基于LS-DYNA的采煤機截割特性研究

李小斌

（山西煤炭進出口集團左權宏遠煤業有限公司， 山西 晉中 032600）

引言

隨著煤炭開采逐漸朝著復雜地質條件進行。采煤機在執行截割煤壁作業時受到的各種截割阻力越來越復雜，對截割機構的影響也越來越大，造成截割機構工作效率降低，工作負載波動超標，嚴重影響截割機構工作的可靠性和使用壽命，因此需要對采煤機截割機構工作時的各種工作參數設定情況進行優化研究，以降低采煤機在工作時的沖擊載荷[1]，提高采煤機的工作效率和使用壽命。在對采煤機各工作參數進行分析的基礎上，本文選擇對目前研究最少的采煤機工作時的旋轉角對截割機構工作特性的影響進行分析，從而獲取對采煤機工作特性影響最小的旋轉角度，提高采煤機截割機構的工作可靠性和使用壽命。

1 采煤機截割機構動力學模型的建立

采煤機在工作時截齒部分以一定的旋轉角度切入煤壁，在驅動滾筒的作用下帶動截齒旋轉，對煤壁的煤層進行擠壓，使煤巖受力破碎，從而從煤壁上脫離下來，在截割過程中，截齒主要受到煤壁的截割阻力、側向阻力和牽引阻力，其中截割阻力Z0可表示為[2]：

式中：A為煤巖的阻抗；B為煤層的脆性系數，一般取 2.1～3.5；h為截齒厚度；t為齒距；d為截齒的外徑；Kφ為截齒的前側影響系數，一般取0.8～0.85；KZ為煤層表面干涉系數；Kc為截齒角度影響系數，取0.9；θ為截齒的螺旋角；Ky為截齒對切割比的影響系數；Kot為礦壓影響系數，取0.6。

采煤機截割機構工作時的側向阻力主要是截齒截割煤壁時因各截齒的排列結構，使采煤機截齒的兩側產生了一個不均衡的力，其合力即為此側向力，可表示為：

采煤機工作時的牽引阻力Y0可表示為：

式中：Kq為表示截齒上的牽引阻力和截割阻力的比值，其主要取決于采取的煤巖的脆性，一般取0.5～0.7。

綜上所述，采煤機在采煤作業時的綜合受力情況分解為在x，y軸上的運動速度數學公式可表示為[3]：

式中：ω1為采煤機截割機構的旋轉角；ω2為采煤機截割機構的切削角。

2 采煤機截割機構三維建模

為了對采煤機在進行截割作業時的情況進行仿真分析，首先利用SolidWorks三維建模軟件，建立采煤機截割部分及煤壁的三維模型并添加相應的驅動和約束，將三維模型導入到LS-DYNA[4]分析軟件中，利用其assembly模塊完成裝配并對驅動滾筒和截齒、煤壁進行網格劃分和相關參數設置，作為仿真分析的基礎，根據采煤機在實際工作時的情況，設置采煤機驅動滾筒工作時的轉速為40 r/min，系統的仿真時間設置為10 s，煤壁參數設置為脆性煤層。為了對采煤機工作時旋轉角度對采煤機工作效率、截割載荷、負載的波動情況進行分析，因此在采煤機現有工作旋轉角度的基礎上，分別對旋轉角為10°、12°、14°、16°、18°的情況進行仿真分析，其整體結構如下頁圖1所示。

圖1 采煤機截割機構截割過程的三維視圖

3 截割機構旋轉角對工作載荷的影響

采煤機工作時的旋轉角是指截齒中心線和截齒回轉平面之間的夾角，采煤機截割機構在不同旋轉角度下對工作載荷的影響如圖2、圖3所示。

圖2 不同旋轉角下的平均截割阻力

圖3 不同旋轉角下的平均側向阻力

由分析結果可知，采煤機的平均截割阻力隨著采煤機工作旋轉角度的增加呈非線性增大，側向阻力隨旋轉角的增加而減小，分析可知其在旋轉角為14°時為側向阻力變化的轉折點。這是因為隨著旋轉角度的增加，截齒切割煤壁時的接觸面積逐漸增大，導致截割過程中的截割阻力不斷加大，同時旋轉角變化對側向阻力的影響相對較少，因此可分析當旋轉角為14°～16°時，截割頭的受力情況較為平緩。

4 截割機構旋轉角對載荷波動的影響

不同旋轉角對采煤機截割機構載荷波動的影響如圖4、圖5所示。

由仿真分析結果可知，采煤機在工作過程中的截割載荷的變差系數除了在旋轉角為10°的情況下超過了20，其他的均能維持在6以下，且工作時的牽引阻力的變差系數會隨著旋轉角的增加而增大，其側向阻力的變差系數則隨著旋轉角的增加而減小，在約12°～14°時變緩最為明顯。由此可見，采煤機的旋轉角度在12°～14°時對采煤機工作時的截割載荷變化影響較小。

圖4 不同旋轉角下的牽引阻力變差系數

圖5 不同旋轉角下的側向阻力變差系數

5 截割機構旋轉角對截割能耗比的影響

采煤機旋轉角對其工作能耗比的影響變化曲線如圖6所示，由分析可知，其能耗比隨著旋轉角的增加逐漸加大，因此應盡量降低旋轉角以降低截割能效比。

圖6 不同旋轉角下的截割能效比

由以上分析可知，綜合在不同旋轉角情況下，對采煤機工作時的截割能耗比、工作載荷和載荷波動影響情況的分析，可知在旋轉角度為14°情況下采煤機截割機構具有最佳大截割特性，能夠極大地提升采煤機工作時的可靠性和使用壽命。

6 結論

根據實際工作經驗，采用LS-DYNA仿真分析軟件對采煤機截割機構工作時的旋轉角對采煤機截割能效比、截割載荷及負載波動情況的影響進行了仿真分析，結果表明采煤機的截割機構旋轉角度為14°時，結構機構具有最優的截割能力，為采煤機截割機構工作旋轉角度的確定提供了理論依據，極大地提升了采煤機工作時的穩定性和使用壽命。