采煤機(jī)截割部截割煤層仿真研究

吳繼龍，張麗軍

（大同煤礦集團(tuán)同生精通興旺煤業(yè)有限公司，山西 大同 037001）

引言

在當(dāng)前綜合機(jī)械化開(kāi)采的大背景下，采煤機(jī)作為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著工作面的煤層截割、落煤等任務(wù)。采煤機(jī)的截割效率、落煤能力等直接決定工作面的生產(chǎn)效率和能力。在實(shí)際截割任務(wù)中，由于工作面煤層條件、頂?shù)装迩闆r的復(fù)雜性，采煤機(jī)截割部與煤層接觸時(shí)所承受的載荷處于動(dòng)態(tài)變化狀態(tài)。準(zhǔn)確對(duì)動(dòng)態(tài)載荷進(jìn)行控制和預(yù)測(cè)，并采取有效的控制措施對(duì)于提高采煤機(jī)的生產(chǎn)效率和設(shè)備的使用壽命具有重要意義。因此，在合理的控制策略下，可根據(jù)煤層的變化情況對(duì)采煤機(jī)的截割速度和牽引速度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[1-2]，并開(kāi)展關(guān)于采煤機(jī)動(dòng)力學(xué)特性的研究。

1 采煤機(jī)概述

采煤機(jī)作為煤礦開(kāi)采的核心設(shè)備，根據(jù)滾筒數(shù)量可分為單滾筒采煤機(jī)和雙滾筒采煤機(jī)。其中，單滾筒采煤機(jī)的應(yīng)用較少，主要用于薄煤層開(kāi)采；雙滾筒采煤機(jī)能夠適用于各種復(fù)雜條件煤層的開(kāi)采，具有采高范圍廣、調(diào)高方便的優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用較廣。本文以雙滾筒采煤機(jī)為例開(kāi)展研究，其具體型號(hào)為MG300/7000-WDK。MG300/7000-WDK 雙滾筒采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 雙滾筒采煤機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

由圖1 可知，雙滾筒采煤機(jī)的關(guān)鍵部件包括截割部、牽引部、控制部和行走部。截割部包括左右側(cè)兩個(gè)滾筒，主要部件為搖臂和滾筒。滾筒與煤層直接接觸，承擔(dān)主要的截割任務(wù)，其主要任務(wù)為落煤和裝煤，主要結(jié)構(gòu)包括截齒、噴霧系統(tǒng)、螺旋葉片，該部件也是直接接受煤層沖擊的部件[3]；截割部搖臂包括各類(lèi)齒輪傳動(dòng)組件、噴霧降塵裝置以及截割電機(jī)等。

2 采煤機(jī)截割部截割煤層仿真分析

在實(shí)際生產(chǎn)中，由于工作面煤層、底板條件的復(fù)雜性，截割部與煤層之間的振動(dòng)屬于耦合振動(dòng)，目前還無(wú)法對(duì)上述的耦合振動(dòng)進(jìn)行精準(zhǔn)控制和預(yù)測(cè)。因此，開(kāi)展關(guān)于截割部的動(dòng)力學(xué)特性研究，掌握其與煤層之間的實(shí)際載荷和沖擊，對(duì)于提高設(shè)備壽命和截割效率具有重要意義。

本文采用LS-DYNA 軟件對(duì)截割部截割煤層時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。與常規(guī)仿真軟件類(lèi)似，需根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)建立截割部的有限元模型，并根據(jù)截割部的實(shí)際參數(shù)和煤層條件對(duì)仿真模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，建立邊界條件，施加載荷后得出仿真結(jié)果。

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 截割部模型的建立

截割部與煤層的截割仿真，主要研究的核心為截割部滾筒在截割生產(chǎn)中與煤層之間的相互作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，截割部滾筒所接收的信號(hào)為隨機(jī)信號(hào)，并通過(guò)滾筒傳遞至采煤機(jī)設(shè)備本身的各個(gè)部位。通過(guò)滾筒與煤層的相互作用，截齒時(shí)滾筒旋轉(zhuǎn)和采煤機(jī)本身牽引的合成運(yùn)動(dòng)完成了煤炭的割煤和傳輸任務(wù)[4]。

