滾筒采煤機(jī)截割部調(diào)高機(jī)構(gòu)振動(dòng)特性仿真研究

丁余良 王 鵬

（1.山西潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046000；2.新疆工程學(xué)院礦業(yè)工程與地質(zhì)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830091）

采煤機(jī)截割到硬度較高的煤巖體時(shí)，截割部將受到強(qiáng)烈的沖擊載荷，造成采煤機(jī)劇烈擺動(dòng)，影響采煤機(jī)的正常作業(yè)[1,2]。采煤機(jī)依靠調(diào)高機(jī)構(gòu)進(jìn)行截割高度調(diào)整，因此調(diào)高機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)直接影響采煤機(jī)割煤質(zhì)量[3]。本文對滾筒采煤機(jī)截割部調(diào)高機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真研究，為礦井采煤機(jī)穩(wěn)定作業(yè)提供依據(jù)。

1 滾筒采煤機(jī)截割部結(jié)構(gòu)分析

滾筒采煤機(jī)截割部主要由滾筒、搖臂、液壓油缸和機(jī)身四部分組成，其中調(diào)高機(jī)構(gòu)主要由減速滾筒、搖臂、液壓油缸及其配套的液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成[4]，如圖1所示。采煤機(jī)作業(yè)過程中，液壓缸通過液壓系統(tǒng)向截割部進(jìn)行動(dòng)力供給，使得截割部能夠上下調(diào)高，進(jìn)行不同厚度煤層的截割。

在不同工況下，截割部受載相應(yīng)不同：（1）未進(jìn)行割煤時(shí)，采煤機(jī)空載運(yùn)行，其截割部僅受自身重力作用；（2）進(jìn)行割煤時(shí)，采煤機(jī)負(fù)載運(yùn)行，截割部受到割煤阻力和自身重力共同作用。此時(shí)受到強(qiáng)烈沖擊載荷的影響，截割部產(chǎn)生劇烈擺動(dòng)，影響采煤機(jī)的前進(jìn)。

2 滾筒采煤機(jī)截割部調(diào)高機(jī)構(gòu)力學(xué)模型

由于采煤機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜，為了便于分析，本文對截割部進(jìn)行如圖2所示的簡化，并給定如下假設(shè)：（1）采煤機(jī)截割部擺動(dòng)僅考慮液壓油缸伸縮方向；（2）采煤機(jī)機(jī)身固定不動(dòng)；（3）視截割部與機(jī)身及液壓油缸的聯(lián)接為剛性聯(lián)接，搖臂運(yùn)動(dòng)為剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 采煤機(jī)截割部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 滾筒采煤機(jī)截割部調(diào)高機(jī)構(gòu)簡化模型

采煤機(jī)作業(yè)時(shí)，截割部所遇煤層特性不斷變化，呈現(xiàn)非均質(zhì)性，同時(shí)滾筒上截齒非均勻布置，因此滾筒在前行作業(yè)中受到的載荷呈現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。基于相關(guān)文獻(xiàn)，滾筒受載可以簡化成3個(gè)方向的交變載荷[5]：

式中：

Px，Py，Pm-分別為滾筒在垂直、水平和軸向的外載荷分力，N；

Pamax，Pbmax，Pcmax-分別為外載荷在3個(gè)方向上的最大幅值，N；

ωa，ωb，ωc-分別為滾筒外載荷在3個(gè)方向的變化頻率，rad/s；

P0，P1-分別為水平和垂直方向上的滾筒所受平均載荷，N。

基于前述采煤機(jī)工況，研究中假設(shè)在豎直剖面內(nèi)，滾筒只受到水平方向Px和豎直方向Py兩個(gè)力的作用，同時(shí)由于滾筒質(zhì)量分布不均勻，因此轉(zhuǎn)動(dòng)過程中受到一定片心力的影響。分析過程中，將液壓缸等效為液壓彈簧-阻尼振動(dòng)系統(tǒng)，因此建立如圖3所示截割部調(diào)高機(jī)構(gòu)簡化模型。圖中m1，m2分別表示滾動(dòng)和搖臂等效質(zhì)心，L1，L2分別表示大搖臂和小搖臂長度，α1表示搖臂與水平方向的夾角，α2表示小搖臂與液壓缸所成夾角，k，c分別表示液壓缸等效后的彈簧剛度和阻尼系數(shù)。

