基于ADAMS的采煤機截割機構運動分析和結構優化

申艷忠

（山西新景礦煤業有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

采煤機是一種將機、電、液壓整合在一起的復雜的機械系統，主要依靠截割機構實現對煤礦井下煤層的煤炭切割，完成落煤的任務，一旦采煤機的截割機構發生故障整個煤礦井下采煤工作將被迫中斷，給煤炭生產企業造成巨大的經濟損失[1]，同時采煤機的截割機構作為直接切割煤層的機構，其工作時的動態特性直接關系到截齒的使用壽命及采煤機工作的可靠性和穩定性。

1 采煤機截割機構工作時的受力分析

采煤機在煤礦井下巷道內采掘煤炭時，絕大部分的功率用于驅動螺旋滾筒進行落煤，因此要對采煤機截割機構進行受力分析就必須對采煤機截割機構的滾筒及截齒在工作時的受力情況進行分析，采煤機截割機構在工作中所受到的阻力包括截割阻力、側向阻力及其他阻力，在滾筒上所受到的作用力主要是在工作過程中的截齒力及工作阻力力矩的綜合，由于煤礦井下巷道煤層內煤巖在不同部位的力學特性和物理特性不同，因此造成作用在滾筒和截齒上的力的方向、大小的隨機性變化。

采煤機的截齒機構的截齒在落煤時等效的幾何模型如圖1所示，以某型采煤機的截割機構為例，其截割機構的截齒的錐度為2α，在進行落煤時截割機構的截齒截入煤層的角度為β，在進行工作時作用在截齒上的阻力為Z，可表示為[2]：

式中：A為截割機構在切割煤層時作用在煤層上的截抗系數；h為采煤機在切煤時切入煤層的深度；bp截割機構截齒刀具的理論寬度。

圖1 采煤機截齒切割煤層時的等效幾何模型

煤礦井下巷道煤層內的煤炭具有脆性，采煤機的截齒在切割煤層時，煤炭受力剝離后，煤塊隨著截齒接觸煤層體積的變化而變化，截齒與煤層的切入深度和剝落的煤炭深度有一定的理論差別，在已知切割時的平均切割深度后，即可得出截割機構截齒刀具的理論寬度bp，其可表示為[3]：

采煤機截割機構的滾筒在工作時的受力分析如圖2所示。

圖2 采煤機截割機構滾筒受力簡圖

在滾筒上的截齒工作時分別受到X、Y、Z方向的力，則滾筒在工作時所受到截割阻力可表示為FZi=∑Fzi，滾筒的側向阻力可表示為FXi=∑Fxi，滾筒的牽引阻力可表示為FYi=∑Fyi，ri表示驅動滾筒半徑，由此作用在采煤機截割機構上的阻力矩M可表示為[4]：

式中：D為截割機構滾筒的直徑。

在工作中采煤機截機構所消耗的功率可表示為：

式中：N為截割機構滾筒的實際工作轉速。

因此采煤機截割機構工作時的能耗比可表示為：

式中：H為截割機構的采煤高度；V為截割機構的滾筒轉速。

2 采煤機截割機構的運動學模型

由于截割機構時采煤機進行落煤和裝煤的機構其工作時消耗的功率占采煤機總功率的80%以上，因此采煤機截割機構在工作時的動力學特性決定著采煤機工作的能耗比及切割煤塊的質量和截齒的使用壽命。由上文分析可知，采煤機在工作時其截割部分主要由牽引速度Vq、截割機構滾筒轉速ω1及截割滾筒的螺旋升角ω2組成，因此可將采煤機工作時截割機構的運動軌跡表示為[5]：

式中：L為截割機構擺臂的臂長；rc為截割機構滾筒的理論半徑。

對時間t求導，即可得到采煤機截割機構截齒的運動軌跡的速度數學模型為：

對采煤機截割機構的運動方程進一步求導，即可得出工作時截齒的運動加速度：

由分析可知，采煤機截割機構工作時的瞬時加速度與截割機構的螺旋升角有較大的關系，螺旋升角直接影響著其工作時的穩定性。

3 采煤機截割機構的仿真分析

利用Creo三維建模軟件建立采煤機截割機構和煤層的三維模型，如圖3所示，并將其導入到ADAMS仿真分析軟件中，按照實際工作條件對其設置相關參數模型和邊界條件，如表1所示。

圖3 采煤機截割機構三維結構簡圖

表1 采煤機截割機構仿真參數

在采煤機的截割機構中位于滾筒上的螺旋升角對采煤機截割機構工作時的動態特性和截齒工作時的受力情況影響最大。當螺旋升角過大時會降低在切割煤層時的切割效率，形成二次無用截割，當其截割的螺旋升角過小時會造成作用于截齒上的截割應力集中，影響截齒的使用壽命，因此針對不同的螺旋升角進行仿真分析（某采煤機截割機構螺旋升角為15°，分別對其螺旋升角為 10°、15°、20°、25°情況下的截齒上的受力進行分析），獲得不同螺旋升角下截齒上的受力曲線，其分析結果如圖4—圖7所示。

將不同螺旋升角下的受力情況進行匯總，如下頁表2所示。

由表2分析可知，當采煤機截割機構的螺旋升角為20°時，其工作情況下的截割均力和最大截割力均最小，當其螺旋升角為15°時，其受力峰值較大，對采煤機工作時的穩定性和使用壽命將產生較為不利的影響，因此將采煤機截割機構的螺旋升角調整為20°時能夠極大提高采煤機工作時的可靠性及截齒的使用壽命。

圖4 螺旋升角為10°時截齒的受力曲線

圖5 螺旋升角為15°時截齒的受力曲線

圖6 螺旋升角為20°時截齒的受力曲線

圖7 螺旋升角為25°時截齒的受力曲線

4 結論

本文通過對采煤機截割機構工作情況的分析，建立了采煤機截割機構關鍵目標的數學參數模型，利用ADAMS仿真分析軟件，對影響采煤機工作穩定性和截齒使用壽命的采煤機截割機構不同螺旋升角下的截齒受力情況進行分析。結果表明，當螺旋升角為20°時，作用于截齒上的截割阻力最小，為采煤機截割機構的優化提供了理論支撐，具有較大的應用推廣價值。

表2 采煤機截齒不同螺旋升角下的載荷