(jù)其配合關(guān)系完成采煤機(jī)截割部模型的整體裝配，并對(duì)裝配后的模型進(jìn)行干涉檢查合格后根據(jù)零部件之間的相互關(guān)系添加固定副、旋轉(zhuǎn)副、滑移副等約束[5]。所搭建的仿真模型如圖2 所示。

2.2 不同負(fù)載對(duì)采煤機(jī)壽命影響的仿真分析

本節(jié)對(duì)不同截割部負(fù)載和牽引部負(fù)載下采煤機(jī)的可靠性進(jìn)行仿真分析。由第1 節(jié)的研究可知，不同牽引速度對(duì)應(yīng)牽引部的負(fù)載不同，不同滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)截割部的負(fù)載不同。因此，本節(jié)對(duì)不同牽引速度、不同截割速度組合下采煤機(jī)的可靠性進(jìn)行仿真分析。其中，所研究采煤機(jī)牽引部的速度n 分別為4 m/min、5 m/min、6 m/min、7 m/min，滾筒轉(zhuǎn)速 v 分別為70 r/min、80 r/min 以及 90 r/min。

其中：對(duì)應(yīng)采煤機(jī)殼體的屈服極限值為345 MPa，許用應(yīng)力值為138 MPa；行星架的屈服極限值為930 MPa，許用應(yīng)力值為500.3 MPa；行星軸的屈服極限值為980 MPa，許用應(yīng)力值為527.2 MPa。

如表1 所示：當(dāng)牽引速度≥6 m/min 時(shí)，采煤機(jī)殼體的應(yīng)力大于其許用應(yīng)力值，處于非常危險(xiǎn)的狀態(tài)；當(dāng)牽引速度為5 m/min 滾筒轉(zhuǎn)速≥80 r/min 時(shí)行星架最大應(yīng)力值大于其許用應(yīng)力值，而且當(dāng)牽引速度≥6 m/min 時(shí)對(duì)應(yīng)行星架的最大應(yīng)力均大于其許用應(yīng)力值；當(dāng)牽引速度≥7 m/min 時(shí)，對(duì)應(yīng)行星軸的最大應(yīng)力均大于其許用應(yīng)力。

綜上所述，為保證采煤機(jī)生產(chǎn)時(shí)的可靠性，延長(zhǎng)采煤機(jī)的使用壽命，針對(duì)本文所研究的工作面，應(yīng)將最佳牽引速度控制在5 m/min 以內(nèi)，而且當(dāng)牽引速度為5 m/min 時(shí)，要求對(duì)應(yīng)滾筒的轉(zhuǎn)速不能大于80 r/min。

圖2 基于Pro/E 搭建的采煤機(jī)截割部與牽引部的仿真模型

表1 不同負(fù)載對(duì)應(yīng)采煤機(jī)可靠性的仿真數(shù)據(jù)應(yīng)力值 MPa

3 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)為綜采工作面的主要設(shè)備，其可靠性和截割效率、牽引速度直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力。因此，需根據(jù)綜采工作面的煤層、巖層特性對(duì)采煤機(jī)的滾筒旋轉(zhuǎn)速度和牽引速度進(jìn)行適應(yīng)性控制，使采煤機(jī)的生產(chǎn)效率達(dá)到最大，使用壽命最長(zhǎng)，為實(shí)現(xiàn)工作面高效、節(jié)能生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。