對連續采煤機側滾筒的有限元分析

李發泉

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

有限元分析方法應用于滾筒失效分析、滾筒優化設計等領域具有快速、便捷、可靠等優點。本文以對某型連采機側滾筒有限元分析為例，詳細闡述了該分析方法的主要技術難點，該方法能夠準確預測滾筒撕裂位置，對連續采煤機截割滾筒設計及優化具有較強指導意義。

1 結構及工作原理

連續采煤機是短壁開采和煤巷快速掘進的主采設備，其具有采掘合一，機動靈活，設備投資少見效快等優點，可適用于我國不規則塊段的開采，對提高煤炭資源回收率具有重要意義[1～3]。截割滾筒是連采機的主要工作機構，其通過布置在其上的截齒來截割礦巖。其工作時，常常由于載荷突變、局部受載等原因造成滾筒撕裂失效，如圖1 所示。

連采機截割滾筒是一種銑削式破煤機構[4]，一般采用三段式中心對稱結構，主要包括端盤、側滾筒、中間滾筒如圖2 所示。

側滾筒是截割滾筒的一部分，其通過平鍵聯接傳遞扭矩，內部表面通過與減速器外輪轂配合定位，邊緣通過螺栓聯接將端盤安裝其上，齒座通過墊塊焊接在其筒體表面。

圖1 側滾筒撕裂Fig.1 Lateral drum avulsion

2 側滾筒有限元模型的建立

2.1 模型簡化及材料特性

圖2 連續采煤機截割滾筒典型結構Fig.2 The representative configuration of cutting drum of continuous miners

對模型的有效簡化處理有助于提高有限元計算效率，降低模型計算不收斂風險。由于截齒和齒座形狀不規則，六面體網格劃分困難，計算耗時長，遠程力耦合加載方式可避免將截齒和齒座帶入計算中，該方法需要建立加載點的坐標系。本文以齒尖為加載點，通過三維軟件的實體模型，可方便的求出齒尖的位置坐標及方向，可迅速建立出各齒尖的局部坐標系。簡化模型過程中去掉不工作截齒墊塊、螺栓孔、小倒角等特征，最終簡化模型見圖3。

圖3 側滾筒簡化模型Fig.3 The simplified model of lateral drum

圖4 側滾筒網格劃分Fig.4 The mesh division on lateral drum

筒體和墊塊模型均為35CrMo，楊氏模量2.0×105MPa，泊松比0.3，屈服應力440 MPa。

2.2 網格劃分

基于有限元分析軟件，采用以六面體為主的網格劃分方法，調整網格大小，保證筒體厚度方向上單元個數不少于4 個。

本模型共劃分70831 個單元，268776 個節點，最終網格劃分模型見圖4。

2.3 邊界條件及工況選擇

將各鍵槽各自的承壓面施加全位移約束；與減速器外輪轂配合表面施加圓柱約束；與端盤聯接端面施加扭矩，其值為端盤工作截齒瞬時載荷之和與滾筒半徑之積；在各齒尖坐標系處施加遠程力，將其作用至墊塊上表面，由于牽引阻力對筒體的影響程度較小，故將其忽略，截齒僅承受來自旋轉方向的切向截割阻力，由于截齒所處位置瞬時切削厚度存在差異如圖5 所示，其瞬時載荷值與圓心角θi的正弦成正比：

式中，Fi—瞬時載荷；Fmax—最大載荷，其值按文獻[5]方法計算。

側滾筒工作條件差異決定其上應力分布，本文選擇以下兩種工況進行研究。

工況一： 正常工況，各工作截齒受到正常f=3 截煤載荷，其邊界條件見圖6。

工況二： 惡劣工況，7號截齒（見圖8b）受到f=9 的硬巖載荷，其它工作截齒受到正常f=3 截煤載荷。

圖5 不同截齒瞬時切削厚度hiFig.5 The instantaneous cut depth hi for every pick

3 結果分析

由圖7 和圖8（a）可知，側滾筒在工況一條件下最大等效應力為72.17Mpa，在工況二條件下為231.72MPa，均未超過其材料屈服應力440MPa，可見，工況一和工況二側滾筒所受到的載荷條件均不能造成其因強度不足而撕裂。

由圖8（a）和圖8（b）可知，側滾筒應力最大處為筒體和墊塊的前焊縫處，且其周圍應力分布較集中，與圖1 所示斷口形狀近似，故判定此處為薄弱點，應力集中和材料缺陷均會導致該處發生撕裂失效，應在該位置采取有效措施避免應力集中和材料缺陷。

圖6 工況一下的邊界條件Fig.6 The boundary condition at the first work state

圖7 工況一下側滾筒等效應力云圖Fig.7 The von-stress distribution nephogram of lateral drum at the first work state

圖8a 工況二下側滾筒等效應力云圖Fig.8a The von-stress distribution nephogram of lateral drum at the second work state

圖8b 工況二的側滾筒等效應力云圖 （局部放大）Fig.8b The von-stress distribution nephogram of lateral drum at the second work state （partial zoom）

4 結束語

連采機截割較硬礦物時，不會因強度不足導致滾筒撕裂，局部應力集中或材料缺陷或是滾筒撕裂的原因。滾筒有限元分析方法可準確判斷出滾筒的薄弱環節，為滾筒設計和優化提供可靠依據。

[1] 王金華. 中國煤礦現代化開采技術裝備現狀及其展望[J].煤炭科學技術，2011，11.

[2] 王虹，李變榮. 我國短壁機械化開采技術發展現狀與思考[C].太原：山西經濟出版社，2005.

[3] 宿月文，朱愛斌，陳渭，等.連續采煤機履帶行走系統驅動功率匹配與試驗[J].煤炭學報，2009，3.

[4] 劉春生，于信偉，任昌玉.滾筒式采煤機工作機構[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.

[5] 趙麗娟，董萌萌.含硫化鐵結核薄煤層采煤機工作機構載荷問題[J].煤炭學報，2009，6.