滾筒采煤機截割部調高機構振動特性仿真研究

丁余良 王 鵬

（1.山西潞安環保能源開發股份有限公司常村煤礦，山西 長治 046000；2.新疆工程學院礦業工程與地質學院，新疆 烏魯木齊 830091）

采煤機截割到硬度較高的煤巖體時，截割部將受到強烈的沖擊載荷，造成采煤機劇烈擺動，影響采煤機的正常作業[1,2]。采煤機依靠調高機構進行截割高度調整，因此調高機構的工作狀態直接影響采煤機割煤質量[3]。本文對滾筒采煤機截割部調高機構進行仿真研究，為礦井采煤機穩定作業提供依據。

1 滾筒采煤機截割部結構分析

滾筒采煤機截割部主要由滾筒、搖臂、液壓油缸和機身四部分組成，其中調高機構主要由減速滾筒、搖臂、液壓油缸及其配套的液壓控制系統構成[4]，如圖1所示。采煤機作業過程中，液壓缸通過液壓系統向截割部進行動力供給，使得截割部能夠上下調高，進行不同厚度煤層的截割。

在不同工況下，截割部受載相應不同：（1）未進行割煤時，采煤機空載運行，其截割部僅受自身重力作用；（2）進行割煤時，采煤機負載運行，截割部受到割煤阻力和自身重力共同作用。此時受到強烈沖擊載荷的影響，截割部產生劇烈擺動，影響采煤機的前進。

2 滾筒采煤機截割部調高機構力學模型

由于采煤機系統復雜，為了便于分析，本文對截割部進行如圖2所示的簡化，并給定如下假設：（1）采煤機截割部擺動僅考慮液壓油缸伸縮方向；（2）采煤機機身固定不動；（3）視截割部與機身及液壓油缸的聯接為剛性聯接，搖臂運動為剛體定軸轉動。

圖1 采煤機截割部結構示意圖

圖2 滾筒采煤機截割部調高機構簡化模型

采煤機作業時，截割部所遇煤層特性不斷變化，呈現非均質性，同時滾筒上截齒非均勻布置，因此滾筒在前行作業中受到的載荷呈現出一定的隨機性。基于相關文獻，滾筒受載可以簡化成3個方向的交變載荷[5]：

式中：

Px，Py，Pm-分別為滾筒在垂直、水平和軸向的外載荷分力，N；

Pamax，Pbmax，Pcmax-分別為外載荷在3個方向上的最大幅值，N；

ωa，ωb，ωc-分別為滾筒外載荷在3個方向的變化頻率，rad/s；

P0，P1-分別為水平和垂直方向上的滾筒所受平均載荷，N。

基于前述采煤機工況，研究中假設在豎直剖面內，滾筒只受到水平方向Px和豎直方向Py兩個力的作用，同時由于滾筒質量分布不均勻，因此轉動過程中受到一定片心力的影響。分析過程中，將液壓缸等效為液壓彈簧-阻尼振動系統，因此建立如圖3所示截割部調高機構簡化模型。圖中m1，m2分別表示滾動和搖臂等效質心，L1，L2分別表示大搖臂和小搖臂長度，α1表示搖臂與水平方向的夾角，α2表示小搖臂與液壓缸所成夾角，k，c分別表示液壓缸等效后的彈簧剛度和阻尼系數。

依據圖3，結合力矩平衡定力，建立如下方程：

式中：

J-滾筒及搖臂繞點O的轉動慣量，kg·m2；

-搖臂繞O點轉動的角加速度，rad/s2；

x-液壓缸的位移，m；

ΣMO-對O點所有外力矩之和，N·m。

圖3 滾筒采煤機截割部調高機構動力模型

在模型計算中，為了更加符合采煤機截割部實際工作情況，文中引入周期變化的水平力和垂直力來模擬滾筒偏心力對搖臂擺動造成的影響。其中PxL1sinα1、PyL1cosα1分別表示水平和垂直方向上的激振力矩，1/2m2gL1cosα1、m1gL1cosα1分別表示搖臂和滾筒所產生的重力矩。因此式（1）可轉換為：

式中：

ω-滾筒旋轉角速度，一般ωa=ωb=ω，rad/s；

Pn-滾筒所產生的偏心力最大幅值，N。

基于圖3分析液壓缸產生的位移為：

式中：

θ-搖臂繞O點轉動角，rad，因數值較小，所以 sinθ≈θ。

因此式（4）可變為：

滾筒即搖臂繞O點的轉動慣量為：

聯立式（2）、（3）、（5）和（6）可得：

3 滾筒采煤機截割部調高機構仿真模擬

仿真模擬試驗主要基于Matlab/Simulink模塊進行，依據礦井實際生產情況，進行下列參數 取 值：m1=100kg，m2=600kg，ω=3.07rad/s，Px+Pn=20000N，Py+Pn=2000N，Pn=40000N，P1=30000N，L1=2.3m，L2=0.95m。仿真時間設定為8s，測定搖臂擺動角位移、角速度和角加速度隨著時間的變化曲線。

采煤機截割部調高機構震動與液壓缸特性關系緊密，此處進行液壓缸支撐剛度和阻尼參數的選取。通過以下四組方案分析兩參數對調高機構特性的影響，具體如表1所示，仿真結果如圖4所示。

表1 仿真模擬參數

通過分析圖4（1）和（2）可知，在保持調高液壓缸剛度固定時，隨著阻尼參數的變化，能量在衰減過程中振幅變化不同，且達到最大振幅所需時間也不相同。其中當調高液壓缸阻尼增大時，角加速度、角速度和角位移的振動幅度減小，且相應達到穩定的時間縮短。

通過分析圖4（3）和（4）可知，保持調高液壓缸的阻尼不變，所以能量消耗相同，所以在角加速度和加速度上，能量最大振幅和系統平衡時間基本相同，但在角位移曲線圖中，隨著剛度參數的減小，系統衰減波動更加劇烈。

4 結論

本文通過對滾筒采煤機截割部調高機構進行模型簡化，建立相應結構的動力學模型，然后采用Matlab/Simulink模塊，基于動力學模型方程進行仿真模擬，并分析不同液壓缸剛度和阻尼參數方案下的搖臂角加速度、角速度和角位移的變化，結論表明，通過適當調高液壓缸的阻尼和剛度可以降低系統搖擺幅度，提高采煤機作業的穩定性，為礦井實際生產提供依據。

圖4 不同方案仿真結果圖