基于LS-DYNA的采煤机截割特性研究

李小斌

（山西煤炭进出口集团左权宏远煤业有限公司， 山西 晋中 032600）

引言

随着煤炭开采逐渐朝着复杂地质条件进行。采煤机在执行截割煤壁作业时受到的各种截割阻力越来越复杂，对截割机构的影响也越来越大，造成截割机构工作效率降低，工作负载波动超标，严重影响截割机构工作的可靠性和使用寿命，因此需要对采煤机截割机构工作时的各种工作参数设定情况进行优化研究，以降低采煤机在工作时的冲击载荷[1]，提高采煤机的工作效率和使用寿命。在对采煤机各工作参数进行分析的基础上，本文选择对目前研究最少的采煤机工作时的旋转角对截割机构工作特性的影响进行分析，从而获取对采煤机工作特性影响最小的旋转角度，提高采煤机截割机构的工作可靠性和使用寿命。

1 采煤机截割机构动力学模型的建立

采煤机在工作时截齿部分以一定的旋转角度切入煤壁，在驱动滚筒的作用下带动截齿旋转，对煤壁的煤层进行挤压，使煤岩受力破碎，从而从煤壁上脱离下来，在截割过程中，截齿主要受到煤壁的截割阻力、侧向阻力和牵引阻力，其中截割阻力Z0可表示为[2]：

式中：A为煤岩的阻抗；B为煤层的脆性系数，一般取 2.1～3.5；h为截齿厚度；t为齿距；d为截齿的外径；Kφ为截齿的前侧影响系数，一般取0.8～0.85；KZ为煤层表面干涉系数；Kc为截齿角度影响系数，取0.9；θ为截齿的螺旋角；Ky为截齿对切割比的影响系数；Kot为矿压影响系数，取0.6。

采煤机截割机构工作时的侧向阻力主要是截齿截割煤壁时因各截齿的排列结构，使采煤机截齿的两侧产生了一个不均衡的力，其合力即为此侧向力，可表示为：

采煤机工作时的牵引阻力Y0可表示为：

式中：Kq为表示截齿上的牵引阻力和截割阻力的比值，其主要取决于采取的煤岩的脆性，一般取0.5～0.7。

综上所述，采煤机在采煤作业时的综合受力情况分解为在x，y轴上的运动速度数学公式可表示为[3]：

式中：ω1为采煤机截割机构的旋转角；ω2为采煤机截割机构的切削角。

2 采煤机截割机构三维建模

为了对采煤机在进行截割作业时的情况进行仿真分析，首先利用SolidWorks三维建模软件，建立采煤机截割部分及煤壁的三维模型并添加相应的驱动和约束，将三维模型导入到LS-DYNA[4]分析软件中，利用其assembly模块完成装配并对驱动滚筒和截齿、煤壁进行网格划分和相关参数设置，作为仿真分析的基础，根据采煤机在实际工作时的情况，设置采煤机驱动滚筒工作时的转速为40 r/min，系统的仿真时间设置为10 s，煤壁参数设置为脆性煤层。为了对采煤机工作时旋转角度对采煤机工作效率、截割载荷、负载的波动情况进行分析，因此在采煤机现有工作旋转角度的基础上，分别对旋转角为10°、12°、14°、16°、18°的情况进行仿真分析，其整体结构如下页图1所示。

图1 采煤机截割机构截割过程的三维视图

3 截割机构旋转角对工作载荷的影响

采煤机工作时的旋转角是指截齿中心线和截齿回转平面之间的夹角，采煤机截割机构在不同旋转角度下对工作载荷的影响如图2、图3所示。

图2 不同旋转角下的平均截割阻力

图3 不同旋转角下的平均侧向阻力

由分析结果可知，采煤机的平均截割阻力随着采煤机工作旋转角度的增加呈非线性增大，侧向阻力随旋转角的增加而减小，分析可知其在旋转角为14°时为侧向阻力变化的转折点。这是因为随着旋转角度的增加，截齿切割煤壁时的接触面积逐渐增大，导致截割过程中的截割阻力不断加大，同时旋转角变化对侧向阻力的影响相对较少，因此可分析当旋转角为14°～16°时，截割头的受力情况较为平缓。

4 截割机构旋转角对载荷波动的影响

不同旋转角对采煤机截割机构载荷波动的影响如图4、图5所示。

由仿真分析结果可知，采煤机在工作过程中的截割载荷的变差系数除了在旋转角为10°的情况下超过了20，其他的均能维持在6以下，且工作时的牵引阻力的变差系数会随着旋转角的增加而增大，其侧向阻力的变差系数则随着旋转角的增加而减小，在约12°～14°时变缓最为明显。由此可见，采煤机的旋转角度在12°～14°时对采煤机工作时的截割载荷变化影响较小。

图4 不同旋转角下的牵引阻力变差系数

图5 不同旋转角下的侧向阻力变差系数

5 截割机构旋转角对截割能耗比的影响

采煤机旋转角对其工作能耗比的影响变化曲线如图6所示，由分析可知，其能耗比随着旋转角的增加逐渐加大，因此应尽量降低旋转角以降低截割能效比。

图6 不同旋转角下的截割能效比

由以上分析可知，综合在不同旋转角情况下，对采煤机工作时的截割能耗比、工作载荷和载荷波动影响情况的分析，可知在旋转角度为14°情况下采煤机截割机构具有最佳大截割特性，能够极大地提升采煤机工作时的可靠性和使用寿命。

6 结论

根据实际工作经验，采用LS-DYNA仿真分析软件对采煤机截割机构工作时的旋转角对采煤机截割能效比、截割载荷及负载波动情况的影响进行了仿真分析，结果表明采煤机的截割机构旋转角度为14°时，结构机构具有最优的截割能力，为采煤机截割机构工作旋转角度的确定提供了理论依据，极大地提升了采煤机工作时的稳定性和使用寿命。