滾筒式采煤機截割過程受力狀態的分析研究

梁 兵

（山西霍爾辛赫煤業有限責任公司，山西 長治 046699）

引言

采煤機作為煤炭綜采工作面內極為關鍵的設備，能否可靠工作不僅關系著工作面內工作人員的安全問題，還與煤炭企業的煤炭產量和經濟效益息息相關[1-3]。滾筒作為采煤機結構中的重要組成部件，直接與煤炭巖層接觸實現采煤機的采掘功能，但是由于煤炭巖層地質條件存在差異，使得滾筒在工作過程中的受力情況較為復雜[4-5]，煤炭巖層作用于滾筒的作用力基本等同于掘進過程中采煤機所受的外部載荷，影響整個采煤機的工作穩定性[6]。為了進一步提高采煤機結構的可靠性，對滾筒截割煤巖過程的受力情況進行分析。

1 滾筒截割煤巖有限元模型的建立

選擇ANSYS 中的LS-DYNA 非線性顯式模塊作為采煤機滾筒截割煤巖仿真軟件，以獲得煤巖反作用于滾筒的載荷。運用SolidWorks 軟件完成滾筒截割煤巖三維模型的建立，之后導入ANSYS 軟件進行前處理。

滾筒材料屬性參數如下：彈性模型為460 GPa，泊松比為0.3。煤巖材料屬性參數如下：彈性模量為327 GPa，泊松比為0.36，摩擦角為0.52°，黏著力為530 Pa，膨脹角為0.6°。對于滾筒，采用SOLID168 四面體單元類型，對于煤巖，采用SOLID1648 節六面體單元類型，完成網格劃分的滾筒截割煤巖模型（見圖1）。將滾簡與煤巖的接觸類型定義為面面侵蝕接觸，將滾筒的截割速度設為26.4 r/min，將其牽引速度設為0.26 m/s，將求解時間設置為9 s。

圖1 采煤機滾筒截割煤巖的有限元模型

2 仿真結果

通過ANSYS 仿真計算軟件中的LS-DYNA 模塊，完成采煤機滾筒截割煤巖有限元模型的前處理工作之后即可啟動其自帶求解模塊，進行煤巖截割過程的仿真計算。待仿真計算完成之后在LS-DYNA后處理器LS-PREPOST 中即可提取采煤機滾筒每個時刻對應的滾筒截割煤巖的實際狀態。為了便于分析采煤機截割滾筒截割煤巖過程中的狀態變化情況，選取滾筒自開始截割動作計時0、3 s、6 s、9 s 時的仿真狀態，結果如圖2 所示。由圖2 可以看出，在仿真過程中滾筒隨著時間的推移實現了煤巖截割的全過程，包括滾筒初始進入截割、部分截齒逐漸嚙合截割煤巖、全部截齒參與煤巖截割等。由此可見，采煤機滾筒截割煤巖的仿真過程參數設置合理，仿真過程符合采煤機滾筒截割煤巖的實際工作狀態。

圖2 采煤機滾筒截割動態圖

為了更好地通過仿真計算得到采煤機截割滾筒截割煤巖過程中的受力狀態，需要提取滾筒全部截齒參與煤巖截割時的受力狀態，原因是采煤機滾筒初始進入煤巖截割過程中僅僅是部分截齒參與煤巖截割，此時的受力狀態未達到截割載荷最大，只有在采煤機滾筒截齒全部參與煤巖截割時，其截齒部分將會承受煤巖截割過程中的全部載荷，此時能夠更好地表征采煤機滾筒的受力狀態。如圖3 和圖4 所示的仿真過程中滾筒截割過程中截齒的三向力曲線和三向力矩曲線，代表了整個采煤機滾筒截割過程中的實際受力狀態。其中三向力分別為滾筒截割煤巖過程中所受的牽引阻力、截割阻力和側向阻力，三向力矩分別為滾筒截割煤巖過程中所受的牽引阻力矩、截割阻力矩和側向阻力矩。由圖3 可以看出，采煤機滾筒截割煤巖穩定時所受三向力中以截割阻力和牽引阻力為主，二者的力值均約為10 kN，仔細觀察可以發現截割阻力和牽引阻力呈現一定的周期性，側向阻力在零附近波動；由圖4 可以看出，采煤機滾筒截割煤巖穩定時所受三相力矩以截割阻力矩和牽引阻力矩為主，前者數值約為40 000 N·m，后者約為20 000 N·m，側向阻力矩數值較小，接近于零。

圖3 滾筒三向力曲線

圖4 滾筒三向力矩曲線

3 分析與討論

采煤機滾筒截割煤巖時所承受的載荷等于滾筒上所有參與截割的截齒所受截割載荷的矢量和，在截割仿真中，未考慮截割電機機械特性對截割部齒輪傳動系統速度的影響，故采煤機滾筒在截割煤巖體的過程中，其截割速度為勻速圓周運動。根據滾筒受力平衡原理，對截割滾筒進行受力分析，可以將滾筒截割載荷等效為作用于截割滾筒質心位置的三向力和三向阻力矩，具體的受力分析如圖5 所示。三向力分別為牽引阻力Fx、截割阻力Fy和側向阻力Fz，三向力矩分別為牽引阻力矩Mx、截割阻力矩My和側向阻力矩Mz。仿真結果顯示：采煤機滾筒截割煤巖穩定時所受三向力中以截割阻力和牽引阻力為主，側向阻力在零附近波動；采煤機滾筒截割煤巖穩定時所受三相力矩以截割阻力矩和牽引阻力矩為主，側向阻力矩數值較小。

圖5 滾筒受力圖

三向力中以截割阻力和牽引阻力為主且側向阻力在零附近波動的原因主要是，滾筒截割煤巖時的運動方向包括旋轉運動和進給運動，旋轉時煤巖截割時滾筒截齒主要承受截割阻力，進給運行時滾筒截齒主要承受牽引阻力，整個截割過程未涉及側擺運動，因此滾筒所受側向阻力基本為零。滾筒三向力矩以截割阻力矩和牽引阻力矩為主，側向阻力矩數值較小的受力狀態原因與其三向力受力狀態分析基本一致。

4 試驗驗證

為了驗證采煤機滾筒截割煤巖過程受力狀態仿真計算結果的準確性，對某企業服役中的采煤機滾筒工作狀態下的受力狀態進行試驗采集。采用拉壓力傳感器對牽引阻力進行數據采集，采用扭矩傳感器對截割阻力進行數據采集，采用拉壓力傳感器對側向阻力進行數據采集。在試驗過程中，采煤機處于穩定連續截割煤巖的工作狀態，讀取并記錄各傳感器數值，經過數據處理計算得出采煤機滾筒運行過程中的平均牽引阻力為9.86 kN，截割阻力矩平均值為40 800 N·m，側向阻力平均值為0～100 N，與牽引阻力相比接近于0。可見，采煤機滾筒截割煤巖過程受力狀態試驗結果與仿真計算結果基本吻合，說明仿真計算結果準確可信，仿真計算結論具有很好的工程指導價值。

5 結論

1）采煤機滾筒截割煤巖穩定時所受三向力中以截割阻力和牽引阻力為主，仔細觀察可以發現截割阻力和牽引阻力呈現一定的周期性，側向阻力在零附近波動，對應的滾筒三向力矩狀態與三向力狀態相一致。

2）仿真計算結果與滾筒實際工作過程的受力狀態吻合，仿真計算結果準確，對于采煤機結構的進一步優化設計工作具有重要的指導意義。