采煤機斜切工況下牽引部動態特性研究

陳 浩

（霍州煤電集團辛置煤礦 ，山西 霍州 031412）

0 引 言

采煤機工作環境復雜，負荷變化很大，一些關鍵部件經常因過載工作而損壞。比如采煤機牽引行走部的負荷大、載荷不均，其支撐軸承很容易出現磨損或滾動體破裂等現象和鏈輪齒根的斷裂。特別是采煤機完成斜切截煤后才能開始直線截煤工作，而在斜切截煤的過程中輸送機會呈現彎曲為“S”型的扭曲狀態，也正是這種“S”型的扭曲使輸送機具有引導采煤機前進、截煤的能力，但這種“S”型彎曲或一定角度的扭曲，會造成采煤機牽引部瞬時載荷過大，從而導致局部區域應力超過材料屈服極限，產生塑性形變的累積，在長時間的工作后產生疲勞斷裂或脆斷。這些存在的問題很大程度上是由采煤機的動態特性研究不夠造成的，動態特性的研究不足導致我們無法了解采煤機牽引部在位移、速度、載荷變化的劇烈程度，因此采煤機在設計時也缺乏理論參考，對局部零部件的結構設計、材料選用考慮不足，引起結構的破壞也就在所難免。針對采煤機牽引部動態特性研究不足的情況，本文采用基于ADAMS-LSDYNA聯合仿真的手段，對采煤機牽引部在斜切進刀截煤時的動態特性進行了研究。

1 采煤機牽引部動態特性研究流程

針對斜切工況下采煤機的載荷波動幅度較大，工況惡劣，但又缺乏相關研究的問題，文章旨在開展采煤機在斜切截煤時的動力學特性研究。首先建立了采煤機的整體三維模型，于ADAMAS軟件中加以斜切工況時的運動關系及運動輸入條件，如行走輪初始速度等參數，得到采煤機的前后滾筒在此工況下的軸向偏移、滾筒相對于煤壁的偏轉角度隨時間的變化趨勢。并以這兩種參數隨時間的變化作為LSDYNA軟件中滾筒斜切截煤有限元模型的邊界條件，得到了滾筒的動態載荷。最后將滾筒的動態載荷加載到滾筒質心上，結合采煤機的整體樣機模型，最后得到了采煤機在斜切時的牽引部總體的動力學特性。研究流程可表述如圖1所示。

圖1 斜切工況下采煤機牽引部動力學仿真流程圖

2 采煤機斜切截煤運動仿真

2.1 斜切煤模型的建立

根據相關文件規定，刮板輸送機在水平方向的彎曲角度應控制在1°范圍內，同時，要求其彎曲部分的橫向位移值應大于滾筒的最大寬度。因此，結合相關理論計算公式，確定了輸送機中部槽結構的數量為11套，其彎曲段的長度為23.5m，其主要性能參數如表1所示。同時，建立了經結構簡化的采煤機斜切截煤模型，如圖2所示。

表1 采煤機中部槽參數表

圖2 采煤機斜切模型

將采煤機斜切3D模型導入ADAMAS，設置其零部件之間的運動關系：電機軸與牽引箱、齒輪與牽引箱、行星輪與行星架、行星架與內齒圈設定為轉動副；內齒圈與牽引箱、外花鍵與齒輪設定為固定副；導向滑靴與牽引箱、平滑靴與牽引箱設定為旋轉副。如圖3所示。

圖3 斜切截煤仿真模型

2.2 仿真結果獲取

運動仿真的參數設定為：行走輪初始轉速為4.2r/min，采煤機整個仿真過程的仿真時間定義為290s。最后得到采煤機斜切進刀時滾筒運動參數曲線，如圖4所示。因此，在后面的仿真分析過程中，將會以圖4的滾筒運動特性曲線作為其邊界條件。