2.1.2 煤層模型的建立

煤層的條件也是影響截割部動(dòng)力學(xué)特性的直接因素。因此，采煤機(jī)所面對(duì)煤層條件在有限元模型中反應(yīng)的準(zhǔn)確性是保證仿真結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。同時(shí)，從煤層截割的機(jī)理來(lái)分析，煤層模型可分為拉伸破壞和壓剪破壞兩種形式。鑒于在有限元分析軟件中，壓剪破壞模型的精確性較差，本次仿真認(rèn)定煤層以拉伸破壞為主，且選擇MAT-193 非線性材料對(duì)煤層進(jìn)行模擬。在上述原則和基礎(chǔ)上，建立截割部截齒與煤層相互作用的動(dòng)力學(xué)仿真模型如圖2 所示。

圖2 截齒與煤層相互作用的動(dòng)力學(xué)仿真模型

由圖2 可知，所建立的有限元仿真模型模擬了采煤機(jī)的搖臂、滾筒以及調(diào)高油缸。模型采用單元積分的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中，采煤機(jī)滾筒、搖臂的材料特性設(shè)定為剛性材料；調(diào)高油缸的材料設(shè)定為彈性材料；煤層材料設(shè)定為MAT-193 非線性材料。截齒與煤層之間的接觸定義為侵蝕接觸；搖臂與滾筒和調(diào)高油缸的接觸定義為面面接觸。

2.2 仿真結(jié)果分析

截齒的運(yùn)動(dòng)為牽引方向和滾筒旋轉(zhuǎn)方向的合成運(yùn)動(dòng)。因此，重點(diǎn)對(duì)滾筒不同旋轉(zhuǎn)速度和不同推進(jìn)速度下截割部的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析。

2.2.1 推進(jìn)速度對(duì)截割部動(dòng)力學(xué)特性的影響

設(shè)定滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為6 rad/s，采煤機(jī)的推進(jìn)速度分別為0.05 m/s、0.07 m/s 以及0.09 m/s，對(duì)上述三種推進(jìn)速度下采煤機(jī)截割部滾筒在x 和y 方向的受力情況進(jìn)行對(duì)比仿真研究，仿真結(jié)果如圖3 所示。

由圖3 可知，截齒剛切入煤層時(shí)滾筒所承受的載荷突然增大，這部分載荷由滾筒的慣性沖擊導(dǎo)致，且x、y 方向的受力逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。同時(shí)，隨著采煤機(jī)推進(jìn)速度的增加，滾筒在x 方向的受力幾乎保持不變；在y 方向的受力隨著推進(jìn)速度的增加而增大。y 方向受力增加的主要原因?yàn)槊簩颖徊粩嗤茢D和壓實(shí)，使得煤層的密度增大，導(dǎo)致截齒所承受的反作用力增加，從而使y 方向的受力增加[5]。

圖3 不同推進(jìn)速度下滾筒x、y 方向的受力曲線

2.2.2 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)截割部動(dòng)力學(xué)特性的影響

設(shè)定采煤機(jī)的推進(jìn)速度為0.07 m/s，滾筒的旋轉(zhuǎn)速度分別為4 rad/s、6 rad/s 以及8 rad/s，對(duì)上述三種旋轉(zhuǎn)速度下采煤機(jī)截割部滾筒在x 和y 方向的受力情況進(jìn)行對(duì)比仿真研究，仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同旋轉(zhuǎn)速度下滾筒x、y 方向的受力曲線

由圖4 可知，隨著滾筒旋轉(zhuǎn)速度的增加，滾筒在x 方向的受力幾乎不變，在y 方向的受力逐漸減小。導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因在于，隨著滾筒旋轉(zhuǎn)速度的增加，截齒對(duì)應(yīng)的截割厚度減小，其所承受的阻力值減小。

3 結(jié)論

1）隨著采煤機(jī)牽引速度的增加，采煤機(jī)截割部在x 方向的受力幾乎恒定不變；而在y 方向受力增加。因此，在滿(mǎn)足截割效率的基礎(chǔ)上，選用較小的牽引速度進(jìn)行開(kāi)采。

2）隨著采煤機(jī)旋轉(zhuǎn)速度的增加，采煤機(jī)截割部在x 方向的受力幾乎恒定不變，而在y 方向上對(duì)應(yīng)受力減小。因此，在保證截割效率的基礎(chǔ)上，可選用較大的旋轉(zhuǎn)速度來(lái)減小設(shè)備的振動(dòng)。