基于多體動力學的刨煤機關鍵零件的可靠性研究

趙麗娟，劉 威，許 軍，何景強

（遼寧工程技術大學 機械工程學院，阜新 123000）

0 引言

刨煤機是集采煤及運輸于一體的開采機械，與滾筒式采煤機相比，具有運行速度快、粉塵濃度低、塊煤率高、易于實現開采自動化、尤其適用于薄煤層及高瓦斯礦井等優點，必將成為我國煤礦開采的主流設備之一。復雜煤層賦存條件下工作的刨煤機，工況惡劣、載荷復雜，而在物理樣機上進行有關采煤過程的試驗既困難又有很大風險且代價昂貴，傳統的設計、分析方法受到了嚴峻的挑戰。以系統多領域建模與協同仿真技術為核心的虛擬樣機技術的快速發展，為我國刨煤機的設計和研究提供了新的方法和思路[1-3]。

1 刨煤機虛擬樣機模型的建立

由于煤層賦存條件復雜，刨煤機在刨削煤壁時，會受到多變的瞬時載荷的沖擊，很容易導致牽引塊、刀座、刨刀等關鍵零件損壞，縮短刨煤機的使用壽命，造成較大的經濟損失。因此，在探究刨煤機工作的可靠性時，各薄弱環節的變形不能忽略，應按照剛柔耦合多體系統的建模理論和方法來進行。

1.1 刨煤機剛柔耦合模型的建立

以某煤機公司研發的BH38/2×400型刨煤機為工程對象，利用三維建模軟件Pro/E、有限元分析軟件ANSYS和機械系統動力學仿真軟件ADAMS聯合構建刨煤機剛柔耦合系統。基于Pro/E實現刨煤機各零件的實體建模，并進行虛擬裝配，最終建立的刨煤機實體模型如圖1所示。利用專業接口軟件MECH/Pro將刨煤機幾何模型導入到ADAMS中，采用ANSYS對刨煤機關鍵零 件(牽引塊、刀座和刨刀)進行網格劃分及模態計算，導出模態中性文件(MNF)，讀入到ADAMS中形成柔性體，建立刨煤機剛柔耦合多體動力學系統，構建協同仿真平臺。

1.2 刨煤機受力分析

1.2.1 刨刀受力計算

刨煤機刨頭沿著滑架運動，安裝在刨頭上的刨刀受到來自煤壁的刨削阻力可分解為豎直方向的煤壁側向力X、垂直于工作面的煤壁擠壓力Y和平行于刨削方向的刨削阻力Z，如圖2所示[4-7]。

單個刨刀受到的煤壁側向力X＝10K0(0.22AK5＋75hKh－40t－100)，其中K0為刨刀排列方式對側向力的影響系數；Kh為刨深對側向力的影響系數。

單個刨刀受到的煤壁擠壓力Y＝kn(1＋1.8SZ)Z0，其中kn為壓緊力和銳利刨刀截割力的比值；SZ為刨刀磨損后在切削平面上的投影面積；Z0為單個銳利刨刀所受到的刨削阻力，N。

單個刨刀受到的刨削阻力Z＝Z0＋fZY，其中fZ為截割阻抗系數。

單個銳利刨刀所受到的刨削阻力Z0＝1.1A(0.35b＋ 0.3)htk1k2k3k4k5/ [(b＋htan?)k6cos?]，其中A為煤層非地壓影響區的截割阻抗（即抗截強度），N/mm；b為刨刀工作部分的計算寬度，cm；h為刨削深度，cm；t為刨刀間距，cm；?為截槽側面崩落角，（°）；?為刨刀相對于刨頭牽引方向的安裝角度，（°）；k1為外露自由表面系數；k2為截角影響系數；k3為刨刀前刃面形狀系數；k4為刨刀排列方式系數；k5為地壓系數；k6為煤的脆塑性系數。

1.2.2 刨頭受力計算

刨頭在刨鏈的牽引下刨削煤壁的過程中，受到的阻力主要包括刨削阻力、刨頭摩擦力、裝煤阻力等。其中刨削阻力是所有刨刀的受力之和；刨頭摩擦力包括刨頭重力引起的刨頭與滑架間的摩擦力及刨刀所受側向力引起的刨刀與煤壁間的摩擦力；裝煤阻力是指刨頭運行方向上的煤堆對刨頭的阻礙力。經過合理簡化，裝煤阻力FL可分為插入力FR、推移煤堆的力FG和克服內摩擦力的力FK三部分構成，即FL＝FR+FG+FK。

