基于ADAMS的采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化

申艷忠

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

采煤機(jī)是一種將機(jī)、電、液壓整合在一起的復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，主要依靠截割機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下煤層的煤炭切割，完成落煤的任務(wù)，一旦采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)發(fā)生故障整個(gè)煤礦井下采煤工作將被迫中斷，給煤炭生產(chǎn)企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]，同時(shí)采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)作為直接切割煤層的機(jī)構(gòu)，其工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性直接關(guān)系到截齒的使用壽命及采煤機(jī)工作的可靠性和穩(wěn)定性。

1 采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)的受力分析

采煤機(jī)在煤礦井下巷道內(nèi)采掘煤炭時(shí)，絕大部分的功率用于驅(qū)動(dòng)螺旋滾筒進(jìn)行落煤，因此要對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析就必須對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的滾筒及截齒在工作時(shí)的受力情況進(jìn)行分析，采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)在工作中所受到的阻力包括截割阻力、側(cè)向阻力及其他阻力，在滾筒上所受到的作用力主要是在工作過(guò)程中的截齒力及工作阻力力矩的綜合，由于煤礦井下巷道煤層內(nèi)煤巖在不同部位的力學(xué)特性和物理特性不同，因此造成作用在滾筒和截齒上的力的方向、大小的隨機(jī)性變化。

采煤機(jī)的截齒機(jī)構(gòu)的截齒在落煤時(shí)等效的幾何模型如圖1所示，以某型采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)為例，其截割機(jī)構(gòu)的截齒的錐度為2α，在進(jìn)行落煤時(shí)截割機(jī)構(gòu)的截齒截入煤層的角度為β，在進(jìn)行工作時(shí)作用在截齒上的阻力為Z，可表示為[2]：

式中：A為截割機(jī)構(gòu)在切割煤層時(shí)作用在煤層上的截抗系數(shù)；h為采煤機(jī)在切煤時(shí)切入煤層的深度；bp截割機(jī)構(gòu)截齒刀具的理論寬度。

圖1 采煤機(jī)截齒切割煤層時(shí)的等效幾何模型

煤礦井下巷道煤層內(nèi)的煤炭具有脆性，采煤機(jī)的截齒在切割煤層時(shí)，煤炭受力剝離后，煤塊隨著截齒接觸煤層體積的變化而變化，截齒與煤層的切入深度和剝落的煤炭深度有一定的理論差別，在已知切割時(shí)的平均切割深度后，即可得出截割機(jī)構(gòu)截齒刀具的理論寬度bp，其可表示為[3]：

采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的滾筒在工作時(shí)的受力分析如圖2所示。

圖2 采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)滾筒受力簡(jiǎn)圖

在滾筒上的截齒工作時(shí)分別受到X、Y、Z方向的力，則滾筒在工作時(shí)所受到截割阻力可表示為FZi=∑Fzi，滾筒的側(cè)向阻力可表示為FXi=∑Fxi，滾筒的牽引阻力可表示為FYi=∑Fyi，ri表示驅(qū)動(dòng)滾筒半徑，由此作用在采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)上的阻力矩M可表示為[4]：

式中：D為截割機(jī)構(gòu)滾筒的直徑。

在工作中采煤機(jī)截機(jī)構(gòu)所消耗的功率可表示為：

式中：N為截割機(jī)構(gòu)滾筒的實(shí)際工作轉(zhuǎn)速。

因此采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)的能耗比可表示為：

式中：H為截割機(jī)構(gòu)的采煤高度；V為截割機(jī)構(gòu)的滾筒轉(zhuǎn)速。

2 采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

由于截割機(jī)構(gòu)時(shí)采煤機(jī)進(jìn)行落煤和裝煤的機(jī)構(gòu)其工作時(shí)消耗的功率占采煤機(jī)總功率的80%以上，因此采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)在工作時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性決定著采煤機(jī)工作的能耗比及切割煤塊的質(zhì)量和截齒的使用壽命。由上文分析可知，采煤機(jī)在工作時(shí)其截割部分主要由牽引速度Vq、截割機(jī)構(gòu)滾筒轉(zhuǎn)速ω1及截割滾筒的螺旋升角ω2組成，因此可將采煤機(jī)工作時(shí)截割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡表示為[5]：

式中：L為截割機(jī)構(gòu)擺臂的臂長(zhǎng)；rc為截割機(jī)構(gòu)滾筒的理論半徑。

對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)，即可得到采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)截齒的運(yùn)動(dòng)軌跡的速度數(shù)學(xué)模型為：

對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)一步求導(dǎo)，即可得出工作時(shí)截齒的運(yùn)動(dòng)加速度：

由分析可知，采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)的瞬時(shí)加速度與截割機(jī)構(gòu)的螺旋升角有較大的關(guān)系，螺旋升角直接影響著其工作時(shí)的穩(wěn)定性。

3 采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的仿真分析

利用Creo三維建模軟件建立采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)和煤層的三維模型，如圖3所示，并將其導(dǎo)入到ADAMS仿真分析軟件中，按照實(shí)際工作條件對(duì)其設(shè)置相關(guān)參數(shù)模型和邊界條件，如表1所示。

圖3 采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)仿真參數(shù)

在采煤機(jī)的截割機(jī)構(gòu)中位于滾筒上的螺旋升角對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)工作時(shí)的動(dòng)態(tài)特性和截齒工作時(shí)的受力情況影響最大。當(dāng)螺旋升角過(guò)大時(shí)會(huì)降低在切割煤層時(shí)的切割效率，形成二次無(wú)用截割，當(dāng)其截割的螺旋升角過(guò)小時(shí)會(huì)造成作用于截齒上的截割應(yīng)力集中，影響截齒的使用壽命，因此針對(duì)不同的螺旋升角進(jìn)行仿真分析（某采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)螺旋升角為15°，分別對(duì)其螺旋升角為 10°、15°、20°、25°情況下的截齒上的受力進(jìn)行分析），獲得不同螺旋升角下截齒上的受力曲線，其分析結(jié)果如圖4—圖7所示。

將不同螺旋升角下的受力情況進(jìn)行匯總，如下頁(yè)表2所示。

由表2分析可知，當(dāng)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的螺旋升角為20°時(shí)，其工作情況下的截割均力和最大截割力均最小，當(dāng)其螺旋升角為15°時(shí)，其受力峰值較大，對(duì)采煤機(jī)工作時(shí)的穩(wěn)定性和使用壽命將產(chǎn)生較為不利的影響，因此將采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的螺旋升角調(diào)整為20°時(shí)能夠極大提高采煤機(jī)工作時(shí)的可靠性及截齒的使用壽命。

圖4 螺旋升角為10°時(shí)截齒的受力曲線

圖5 螺旋升角為15°時(shí)截齒的受力曲線

圖6 螺旋升角為20°時(shí)截齒的受力曲線

圖7 螺旋升角為25°時(shí)截齒的受力曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)工作情況的分析，建立了采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)關(guān)鍵目標(biāo)的數(shù)學(xué)參數(shù)模型，利用ADAMS仿真分析軟件，對(duì)影響采煤機(jī)工作穩(wěn)定性和截齒使用壽命的采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)不同螺旋升角下的截齒受力情況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，當(dāng)螺旋升角為20°時(shí)，作用于截齒上的截割阻力最小，為采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論支撐，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

表2 采煤機(jī)截齒不同螺旋升角下的載荷