采煤机截割部截割振动特性的研究

郭曙光

（晋能控股煤业集团成庄矿， 山西 晋城 048000）

0 引言

采煤机是煤矿井下截割作业的核心，主要通过截割部驱动截割滚筒的旋转来将煤炭从煤壁上切割下来，由于煤壁质地坚硬，且在不同截割位置、不同截割状态下，作用在截割部的冲击变化较大，导致截割部振动冲击大、截割故障率高，在对截割部进行改进时也主要是依靠实际操作经验，对局部进行加强，但由于缺乏可靠的理论指导，其实际优化效果不足而且成本高。

1 采煤机截割部数学模型

采煤机在截割作业过程中会受到来自煤壁的截割载荷冲击作用，但目前对采煤机截割部的研究较少，现有理论知识不足以支撑对截割部在受载荷冲击情况下的振动特性研究，因此本文结合采煤机截割部的特性，提出建立截割部耦合动力学模型，然后利用仿真分析的方式进行振动特性研究的方案。

由于采煤机截割部外侧壳体在受力情况下容易变形且传动机构则具有一定的吸振缓冲作用，因此在对多种动力学模型进行分析后，确定采煤机截割部的特性和刚柔耦合动力学模型最为接近，因此建立截割部的动力学模型，可表示为[1]：

式中：M 为模态质量矩阵；σ 为广义坐标矩阵；K 为模态刚度矩阵；f 为广义重力；D 为模态阻尼矩阵。

2 采煤机截割部截割模型建立

利用三维建模软件建立采煤机截割部的三维模型，为了提高建模速度，截割运动机构的建模可以按实际零件比例及配合关系建立，对应壳体类的可采用简化建模方案，完成装配后按实际的接触方式定义不同零件之间的相互关系[2]，建立的采煤机截割部三维模型如图1-1 所示。

图1 采煤机截割部截割三维模型示意图

为了确保仿真分析结果的准确性，对煤壁参数是以煤矿井下实际测得的煤层地质特性为基础进行设置的，煤层的密度为1 240 kg/m3，煤层的泊松比为0.26，剪切模量为763 MPa，弹性模量为2 011 MPa。夹矸的密度为2 638 kg/m3，夹矸的泊松比为0.23，剪切模量为1 739 MPa，弹性模量为3 183 MPa。

在离散元仿真分析软件中建立煤层的三维分析模型，从上到下分别为煤、夹矸、煤，模拟样件的尺寸为3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，设置夹矸层的高度为300 mm，设置滚筒和煤岩的截割模型为H-M模型[3]，所建立了滚筒截割煤层的三维模型如图1-2 所示。

设置仿真分析时采煤机的截割进给速度为5 m/min，截割部的截割转速为80 r/min，截割滚筒截割时的截割深度为500 mm，仿真的总时间设置为10 s，仿真时的步长按0.05 s 设置，则截割作业过程中采煤机截割滚筒上的受力变化曲线如图2 所示。

图2 采煤机截割滚筒变化曲线示意图

由图2 仿真分析结果可知，采煤机在截割作业过程中截割滚筒上的最大截割载荷为9.6×104N，平均截割载荷为6.1×104N，其截割作业过程中的载荷波动系数为0.39，说明在截割作业过程中存在着较大的波动性。

3 采煤机截割部受力变形分析

将采煤机在截割作业过程中的受力情况施加到采煤机截割部，利用ADAMS 仿真分析软件对截割部在受力情况下的振动特性进行分析，截割部在受力情况下的质心加速度变化情况如图3 所示。

图3 截割部质心加速度变化曲线

由图3 可知，当冲击载荷的频率达到21 Hz 时，截割部在Y 轴方向上的最大加速度为41.4 mm/s2，且Y 轴（竖直方向）上的振动幅值要大于X 轴（牵引方向）方向上的振动幅值，这主要是由于采煤机在截割作业过程中，作用在Y 轴方向上的截割分力数值和变化频率均较大，导致了在Y 轴方向上的振幅较大。

采煤机截割部外壳的质心，在受力作用下的位移变化曲线如图4 所示。随着载荷冲击频率的不断加大，截割部壳体质心的位移响应开始出现振动，当冲击载荷的频率达到20.36 Hz时，壳体的质心位移达到了最大的15.1 mm且最大质心位移出现在Y 轴方向上。

图4 截割部壳体质心加速度变化曲线

通过仿真分析可知，采煤机截割部在受到载荷冲击的作用下，截割部和截割部壳体的最大质心振幅和位移均出现在Y 轴（竖直方向）方向，表明对竖直方向上的影响较为严重，因此在采煤机截割部设计时，需要重点考虑在竖直方向上的零件配合间隙和壳体结构强度，降低在截割作业过程中的变化和冲击，提高截割部的截割稳定性。

4 结论

1）采煤机截割部的特性和刚柔耦合动力学模型最为接近，利用刚柔耦合动力学模型能很好的对截割部的受力情况进行模拟；

2）采煤机截割部在受到载荷冲击的作用下，截割部和截割部壳体的最大质心振幅和位移均出现在Y轴（竖直方向）方向，壳体的质心位移达到了最大，为15.1 mm；

3）在采煤机截割部设计时，需要重点考虑在竖直方向上的零件配合间隙和壳体结构强度，降低在截割作业过程中的变化和冲击。