宋佼佼

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 晉中 030600）

引言

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵機(jī)電設(shè)備，其與刮板輸送機(jī)、液壓支架統(tǒng)稱為綜采工作面的“三機(jī)”。采煤機(jī)截割部滾筒與工作面煤層直接接觸，其所承受的載荷為不規(guī)律變化，通過搖臂傳遞至采煤機(jī)機(jī)身振動信號。尤其是在斜切進(jìn)刀工況下，采煤機(jī)截割部的動力學(xué)特性更加復(fù)雜[1]。因此，本文重點(diǎn)對采煤機(jī)在斜切進(jìn)刀工況下的動力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，為后續(xù)采煤機(jī)的動態(tài)可靠性奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和工程應(yīng)用價值。

1 仿真模型的構(gòu)建

本文重點(diǎn)對斜切工況下采煤機(jī)截割部在含矸煤巖條件下動力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。鑒于基于EDEM軟件無法準(zhǔn)確建立含矸煤巖對應(yīng)的煤壁空間模型，因此，本文首先基于PRO/E 軟件完成采煤機(jī)截割部和含矸煤巖基礎(chǔ)模型的搭建，而后將所搭建的模型導(dǎo)入EDEM 軟件中開展離散元和動力學(xué)仿真。為提高仿真效率，本文通過分段建立煤壁模型的方法將煤壁進(jìn)行拆分，從而達(dá)到模擬斜切進(jìn)刀工況的目的[2]。

1.1 采煤機(jī)截割部模型的構(gòu)建

本文以MG2×55/250-BW 型采煤機(jī)為例開展研究，重點(diǎn)對其截割部滾筒為研究對象。MG2×55/250-BW 型采煤機(jī)截割滾筒的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

除了表1 中所示采煤機(jī)截割部滾筒的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸外，滾筒模型的搭建還需結(jié)合滾筒上截齒的排列進(jìn)行。根據(jù)MG2×55/250-BW 型采煤機(jī)截割部結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別建立滾筒和搖臂的三維模型，并根據(jù)二者之間的連接方式和約束完成了采煤機(jī)截割部的裝配，裝配模型如圖1 所示。

圖1 采煤機(jī)截割部裝配模型

表1 MG2×55/250-BW 型采煤機(jī)截割部滾筒主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

為保證后續(xù)仿真的順利開展，對建立好的截割部裝配模型進(jìn)行全局干涉檢查。

1.2 離散元仿真模型的構(gòu)建及參數(shù)設(shè)置

煤壁仿真模型需要真實(shí)模擬實(shí)際生產(chǎn)工作面中煤層和矸石摻雜的情況。因此，離散元仿真模型搭建時首先分別建立煤炭顆粒和矸石顆粒的模型，而后將二者有機(jī)摻雜并組合為煤壁模型。同時，在EDEM 軟件中分別對煤層、矸石的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括煤炭、矸石的密度，泊松比，剪切模量和彈性模量等[3]。

將所構(gòu)建的含矸煤巖的模型與圖1 中采煤機(jī)截割部滾筒的模型進(jìn)行結(jié)合，形成如下頁圖2 所示的離散元仿真模型。

圖2 離散元仿真模型

對應(yīng)的滾筒轉(zhuǎn)速為90 r/min，采煤機(jī)牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和 2 m/min 三種情況進(jìn)行仿真分析。為了縮短仿真時間，將離散元仿真模型的網(wǎng)格數(shù)量控制在 1×105以下[4]。

2 離散元仿真分析

在構(gòu)建圖2 離散元仿真模型的基礎(chǔ)上，本節(jié)重點(diǎn)對滾筒截割含矸煤壁和截割全煤壁兩種工況下的載荷進(jìn)行對比分析。

2.1 滾筒截割含矸煤壁的載荷分析

當(dāng)截割部滾筒旋轉(zhuǎn)速度為90 r/min，分別對采煤機(jī)牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 時對應(yīng)采煤機(jī)整機(jī)的牽引阻力、截割部所承受的截割阻力和軸向力進(jìn)行對比分析，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 不同牽引速度下含矸煤壁截割工況載荷分布情況

