候清華

（山西霍州煤電店坪煤礦智能化采煤隊(duì)， 山西 呂梁 033000）

0 引言

采煤機(jī)是煤礦井下“三機(jī)”設(shè)備之一，主要用于將煤炭從煤壁上截割下來(lái)，其工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業(yè)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。采煤機(jī)在工作的過(guò)程中利用液壓系統(tǒng)控制搖臂的升降，利用搖臂端部截割機(jī)構(gòu)上的截齒來(lái)不斷地剝離煤炭，由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜，在截割作業(yè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量交變載荷，截割機(jī)構(gòu)在交變載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)、變形等，嚴(yán)重影響了截割機(jī)構(gòu)的截割穩(wěn)定性和安全性。

目前采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中主要采用了經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方式，對(duì)容易出現(xiàn)故障的位置依靠人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，設(shè)計(jì)可靠性差、效率低，因此本文提出采用ANASYS 仿真分析軟件獲取在不同工作狀態(tài)下，對(duì)截割機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中的應(yīng)力和應(yīng)變情況進(jìn)行研究，為優(yōu)化截割機(jī)構(gòu)、提升采煤機(jī)截割穩(wěn)定性和可靠性奠定基礎(chǔ)。

1 截割機(jī)構(gòu)三維建模

以搖臂式掘進(jìn)機(jī)為依據(jù)，利用三維建模軟件建立采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的三維模型，在建模的過(guò)程中采用1∶1 的建模比例，各零部件間的配合關(guān)系完全按照實(shí)際的配合關(guān)系執(zhí)行，為了提高仿真分析的精度，建模完成后采用自由網(wǎng)格劃分的方案對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，特別注意的是在采煤機(jī)搖臂、截齒移架、螺旋滾筒三個(gè)結(jié)構(gòu)上需要采用正六面體網(wǎng)格劃分方案[1]。在設(shè)置仿真分析參數(shù)時(shí)，根據(jù)實(shí)際所用的材料特性設(shè)置搖臂、截割滾筒材料彈性模量為200 GPa，其材料密度為7.8×103kg/m3；設(shè)置截割頭材料彈性模量為200 GPa，其材料密度為11.8×103kg/m3。實(shí)測(cè)采煤機(jī)在截割作業(yè)時(shí)的最大截割阻力為9 371 N，其運(yùn)行時(shí)的最大牽引阻力為8 821 N，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)模型如圖1 所示。

圖1 截割機(jī)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

2 采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)受力分析

采煤機(jī)在工作過(guò)程中作用在截齒上的是交變載荷，缺乏方向性，因此為了便于分析，將作用在截齒上的交變載荷分解為軸向、垂直和側(cè)向三個(gè)部分的力，采煤機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中進(jìn)行的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，各個(gè)截齒上的受力作用在截割滾筒后是呈線(xiàn)性分布的，因此為了簡(jiǎn)化受力分析，把截齒的受力進(jìn)行合成，則采煤機(jī)在工作過(guò)程中所受的截割阻力F 可表示為[2]：

式中：λ 為煤炭的脆性系數(shù)；σ 為煤炭的抗壓強(qiáng)度；A為截齒在截割方向上的投影面積；f 為截齒的摩擦因數(shù)；γ 為采煤機(jī)截齒安裝角。

采煤機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中的牽引阻力可表示為[3]：

采煤機(jī)截割作業(yè)過(guò)程中截齒受力的波動(dòng)采用變差系數(shù)來(lái)表示，根據(jù)實(shí)際測(cè)定，取變差系數(shù)為0.04，在利用有限元進(jìn)行仿真分析時(shí)候，將截割機(jī)構(gòu)的受力分布到每個(gè)刀頭上，根據(jù)采煤機(jī)在截割作業(yè)時(shí)的最大截割阻力為9 371 N，運(yùn)行時(shí)的最大牽引阻力為8 821 N測(cè)算，分布在每個(gè)刀頭節(jié)點(diǎn)上的最大截割阻力為12.7N，最大牽引阻力為10.7 N。

