采煤機直線截割工況下刮板輸送機中部槽受力及應力分析

楊恩建，王義亮，楊兆建

（1.太原理工大學機械工程學院，山西 太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024）

1 引言

刮板輸送機是綜采工作面三機配套的重要組成部分之一，中部槽是刮板輸送機中工作的承載核心，不僅是采煤機的運行軌道，而且是物料運輸的主要載體，是刮板輸送機的重要組成單元。其性能的好壞直接影響刮板輸送機的運輸能力，從而影響采煤機的工作效率[1-2]。中部槽是刮板輸送機中損壞最嚴重的部件，我國每年失效的中部槽數以萬計[3]。因此對中部槽進行力學分析很有必要。目前對于中部槽的失效開裂問題，主要集中在采煤機的拉架和推溜兩種工況下的研究[4]。研究表明，在這兩種工況下容易導致中部槽推拉耳和啞鈴窩的疲勞破壞。在實際生產過程中，截割工況相比于拉架、推溜工況，不僅占比最高，而且對中部槽的作用載荷更大。在該工況下，中部槽不僅承受采煤機的自重，而且還有來自煤壁的截割反力，此外還會遇到煤巖底板不平等惡劣工況，對中部槽的破壞較大。因此對截割工況的研究很有必要。

主要研究采煤機直線截割工況下的中部槽受力及應力分布，針對煤巖底板平整和不平整兩種特殊情況進行仿真分析。采煤機在復雜惡劣的礦井環境下進行截割煤壁時，直接測中部槽所受載荷不僅成本高、影響正常的生產運行而且還存在潛在的風險。此外，采煤機行走輪與銷軌一直處于旋轉嚙合狀態，其嚙合力的測量尤為困難[5]。本次研究借助ADAMS軟件進行整機的直線截割仿真，可方便地提取所需載荷，解決人工測量載荷不便的難題。將獲取的載荷譜導入ANSYS/LS-DYNA中，分別對采煤機在直線截割工況下中部槽鏟煤板全支撐與部分懸空兩種工況進行動力學分析，并對結果進行分析總結。

2 采煤機虛擬樣機建立及動力學仿真

2.1 刮板輸送機及整機三維建模

該文主要研究采煤機在直線截割煤壁時中部槽的受載情況以及槽幫上應力分布情況。因此建立的采煤機整機虛擬樣機包括刮板輸送機和采煤機。應用UG建立刮板輸送機和采煤機三維模型。

2.2 虛擬樣機建立

將整機三維模型導入到ADAMS軟件后，對刮板輸送機模型進行簡化。建立虛擬樣機的目的主要是獲取采煤機對中部槽的作用力。實際上采煤機是通過平滑靴、導向滑靴和行走輪將力直接或間接地作用在中部槽上，這些力均為變載荷且載荷作用區域也隨時間而變化，給后續動力學分析中載荷位置的確定帶來不便。由于銷軌安裝在中部槽后槽幫銷軌座上，導向滑靴和行走輪是通過銷軌將力傳遞到銷軌座上，銷軌、銷軌座和中部槽的相互作用關系[6]，如圖1所示。根據其相互作用關系可將導向滑靴和行走輪對中部槽的作用轉化為銷軌對銷軌座的作用，因此只需獲取作用在同一銷軌座上的兩銷軌耳處的兩向力。直線截割工況下側向力相對牽引力和豎直作用力較小可忽略。平滑靴對鏟煤板的作用力，可直接從虛擬樣機中提取。為方便提取這些接觸力，虛擬樣機只保留刮板輸送機中的銷軌和各中部槽的鏟煤板。

圖1 銷軌和中部槽裝配關系Fig.1 Assembly Relationship Between Pin Rail and Middle Through

對采煤機各零部件添加約束，在平滑靴與鏟煤板、導向滑靴與銷軌、行走輪與銷軌之間創建接觸。接觸力通過沖擊函數法計算[7]，沖擊函數示意圖，如圖2所示。接觸力由兩部分組成，一個是部件相互切入而產生的彈性力，另外一個是兩構件相對速度產生的阻尼力[8-9]。其函數表達式，如式（1）所示：

圖2 沖擊函數示意圖Fig.2 Diagram of Impact Function

式中：K—接觸剛度系數，N·m-3/2；x1—位移開關量，mm；x—兩物體的初始實際距離，mm；n—碰撞力的指數；d—法向穿透深度，mm；c—接觸過程中最大阻尼系數，N/（S·mm）；—相對速度，mm/s。

計算接觸力的各參數需要在ADAMS軟件中設定，接觸剛度系數根據赫茲接觸理論計算得到[10]。接觸剛度系數與所接觸物體表面的幾何形狀有關，一般需要把其他類型的接觸轉化為齒輪接觸類型，齒輪接觸剛度系數的計算公式如下：

