采煤机滚筒速度对采煤机动态响应的影响分析

邢春雨

（晋能控股煤业集团北辛窑煤业有限公司，山西 忻州 036700）

引言

采煤机作为主要的采煤设备，可以提高综采工作面的自动化水平及煤矿的开采效率。采煤机进行截割作业主要依靠滚筒进行，由于采煤机井下作业的环境较为恶劣，对于采煤机的作业可靠性具有较高的要求。由于螺旋滚筒的旋转截割及截齿安装的精度不一，煤层的物理性能多变等容易造成采煤机滚筒的振动，从而引起采煤机的故障，对采煤机的寿命及工作效率造成影响[1]。而选择合理的滚筒速度，可降低或抑制外部因素对滚筒截割的振动作用，提高采煤机的机械化水平及效率，从而提高煤矿的整体效率及经济效益。

1 采煤机滚筒截割煤岩模型的建立

在采煤机滚筒进行截割的过程中，容易遇到不连续或不均匀的煤岩而产生振动，振动作用的传递容易引起零部件的损坏，造成采煤机的故障。由于滚筒是直接进行煤岩截割的部件，针对滚筒与煤层相互作用的煤岩进行分析，建立煤岩的截割模型。采用LS-DYNA非线性动力学软件，可以针对煤岩的截割进行材料、接触等非线性问题模拟，解决非线性结构的碰撞、爆炸等冲击性行为[2]。

由于采煤机工作的复杂性，对采煤机截割部进行一定的简化，建立合理的仿真模型。在建模过程中，首先采用三维绘图软件进行滚筒模型的建立，提高整体分析的效率。在LS-DYNA中，将截割滚筒的模型进行导入，并以此建立其他部分的几何实体模型，采用相应的实体块进行代替，对模型进行网格划分处理，得到如图1所示的采煤机截割滚筒的动力学模型，主要包括截割煤层、滚筒、摇臂及液压缸单元[3]，图中的1、2标识处为摇臂的铰接点位置。

图1 采煤机滚筒截割动力学模型

对所建立的模型进行一定的初始设置，摇臂及滚筒采用刚性材料，液压缸采用线弹性材料，截齿与煤岩之间的接触设定为侵蚀接触，其余为面接触类型；截齿和滚筒之间采用刚性连接的形式，煤层的自由面进行固定约束。采煤机滚筒在截割过程中进行旋转运动及直线进给运动实现煤岩的截割脱落，在模型中，设定滚筒的转动及煤层的平移来模拟滚筒的旋转和进给运动，对煤层的非截割面施加无反射的边界条件，从而模拟煤层的相对无限大，避免滚筒截割引起的膨胀波作用[4]。

2 采煤机滚筒速度的动态响应分析

采煤机依靠滚筒的旋转及进给实现煤岩的截割，两种运动速度合成滚筒的截割运动。滚筒的旋转冲击引起滚筒的振动，依据滚筒不同的旋转速度及进给速度分别对引起的动态响应进行分析。

2.1 采煤机滚筒进给速度的动态响应分析

对滚筒的进给速度进行分析，设定滚筒的旋转速度为4 rad/s，设定进给速度为0.05 m/s、0.07 m/s及0.09 m/s，对不同进给速度下的动力学模型进行仿真分析，得到不同进给速度下的滚筒的受力曲线及位移变化曲线。

滚筒在进入截割的初始阶段受到的冲击力作用较大，进入截割过程稳定后冲击作用减小。在滚筒的旋转速度保持一致的工况下，随着进给速度的增加，滚筒在X方向的受力基本保持不变，而Y方向的受力呈现逐渐增加的趋势。在进给速度增加时，单位时间内被截割煤岩的体积增加，Y方向主要起到对煤层的破坏，破损的煤层堆积在煤岩的表面，经过截齿的挤压作用形成质密的煤核，从而破碎时造成较大的反作用力，使得Y向的受力逐渐增加[5]。

在截割过程中，作用力的不同引起位移的变化，滚筒在Y方向的位移变化如图2所示。从图2中可以看出，位移的变化随着截割过程的进行逐渐增加，然后进行波动震荡，随着进给速度的增加，位移逐步增加，作用力的变化引起位移的增加，造成滚筒的振动。在进行进给速度的选择时，在一定的截割效率下，应尽量选择较小的进给速度，从而降低滚筒的振动作用[6]。

图2 不同牵引速度下Y向位移变化曲线

2.2 采煤机滚筒旋转速度的动态响应分析

对滚筒的旋转速度进行分析，设定滚筒的牵引速度为0.07 m/s，设定旋转速度为4 rad/s、6 rad/s及8 rad/s，对不同旋转速度下的动力学模型进行仿真分析，得到Y方向的滚筒的受力曲线及位移变化曲线如图3所示。随着滚筒旋转速度的增加，Y向的受力逐渐减小，在滚筒速度增加时，由于进给速度不变，使得切削厚度逐渐减小，从而受到的截割阻力逐渐减小；从图3中可以看出，滚筒旋转速度的减小，引起的滚筒位移变化也逐渐减小，位移稳定后波动幅度也逐渐减小。因此，在进行滚筒速度的选择时，可依据一定的截割效率，旋转较大的滚筒旋转速度，从而可以降低滚筒的振动作用。

图3 不同旋转速度下Y向位移变化曲线

3 结论

采煤机是进行煤炭开采的重要设备，滚筒在进行煤岩的截割过程中，容易引起一定的振动，这种振动作用的传递，不利于采煤机的稳定工作。针对滚筒引起的振动作用，采用LS-DYNA软件进行有限元分析，对不同的滚筒进给速度及旋转速度下滚筒的受力及位移变化进行分析。结果表明，在滚筒进行截割的过程中，应选择旋转较小的滚筒进给速度及较大的滚筒旋转速度，从而可以降低滚筒的振动作用，提高采煤机的稳定性，保证采煤机的使用寿命，提高煤矿的综合经济效益。