矿井采煤机截割滚筒性能分析

蔡俊林

（阳泉市南庄煤炭集团有限责任公司生产技术处，山西 阳泉 045000）

引言

采煤机作为矿井的关键开采设备，影响着开采的效率和安全，其中截割滚筒性能关系到了落煤和装煤生产工艺的稳定性，同时随着矿井机械化开采比例在日趋增加，截割滚筒的使用性能也得到了进一步重视。截割滚筒在与煤炭直接接触过程中将产生复杂的受力情况，影响着截割滚筒结构的平稳性。从实际开采理论分析，整体的采煤过程可看作刚柔耦合的相互作用过程[1]。因此截割滚筒在接触煤炭时相互作用力的动态特性值得深入研究，判断截割滚筒在受到作用力后的振动情况和是否会产生共振现象。因此，采用数值模拟分析方法，以常用的MG800 型采煤机为研究对象，对其截割滚筒的动力学特性进行研究并且对结构的刚柔耦合作用进行分析，得出截割滚筒在接触煤炭开采时，截割滚筒的前6 阶模态振形。为避免实际过程中产生共振现象而造成结构破坏提供有力的技术支撑。

1 截割采煤机破岩机理分析

开采煤矿时需要面对恶劣多变的工作环境，并且所受到的工作载荷力十分复杂，采煤机截割滚筒的工作强度、使用寿命、故障率方面都经受考验。为确保采煤工艺的正常进行，一个完整的工作面都会配备液压支架、采煤机、刮板输送机等关键的机械设备[2]。

其中MG800 型采煤机是常用的采煤设备，为双滚筒采煤机使用于厚煤层中并且适用于各种硬度的煤炭开采。由于该型号采煤机特别适用于大倾角煤层[3]，被煤矿企业广泛使用。该型号采煤机结构如图1 所示。

图1 MG800 型采煤机结构示意图

MG800 型采煤机的工作原理就是受到内部电机的牵引力，使得截割滚筒对煤壁进行切割，同时通过滚筒旋转将切下的煤炭装入至专门设备中。一个工作面通常分为几个工作段进行切割，此时的采煤机和刮板输送机将根据工序的进行进行移动和转移，使得滚筒能够将切下的煤炭物料正确地装入输送机当中。

因此可以得出采煤机滚筒的螺旋滚筒是最为关键的部件，该部件不仅能产生高速旋转将煤炭物料进行脱落，还能存储煤炭并装入至传送带中运输至矿井外。滚筒的旋转方向要与叶片方向一致，正确的方向旋转才能将煤块引导至传送带上，如图2 所示为截割煤岩的示意图。

图2 采煤机滚筒截割煤炭物料示意图

2 振动截割滚筒总体设计

2.1 技术参数

MG800/2040WD 型采煤机主要应用于厚度为2.7～5.5 m 和倾角小于12°的中硬煤层。通过变频交流电动机驱动滚筒进行旋转，滚筒结构由滚筒、截齿、齿座等关键零部件组成，通常采用三头螺旋叶片集成喷雾系统对煤炭进行切割。该型号采煤机的牵引速度为12、19 m/min、滚筒转速为26.179 r/min、截割电动机的转速为1 480 r/min、行星齿轮的最大输出扭矩为64.2 kN·m、主要的喷尘方式采用的是内外结合的双喷雾方式[4]。

2.2 振动截割滚筒总体设计原理

根据采煤机在矿井所受到作用力分析，应将整体截割滚筒作为一个系统进行研究。因为滚筒会受到粉尘、振动、腐蚀等作用，对滚筒整体结构的抗振性和抗爆性都提出了要求[5]。由于受环境的影响使振动截割滚筒的输出力矩和破岩效应受到影响。因此在分析截割滚筒使用性能之前，应首先对截割滚筒的外部因素进行系统研究，具体研究示意图如图3 所示。由图3 可知，截割滚筒的振动特性环境复杂，应进一步进行研究。

