關于采煤機行走輪的動力學仿真分析

郇郭建

(霍州煤電集團 呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦， 山西 方山 033100)

采煤機作為重要的煤礦開采設備，在煤礦開采中發揮著重要作用。但由于采煤機在實際工作過程中，經常處于超負荷狀態，加上井下環境相對復雜，導致采煤機經常出現部件受力不均勻、卡死等故障，無法保證長時間正常作業。掌握作業過程中關鍵部件的運動特性及運動規律，對提高采煤機的開采效率很重要。

因此，以采煤機結構組成為基礎，建立了采煤機的動力學數學模型，采用UG和ADAMS軟件，建立了采煤機的虛擬樣機模型，對采煤機在空載和受載狀態進行了動力學仿真分析研究，并提出了提高采煤機工作效率的措施。

1 采煤機結構組成分析

目前，采煤機主要采用的是雙滾筒采煤機，運行可靠，開采效率高。其結構主要包括螺旋滾筒、截割部、液壓傳動部、噴霧冷卻系統、行走部、滑靴、中間控制箱、破碎機等。其中，滾筒機構是采煤機中的主要工作機構，焊接該結構上的螺旋葉片和端盤，可實現快速開采。牽引電機進行動力輸出，通過行走部上軌道與輪軌之間的相互嚙合，將動力傳輸至行走機構，從動帶動采煤機沿工作面移動。采煤機中的噴霧系統主要進行降塵和煤炭冷卻。電控系統對采煤機進行直接操作控制。

2 采煤機動力學模型分析

建立采煤機動力學模型是進行整機動力學分析的基礎。結合采煤機的結構特點，去除采煤機中的電控、液壓、噴霧系統等，采用質量塊進行配重代替；采用連桿機構，建立包含多個機構的采煤機簡化機構模型。其中，將滾筒到牽引箱和搖臂之間的連接件用l1桿表示，搖臂與牽引箱之間的轉接連桿用l2表示，搖臂與牽引箱體鉸接點到行走輪軸心的水平距離、垂直距離采用l3和l4表示，行走輪軸心到牽引箱體與活塞缸鉸接處的水平距離、垂直距離用l6、l7表示，采煤機簡化后的動力學模型見圖1. 同時，對圖1中各個鉸接處進行了受力分析，得出采煤機的整體受力傳遞情況。此動力學模型可作為采煤機動力學仿真分析的理論基礎。

圖1 采煤機整機簡化后的動力學模型圖

3 采煤機虛擬樣機建立

3.1 三維模型建立

結合采煤機的結構組成機構可知，采煤機的結構包含左截割部、右側調高油缸、右截割部等部件。為進一步對采煤機的運動情況進行分析，采用UG軟件，建立包含采煤機主要部件的三維模型；同時，為提高模型的仿真精度，減少因非關鍵零件對仿真結果的影響，對三維模型中的螺栓、螺母、定位銷、圓角、倒角等零件及特征進行了模型簡化。由此，建立采煤機三維模型，見圖2.

圖2 采煤機三維模型圖

3.2 虛擬樣機仿真模型建立

將建立的三維模型導入至ADAMS動力學軟件中，建立動力學仿真模型。在軟件中，對所有零件進行材料的定義，將零件材料設置為Q235材料；同時，對滾筒與搖臂、行走輪與導向滑靴、牽引箱體與行走輪等零件之間的鉸接處施加旋轉副，銷排與地面之間設置為固定副，并在l3連桿上施加驅動力，對整體施加重力，保證該樣機模型的重量與實際的重量基本相同。仿真時間設置為15 s，步長設置為0.2 s. 由此，建立了采煤機的虛擬樣機仿真模型。

4 整機動力學仿真結果

由于采煤機右側行走輪為主要受力部件。因此，根據滾筒的實際受載情況，通過在右側行走輪的滾筒質心上施加1 010 N驅動載荷和130 N·m的旋轉力矩，分別對采煤機空載狀態及受載狀態時右側行走輪的受力情況進行分析研究，得出其受力變化曲線圖，見圖3，圖4. 由圖3，4可知，行走輪在整個受力過程中，其接觸力的變化均相對穩定，波動性較小，僅在零件剛啟動瞬間出現了較大的波動現象。

圖3 采煤機空載時右側行走輪受力曲線圖

圖4 采煤機受載時右側行走輪受力曲線圖

根據圖3，圖4的分析結果，對曲線中的數據進行整理，得到兩種狀態下的數據對比表，見表1. 由表1可知，行走輪在受載時的平均接觸力是空載時的1.17倍，其峰值接觸力是空載時的1.23倍。由此可知，行走輪在受載狀態時具有更高的接觸力，在行走輪長期作用過程中，受載狀態下更容易發生故障失效的可能性，而行走輪的失效將對采煤機的正常運行產生重要影響。因此，需對行走輪的結構性能及采煤機的運動效率進行優化改進。

表1 行走輪空載與受載狀態下的接觸力對比表

采煤機空載時左側行走輪受力曲線見圖5. 結合圖3，圖5，對采煤機在空載狀態下右側行走輪與左側行走輪的接觸力進行了對比分析，得對比表，見表2. 由表2可知，采煤機右側行走輪的接觸力值無論是峰值還是平均值均比左側行走輪的接觸力大，其原因為：采煤機在向左截割運動過程中，重心向右進行了偏移，此時，右側搖臂向下產生了力，左側搖臂則向上產生了部分作用力，進而使右側行走輪承受的作用力比左側更大。因此，在空載或作業過程中，同比條件下要求右側行走輪具有更高的結構性能，以保證采煤機的正常運行。

圖5 采煤機空載時左側行走輪受力曲線圖

工作狀態平均接觸力/kN峰值接觸力/kN右側行走輪3 3145 870左側行走輪3 2905 140右側與左側比值1.0071.14

5 提高整機工作效率的措施

結合采煤機運動過程的動力學分析可知，右側行走輪在受載狀態下具有更高的接觸力，在使用過程中極易發生故障。因此，需對行走輪的結構性能及采煤機的工作效率進行優化改進，提出如下措施：

1) 增大行走輪接觸力較大處材料的強度及結構厚度，提高其結構強度；同時，加大行走輪上受力較大處圓弧結構，提高其承載能力。

2) 定期對行走輪進行維護保養，對接觸力較大位置處定時添加潤滑油，保證接觸時摩擦力較小。

3) 應避免采煤機在超負荷狀態下長時間的開采作業，且在受載狀態下工作時，應按照規定的作業時間對行走輪的運行情況進行檢查，保證行走輪及采煤機的正常運行。

4) 采煤機應嚴格按照正確的操作規程開采作業，針對出現問題，應及時維修和保養，以提高采煤機的工作效率和作業安全。

6 結 論

以采煤機結構組成為基礎，建立了采煤機的動力學數學模型，采用UG和ADAMS軟件，建立了采煤機的虛擬樣機模型，對采煤機在空載和受載狀態進行了動力學仿真分析研究，仿真結果表明，采煤機的右側行走輪在受載狀態下具有更高的接觸力，且右側行走輪比左側受到的接觸力更大，此現象與實際狀態基本吻合。因此，在使用過程中，要求行走輪需具有更高的結構性能，且重點提高右側行走輪結構性，以降低采煤機的故障，提高開采效率。