滚筒采煤机截齿的动力学分析

2020-06-19武德刚

机械工程师 2020年5期

武德刚

（山西煤炭运销集团小窑头煤业有限公司，山西大同037007）

0 引言

滚筒式采煤机是煤矿开采的主要设备之一，是一个机、电、液为一体的复杂机械系统，采煤机主要由截割部、动力部、电气系统、辅助设备等主要部件组成，其中滚筒是截割部关键性部件，但在煤矿的开采过程中，因煤层地质开采环境复杂，滚筒受煤层的冲击力和反作用力等因素，使滚筒上的截齿容易磨损、齿尖钝化或折损，引起采煤机故障停机，中断连续生产，造成重大的停机经济损失。因此为了提高采煤机持续采煤的效率，提高滚筒式采煤机的使用寿命，对煤层的力学特性、采煤机滚筒的结构参数、运动参数及动力学的研究分析具有重要意义[1-3]。

1 采煤机滚筒的建模分析

1.1 采煤机滚筒的三维建模

虚拟装配。

1.2 模型的导入和材料选型

将滚筒的SolidWorks三维模型保存成后缀名为.x_t的parasolid格式的文件，然后导入ADAMS软件中，使用其View功能简化滚筒结构。导入后，设置软件中坐标、工作栅格、重力加速度、材料、单位MKS等。在软件ADAMS模拟仿真的过程中，为让截割煤层自由掉落，需定义截齿和煤层的弹性模量、泊松比、密度等参数，如表1所示。

表1 模拟材料的选型参数

图1 卷筒SolidWorks维模型图

本文以MG250/600-WD型号的滚筒式采煤机为研究对象，其中关键性的部件是滚筒和摇臂。齿座、轮毂、端盘、截齿和螺旋叶片等零件组成了滚筒，如图1所示。使用SolidWorks软件将各零部件按图建模，为简化ADAMS的受力分析，建模过中忽略了一些对分析影响较小的圆角、台阶等次要因素[4]，按图在SolidWorks中

1.3 采煤机滚筒的约束和驱动

为便于ADAMS软件计算分析，需优化采煤机滚筒模型，将采煤机定义为整体，相对于地面添加直线移动副；相对于采煤机，截割部摇臂定义为旋转副；相对于采煤机，提升装置的油缸定义为固定副；煤层相对于地面，添加固定副；滚筒相对于摇臂，添加旋转副；截齿相对于滚筒，添加固定副[5]。

采煤机被牵引向前运动，截割部的电动机相对于采煤机做旋转运动，提升油缸相对于摇臂做直线运动，故其驱动依次分别为移动驱动、旋转驱动、移动驱动。

1.4 采煤机滚筒的约束和驱动

滚筒截割煤层的过程中，主要受外部阻力、内部应力和特殊载荷等，外部阻力是滚筒旋转截割煤层时煤层的反作用力，内部应力主要是轴承、齿轮、油缸之间的摩擦力及各零件的内部残余应力。在采煤的过程中，截齿不间断地截割煤层，与煤壁非连续性接触且相对运动，而滚筒和摇臂是一直接触的，故滚筒与煤壁是一种非线性弹性形式，因此这种非接触力常采用ADAMS中冲击函数Impact的惩戒系数和补偿系数来模拟计算。

式中：k为两个物理接触时的刚度系数，N/m；X为采割机的截割深度，m；e为截割接触力指数；d为阻尼系数，N·s/m；为煤层被截割时的变形深度，m/s；

采煤机滚筒截割煤壁的参数设置[10]，本文查阅相关参考文献，得到接触力相关参数如表2所示。

表2 接触力参数表

2 截齿受力及仿真分析

本文所研究的滚筒式采煤机滚筒的牵引速度为0.067 m/s，滚筒的转速为0.5 r/s，转臂的转角范围为-12°～48°，截割煤高2.4 m。采煤机滚筒上的截齿在截割煤层时，当增大进给速度时，虽采煤效率增高，但截齿所受合力和冲击就越大，加速了截齿齿尖的磨损、齿尖钝化和齿座的损坏，降低了截齿的使用寿命。

将简化后的模型导入ADAMS中，为得到详细的截齿受力数据，选用SI2求解器，将以上参数赋值，定义模拟仿真时间为10 min，步长为1000，得到截齿的三向阻力图如图2所示。

观察图2可知，截割阻力大概呈周期性变化，应用软件将图2得到的截齿所受的三向煤层阻力进行矢量合成，得到如图3所示截齿合力图。

图2 截齿三向阻力图

图3 截齿三向合力图

从截齿合力图可知，该图客观地反馈了截齿所受合力的动态情况，为优化截齿受力，可以截齿所受阻力合力、阻力峰值等作为评价指标。

3 滚筒截齿的有限元分析

3.1 截齿模型的建立和网格划分

将截齿的SolidWorks模型另存为.IGS格式，导入ANSYS Workbench中，定义截齿的选型参数，如表3所示。建模后，网格的划分尤为重要，若网格划分得太细，虽计算精度越高，但需要的计算资料也越多，计算时间就越长，网格太小有时甚至会造成计算的失败。在理想化的状态下，网格单元的划分不会影响计算的结果，本文综合考虑截齿模型形状、软件计算时间和计算精度的要求，对截齿进行网格划分，如图4所示。