刨煤機插入煤堆的插入力FR＝kbbz，其中kb為刨頭裝載表面單位寬度上的插入力，N/m；bz為刨頭裝載表面的寬度，m。

刨煤機推移煤堆的力FG＝G(μ0＋tan?) /(1-μ0tan?)，其中G為刨頭運行方向上煤堆的重力，N；μ0為煤與刨頭裝載表面的摩擦系數，一般取0.2 0.5；?為刨頭裝載表面的傾斜角度（°）。

克服煤堆內摩擦力的力FK＝Hzbz[2?sin?+μ?g Hm sin(?＋?)cos?] / (sin?sin2?)， 其 中Hz為裝載表面的高度(即煤層底板與滑架最上沿間的距離)，m；?為煤層內部滑移平面與煤層底板間的夾角，（°）；?為煤堆的抗剪強度，Pa；μ為煤堆的內摩擦系數；?為煤的實體密度t/m3；Hm為刨頭前面的煤堆高度，m。

刨煤機在刨削過程中，由于煤層賦存條件、采煤工藝等因素的影響，導致刨刀、刨頭負載復雜多變，利用Matlab強大的編程功能生成負載文本，并導入到ADAMS中形成樣條函數，可以很輕松地解決剛柔耦合系統復雜載荷的施加問題[8-10]。當刨速為1.83m/s，截深為30mm，煤炭堅固性系數為3.5工況下某刨刀的受力曲線如圖3所示；圖4為刨煤機工作時刨頭受到的牽引力、裝煤阻力和摩擦力曲線。

2 刨煤機可靠性分析

2.1 刨煤機關鍵零件的強度校核

通過仿真分析，刨煤機在刨速1.83m/s，截深30mm，煤炭堅固性系數為3.5工況下牽引塊、刀座、刨刀的主應力和剪應力值分別如表1、表2所示，牽引塊最大主應力達到554.7574 MPa，嚴重超出許用應力值，可靠性低，在牽引塊與刨頭的連接處及刨鏈與牽引塊的接觸處存在應力集中，分析原因，主要是由于刨鏈在牽引刨頭刨削煤壁時載荷復雜多變，造成較大的彎矩，同時牽引塊在結構上較薄弱，存在設計缺陷，具體如圖5(a)所示，圖5(b)為牽引塊應力最大節點Node 4085的時間-應力曲線。刀座在上端面根部及銷孔四周存在應力集中，如圖6所示，最大主應力值超出許用應力，結構有待進一步改進。刨刀的最大主應力為486.4113 MPa，安全系數為2.2，可靠性較高，能夠滿足工況的要求。

表1 關鍵零件最大主應力值列表

表2 關鍵零件最大剪應力值列表

牽引塊在與刨鏈接觸處存在的最大剪應力為107.7354 MPa，刀座在銷軸孔內側剪應力最大，為121.0532 MPa，刨刀在刀體的背部存在峰值為134.8376 MPa的剪應力。比較發現，各薄弱零件的剪應力值都遠遠小于其許用值，可靠性較高，因此刨煤時受剪切破壞的可能性不大，完全可以滿足實際工作強度的要求。

2.2 刨煤機關鍵零件的剛度校核

牽引塊作為刨煤機工作的動力元件，其變形對整機正常運行乃至使用壽命都有著重要的影響。圖7為刨煤機刨削煤壁時牽引塊放大200倍后的等值變形圖，由圖7可清晰地看到牽引塊在復雜載荷沖擊下發生扭轉及彎曲的復合變形趨勢。圖8為牽引塊測量點變形曲線，形象的反應出牽引塊的動態變形過程。根據變形曲線，可測得關鍵零件的變形誤差，整理如表3所示。仿真數據表明，牽引塊整體變形過大，超過設計要求，刨削煤壁時將會對刨煤機正常工作造成較大影響，刀座、刨刀等關鍵零件變形誤差小，剛度能夠滿足要求。

表3 各關鍵零件變形誤差（單位：mm）

3 結論

結合Pro/E、ADAMS、ANASYS和MATLAB四款軟件構建聯合仿真平臺，建立了刨煤機剛柔耦合虛擬樣機模型，解決了復雜負載的模擬問題，為刨煤機的可靠性研究創造了條件，研究得到的結論如下：

1）在煤層賦存條件復雜，采煤工藝多變環境下，刨刀及刨頭在刨削過程中，所受載荷具有非線性、時變性等特點。

2）利用虛擬樣機技術對刨煤機剛柔耦合系統進行分析，找到了關鍵零件設計上存在的問題：如峰值時刻牽引塊在與刨頭的接觸處強度不足；刀座在銷軸孔四周及上表面存在應力集中；牽引塊變形過大，剛度不足等。通過仿真，可以及早發現結構設計中存在的缺陷與不足，并且為刨煤機關鍵零件的優化提供依據，提高產品的設計質量，縮短設計周期并減少資金投入。

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