式中：R—兩齒輪嚙合的等效半徑，mm；

R1、R2—兩嚙合齒輪接觸點的半徑，mm；

E1、E2—兩嚙合齒輪材料的彈性模量，Pa；

μ1、μ2—兩嚙合齒輪材料的泊松比。

將前后滾筒截割煤壁的三向力載荷曲線分別施加在前后滾筒的質心處[11]，從而實現虛擬樣機截割煤壁的目的。最終創建的采煤機虛擬樣機，如圖3所示。

圖3 采煤機虛擬樣機模型Fig.3 Virtual Prototype Model of Shearer

2.3 虛擬樣機運動仿真

設定采煤機牽引速度為15.6m/min，仿真求解時間為15s，仿真步長為0.001s[12]。

采煤機在直線截割煤壁時，煤壁對采煤機前滾筒在垂直底板方向（Z向）上有向上的合力，而對后滾筒在垂直底板方向上有向下的合力，所以鏟煤板對后平滑靴的支撐力大于前平滑靴支撐力[13]。可推斷采煤機在截割煤壁時，后平滑靴對中部槽的影響較大。在對中部槽進行動力學分析時，選取后平滑靴處的接觸力作為中部槽所受載荷。

由上節分析可知每個銷軌座都受到兩個銷軌連接耳的作用，因此為了方便后續載荷施加，可將作用在同一銷軌座上的兩銷軌耳上的同向載荷求和，并導出作用在左右銷軌座的兩向載荷曲線，如圖4、圖5所示。后平滑靴對鏟煤板的豎直載荷，如圖6所示。

圖4 銷軌座所受Y向力Fig.4 Y Force of Pin Rail Seat

圖5 銷軌座所受Z向力Fig.5 Z Force of Pin Rail Seat

圖6 后平滑靴支撐力曲線Fig.6 Supporting Force Curve for Smoothing Boots

3 中部槽動力學分析

3.1 中部槽模型的建立

這里對比分析中部槽底部煤巖底板平整和不平整兩種工況下中部槽槽幫應力分布結果。下面以煤巖底板平整為例介紹仿真分析過程。

中部槽主要是由槽幫、中板和封底板等組成[14]。為了簡化分析，將這些部件全部粘結在一起，作為一個整體進行分析。應用Pro/E軟件創建中部槽三維模型。為真實地模擬采煤機直線截割工況，反映相鄰中部槽之間的相互作用，本次研究采用三節中部槽進行仿真分析。中部槽下方模型模擬實際工況下的煤巖底板，滑塊模擬平滑靴，用啞鈴銷將三節中部槽進行連接裝配。煤巖底板平整與不平整時的裝配模型，如圖7、圖8所示。

圖7 煤巖底板完整中部槽裝配模型Fig.7 Assembly Model of Middle Trough of Complete Coal Rock Floor

圖8 煤巖底板部分缺失中部槽裝配模型Fig.8 Assembly Model of Middle Trough of Partially Missing Coal Rock Floor

3.2 材料模型的選擇

ANSYS/LS-DYNA系統內部包含豐富的材料模型。選擇彈性和剛性兩種材料。選擇剛性材料的目的主要是為了盡量在不影響分析結果的基礎上節省計算資源，縮短計算時間。本次仿真著重分析中部槽槽幫的應力分布情況，因此將中部槽設定為線彈性材料，啞鈴銷和平滑靴不是研究重點，定義為剛性材料。為更好地模擬實際接觸變形，底板采用煤巖材料模型，中部槽材料為ZG30MnSi。中部槽和底板材料參數，如表1所示。

表1 中部槽及底板材料參數Tab.1 Material Parameters of Middle Trough and Floor

3.3 網格劃分

中部槽和啞鈴銷形狀不規則，采用6級智能網格劃分，平滑靴和煤巖底板形狀規則，采用掃掠方式進行劃分，模型均采用實體單元類型。劃分結果，如圖9所示。

圖9 中部槽有限元模型Fig.9 Finite Element Model of Middle Trough

3.4 定義接觸

為了反映中部槽之間、中部槽和啞鈴銷、中部槽和平滑靴以及中部槽和底板之間的相互作用，需要對它們進行接觸設置。在定義接觸之前需要將模型生成part，ANSYS軟件會把采用相同單元、材料和實常數的模型生成一個part。本次仿真所有接觸均采用面面自動接觸類型。

3.5 約束和載荷的確定

在實際工況中，中部槽連接體系的受力情況比較復雜[15]。在有限元分析時，根據實際情況對中部槽進行理想化約束。煤巖底板和中部槽的約束，如圖10所示。啞鈴銷限制在中部槽啞鈴窩里面，起連接兩塊中部槽的作用。將設定的接觸條件作為啞鈴銷的邊界條件。

