電牽引采煤機(jī)核心部件可靠性分析

申宏亮

（山西誠正建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司， 山西 陽泉 045000）

1 電牽引采煤機(jī)沖擊載荷模擬

滾筒是采煤機(jī)落煤和裝煤的工作機(jī)構(gòu)，采煤機(jī)在工作時，滾筒截齒只要截入煤壁，就要承受截割阻力，順序式滾筒截齒還要受到側(cè)向力，此外還有作用于螺旋葉片上的裝煤反力等多重作用，而在采煤機(jī)切入煤壁的過程中，滾筒還將受到一個附加的軸向力[1-4]。

由于同時參與截割的截齒齒數(shù)和位置是變化的，煤巖的物理機(jī)械性質(zhì)也是隨機(jī)的，因此，截齒給予煤巖的截割力、力矩等動力學(xué)參數(shù)也是變化的[5]。通過對滾筒承受的瞬時沖擊載荷、截割力矩等進(jìn)行分析計算,在模擬軟件中施加給電牽引采煤機(jī)滾筒模型中，從而對結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。能夠使得采煤機(jī)提高工作效率，保持穩(wěn)定性。電牽引采煤機(jī)滾筒受到的三向力曲線如圖1所示。

圖1 電牽引采煤機(jī)滾筒受到的三向力曲線

2 模型建立與外部載荷模擬

電牽引采煤機(jī)割煤的工作過程中，采煤機(jī)搖臂殼體承受采煤機(jī)內(nèi)部的齒輪耦合傳動沖擊和滾筒割煤時候受到的力，引起電牽引采煤機(jī)搖臂殼體受力比較大；與此同時采煤機(jī)行星部件需要很大的扭矩傳遞在采煤機(jī)割煤時，受到的負(fù)載也非常大，而長時間處于高應(yīng)力載荷容易導(dǎo)致電牽引采煤機(jī)搖臂殼體與采煤機(jī)行星部件的損壞[6]。因此通過對電牽引采煤機(jī)搖臂殼體與采煤機(jī)行星部件進(jìn)行仿真模擬來進(jìn)行可靠性分析以確保采煤機(jī)正常高效使用。

采煤機(jī)受到的外部載荷主要來自于螺旋滾筒上截齒截割煤壁時受到的沖擊作用，其中滾筒的受力如圖2所示。當(dāng)螺旋滾筒上的截齒在截割煤壁時其將受到截割阻力Fj、牽引阻力Fq及側(cè)向力Fc的作用，截割過程中所有截齒的受力使采煤機(jī)受到外部載荷。

圖2 滾筒受力示意圖

因為綜采工作面煤層地質(zhì)情況不盡相同，電牽引采煤機(jī)割煤時滾筒受力值也不同。

為了便于對滾筒截割時所受負(fù)載進(jìn)行分析，單純地根據(jù)力學(xué)關(guān)系很難推斷出某段時間內(nèi)滾筒的受力狀態(tài)，所以本文基單個截齒的力學(xué)模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)建模軟件，編制出能夠模擬滾筒截割過程中的受力程序，根據(jù)編程模擬出采煤機(jī)以牽引速度為4 m/min進(jìn)行截割堅固性系數(shù)為3并含有夾矸石煤壁時螺旋滾筒所受的負(fù)載[7]。

3 采煤機(jī)核心部件可靠性分析

仿真模擬的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、精度、快速性都與仿真參數(shù)的設(shè)定起著相當(dāng)重要的作用，因此選用求解迅速、計算精度高的積分器以提高仿真速度。經(jīng)過仿真建立模擬得到搖臂殼體在工作過程中的受力分布云圖，如下頁圖3所示。

圖3 搖臂殼體受力（MPa）分布

由圖3可以看出，截割過程中搖臂殼體在相關(guān)軸安裝處的受力較大，同時搖臂殼體與調(diào)高油缸連接耳處附近的受力更為惡劣。當(dāng)截割時遇到含有硬結(jié)核時，滾筒受到的沖擊作用傳遞到上述位置，上述位置的受力將更大，極易造成相關(guān)位置的結(jié)構(gòu)疲勞損壞，因此在截割時可適當(dāng)降低采煤機(jī)的牽引速度以保證滾筒上的沖擊不至于過大[8]。

如圖4所示為采煤機(jī)搖臂殼體最大受力點(diǎn)S應(yīng)力曲線圖，由圖4可以看出，電牽引采煤機(jī)核心部件搖臂殼體在未進(jìn)行作業(yè)時受力非常小，隨著采煤機(jī)開始作業(yè)滾筒開始割煤，電牽引采煤機(jī)核心部件搖臂殼體受力開始急劇加大。在0.12 s能夠達(dá)到最大值141 MPa，隨著滾筒持續(xù)切割煤璧，割煤開始穩(wěn)定后電牽引采煤機(jī)核心部件搖臂殼體受力開始逐漸減小，搖臂殼體受力開始發(fā)生周期波動變化穩(wěn)定在70MPa左右。滿足采煤機(jī)割煤時材料的允許應(yīng)力范圍值，即采煤機(jī)割煤時電牽引采煤機(jī)核心部件搖臂殼體穩(wěn)定性能達(dá)到受力要求，控制好電牽引采煤機(jī)的牽引速度，保證工作面采煤機(jī)高效穩(wěn)定割煤。

圖4 采煤機(jī)搖臂殼體最大受力點(diǎn)S應(yīng)力曲線

4 結(jié)語

通過對電牽引采煤機(jī)核心部件可靠性分析，建立了采煤機(jī)核心部件的仿真模型，模擬模型對于實際工作面中滾筒負(fù)載施加壓力條件下的仿真，根據(jù)電牽引采煤機(jī)搖臂殼體最大受力點(diǎn)S的應(yīng)力曲線與電牽引采煤機(jī)搖臂殼體的受力分布云圖情況分析可知，當(dāng)井下工作面采煤機(jī)進(jìn)行作業(yè)時，采煤機(jī)搖臂殼體在初始切割時受力較大，初始切割時要注意控制采煤機(jī)牽引速度，確保采煤機(jī)不因牽引速度過快而失穩(wěn)，隨著采煤機(jī)的切割穩(wěn)定以后，搖臂殼體的強(qiáng)度能滿足要求，為采煤機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供了參考，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義。