图3 振动截割滚筒技术分析示意图

3 截割滚筒仿真环境的建立

3.1 仿真模型建立

通过Solidworks 软件对截割滚筒模型的三维实体模型进行建立。整体模型根据实际模型尺寸1∶1的比例完成建立，为了提高仿真计算的效率，应将非重要的零碎部件进行简化和去除，同时对于需要精确计算的部位在网格划分应进行加疏密[6]。

将Solidworks 软件与ANSYS 软件进行通讯连接并加入三维实体模型，在仿真软件中进行网格划分，应用仿真软件的多体动力学仿真模块，实现截割滚筒振动特性研究。MG800/2040WD 型采煤机截割滚筒模型采用的是六面体网格单元，整体网格数目为284 613，节点数为603 872，截割滚筒刚柔耦合仿真模型如图4 所示。

图4 振动截割滚筒刚柔耦合仿真模型

3.2 仿真参数设定

按照实际情况对结构的材料、受力、边界情况进行设定，提高仿真的精确性。在仿真软件的材料库中选用ZG42CrMo 材料，密度为7.90×103kg/m3，屈服强度为660 MPa，弹性模量为2.10×1011Pa，泊松比为0.3。其中齿轮的材料更为特殊，选用的材料为42CrMo，弹性模量为2.10×1011Pa，泊松比为0.3，密度为7.85×103kg/m3。

同时对截割滚筒与开采面的接触进行设置。将齿轮与煤炭壁的接触设置为面—面接触，其余的接触类型设置为柔体—柔体接触。由于整体煤炭开采层的体积非常大，将煤炭开采面的边界设置为无反射边界条件，模拟大地无限远的效果。

4 仿真结果分析

4.1 多刚体动力学仿真结果分析

对MG800 型采煤机截割滚筒的多刚体动力学和刚柔耦合模型进行仿真，对截割滚筒主要组成构件——行星架进行计算仿真。将Solidworks 软件建立的三维模型导入之ANSYS 软件的多刚体动力学求解模块进行计算，得到了截割滚筒前6 节固有频率和振动形式，如表1 所示。

表1 截割滚筒行星架前6 阶固有频率和振动形式

转速达到一定程度，与行星架的固有频率相同或接近时，就会出现剧烈的共振现象，不仅会影响正常工作，甚至会损坏设备。1 阶与2 阶的固有频率以及5 阶与6 阶的固有频率近似相等，尤其是5 阶，6阶的振动形式更为激烈，更加容易造成破坏。因此在工程进行中，应避免载荷振动频率接近5 阶、6 阶的固有频率。

4.2 多刚柔耦合仿真结果分析

基于ANSYS 软件多刚柔耦合计算模块分析截割滚筒行星架的前6 阶模态参数，如下页表2 所示。

由表1、下页表2 可知，整栋截割滚筒的刚柔耦合和与刚性模型的模态特性方面具有一致性。在固有频率对比方面，固有频率相对误差小于8.86%。由于在工程实际中截割滚筒行星架正常转速为22.74 r/min，经专业仪器检测后的转动频率为38 Hz，小于刚性行星架模态分析的一阶固有频率82.242 Hz，同时也小于刚柔耦合行星架模态分析的一阶固有频率75.169 Hz，综合分析发现截割滚筒在工作过程中不会发生共振。同时提供了MG800 型采煤机截割滚筒的前6 级模态数据，在日常使用中应避免载荷产生的振动频率接近固有频率数值。

表2 刚柔耦合截割滚筒行星架前6 阶固有频率和振动形式

5 结语

为了提高矿井采煤机截割滚筒在实际工程中的使用性能并且确保长时间的安全性和稳定性，对截割滚筒的刚柔耦合和刚性模型的动态特性进行的分析，获取到了模态数据。通过数值模拟仿真计算，证明了MG800 型采煤机截割滚筒在正常使用中不易发生共振现象，减小了产生结构破坏的概率，但是同时也要注意受到异常载荷波动或者结构自然磨损后发生的异常频率数据。