郄巖偉

（晉能控股集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 030600）

引言

隨著社會對于煤炭需求量的增大，對采煤機(jī)工作性能的要求也日益增加，采煤機(jī)在面臨高強(qiáng)度開采作業(yè)的同時也受到了來自礦井惡劣環(huán)境的不利影響[1]。采煤機(jī)在切割煤炭時會發(fā)生強(qiáng)烈的振動，組成采煤機(jī)的搖臂殼體和牽引殼部體在受到強(qiáng)大沖擊力的時候同時產(chǎn)生振動，如果發(fā)生的振動現(xiàn)象超過了安全臨界線就會造成采煤機(jī)的停機(jī)。強(qiáng)烈的振動不僅會影響采煤機(jī)的安全平穩(wěn)性，還會損壞采煤機(jī)的截齒，采煤機(jī)的截齒被損壞后就會做出非正常的開采作業(yè)，影響切割面的正常開采。強(qiáng)烈的振動也會產(chǎn)生較大的噪音，對礦井內(nèi)一線作業(yè)人員的職業(yè)健康安全造成了威脅[2]。因此，通過ANSYS 仿真軟件對搖臂殼體和牽引殼部體在受到強(qiáng)大沖擊力作用后的振動特性進(jìn)行研究。

1 采煤機(jī)的組成及工作原理

1.1 采煤機(jī)的組成

通過對煤礦企業(yè)常用的MG2×70/325-BWD 型采煤機(jī)進(jìn)行研究，該類型采煤機(jī)為雙滾筒式的采煤機(jī)結(jié)構(gòu)，主要由截割部、牽引部、行走部和附屬裝置等部分組成[3]。MG2×70/325-BWD 型采煤機(jī)割煤效率較高且對各類煤層的適應(yīng)性較強(qiáng)，主要工作部件為滾筒，通過滾筒的高速旋轉(zhuǎn)以螺旋葉片帶動截齒對煤炭進(jìn)行接觸切割，不僅可以進(jìn)行割煤工作，還可以完成落煤和裝煤工作，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 采煤機(jī)的工作原理

圖1 MG2×70/325-BWD 型采煤機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

采煤機(jī)通過牽引部位的電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動軸轉(zhuǎn)動，并且通過減速箱齒輪的配合比對旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行降速，使其滿足能夠應(yīng)用于煤炭開采作業(yè)的切割轉(zhuǎn)速。采煤機(jī)將沿著預(yù)定的工作面進(jìn)行移動，按照采煤工作面的開采程度進(jìn)行轉(zhuǎn)移[4]。同時，割煤電機(jī)帶動采煤機(jī)前后兩個滾筒進(jìn)行割煤作業(yè)，前后兩個可以調(diào)節(jié)的油缸之間進(jìn)行密切配合。當(dāng)前臂遙感的調(diào)高油缸提升一定的角度之后將沿煤壁進(jìn)行頂煤，而后搖臂的油缸將降低角度在底部割煤。按照上述的工作原理，采煤機(jī)按照循環(huán)的模式在礦井工作面實(shí)現(xiàn)采煤、運(yùn)輸?shù)纫幌盗泄ぷ鱗5]。

2 仿真模型的建立

為了提高仿真結(jié)果的精確性，按照實(shí)際尺寸1∶1的比例建立起三維模型。通過Pro/E 三維建模軟件對MG2×70/325-BWD 型采煤機(jī)的三維模型進(jìn)行建立，分別建立起滾筒模型、齒輪模型、螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件模型以及研究的兩個重要對象——搖臂殼體、牽引部殼體的模型。為了提高仿真的工作效率，對零碎部件進(jìn)行去除，刪除一些倒角、圓角、支撐板等對仿真結(jié)果影響不大的零碎部件[6]。搖臂殼體、牽引部殼體的模型如下頁圖2 所示。

在完成了對各個部件三維模型圖的建立之后，應(yīng)將各個模型進(jìn)行裝配組裝，通過采用由下往上的裝配方法，按主裝配與子裝配相結(jié)合的模式完成二次裝配，實(shí)現(xiàn)對整機(jī)結(jié)構(gòu)的總裝。并且要對裝配后的各個零部件進(jìn)行干涉檢查，便于后期導(dǎo)入ADAMS 軟件后不出現(xiàn)運(yùn)行錯誤，首先應(yīng)對子裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行干涉檢查，按照順序完成最終的總機(jī)檢查過程，總裝結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖2 采煤機(jī)搖臂殼體、牽引部殼體結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 采煤機(jī)整機(jī)裝配圖

