綜采工作面設備運動仿真及配套分析

劉 濤

（陽泉市上社二景煤炭有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，由于采煤機技術的不斷改進，綜采設備的自動化水平的提升，使煤礦綜采工作面生產效率得到了有效提高。其中，綜采工作面采煤機、刮板輸送機以及液壓支架“三機”的配套水平直接決定綜采工作面的生產效率和安全性。因此，開展綜采工作面“三機”設備的配套性研究具有相當重要的意義。本文著重開展綜采工作面“三機”的配套性研究，指導工作面設備的選型。

1 綜采工作面設備模型的建立

1.1 采煤機三維模型的建立

作為綜采工作面的主要設備，采煤機主要作用于裝煤和落煤。本文主要研究對象為電牽引式無鏈滾筒采煤機，主要包括電氣系統、牽引部、截割部以及附屬機構組成。其主要工作過程為位于煤壁側和采空側的兩只滑靴及兩只導向滑軌分別于刮板輸送機工作面的產煤板及銷軌上[1]。采煤機沿刮板輸送機運行主要依靠采煤機上的銷軌與齒輪耦合，以達到左右牽引作用。截割電機則依靠機械系統帶動旋轉滾筒，完成落煤以及之后的裝煤任務。

簡化模型的核心部件包括采煤機底托架模型、右搖臂、左搖臂、滑靴以及滾筒模型。采煤機裝配的三維模型如圖1所示。

1.2 液壓支架三維模型的建立

被稱之為“鋼鐵長廊”的液壓支架是整個綜采工作面的支護設備，其主要作用是保證整個采煤過程中工作設備以及人員的安全。簡化模型的核心部件主要包括液壓支架護幫板模型、液壓支架底板模型、液壓支架頂梁模型、液壓支架掩護梁模型、液壓支架前連桿模型、液壓支架后連桿模型、液壓支架立柱一級桿模型、液壓支架立柱中缸模型以及液壓支架立柱活塞桿模型，將這些部件裝配起來，組合為液壓支架的三維裝配模型，如圖2所示。

圖1 采煤機的三維裝配模型

圖2 液壓支架的三維裝配模型

1.3 刮板輸送機三維模型的建立

作為采煤機的運行軌道，刮板輸送機主要依靠牽引構件的刮板鏈和支承機構的溜槽作為連續的運輸設備。簡化模型的核心部件主要包括輸送機機頭架模型、機頭過渡槽模型、機尾架模型、機尾過渡槽模型、輸送機中部槽模型，將這些部件裝配起來，組合為刮板運輸機三維裝配模型，該裝配方式較為簡單，如圖3所示。

圖3 刮板輸送機的三維裝配模型

2 綜采工作面設備運動仿真分析

2.1 采煤機的運動仿真

主要針對采煤機工作面移動方向以及螺旋滾筒的旋轉運動模擬仿真。設置運動仿真的相關主要參數，如下頁表1所示。主要的仿真步驟：根據各部件材料通過材料屬性進行設置；定義連桿；定義運動副；設置相關機構解算方案的參數，主要包括運動方案以及分析類型、重力方向、解算時間以及解算步數等；求解；求解完成后，觀察運動狀態；最終干涉檢查[2-3]。

經動態干涉檢查得出，采煤機的滑靴以及滾筒和地面之間存在干涉情況，整個運功過程將會中止。如此，需繼續檢驗各部分組件之間所存在的裝配問題，持續修改，直至干涉無問題，運動繼續。

表1 采煤主要參數

2.2 液壓支架的運動仿真

液壓支架間各個部件間相互牽引，相互影響。液壓支架運動仿真與采煤機的運動仿真基本相似，但也存在不同之處。主要體現在，頂梁、立柱以及底座之間存在球面副；頂梁和底座之間約束為平行面，頂梁和護幫間約束為垂直。

采用與采煤機一樣的運動干涉檢查，檢查結果表明，底座和后連桿存在干涉，需對此進行調整修改。修改之后，整個運行過程正常。除此之外，根據液壓支架中選擇的為四連桿機構，所以雙扭線作為其頂梁的運動軌跡，經驗證液壓支架理論的運動軌跡與實際運動軌跡保持一致，且梁端間距為30 mm以內[4]。

2.3 刮板輸送機的運動仿真

刮板輸送機具有相對簡單的運動軌跡，作為綜采工作面中采煤機和液壓支架的配套設備。它主要包括兩個過程是指推溜和拉架。推溜過程與采煤機匹配，拉架過程中則和液壓支架成套匹配，可在下一部分內容中具體闡述。

3“三機”性能配套分析

3.1 采煤機牽引力配套分析

由于相對復雜的煤層地質結構，本論文主要根據煤層不同的傾斜角進行仿真配套分析討論。通過設置傾斜角分別為10°、15°以及20°傾斜角煤層結果表明，當煤層傾斜角為10°時，采煤機有足夠的牽引力；當煤層傾斜角為15°時，采煤機在設置相同的阻力以及動力的條件下，仍擁有足夠的牽引力，但爬坡速度明顯小于低傾斜角；當煤層傾斜角為20°時，雖采煤機仍能向前移動，但運動加速度較前兩者來說，明顯減低。最后，當傾斜角為21°時，采煤機自身所具有的牽引力則小于爬坡阻力，呈現反向運動，結果表明，該采煤機只適用于煤層傾斜角于20°范圍內。

3.2 采煤機采高高度和液壓支架支護高度間的配套分析

本文設置采煤機的采高范圍和液壓支架支護高度范圍分別為3.2～6.3 m和2.8～6.3 m。在分析過程中，使采煤機前滾筒達到最高采高位置，后滾筒處于最低位置。同理，也將液壓支護高度設置于最高和最低極限位置。在最高極限位置，采煤機和液壓支護之間不存在干涉，但后滾筒卻與最低支架支護高度存在干涉，需進一步進行修改。若將采煤機調高至3.2 m高度，通過改變液壓支護的高度，兩者之間可以完成較好的配套分析；若減低支護高度為3 m，則采煤機與液壓支護間存在干涉，該結果表明，對于低于3.2 m的煤層高度工作面，雖然支架可以起到支護作用，但采煤機和液壓支護間不能起到較好的配套分析作用，該方法簡單便捷，可以得到較快的試驗驗證。

3.3 采煤機搖臂和輸送機機尾的配套分析

采用傳統的方法，將輸送機的溜槽經過變線處理，詳細的操作步驟可根據建立采煤機和刮板運輸機間的三維立體模型，兩者間存在的干涉位置以及干涉值進行處理操作。此種方法，通過更新模型即可立即涉及于綜合的裝配中，整個過程迅速便捷。

4 結論

采煤機、刮板輸送機以及液壓支架為綜采工作面的關鍵設備，其配套程度直接決定工作面的生產效率和安全性。本文通過搭建“三機”的三維模型從理論層面分析了采煤機牽引力的配套、采煤機采高與液壓支架支護高度的配套性以及采煤機搖臂與輸送機機尾的配套性，經實踐證明，當前工作面“三機”的配套性滿足實際生產需求。