斜切工況下采煤機截割部離散元及動力學仿真分析

宋佼佼

（晉中職業技術學院， 山西 晉中 030600）

引言

采煤機為綜采工作面的關鍵機電設備，其與刮板輸送機、液壓支架統稱為綜采工作面的“三機”。采煤機截割部滾筒與工作面煤層直接接觸，其所承受的載荷為不規律變化，通過搖臂傳遞至采煤機機身振動信號。尤其是在斜切進刀工況下，采煤機截割部的動力學特性更加復雜[1]。因此，本文重點對采煤機在斜切進刀工況下的動力學特性進行仿真分析，為后續采煤機的動態可靠性奠定扎實的理論基礎和工程應用價值。

1 仿真模型的構建

本文重點對斜切工況下采煤機截割部在含矸煤巖條件下動力學特性進行仿真分析。鑒于基于EDEM軟件無法準確建立含矸煤巖對應的煤壁空間模型，因此，本文首先基于PRO/E 軟件完成采煤機截割部和含矸煤巖基礎模型的搭建，而后將所搭建的模型導入EDEM 軟件中開展離散元和動力學仿真。為提高仿真效率，本文通過分段建立煤壁模型的方法將煤壁進行拆分，從而達到模擬斜切進刀工況的目的[2]。

1.1 采煤機截割部模型的構建

本文以MG2×55/250-BW 型采煤機為例開展研究，重點對其截割部滾筒為研究對象。MG2×55/250-BW 型采煤機截割滾筒的主要結構參數如表1 所示。

除了表1 中所示采煤機截割部滾筒的關鍵結構尺寸外，滾筒模型的搭建還需結合滾筒上截齒的排列進行。根據MG2×55/250-BW 型采煤機截割部結構參數，分別建立滾筒和搖臂的三維模型，并根據二者之間的連接方式和約束完成了采煤機截割部的裝配，裝配模型如圖1 所示。

圖1 采煤機截割部裝配模型

表1 MG2×55/250-BW 型采煤機截割部滾筒主要結構參數

為保證后續仿真的順利開展，對建立好的截割部裝配模型進行全局干涉檢查。

1.2 離散元仿真模型的構建及參數設置

煤壁仿真模型需要真實模擬實際生產工作面中煤層和矸石摻雜的情況。因此，離散元仿真模型搭建時首先分別建立煤炭顆粒和矸石顆粒的模型，而后將二者有機摻雜并組合為煤壁模型。同時，在EDEM 軟件中分別對煤層、矸石的物理力學參數進行設置，包括煤炭、矸石的密度，泊松比，剪切模量和彈性模量等[3]。

將所構建的含矸煤巖的模型與圖1 中采煤機截割部滾筒的模型進行結合，形成如下頁圖2 所示的離散元仿真模型。

圖2 離散元仿真模型

對應的滾筒轉速為90 r/min，采煤機牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和 2 m/min 三種情況進行仿真分析。為了縮短仿真時間，將離散元仿真模型的網格數量控制在 1×105以下[4]。

2 離散元仿真分析

在構建圖2 離散元仿真模型的基礎上，本節重點對滾筒截割含矸煤壁和截割全煤壁兩種工況下的載荷進行對比分析。

2.1 滾筒截割含矸煤壁的載荷分析

當截割部滾筒旋轉速度為90 r/min，分別對采煤機牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 時對應采煤機整機的牽引阻力、截割部所承受的截割阻力和軸向力進行對比分析，仿真結果如表2 所示。

表2 不同牽引速度下含矸煤壁截割工況載荷分布情況

由表2 可知，隨著采煤機牽引速度的增加，對應在含矸煤巖截割工況下采煤機所承受的牽引阻力、截割阻力以及軸向力峰值的均呈現增大的趨勢。牽引阻力和軸向力峰值在三種工況下的比例均為3∶4∶5；截割阻力在三種工況下的比例為4∶5∶6。

2.2 滾筒截割全煤壁的載荷分析

當截割部滾筒旋轉速度為90 r/min，分別對采煤機牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 時對應采煤機整機的牽引阻力、截割部所承受的截割阻力和軸向力進行對比分析，仿真結果如表3 所示。

表3 不同牽引速度下截割全煤壁工況載荷分布情況

由表3 可知，從整體上分析，截割全煤壁工況下各載荷均小于截割含矸煤壁的工況，約為5 倍的關系[5]。此外，隨著采煤機牽引速度的增加，對應在含矸煤巖截割工況下采煤機所承受的牽引阻力、截割阻力以及軸向力的峰值均呈現增大的趨勢。牽引阻力在三種工況下的比例均為3.5∶4∶6，截割阻力在三種工況下的比例為3.5∶5∶7，軸向力峰值在三種工況下的比例為 7∶8∶10。

3 采煤機截割部的動力學仿真

本節將基于PRO/E 軟件所建立的三維軟件導入ADAMS 軟件中對采煤機截割部的動力學進行仿真分析，包括搖臂殼體和行星架。

3.1 采煤機搖臂殼體的動力學仿真

同樣，分別在采煤機滾筒轉速為90 r/min，采煤機牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 三種情況下的動力學特性進行對比分析。在不同牽引速度下采煤機搖臂殼體的最大應力值如表4 所示。

表4 不同牽引速度下搖臂殼體最大應力值

由表4 可知，隨著采煤機牽引速度的增加，對應搖臂殼體所承受的最大應力值先減小后增大，且最大應力值均位于同一個位置，即在搖臂殼體輸出端的拐點位置。同時，搖臂殼體的最大應力值未超過材料的需用應力120 MPa。

3.2 采煤機行星架的動力學仿真

同樣，分別在采煤機滾筒轉速為90 r/min，采煤機牽引速度為1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 三種情況下的動力學特性進行對比分析。在不同牽引速度下采煤機行星架的最大應力值如表5 所示。

表5 不同牽引速度下行星架最大應力值

由表5 可知，隨著采煤機牽引速度的增加，對應行星架所承受的最大應力增大，且最大應力值處于不同的位置。同時，搖臂殼體的最大應力值未超過材料的需用應力536.847 8 MPa。

4 結論

采煤機為綜采工作面的關鍵設備，其承擔煤層的截割和落煤任務，對于保證煤礦生產能力具有重要意義。采煤機截割部作為與煤層直接接觸的零部件，準確掌握截割部在不同工況下的動力學特性，對于后續改進采煤機截割部的結構和相關采煤工藝參數具有重要意義。本文分別基于EDEM 和ADAMS 軟件完成了采煤機截割部的離散元仿真和動力學仿真，并總結如下：

1）在含矸煤巖截割工況下，牽引阻力和軸向力峰值在三種工況下的比例均為3∶4∶5，截割阻力在三種工況下的比例為4∶5∶6；在全煤壁截割工況下，牽引阻力在三種工況下的比例均為3.5∶4∶6，截割阻力在三種工況下的比例為3.5∶5∶7，軸向力峰值在三種工況下的比例為7∶8∶10。

2）搖臂殼體輸出端的拐點位置為應力最大位置，行星架在不同牽引速度的最大應力位置不統一。