滾筒采煤機截齒的動力學分析

武德剛

（山西煤炭運銷集團 小窯頭煤業有限公司，山西 大同037007）

0 引 言

滾筒式采煤機是煤礦開采的主要設備之一，是一個機、電、液為一體的復雜機械系統，采煤機主要由截割部、動力部、電氣系統、輔助設備等主要部件組成，其中滾筒是截割部關鍵性部件，但在煤礦的開采過程中，因煤層地質開采環境復雜，滾筒受煤層的沖擊力和反作用力等因素，使滾筒上的截齒容易磨損、齒尖鈍化或折損，引起采煤機故障停機，中斷連續生產，造成重大的停機經濟損失。因此為了提高采煤機持續采煤的效率，提高滾筒式采煤機的使用壽命，對煤層的力學特性、采煤機滾筒的結構參數、運動參數及動力學的研究分析具有重要意義[1-3]。

1 采煤機滾筒的建模分析

1.1 采煤機滾筒的三維建模

虛擬裝配。

1.2 模型的導入和材料選型

將滾筒的SolidWorks三維模型保存成后綴名為.x_t的parasolid格式的文件，然后導入ADAMS軟件中，使用其View功能簡化滾筒結構。導入后，設置軟件中坐標、工作柵格、重力加速度、材料、單位MKS等。在軟件ADAMS模擬仿真的過程中，為讓截割煤層自由掉落，需定義截齒和煤層的彈性模量、泊松比、密度等參數，如表1所示。

表1 模擬材料的選型參數

圖1 卷筒SolidWorks維模型圖

本文以MG250/600-WD型號的滾筒式采煤機為研究對象，其中關鍵性的部件是滾筒和搖臂。齒座、輪轂、端盤、截齒和螺旋葉片等零件組成了滾筒，如圖1所示。使用SolidWorks軟件將各零部件按圖建模，為簡化ADAMS的受力分析，建模過中忽略了一些對分析影響較小的圓角、臺階等次要因素[4]，按圖在SolidWorks中

1.3 采煤機滾筒的約束和驅動

為便于ADAMS軟件計算分析，需優化采煤機滾筒模型，將采煤機定義為整體，相對于地面添加直線移動副；相對于采煤機，截割部搖臂定義為旋轉副；相對于采煤機，提升裝置的油缸定義為固定副；煤層相對于地面，添加固定副；滾筒相對于搖臂，添加旋轉副；截齒相對于滾筒，添加固定副[5]。

采煤機被牽引向前運動，截割部的電動機相對于采煤機做旋轉運動，提升油缸相對于搖臂做直線運動，故其驅動依次分別為移動驅動、旋轉驅動、移動驅動。

1.4 采煤機滾筒的約束和驅動

滾筒截割煤層的過程中，主要受外部阻力、內部應力和特殊載荷等，外部阻力是滾筒旋轉截割煤層時煤層的反作用力，內部應力主要是軸承、齒輪、油缸之間的摩擦力及各零件的內部殘余應力。在采煤的過程中，截齒不間斷地截割煤層，與煤壁非連續性接觸且相對運動，而滾筒和搖臂是一直接觸的，故滾筒與煤壁是一種非線性彈性形式，因此這種非接觸力常采用ADAMS中沖擊函數Impact的懲戒系數和補償系數來模擬計算。

式中：k為兩個物理接觸時的剛度系數，N/m；X為采割機的截割深度，m；e為截割接觸力指數；d為阻尼系數，N·s/m；為煤層被截割時的變形深度，m/s；

采煤機滾筒截割煤壁的參數設置[10]，本文查閱相關參考文獻，得到接觸力相關參數如表2所示。

表2 接觸力參數表

2 截齒受力及仿真分析

本文所研究的滾筒式采煤機滾筒的牽引速度為0.067 m/s，滾筒的轉速為0.5 r/s，轉臂的轉角范圍為-12°～48°，截割煤高2.4 m。采煤機滾筒上的截齒在截割煤層時，當增大進給速度時，雖采煤效率增高，但截齒所受合力和沖擊就越大，加速了截齒齒尖的磨損、齒尖鈍化和齒座的損壞，降低了截齒的使用壽命。

將簡化后的模型導入ADAMS中，為得到詳細的截齒受力數據，選用SI2求解器，將以上參數賦值，定義模擬仿真時間為10 min，步長為1000，得到截齒的三向阻力圖如圖2所示。

觀察圖2可知，截割阻力大概呈周期性變化，應用軟件將圖2得到的截齒所受的三向煤層阻力進行矢量合成，得到如圖3所示截齒合力圖。

圖2 截齒三向阻力圖

圖3 截齒三向合力圖

從截齒合力圖可知，該圖客觀地反饋了截齒所受合力的動態情況，為優化截齒受力，可以截齒所受阻力合力、阻力峰值等作為評價指標。

3 滾筒截齒的有限元分析

3.1 截齒模型的建立和網格劃分

將截齒的SolidWorks模型另存為.IGS格式，導入ANSYS Workbench中，定義截齒的選型參數，如表3所示。建模后，網格的劃分尤為重要，若網格劃分得太細，雖計算精度越高，但需要的計算資料也越多，計算時間就越長，網格太小有時甚至會造成計算的失敗。在理想化的狀態下，網格單元的劃分不會影響計算的結果，本文綜合考慮截齒模型形狀、軟件計算時間和計算精度的要求，對截齒進行網格劃分，如圖4所示。

表3 截齒的材料參數

圖4 截齒的網格劃分

3.2 截齒的ANSYS受力分析

由圖4 可知，滾筒在截割煤層的過程中，截齒主要受X 向煤層阻力，而Y向煤層和Z向煤層所受阻力呈周期波動向變化，依據以上計算結果設置各參數值，并添加載荷、約束和邊界條件。使用ANSYS求解器，得到截齒的模擬仿真的等效位移云圖，如圖5所示。

由圖5可知，在截齒的頂尖，截齒變形量最大為0.149 mm，因此在截割煤層的過程中，截齒的頂尖受力最大且容易磨損、鈍化和折斷，降低采煤機連續作業的效率。若截齒磨損、鈍化或折斷后，殘余的截齒繼續截割煤層，會增大采煤機滾筒的載荷振動，損壞采煤機或引發安全事故。

圖5 總位移云圖

3.3 截齒的參數優化

為優化截齒的受力，受成本等因素的限制，截齒本身材料、加工工藝、焊接能力等已較難再優化。本文以截齒的安裝角度為優化參數，分別選取40°、45°、50°、55°等截齒安裝角，用SolidWorks依次重新建模并模擬裝配，對截齒截割煤層進行仿真，分析比較受力載荷和力矩，從而得到相對更優的安裝角。

將不同截齒安裝角的SolidWorks 滾筒模型導入ADAMS中，定義材料參數，添加驅動、約束和載荷，依次使用軟件分析滾筒的受力情況，得出當安裝角為50°時，阻力峰值最小，轉矩峰值最小，均值都最小，滾筒所受阻力的波動性最佳，如圖6所示。將其余不同安裝角角度的數據匯總，如表4所示。

圖6 50°安裝角的截齒所受合阻力

表4 不同安裝角角度的截齒所受阻力

4 結 語

本文通過以不同的截齒安裝角為研究參數，用ADAMS軟件對不同安裝角的SolidWorks滾筒模型進行受力分析，發現安裝角為50°時，截齒所受合力、轉矩都相對最小，很大程度上減小了截齒的磨損，并提高了截齒的使用壽命和采煤機連續作業的效率，具有廣泛的應用和推廣前景。