综采工作面设备运动仿真及配套分析

2020-10-18刘涛

机械管理开发 2020年9期

刘涛

（阳泉市上社二景煤炭有限责任公司，山西阳泉 045000）

引言

近年来，由于采煤机技术的不断改进，综采设备的自动化水平的提升，使煤矿综采工作面生产效率得到了有效提高。其中，综采工作面采煤机、刮板输送机以及液压支架“三机”的配套水平直接决定综采工作面的生产效率和安全性。因此，开展综采工作面“三机”设备的配套性研究具有相当重要的意义。本文着重开展综采工作面“三机”的配套性研究，指导工作面设备的选型。

1 综采工作面设备模型的建立

1.1 采煤机三维模型的建立

作为综采工作面的主要设备，采煤机主要作用于装煤和落煤。本文主要研究对象为电牵引式无链滚筒采煤机，主要包括电气系统、牵引部、截割部以及附属机构组成。其主要工作过程为位于煤壁侧和采空侧的两只滑靴及两只导向滑轨分别于刮板输送机工作面的产煤板及销轨上[1]。采煤机沿刮板输送机运行主要依靠采煤机上的销轨与齿轮耦合，以达到左右牵引作用。截割电机则依靠机械系统带动旋转滚筒，完成落煤以及之后的装煤任务。

简化模型的核心部件包括采煤机底托架模型、右摇臂、左摇臂、滑靴以及滚筒模型。采煤机装配的三维模型如图1所示。

1.2 液压支架三维模型的建立

被称之为“钢铁长廊”的液压支架是整个综采工作面的支护设备，其主要作用是保证整个采煤过程中工作设备以及人员的安全。简化模型的核心部件主要包括液压支架护帮板模型、液压支架底板模型、液压支架顶梁模型、液压支架掩护梁模型、液压支架前连杆模型、液压支架后连杆模型、液压支架立柱一级杆模型、液压支架立柱中缸模型以及液压支架立柱活塞杆模型，将这些部件装配起来，组合为液压支架的三维装配模型，如图2所示。

图1 采煤机的三维装配模型

图2 液压支架的三维装配模型

1.3 刮板输送机三维模型的建立

作为采煤机的运行轨道，刮板输送机主要依靠牵引构件的刮板链和支承机构的溜槽作为连续的运输设备。简化模型的核心部件主要包括输送机机头架模型、机头过渡槽模型、机尾架模型、机尾过渡槽模型、输送机中部槽模型，将这些部件装配起来，组合为刮板运输机三维装配模型，该装配方式较为简单，如图3所示。

图3 刮板输送机的三维装配模型

2 综采工作面设备运动仿真分析

2.1 采煤机的运动仿真

主要针对采煤机工作面移动方向以及螺旋滚筒的旋转运动模拟仿真。设置运动仿真的相关主要参数，如下页表1所示。主要的仿真步骤：根据各部件材料通过材料属性进行设置；定义连杆；定义运动副；设置相关机构解算方案的参数，主要包括运动方案以及分析类型、重力方向、解算时间以及解算步数等；求解；求解完成后，观察运动状态；最终干涉检查[2-3]。

经动态干涉检查得出，采煤机的滑靴以及滚筒和地面之间存在干涉情况，整个运功过程将会中止。如此，需继续检验各部分组件之间所存在的装配问题，持续修改，直至干涉无问题，运动继续。

表1 采煤主要参数

2.2 液压支架的运动仿真

液压支架间各个部件间相互牵引，相互影响。液压支架运动仿真与采煤机的运动仿真基本相似，但也存在不同之处。主要体现在，顶梁、立柱以及底座之间存在球面副；顶梁和底座之间约束为平行面，顶梁和护帮间约束为垂直。

采用与采煤机一样的运动干涉检查，检查结果表明，底座和后连杆存在干涉，需对此进行调整修改。修改之后，整个运行过程正常。除此之外，根据液压支架中选择的为四连杆机构，所以双扭线作为其顶梁的运动轨迹，经验证液压支架理论的运动轨迹与实际运动轨迹保持一致，且梁端间距为30 mm以内[4]。

2.3 刮板输送机的运动仿真

刮板输送机具有相对简单的运动轨迹，作为综采工作面中采煤机和液压支架的配套设备。它主要包括两个过程是指推溜和拉架。推溜过程与采煤机匹配，拉架过程中则和液压支架成套匹配，可在下一部分内容中具体阐述。

3“三机”性能配套分析

3.1 采煤机牵引力配套分析

由于相对复杂的煤层地质结构，本论文主要根据煤层不同的倾斜角进行仿真配套分析讨论。通过设置倾斜角分别为10°、15°以及20°倾斜角煤层结果表明，当煤层倾斜角为10°时，采煤机有足够的牵引力；当煤层倾斜角为15°时，采煤机在设置相同的阻力以及动力的条件下，仍拥有足够的牵引力，但爬坡速度明显小于低倾斜角；当煤层倾斜角为20°时，虽采煤机仍能向前移动，但运动加速度较前两者来说，明显减低。最后，当倾斜角为21°时，采煤机自身所具有的牵引力则小于爬坡阻力，呈现反向运动，结果表明，该采煤机只适用于煤层倾斜角于20°范围内。

3.2 采煤机采高高度和液压支架支护高度间的配套分析

本文设置采煤机的采高范围和液压支架支护高度范围分别为3.2～6.3 m和2.8～6.3 m。在分析过程中，使采煤机前滚筒达到最高采高位置，后滚筒处于最低位置。同理，也将液压支护高度设置于最高和最低极限位置。在最高极限位置，采煤机和液压支护之间不存在干涉，但后滚筒却与最低支架支护高度存在干涉，需进一步进行修改。若将采煤机调高至3.2 m高度，通过改变液压支护的高度，两者之间可以完成较好的配套分析；若减低支护高度为3 m，则采煤机与液压支护间存在干涉，该结果表明，对于低于3.2 m的煤层高度工作面，虽然支架可以起到支护作用，但采煤机和液压支护间不能起到较好的配套分析作用，该方法简单便捷，可以得到较快的试验验证。