礦井采煤機截割滾筒性能分析

蔡俊林

（陽泉市南莊煤炭集團有限責任公司生產技術處，山西 陽泉 045000）

引言

采煤機作為礦井的關鍵開采設備，影響著開采的效率和安全，其中截割滾筒性能關系到了落煤和裝煤生產工藝的穩定性，同時隨著礦井機械化開采比例在日趨增加，截割滾筒的使用性能也得到了進一步重視。截割滾筒在與煤炭直接接觸過程中將產生復雜的受力情況，影響著截割滾筒結構的平穩性。從實際開采理論分析，整體的采煤過程可看作剛柔耦合的相互作用過程[1]。因此截割滾筒在接觸煤炭時相互作用力的動態特性值得深入研究，判斷截割滾筒在受到作用力后的振動情況和是否會產生共振現象。因此，采用數值模擬分析方法，以常用的MG800 型采煤機為研究對象，對其截割滾筒的動力學特性進行研究并且對結構的剛柔耦合作用進行分析，得出截割滾筒在接觸煤炭開采時，截割滾筒的前6 階模態振形。為避免實際過程中產生共振現象而造成結構破壞提供有力的技術支撐。

1 截割采煤機破巖機理分析

開采煤礦時需要面對惡劣多變的工作環境，并且所受到的工作載荷力十分復雜，采煤機截割滾筒的工作強度、使用壽命、故障率方面都經受考驗。為確保采煤工藝的正常進行，一個完整的工作面都會配備液壓支架、采煤機、刮板輸送機等關鍵的機械設備[2]。

其中MG800 型采煤機是常用的采煤設備，為雙滾筒采煤機使用于厚煤層中并且適用于各種硬度的煤炭開采。由于該型號采煤機特別適用于大傾角煤層[3]，被煤礦企業廣泛使用。該型號采煤機結構如圖1 所示。

圖1 MG800 型采煤機結構示意圖

MG800 型采煤機的工作原理就是受到內部電機的牽引力，使得截割滾筒對煤壁進行切割，同時通過滾筒旋轉將切下的煤炭裝入至專門設備中。一個工作面通常分為幾個工作段進行切割，此時的采煤機和刮板輸送機將根據工序的進行進行移動和轉移，使得滾筒能夠將切下的煤炭物料正確地裝入輸送機當中。

因此可以得出采煤機滾筒的螺旋滾筒是最為關鍵的部件，該部件不僅能產生高速旋轉將煤炭物料進行脫落，還能存儲煤炭并裝入至傳送帶中運輸至礦井外。滾筒的旋轉方向要與葉片方向一致，正確的方向旋轉才能將煤塊引導至傳送帶上，如圖2 所示為截割煤巖的示意圖。

圖2 采煤機滾筒截割煤炭物料示意圖

2 振動截割滾筒總體設計

2.1 技術參數

MG800/2040WD 型采煤機主要應用于厚度為2.7～5.5 m 和傾角小于12°的中硬煤層。通過變頻交流電動機驅動滾筒進行旋轉，滾筒結構由滾筒、截齒、齒座等關鍵零部件組成，通常采用三頭螺旋葉片集成噴霧系統對煤炭進行切割。該型號采煤機的牽引速度為12、19 m/min、滾筒轉速為26.179 r/min、截割電動機的轉速為1 480 r/min、行星齒輪的最大輸出扭矩為64.2 kN·m、主要的噴塵方式采用的是內外結合的雙噴霧方式[4]。

2.2 振動截割滾筒總體設計原理

根據采煤機在礦井所受到作用力分析，應將整體截割滾筒作為一個系統進行研究。因為滾筒會受到粉塵、振動、腐蝕等作用，對滾筒整體結構的抗振性和抗爆性都提出了要求[5]。由于受環境的影響使振動截割滾筒的輸出力矩和破巖效應受到影響。因此在分析截割滾筒使用性能之前，應首先對截割滾筒的外部因素進行系統研究，具體研究示意圖如圖3 所示。由圖3 可知，截割滾筒的振動特性環境復雜，應進一步進行研究。