依據(jù)圖3，結(jié)合力矩平衡定力，建立如下方程：

式中：

J-滾筒及搖臂繞點(diǎn)O的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

-搖臂繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度，rad/s2；

x-液壓缸的位移，m；

ΣMO-對O點(diǎn)所有外力矩之和，N·m。

圖3 滾筒采煤機(jī)截割部調(diào)高機(jī)構(gòu)動(dòng)力模型

在模型計(jì)算中，為了更加符合采煤機(jī)截割部實(shí)際工作情況，文中引入周期變化的水平力和垂直力來模擬滾筒偏心力對搖臂擺動(dòng)造成的影響。其中PxL1sinα1、PyL1cosα1分別表示水平和垂直方向上的激振力矩，1/2m2gL1cosα1、m1gL1cosα1分別表示搖臂和滾筒所產(chǎn)生的重力矩。因此式（1）可轉(zhuǎn)換為：

式中：

ω-滾筒旋轉(zhuǎn)角速度，一般ωa=ωb=ω，rad/s；

Pn-滾筒所產(chǎn)生的偏心力最大幅值，N。

基于圖3分析液壓缸產(chǎn)生的位移為：

式中：

θ-搖臂繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角，rad，因數(shù)值較小，所以 sinθ≈θ。

因此式（4）可變?yōu)椋?/p>

滾筒即搖臂繞O點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

聯(lián)立式（2）、（3）、（5）和（6）可得：

3 滾筒采煤機(jī)截割部調(diào)高機(jī)構(gòu)仿真模擬

仿真模擬試驗(yàn)主要基于Matlab/Simulink模塊進(jìn)行，依據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)情況，進(jìn)行下列參數(shù) 取 值：m1=100kg，m2=600kg，ω=3.07rad/s，Px+Pn=20000N，Py+Pn=2000N，Pn=40000N，P1=30000N，L1=2.3m，L2=0.95m。仿真時(shí)間設(shè)定為8s，測定搖臂擺動(dòng)角位移、角速度和角加速度隨著時(shí)間的變化曲線。

采煤機(jī)截割部調(diào)高機(jī)構(gòu)震動(dòng)與液壓缸特性關(guān)系緊密，此處進(jìn)行液壓缸支撐剛度和阻尼參數(shù)的選取。通過以下四組方案分析兩參數(shù)對調(diào)高機(jī)構(gòu)特性的影響，具體如表1所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 仿真模擬參數(shù)

通過分析圖4（1）和（2）可知，在保持調(diào)高液壓缸剛度固定時(shí)，隨著阻尼參數(shù)的變化，能量在衰減過程中振幅變化不同，且達(dá)到最大振幅所需時(shí)間也不相同。其中當(dāng)調(diào)高液壓缸阻尼增大時(shí)，角加速度、角速度和角位移的振動(dòng)幅度減小，且相應(yīng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間縮短。

通過分析圖4（3）和（4）可知，保持調(diào)高液壓缸的阻尼不變，所以能量消耗相同，所以在角加速度和加速度上，能量最大振幅和系統(tǒng)平衡時(shí)間基本相同，但在角位移曲線圖中，隨著剛度參數(shù)的減小，系統(tǒng)衰減波動(dòng)更加劇烈。

4 結(jié)論

本文通過對滾筒采煤機(jī)截割部調(diào)高機(jī)構(gòu)進(jìn)行模型簡化，建立相應(yīng)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，然后采用Matlab/Simulink模塊，基于動(dòng)力學(xué)模型方程進(jìn)行仿真模擬，并分析不同液壓缸剛度和阻尼參數(shù)方案下的搖臂角加速度、角速度和角位移的變化，結(jié)論表明，通過適當(dāng)調(diào)高液壓缸的阻尼和剛度可以降低系統(tǒng)搖擺幅度，提高采煤機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性，為礦井實(shí)際生產(chǎn)提供依據(jù)。

圖4 不同方案仿真結(jié)果圖