對連續(xù)采煤機側(cè)滾筒的有限元分析

李發(fā)泉

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

有限元分析方法應用于滾筒失效分析、滾筒優(yōu)化設計等領(lǐng)域具有快速、便捷、可靠等優(yōu)點。本文以對某型連采機側(cè)滾筒有限元分析為例，詳細闡述了該分析方法的主要技術(shù)難點，該方法能夠準確預測滾筒撕裂位置，對連續(xù)采煤機截割滾筒設計及優(yōu)化具有較強指導意義。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

連續(xù)采煤機是短壁開采和煤巷快速掘進的主采設備，其具有采掘合一，機動靈活，設備投資少見效快等優(yōu)點，可適用于我國不規(guī)則塊段的開采，對提高煤炭資源回收率具有重要意義[1～3]。截割滾筒是連采機的主要工作機構(gòu)，其通過布置在其上的截齒來截割礦巖。其工作時，常常由于載荷突變、局部受載等原因造成滾筒撕裂失效，如圖1 所示。

連采機截割滾筒是一種銑削式破煤機構(gòu)[4]，一般采用三段式中心對稱結(jié)構(gòu)，主要包括端盤、側(cè)滾筒、中間滾筒如圖2 所示。

側(cè)滾筒是截割滾筒的一部分，其通過平鍵聯(lián)接傳遞扭矩，內(nèi)部表面通過與減速器外輪轂配合定位，邊緣通過螺栓聯(lián)接將端盤安裝其上，齒座通過墊塊焊接在其筒體表面。

圖1 側(cè)滾筒撕裂Fig.1 Lateral drum avulsion

2 側(cè)滾筒有限元模型的建立

2.1 模型簡化及材料特性

圖2 連續(xù)采煤機截割滾筒典型結(jié)構(gòu)Fig.2 The representative configuration of cutting drum of continuous miners

對模型的有效簡化處理有助于提高有限元計算效率，降低模型計算不收斂風險。由于截齒和齒座形狀不規(guī)則，六面體網(wǎng)格劃分困難，計算耗時長，遠程力耦合加載方式可避免將截齒和齒座帶入計算中，該方法需要建立加載點的坐標系。本文以齒尖為加載點，通過三維軟件的實體模型，可方便的求出齒尖的位置坐標及方向，可迅速建立出各齒尖的局部坐標系。簡化模型過程中去掉不工作截齒墊塊、螺栓孔、小倒角等特征，最終簡化模型見圖3。

圖3 側(cè)滾筒簡化模型Fig.3 The simplified model of lateral drum

圖4 側(cè)滾筒網(wǎng)格劃分Fig.4 The mesh division on lateral drum

筒體和墊塊模型均為35CrMo，楊氏模量2.0×105MPa，泊松比0.3，屈服應力440 MPa。

2.2 網(wǎng)格劃分

基于有限元分析軟件，采用以六面體為主的網(wǎng)格劃分方法，調(diào)整網(wǎng)格大小，保證筒體厚度方向上單元個數(shù)不少于4 個。

本模型共劃分70831 個單元，268776 個節(jié)點，最終網(wǎng)格劃分模型見圖4。

2.3 邊界條件及工況選擇

將各鍵槽各自的承壓面施加全位移約束；與減速器外輪轂配合表面施加圓柱約束；與端盤聯(lián)接端面施加扭矩，其值為端盤工作截齒瞬時載荷之和與滾筒半徑之積；在各齒尖坐標系處施加遠程力，將其作用至墊塊上表面，由于牽引阻力對筒體的影響程度較小，故將其忽略，截齒僅承受來自旋轉(zhuǎn)方向的切向截割阻力，由于截齒所處位置瞬時切削厚度存在差異如圖5 所示，其瞬時載荷值與圓心角θi的正弦成正比：

式中，F(xiàn)i—瞬時載荷；Fmax—最大載荷，其值按文獻[5]方法計算。

側(cè)滾筒工作條件差異決定其上應力分布，本文選擇以下兩種工況進行研究。

工況一： 正常工況，各工作截齒受到正常f=3 截煤載荷，其邊界條件見圖6。

工況二： 惡劣工況，7號截齒（見圖8b）受到f=9 的硬巖載荷，其它工作截齒受到正常f=3 截煤載荷。

圖5 不同截齒瞬時切削厚度hiFig.5 The instantaneous cut depth hi for every pick

3 結(jié)果分析

由圖7 和圖8（a）可知，側(cè)滾筒在工況一條件下最大等效應力為72.17Mpa，在工況二條件下為231.72MPa，均未超過其材料屈服應力440MPa，可見，工況一和工況二側(cè)滾筒所受到的載荷條件均不能造成其因強度不足而撕裂。

由圖8（a）和圖8（b）可知，側(cè)滾筒應力最大處為筒體和墊塊的前焊縫處，且其周圍應力分布較集中，與圖1 所示斷口形狀近似，故判定此處為薄弱點，應力集中和材料缺陷均會導致該處發(fā)生撕裂失效，應在該位置采取有效措施避免應力集中和材料缺陷。

圖6 工況一下的邊界條件Fig.6 The boundary condition at the first work state

圖7 工況一下側(cè)滾筒等效應力云圖Fig.7 The von-stress distribution nephogram of lateral drum at the first work state

圖8a 工況二下側(cè)滾筒等效應力云圖Fig.8a The von-stress distribution nephogram of lateral drum at the second work state

圖8b 工況二的側(cè)滾筒等效應力云圖 （局部放大）Fig.8b The von-stress distribution nephogram of lateral drum at the second work state （partial zoom）

4 結(jié)束語

連采機截割較硬礦物時，不會因強度不足導致滾筒撕裂，局部應力集中或材料缺陷或是滾筒撕裂的原因。滾筒有限元分析方法可準確判斷出滾筒的薄弱環(huán)節(jié)，為滾筒設計和優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

[1] 王金華. 中國煤礦現(xiàn)代化開采技術(shù)裝備現(xiàn)狀及其展望[J].煤炭科學技術(shù)，2011，11.

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[3] 宿月文，朱愛斌，陳渭，等.連續(xù)采煤機履帶行走系統(tǒng)驅(qū)動功率匹配與試驗[J].煤炭學報，2009，3.

[4] 劉春生，于信偉，任昌玉.滾筒式采煤機工作機構(gòu)[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.

[5] 趙麗娟，董萌萌.含硫化鐵結(jié)核薄煤層采煤機工作機構(gòu)載荷問題[J].煤炭學報，2009，6.