圖3 振動截割滾筒技術分析示意圖

3 截割滾筒仿真環境的建立

3.1 仿真模型建立

通過Solidworks 軟件對截割滾筒模型的三維實體模型進行建立。整體模型根據實際模型尺寸1∶1的比例完成建立，為了提高仿真計算的效率，應將非重要的零碎部件進行簡化和去除，同時對于需要精確計算的部位在網格劃分應進行加疏密[6]。

將Solidworks 軟件與ANSYS 軟件進行通訊連接并加入三維實體模型，在仿真軟件中進行網格劃分，應用仿真軟件的多體動力學仿真模塊，實現截割滾筒振動特性研究。MG800/2040WD 型采煤機截割滾筒模型采用的是六面體網格單元，整體網格數目為284 613，節點數為603 872，截割滾筒剛柔耦合仿真模型如圖4 所示。

圖4 振動截割滾筒剛柔耦合仿真模型

3.2 仿真參數設定

按照實際情況對結構的材料、受力、邊界情況進行設定，提高仿真的精確性。在仿真軟件的材料庫中選用ZG42CrMo 材料，密度為7.90×103kg/m3，屈服強度為660 MPa，彈性模量為2.10×1011Pa，泊松比為0.3。其中齒輪的材料更為特殊，選用的材料為42CrMo，彈性模量為2.10×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。

同時對截割滾筒與開采面的接觸進行設置。將齒輪與煤炭壁的接觸設置為面—面接觸，其余的接觸類型設置為柔體—柔體接觸。由于整體煤炭開采層的體積非常大，將煤炭開采面的邊界設置為無反射邊界條件，模擬大地無限遠的效果。

4 仿真結果分析

4.1 多剛體動力學仿真結果分析

對MG800 型采煤機截割滾筒的多剛體動力學和剛柔耦合模型進行仿真，對截割滾筒主要組成構件——行星架進行計算仿真。將Solidworks 軟件建立的三維模型導入之ANSYS 軟件的多剛體動力學求解模塊進行計算，得到了截割滾筒前6 節固有頻率和振動形式，如表1 所示。

表1 截割滾筒行星架前6 階固有頻率和振動形式

轉速達到一定程度，與行星架的固有頻率相同或接近時，就會出現劇烈的共振現象，不僅會影響正常工作，甚至會損壞設備。1 階與2 階的固有頻率以及5 階與6 階的固有頻率近似相等，尤其是5 階，6階的振動形式更為激烈，更加容易造成破壞。因此在工程進行中，應避免載荷振動頻率接近5 階、6 階的固有頻率。

4.2 多剛柔耦合仿真結果分析

基于ANSYS 軟件多剛柔耦合計算模塊分析截割滾筒行星架的前6 階模態參數，如下頁表2 所示。

由表1、下頁表2 可知，整棟截割滾筒的剛柔耦合和與剛性模型的模態特性方面具有一致性。在固有頻率對比方面，固有頻率相對誤差小于8.86%。由于在工程實際中截割滾筒行星架正常轉速為22.74 r/min，經專業儀器檢測后的轉動頻率為38 Hz，小于剛性行星架模態分析的一階固有頻率82.242 Hz，同時也小于剛柔耦合行星架模態分析的一階固有頻率75.169 Hz，綜合分析發現截割滾筒在工作過程中不會發生共振。同時提供了MG800 型采煤機截割滾筒的前6 級模態數據，在日常使用中應避免載荷產生的振動頻率接近固有頻率數值。

表2 剛柔耦合截割滾筒行星架前6 階固有頻率和振動形式

5 結語

為了提高礦井采煤機截割滾筒在實際工程中的使用性能并且確保長時間的安全性和穩定性，對截割滾筒的剛柔耦合和剛性模型的動態特性進行的分析，獲取到了模態數據。通過數值模擬仿真計算，證明了MG800 型采煤機截割滾筒在正常使用中不易發生共振現象，減小了產生結構破壞的概率，但是同時也要注意受到異常載荷波動或者結構自然磨損后發生的異常頻率數據。