由表2 可知，隨著采煤機(jī)牽引速度的增加，對應(yīng)在含矸煤巖截割工況下采煤機(jī)所承受的牽引阻力、截割阻力以及軸向力峰值的均呈現(xiàn)增大的趨勢。牽引阻力和軸向力峰值在三種工況下的比例均為3∶4∶5；截割阻力在三種工況下的比例為4∶5∶6。

2.2 滾筒截割全煤壁的載荷分析

當(dāng)截割部滾筒旋轉(zhuǎn)速度為90 r/min，分別對采煤機(jī)牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 時對應(yīng)采煤機(jī)整機(jī)的牽引阻力、截割部所承受的截割阻力和軸向力進(jìn)行對比分析，仿真結(jié)果如表3 所示。

表3 不同牽引速度下截割全煤壁工況載荷分布情況

由表3 可知，從整體上分析，截割全煤壁工況下各載荷均小于截割含矸煤壁的工況，約為5 倍的關(guān)系[5]。此外，隨著采煤機(jī)牽引速度的增加，對應(yīng)在含矸煤巖截割工況下采煤機(jī)所承受的牽引阻力、截割阻力以及軸向力的峰值均呈現(xiàn)增大的趨勢。牽引阻力在三種工況下的比例均為3.5∶4∶6，截割阻力在三種工況下的比例為3.5∶5∶7，軸向力峰值在三種工況下的比例為 7∶8∶10。

3 采煤機(jī)截割部的動力學(xué)仿真

本節(jié)將基于PRO/E 軟件所建立的三維軟件導(dǎo)入ADAMS 軟件中對采煤機(jī)截割部的動力學(xué)進(jìn)行仿真分析，包括搖臂殼體和行星架。

3.1 采煤機(jī)搖臂殼體的動力學(xué)仿真

同樣，分別在采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速為90 r/min，采煤機(jī)牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 三種情況下的動力學(xué)特性進(jìn)行對比分析。在不同牽引速度下采煤機(jī)搖臂殼體的最大應(yīng)力值如表4 所示。

表4 不同牽引速度下?lián)u臂殼體最大應(yīng)力值

由表4 可知，隨著采煤機(jī)牽引速度的增加，對應(yīng)搖臂殼體所承受的最大應(yīng)力值先減小后增大，且最大應(yīng)力值均位于同一個位置，即在搖臂殼體輸出端的拐點(diǎn)位置。同時，搖臂殼體的最大應(yīng)力值未超過材料的需用應(yīng)力120 MPa。

3.2 采煤機(jī)行星架的動力學(xué)仿真

同樣，分別在采煤機(jī)滾筒轉(zhuǎn)速為90 r/min，采煤機(jī)牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 三種情況下的動力學(xué)特性進(jìn)行對比分析。在不同牽引速度下采煤機(jī)行星架的最大應(yīng)力值如表5 所示。

表5 不同牽引速度下行星架最大應(yīng)力值

由表5 可知，隨著采煤機(jī)牽引速度的增加，對應(yīng)行星架所承受的最大應(yīng)力增大，且最大應(yīng)力值處于不同的位置。同時，搖臂殼體的最大應(yīng)力值未超過材料的需用應(yīng)力536.847 8 MPa。

4 結(jié)論

采煤機(jī)為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其承擔(dān)煤層的截割和落煤任務(wù)，對于保證煤礦生產(chǎn)能力具有重要意義。采煤機(jī)截割部作為與煤層直接接觸的零部件，準(zhǔn)確掌握截割部在不同工況下的動力學(xué)特性，對于后續(xù)改進(jìn)采煤機(jī)截割部的結(jié)構(gòu)和相關(guān)采煤工藝參數(shù)具有重要意義。本文分別基于EDEM 和ADAMS 軟件完成了采煤機(jī)截割部的離散元仿真和動力學(xué)仿真，并總結(jié)如下：

1）在含矸煤巖截割工況下，牽引阻力和軸向力峰值在三種工況下的比例均為3∶4∶5，截割阻力在三種工況下的比例為4∶5∶6；在全煤壁截割工況下，牽引阻力在三種工況下的比例均為3.5∶4∶6，截割阻力在三種工況下的比例為3.5∶5∶7，軸向力峰值在三種工況下的比例為7∶8∶10。

2）搖臂殼體輸出端的拐點(diǎn)位置為應(yīng)力最大位置，行星架在不同牽引速度的最大應(yīng)力位置不統(tǒng)一。