3 仿真模型的建立

采煤機(jī)在對煤炭切割的時候可以考慮為理想的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，通過對采煤機(jī)各個運(yùn)動部件之間的相互運(yùn)動關(guān)系分析，設(shè)置部件兩者之間的相互作用力以及相互之間的自由度約束關(guān)系，通過ADAMS軟件在各個部件之間設(shè)置運(yùn)動關(guān)系，模擬實(shí)際采煤機(jī)在工作過程中的轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，并且對每個部件之間的摩擦力按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。

由于采煤機(jī)由金屬材料而制成，考慮實(shí)際情況不能將其定義為完全的剛體結(jié)構(gòu)，應(yīng)將搖臂與牽引部兩殼體設(shè)置為柔性體，使其在仿真過程中受到作用力的狀態(tài)后會發(fā)生振動效應(yīng)，著重對采煤機(jī)搖臂殼體、牽引部殼體結(jié)構(gòu)加密網(wǎng)格結(jié)構(gòu)以提高仿真的精確性，搖臂殼體、牽引部殼體柔性體外添加約束副，提高其運(yùn)動要求，建立的采煤機(jī)三維仿真模型圖并施加剛?cè)狁詈献饔眯?yīng)模型如圖4 所示。

圖4 采煤機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ?/p>

設(shè)置采煤機(jī)前滾筒的軸向作用力為78 821.47 N，后滾筒的軸向作用力為67 788.08 N。按照實(shí)際工況條件在ANSYS 軟件中設(shè)置載荷參數(shù)，同時設(shè)置巖石結(jié)構(gòu)體為無反射邊界條件情況，更加符合實(shí)際情況，以提高仿真的準(zhǔn)確性。

4 振動特性結(jié)果分析

模擬采煤機(jī)前后兩個滾筒切割煤炭的整個過程，將輸出的數(shù)據(jù)曲線以現(xiàn)Spline 的形式導(dǎo)入，并在ADAMS 軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)的信息處理，通過MATLAB軟件對數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行擬合，使其成為平順的振動波浪線。搖臂殼體和牽引部殼體振動特性示意圖如圖5 所示。

圖5 振動特性曲線示意圖

對搖臂殼體和牽引部殼體質(zhì)心受到的瞬時負(fù)載振動曲線進(jìn)行傅立葉變換，得到了進(jìn)行振動分析的頻域曲線，如圖5 所示，由圖5 可以看出，采煤機(jī)搖臂殼體和牽引部殼體所受到的外載荷的頻率范圍為0～25 Hz，優(yōu)勢頻率集中在低頻段。搖臂殼體總體變形明顯大于牽引部殼體的變形，其中搖臂殼體由11階到12 階、牽引部殼體由12 階到13 階的振動變形明顯的增大。

如圖6 可知，搖臂殼體最大的振動變形在13 階模態(tài)上，振動頻率為11.292 Hz；牽引部殼體最大的振動變形在15 階模態(tài)上，振動頻率為19.211 Hz。兩個重要部件的振動變形主要發(fā)生與結(jié)構(gòu)的中部，呈彎曲變形狀態(tài)，隨著開采作業(yè)的進(jìn)行中部結(jié)構(gòu)振動較為劇烈。

因此在對采煤機(jī)搖臂殼體和牽引部殼體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的時候，應(yīng)在結(jié)構(gòu)中部兩翼加金屬板，在行走部安裝腔體以及與電控箱安裝腔薄壁處設(shè)置橡膠隔墊，避免強(qiáng)烈振動對關(guān)鍵部件的運(yùn)轉(zhuǎn)造成不利的影響而減少使用的壽命。此外，應(yīng)避免采煤機(jī)搖臂殼體和牽引部殼體最大振型頻率，減少兩個關(guān)鍵部件的振動幅度，盡量使用高頻振動驅(qū)動機(jī)構(gòu)，減少有效振幅對關(guān)鍵部件的傷害。

圖6 各階約束模態(tài)最大變形的分布圖