圖4 滾筒偏轉角度與軸向位移隨時間的變化

3 滾筒斜切截過程中的載荷計算

3.1 采煤機滾筒截割煤巖有限元模型

結合建立的滾筒三維模型，采用LS-DYNA軟件，對其進行有限元仿真模型的建立，所建立的仿真模型如圖5所示。根據模型中滾筒結構的復雜程度，對其進行了10節點單元的SOLID168；而煤壁的三維模型相對較簡單，因此，選用8節點單元的SOLID185。同時，束條件設置為：將滾筒X方向的轉動自由度和Y方向的平動自由度均設置為0個，把第2節獲得的滾筒偏轉角度與軸向位移隨時間的變化作為此次仿真的邊界條件進行仿真，仿真時間設定為290s，獲取分析結果。

圖5 滾筒斜切截煤有限元模型

3.2 仿真結果獲取

仿真結束后獲得前后滾筒分別在X、Y、Z三個方向上的受力變化，如圖6所示。

圖6 前后滾筒三向受力變化曲線

4 斜切工況下牽引部動力學分析

4.1 載荷施加

將第3節獲得的三向力分解成數據后導入ADAMAS軟件，并將載荷施加采煤機斜切截煤時的前后滾筒質心上，完成載荷施加，并進行采煤機斜切截煤時的牽引部運動特性仿真。

4.2 結果分析

1）導向滑靴受力分析。

采煤機主要通過彎曲段的刮板輸送機和導向滑靴的共同引導，實現在斜切工況下斜切進刀操作，導致導向滑靴因受外力過大而出現了較大程度損壞。因此，采用了ADAMS軟件，對采煤機開展了動力學仿真研究，得到了導向滑靴及行走輪的動態載荷曲線，并由此確定了導向滑靴在彎曲段行走過程中相對銷排的接觸位置示意圖，如圖7所示。

圖7 導向滑靴與銷軌接觸示意圖

通過分析可知，導靴A、B的內側與銷排的外側之間由于相互接觸。產生了較大的摩擦力，此摩擦力即為導靴、銷排在Y方向上的接觸力。從圖8中可以看出：導靴Y方向上有著十分復雜的接觸力，而前后導靴在Y方向上的受載變化相反。當采煤機進出彎曲部分刮板輸送機時，前導靴和后導靴受載波動較大。

圖8 導靴Y向受力變化

圖9 行走輪受載曲線隨時間的變化

2）行走輪受力分析。

從圖9中的行走輪的力曲線可以看出，在傾斜切割條件下，采煤機行走輪的牽引阻力呈現逐漸增大的變化趨勢，分析其原因為：由于采煤機隨著切割作業的不斷進行，其切割所涉及的截齒逐漸增加，因接觸產生的摩擦力也逐漸增加，最終導致了采煤機所需的牽引力也逐步增大，以現象與實際工作情況基本吻合。

5 結 論

文章提供了連續過程仿真獲得牽引部動力學特性的方式，采用ADAMS-LSDYNA聯合仿真的手段獲取了較為可靠的滾筒軸向偏移與轉角等運動參數隨時間的變化、滾筒三向載荷變化曲線、導靴、行走輪受力隨時間的變化。根據多種仿真分析可得到以下結論：

1）在采煤機彎曲段兩節銷排的連接處由于存在局部誤差，導致導靴與行走輪在此處產生了較大的沖擊作用力，長時間工作后易產生結構破壞。可通過對彎曲段的參數的合理設置，以此來減小銷排連接處的誤差和導向滑靴與行走輪在此處的沖擊力值，保證采煤機的正常運行。

2）連續過程仿真與多種軟件的聯合仿真，獲取的牽引部動斜切截煤的動力學特性，為后續其他工況下動力學特性分析提供了思路和方法，重要的是獲得部件如滾筒、行走輪的受載隨時間的變化可用作有限元強度分析的輸入與邊界條件，為開展零部件的強度評估提供了先決條件。

3）滾筒在170s斜切截煤時，偏轉角與軸向偏移都較大，這就容易引起剛度失效與強度失效，可在結構設計時減小滾筒軸距的方式來提高滾筒在軸向的剛度，對局部應力集中的位置進行結構補強、開圓孔、選用高強度材料的方式來降低局部應力。