采掘机械履带动力学分析

王 静， 康 鹏

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

采掘机械履带动力学分析

王 静， 康 鹏

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

对连续采煤机履带建立动力学模型、考虑不同情况对履带行走系统进行了多体接触动力学分析。并以Bekker理论为基础，利用多体动力学软件得到不同工况下履带的受力状态。

Bekker理论；履带；多体接触

0 引言

20世纪40年代以来，采用了连续采煤机进行房柱式采煤法开采，使采煤效率提高了一大步。如今，连续采煤机的采煤产量几乎占美国，南非等世界主要产煤国地下煤炭产量的一半[1]。掘锚机组是连续采煤机和锚杆钻机的有机结合，可用于顶板条件不太好的单巷及双巷掘进，在美国、澳大利亚、英国等主要产煤国家得到了广泛应用。

由于井下开采环境恶劣，连续采煤机、掘锚机组等采掘机械的履带系统经常承受到各种冲击载荷，容易发生履带板变形、履带销断裂、驱动轮损坏等设备故障，并且难于维修更换，从而严重影响整机可靠性，给煤矿生产带来严重影响，所以有必要对连续采煤机履带行走系统运行行为进行分析研究。连采机和掘锚机组的履带系统相似，本文以连采机的履带系统为例进行研究，其研究方法和所得结论也适用于掘锚机组。

1 多体动力学模型的建立

连采机的履带板由于形状复杂必须经过简化才能够在立动力学模型建立接触，本文采用双销式的履带板来模拟实际的连采机履带板。在建立的履带模型中共采用55块履带板。

连采机履带驱动连轮加旋转副，在驱动轮的旋转副施加运动STEP(TIME, 1,0,200,8400d)， 两个履带接连接销用 BUSHING模拟，21个固定在履带架上的支撑轮模拟履带架与履带的接触， 张紧轮在 0～200mm之间每移动 50mm分析一次。然后复制另一条履带，将连采机机架导入到多体动力学模型中，保证质量和质心位置与实际一致，连采机机架与履带架固定。

图1 连采机履板的简化Fig.1 Simplification of the continuous miner track

图2 采机履带模型Fig.2 Model of the continuous miner track

2 履带的Bekker理论

本文针对履带系统分析方法提出的压力－沉陷关系，其中把履带板模型简化为一个刚性踏板，应用土壤压力与沉陷关系，预测出履带沉陷量和运动阻力，再依据剪切应力与应变关系曲线以及土壤剪切强度，最终得出推力与滑转曲线和最大履带系统牵引力。Bekker提出的压力－沉陷关系是预测一个具有均匀法向压力、无水平载荷的载荷面沉陷量，用于估计履带车的静止沉陷量[2～3]。

软性地面模型认为路面具有 “记忆”的功能，即考虑加载历史；在动力学模型中每块履带板与地面之间都有广义力，其中z方向的力表示履带板与路面之间的正压力，另外两个水平方向的力表示履带板与路面之间的摩擦力。履带车辆对地面的正压力是基于Bekker提出的压力一沉陷公式[4]：

履带与地面摩擦（剪切）力的计算也是基于Bekker的理论，履带在接触的地面上产生剪切作用，剪切力一位移的关系有：

式中：q—接地压力；KC—内摩擦的壤变形模量；Kø—内聚土壤变形模量；b—履带板宽度；z—变形的深度；n—变形指数；S—剪切位移；c—内聚力；k—水平剪切变形模数[5]；本文采用的是坚实沙土路面来模拟井下巷道路面，路面参数见表1。

表1 井下路面参数表Tab.1 The table of underground road surface parameters

3 仿真结果分析

张紧位移为0mm时的履带销受力如图3所示。

图3 张紧位移为0mm时的履带销受力图Fig.3 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 0mm

由图可知张紧位移为0mm时，履带从63～82s为松链段，平均受力 4kN，履带从82～99s为张紧段，平均受力 27.5kN，最大为39.1 kN，单侧履带的平均牵引力约为23.5kN，单侧履带的最大牵引力约为35.1kN。张紧位移为50mm时的履带销受力如图4所示。

图4 张紧位移为50mm时的履带销受力图Fig.4 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 50mm

由图可知张紧位移为50mm时，履带从63～82s为松链段，平均受力 28.1kN，履带从 82～99s为张紧段，平均受力 50.1kN，最大为53.2kN，单侧履带的牵引力约为25.1kN。张紧位移为100mm时的履带销受力如图5所示。

图5 张紧位移为100mm时的履带销受力图Fig.5 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 100mm

由图可知张紧位移为100mm时，履带从63～82s为松链段，平均受力60kN，履带从82～99s为张紧段，平均受力 83.7kN，最大为93.7kN，单侧履带的牵引力约为33.7kN。张紧位移为150mm时的履带销受力如图6所示。

图6 张紧位移为150mm时的履带销受力图Fig.6 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 150mm

由图可知张紧位移为150mm时，履带从63～82s为松链段，平均受力97.2kN，履带从82～99s为张紧段，平均受力 119.2kN，最大为127.8kN，单侧履带的牵引力约为30.6kN。张紧位移为200mm时的履带销受力如图7所示。

图7 张紧位移为200mm时的履带销受力图Fig.7 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 200mm

由图可知张紧位移为200mm时，履带从63～82s为松链段，平均受力134.2kN，履带从82～99s为张紧段，平均受力 153.2kN，最大为161.8kN，单侧履带的牵引力约为27.6kN。

4 结束语

本文采用多体动力学仿真软件建立连采机三维多体动力学模型，对履带采用Bekker理论在软地面的高速前进过程进行动力学仿真分析，并将不同张紧距离工况的仿真结果作对比分析。张紧位移由0～200mm变化时，履带销受力开始逐渐增大。同时发现随着张紧力的变大，驱动力则逐渐变小的趋势。

在软路面上，连采机履带需要破碎土壤并推动履带前面的土壤一起运动正常的驱动力较大，但由于土壤能够变形，所以冲击载荷小，与实际情况较为接近。

[1]Continuous Miners[J].Coal International,2009(9/10).

[2]陈育仪.工程机械优化设计[M].北京：中国铁道出版社，1987.

[3]J.J.Pignatiello；J.s.Ramberg.Top ten triumphs and tragedies of GenichiTaguchi.Quality Eeng，1991.

[4]WONG J Y;CHIANG C F A General Theory for Skid-steering of Tracked Vehicles of Firm Ground，2001.

[5]卢进军；魏来生，赵韬硕.基于RecurDyn的履带车辆高速转向动力学仿真研究[J].现代机械，2008，1.

The Dynamic Simulation of Continuous Miner Tracked

WANG Jing，KANG Peng
(Taiyuan Institute of China Coal Technology Engineering Group,Taiyuan Shanxi 030006,China)

The dynamic model establishment of continuous miner tracked are presented in this paper.Under the complex condition the dynamic analysis of continuous miner tacked is described.The continuous miner tacked force is expressed by multi-body dynamic software using Bekker theory.

Bekker theory；trackede；multi-body contact

TH122

：Adoi:10.3969/j.issn.1002－6673.2014.03.006

1002－6673（2014）03－015－03

2014－04－09

项目来源：山西省自然科学基金支持项目（2013011025-3）；中国煤炭科工集团有限公司科技创新基金重点项目（2013ZD001）

王静（1980-），男，安徽淮北人，硕士，现在煤炭科学研究总院太原研究院短壁研发中心从事产品研发设计工作。