為了確保分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)采煤機(jī)的實(shí)際作業(yè)狀態(tài)，在截割機(jī)構(gòu)上設(shè)置了x、y、z 三個(gè)自由度限制條件，對(duì)各方面的運(yùn)行情況進(jìn)行限制，采煤機(jī)截割作業(yè)時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變分布如圖2 所示。

圖2 截割機(jī)構(gòu)受力分析結(jié)果

由實(shí)際仿真分析結(jié)果可知，在受力過(guò)程中截割機(jī)構(gòu)的最大變形量為0.086 mm，主要發(fā)生在截割滾筒的截割部；截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)的最大應(yīng)力集中在截齒的錐形面上[4]，最大應(yīng)力集中為155.87 MPa，因此在進(jìn)行采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)對(duì)截割部和截齒錐形面進(jìn)行加強(qiáng)，在其他應(yīng)力和應(yīng)變集中較小的位置可以適當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化減薄，降低制造成本。

3 采煤機(jī)動(dòng)態(tài)受力振型分析

采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)在外界負(fù)載的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的變形，相互配合的零件之間會(huì)產(chǎn)生零件之間的相互激振力及相對(duì)位移[5]，因此若截割機(jī)構(gòu)各個(gè)零件之間的配合關(guān)系滿(mǎn)足設(shè)計(jì)誤差則能夠保證穩(wěn)定工作，若下個(gè)配合關(guān)系超出了設(shè)計(jì)誤差則會(huì)導(dǎo)致零件之間的磨損加劇、振動(dòng)增大，影響采煤機(jī)作業(yè)的安全性。因此需要對(duì)采煤機(jī)在截割狀態(tài)下的低階振動(dòng)頻率進(jìn)行分析，獲取其共振頻率[6]，在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)性地規(guī)避這些共振頻率，滿(mǎn)足截割安全性需求。

結(jié)合采煤機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)，利用ANSYS 仿真分析軟件對(duì)其不同工作特性下的振動(dòng)頻率進(jìn)行研究[7]，結(jié)果如圖3 所示。對(duì)仿真情況進(jìn)行分析，采煤機(jī)工作時(shí)，常見(jiàn)的振型及固有頻率[8]匯總?cè)绫? 所示。

表1 采煤機(jī)常見(jiàn)振型及固有頻率匯總

圖3 不同工作狀態(tài)下的振型

根據(jù)分析結(jié)果可知，采煤機(jī)工作時(shí)不同狀態(tài)下的固有頻率不一樣，而且其不同狀態(tài)下的最大變形量位置不同，一階振型和二階振型情況下的最大變形量出現(xiàn)在截割滾筒的前端，出現(xiàn)變形后會(huì)影響截割效率和截割阻力，三階振型情況下的最大變形量出現(xiàn)在搖臂處，若變形量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致?lián)u臂調(diào)節(jié)精度降低。

因此在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)不同振型情況下的特性來(lái)對(duì)容易變形的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)要對(duì)整機(jī)共振量進(jìn)行調(diào)整，使其避開(kāi)采煤機(jī)工作時(shí)的共振點(diǎn)，提升工作穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）采煤機(jī)在工作過(guò)程中作用在截齒上的是交變載荷，缺乏方向性，為了便于分析，將作用在截齒上的交變載荷分解為軸向、垂直和側(cè)向三個(gè)部分的力，可簡(jiǎn)化分析過(guò)程，確保分析可靠性。

2）采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)對(duì)截割部和截齒錐形面進(jìn)行加強(qiáng)，在其他應(yīng)力和應(yīng)變集中較小的位置可以適當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化減薄，降低制造成本。

3）計(jì)時(shí)需要根據(jù)不同振型情況下的特性來(lái)對(duì)容易變形的區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)要對(duì)整機(jī)共振量進(jìn)行調(diào)整，使其避開(kāi)采煤機(jī)工作時(shí)的共振點(diǎn)，提升工作穩(wěn)定性。