基于數值分析的掘進機刀盤載荷特性研究

徐 盛

（晉能控股煤業集團大斗溝煤業公司機安隊，山西 大同 037000）

引言

國民經濟的快速發展對能源的需求也越來越大。煤礦掘進的快速高效是影響整個煤礦開采效率的關鍵，懸臂式掘進機作為井下巷道綜掘施工的主要設備，其載荷分布及動力分配是否合理，直接關系到設備的穩定可靠運行，同時也直接關系到井下安全生產及煤礦的高效運行。掘進機截割刀盤直接參與掘進過程中的煤巖截割，其載荷特性能直接反映出掘進機的截割性能和工作狀態，因此，對掘進機截割刀盤的載荷特性分析具有重要的意義。

1 刀盤靜態載荷分析

截割刀盤的截齒直接進行煤巖截割，其工作載荷通過截齒傳遞至截割刀盤，因此，要對截割刀盤的載荷特性分析，首先從截齒載荷分析入手。

刀盤鉆進工況時，各截齒受力均勻，截割刀盤受力較為簡單。在橫向截割時，單側截齒受到擠壓力及摩擦力的作用，根據力線平移原理[1]，將各截齒所受合力等效至刀盤回轉中心，即可得到橫向掘進過程中，截割刀盤的瞬時載荷。刀盤截割受力關系如圖1所示。

圖1 截割刀盤受力關系圖

刀盤受到的載荷為：

式中：φi為第i 個截齒的位置角；ri為第i 個截齒的截割半徑；n 為參與截割的截齒個數。

由于截齒的位置角φi在截割刀盤運動過程中是個變量，在計算時，各截齒位置角均以刀盤上某一截齒所處的位置為參考進行定義[2]。截割刀盤載荷計算流程如圖2 所示。

圖2 刀盤載荷計算流程圖

2 刀盤載荷仿真分析

根據上述橫向截割工況時刀盤的受力分析，對該工況進行建模。由于截齒相對于煤巖的截割斷裂形變小，其自身應變可忽略不計，采用RIGID 剛體材料截齒進行賦值，刀盤采用鋼材賦值[3]，由于煤巖屬于非均值的各項異形材料，且其在各方向上又表現出一定的隨機性，因此，對煤巖材料賦予MAT_DRUCKER_PRAGER 材料，同時對煤壁定義為彈性材料。截割刀盤工作過程為劇烈碰撞、振動的過程，因此采用SOLID164 單元、MASS166 單元等對適用于較大形變或材料失效的不規則幾何體結構的單元進行網格劃分。為了縮短仿真求解時間，采用單點積分算法進行煤壁邊界分析。煤巖結構整體初始塊為規則形狀，采用六面體網格，截割刀盤形狀較為復雜，采用四面體網格，同時對截齒部分進行智能加密網格。根據上述分析，對刀盤橫向截割工況進行有限元模型建立，設置煤壁外側不參與截割面六自由度約束，同時將其設置為無反射邊界。對上述模型進行求解，得到截割刀盤應力云圖及刀盤各向載荷數值，具體仿真結果如圖3 所示。

圖3 橫向截割工況仿真結果

對上述仿真過程中截割刀盤的合力及三個方向的分力進行提取，得到刀盤載荷隨時間變化如圖4所示。

圖4 截割刀盤載荷時變曲線

根據上述有限元仿真分析，截割刀盤所受載荷在較大范圍波動，最大合外力達到672 kN，X 向最大載荷為662 kN，Y 向最大載荷為391 kN，Z 向最大載荷為571 kN。

在橫切工況下，截割刀盤的舉升載荷及縱向載荷可通過液壓缸的緩沖作用進行減震[4]，而橫切力波動將較大幅度地影響設備整機的力學性能[5]，因此對橫切力（即Y 向分力）進行濾波分析，截割刀盤轉動過程中，橫切載荷整體呈現正弦變化趨勢，且波動幅度最大。通過調整截割刀盤的俯仰角及升降油缸的縱向進給載荷，對截割刀盤載荷變化進行分析。對俯仰角進行-26°～44°范圍的變量賦值，分別取升降油缸為6 MPa、8 MPa、10 MPa、12 MPa 對應得進給載荷，得到截割刀盤橫切載荷變化如圖5 所示。

圖5 截割刀盤橫切載荷變化曲線

由圖5 可以看出，當升降油缸提供的縱向進給載荷一定時，刀盤橫切載荷隨刀盤俯仰角θ 先減小后增加，載荷最小值出現在0°～5°之間，當俯仰角繼續增大時，橫切載荷急劇增加。進給載荷出現變化時，俯仰角與橫切載荷變化的趨勢不變，但在負角度區域和正角度區域，橫切載荷與進給載荷間變化關系相反，但進給載荷對橫切載荷的變化影響較小。

3 結論

1）對截割刀盤橫切工況的受力關系進行分析，得到該工況下刀盤的各分載荷計算方法，并對刀盤載荷的計算流程進行了分析；

2）通過建立橫切工況截割刀盤有限元模型，對該工況下截割過程進行仿真，得到了刀盤在初始輸入條件下各向載荷的時變曲線，且各曲線均有較大幅值的波動；

3）對刀盤俯仰角橫切載荷的影響進行仿真并提取其關系曲線，得到橫切載荷最小值出現在俯仰0°～5°之間；

4）截割刀盤橫切載荷與進給載荷在俯仰負角度區域和正角度區域變化關系相反，且進給載荷對橫切載荷的變化影響較小。