圖10 約束中部槽和底板Fig.10 Constrains the Middle Trough and the Bottom Plate

將從虛擬樣機中導出的載荷曲線施加在對應的受載區域。將速度曲線施加在平滑靴上，定義平滑靴Y向（牽引方向）速度為-0.26m/s，設置平滑靴與鏟煤板的摩擦系數。

3.6 求解設置

為了將載荷作用時刻與平滑靴行走位置相匹配，且保證采煤機完整走過一節中部槽，設置求解時間為15s，輸出時間步長為0.001 s。設置輸出文件為LS-DYNA類型，最后輸出K文件。在后處理軟件中手動修改K 文件，把中部槽材料模型改為3 號*MAT_PLASTIC_KINEMATIC金屬材料模型，底板材料模型改為193號*MAT_Drucker_Prager煤巖材料模型。最后提交K文件進行求解。

3.7 結果分析

求解完成后提取中間中部槽不同時刻的等效應力云圖，如圖11所示。通過應力云圖可以發現，高應力區域主要集中在鏟煤板肋板根部和啞鈴窩處。與實際損壞的中部槽對比可知，高應力區域和實際開裂位置完全一致。實際損壞的中部槽，如圖12所示。

圖11 中部槽等效應力云圖Fig.11 Middle Through Equivalent Stress Nephogram

圖12 損壞的中部槽Fig.12 Damaged Middle Trough

由應力云圖可知中部槽槽幫開裂的主要原因是平滑靴對鏟煤板的作用。采煤機的質量主要集中在機身、搖臂和滾筒上，而搖臂和滾筒處在平滑靴側，即采煤機重心處于平滑靴側。所以平滑靴對中部槽的作用力相對較大。當平滑靴將載荷作用在鏟煤板上時，鏟煤板有向下的位移變形，而槽幫上的肋板對鏟煤板的變形有阻礙作用，因此肋板主要受到拉應力作用。采煤機直線截割煤壁時，銷軌對銷軌座在豎直方向上時而有向下壓的作用，時而有向上拉的作用，且作用力相對較小。所以對中部槽后槽幫的作用較小，后槽幫上也沒有出現高應力區。

由仿真結果可知，槽幫上高應力區域主要出現在肋板根部和啞鈴窩處。在中間中部槽第一根肋板根部高應力區域選取典型單元并提取這些單元的應力時間曲線，如圖13所示。由圖可知5號單元在3.9s時出現最大等效應力242MPa。

圖13 底板完整肋板根部典型單元應力時間曲線Fig.13 Stress Time Curve of Typical Element of Bottom Plate Complete rib Plate of Root

選取中間中部槽左側啞鈴窩處高應力區域典型單元并提取單元應力時間曲線，如圖14所示。由圖可知4.1s時啞鈴窩處2號單元出現最大等效應力283MPa，小于該材料的屈服強度。可以認為中部槽在該工況下不會直接發生斷裂失效。同樣的方法模擬直線截割工況下中部槽左側底板部分懸空狀態下的情況，分析肋板根部和啞鈴窩處應力變化情況。結果表明中部槽高應力區域還是集中在肋板根部和啞鈴窩處。提取肋板根部和啞鈴窩處高應力區域典型單元分析應力變化情況，如圖15、圖16所示。由應力時間曲線可知，肋板根部9號單元在2.8s時出現最大等效應力316MPa，啞鈴窩處5 號單元在4.1s 時出現最大等效應力317MPa。與底板不懸空相比肋板根部最大等效應力增大74MPa，啞鈴窩處最大等效應力增大34MPa。顯然底板懸空對中部槽的影響較大。雖然在這兩種工況下肋板根部與啞鈴窩處最大等效應力均未超過該材料的屈服極限，但是如果中部槽長時間在懸空工況下工作，槽幫很容易因為疲勞而發生斷裂失效。

圖14 地板完整時啞鈴窩處典型單元應力時間曲線Fig.14 Stress time Curve of Typical Element of Bottom Plate Complete Dumbbell Nest

圖15 底板部分懸空肋板根部典型單元應力時間曲線Fig.15 Stress Time Curve of the Typical Element at the Root of the Ribbed Plate when the Bottom Plate is Suspended

圖16 底板部分懸空啞鈴窩處典型單元應力時間曲線Fig.16 Stress Time Curves of Dumbbell Nest at the Bottom Plate Suspended

4 結論

（1）利用ADAMS軟件對采煤機直線截割工況下虛擬樣機進行仿真分析，由導出的載荷曲線可知平滑靴對鏟煤板的豎直方向作用力始終向下，而導向滑靴對后槽幫的豎直方向作用力并不是始終向下。仿真結果與實際情況相符。（2）通過ANSYS-LSDYNA對中部槽進行動力學分析可知，采煤機在直線截割工況下高應力區域主要集中在肋板根部和啞鈴窩處，與中部槽實際開裂的位置一致，從理論上解釋了中部槽開裂的原因。（3）應盡量避免中部槽底板處于懸空狀態下工作。中部槽處于懸空狀態下工作，槽幫處等效應力急劇增大，更容易引起中部槽疲勞開裂。