綜采工作面設(shè)備運(yùn)動仿真及配套分析

劉 濤

（陽泉市上社二景煤炭有限責(zé)任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

近年來，由于采煤機(jī)技術(shù)的不斷改進(jìn)，綜采設(shè)備的自動化水平的提升，使煤礦綜采工作面生產(chǎn)效率得到了有效提高。其中，綜采工作面采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架“三機(jī)”的配套水平直接決定綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全性。因此，開展綜采工作面“三機(jī)”設(shè)備的配套性研究具有相當(dāng)重要的意義。本文著重開展綜采工作面“三機(jī)”的配套性研究，指導(dǎo)工作面設(shè)備的選型。

1 綜采工作面設(shè)備模型的建立

1.1 采煤機(jī)三維模型的建立

作為綜采工作面的主要設(shè)備，采煤機(jī)主要作用于裝煤和落煤。本文主要研究對象為電牽引式無鏈滾筒采煤機(jī)，主要包括電氣系統(tǒng)、牽引部、截割部以及附屬機(jī)構(gòu)組成。其主要工作過程為位于煤壁側(cè)和采空側(cè)的兩只滑靴及兩只導(dǎo)向滑軌分別于刮板輸送機(jī)工作面的產(chǎn)煤板及銷軌上[1]。采煤機(jī)沿刮板輸送機(jī)運(yùn)行主要依靠采煤機(jī)上的銷軌與齒輪耦合，以達(dá)到左右牽引作用。截割電機(jī)則依靠機(jī)械系統(tǒng)帶動旋轉(zhuǎn)滾筒，完成落煤以及之后的裝煤任務(wù)。

簡化模型的核心部件包括采煤機(jī)底托架模型、右搖臂、左搖臂、滑靴以及滾筒模型。采煤機(jī)裝配的三維模型如圖1所示。

1.2 液壓支架三維模型的建立

被稱之為“鋼鐵長廊”的液壓支架是整個(gè)綜采工作面的支護(hù)設(shè)備，其主要作用是保證整個(gè)采煤過程中工作設(shè)備以及人員的安全。簡化模型的核心部件主要包括液壓支架護(hù)幫板模型、液壓支架底板模型、液壓支架頂梁模型、液壓支架掩護(hù)梁模型、液壓支架前連桿模型、液壓支架后連桿模型、液壓支架立柱一級桿模型、液壓支架立柱中缸模型以及液壓支架立柱活塞桿模型，將這些部件裝配起來，組合為液壓支架的三維裝配模型，如圖2所示。

圖1 采煤機(jī)的三維裝配模型

圖2 液壓支架的三維裝配模型

1.3 刮板輸送機(jī)三維模型的建立

作為采煤機(jī)的運(yùn)行軌道，刮板輸送機(jī)主要依靠牽引構(gòu)件的刮板鏈和支承機(jī)構(gòu)的溜槽作為連續(xù)的運(yùn)輸設(shè)備。簡化模型的核心部件主要包括輸送機(jī)機(jī)頭架模型、機(jī)頭過渡槽模型、機(jī)尾架模型、機(jī)尾過渡槽模型、輸送機(jī)中部槽模型，將這些部件裝配起來，組合為刮板運(yùn)輸機(jī)三維裝配模型，該裝配方式較為簡單，如圖3所示。

圖3 刮板輸送機(jī)的三維裝配模型

2 綜采工作面設(shè)備運(yùn)動仿真分析

2.1 采煤機(jī)的運(yùn)動仿真

主要針對采煤機(jī)工作面移動方向以及螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動模擬仿真。設(shè)置運(yùn)動仿真的相關(guān)主要參數(shù)，如下頁表1所示。主要的仿真步驟：根據(jù)各部件材料通過材料屬性進(jìn)行設(shè)置；定義連桿；定義運(yùn)動副；設(shè)置相關(guān)機(jī)構(gòu)解算方案的參數(shù)，主要包括運(yùn)動方案以及分析類型、重力方向、解算時(shí)間以及解算步數(shù)等；求解；求解完成后，觀察運(yùn)動狀態(tài)；最終干涉檢查[2-3]。

經(jīng)動態(tài)干涉檢查得出，采煤機(jī)的滑靴以及滾筒和地面之間存在干涉情況，整個(gè)運(yùn)功過程將會中止。如此，需繼續(xù)檢驗(yàn)各部分組件之間所存在的裝配問題，持續(xù)修改，直至干涉無問題，運(yùn)動繼續(xù)。

表1 采煤主要參數(shù)

2.2 液壓支架的運(yùn)動仿真

液壓支架間各個(gè)部件間相互牽引，相互影響。液壓支架運(yùn)動仿真與采煤機(jī)的運(yùn)動仿真基本相似，但也存在不同之處。主要體現(xiàn)在，頂梁、立柱以及底座之間存在球面副；頂梁和底座之間約束為平行面，頂梁和護(hù)幫間約束為垂直。

采用與采煤機(jī)一樣的運(yùn)動干涉檢查，檢查結(jié)果表明，底座和后連桿存在干涉，需對此進(jìn)行調(diào)整修改。修改之后，整個(gè)運(yùn)行過程正常。除此之外，根據(jù)液壓支架中選擇的為四連桿機(jī)構(gòu)，所以雙扭線作為其頂梁的運(yùn)動軌跡，經(jīng)驗(yàn)證液壓支架理論的運(yùn)動軌跡與實(shí)際運(yùn)動軌跡保持一致，且梁端間距為30 mm以內(nèi)[4]。

2.3 刮板輸送機(jī)的運(yùn)動仿真

刮板輸送機(jī)具有相對簡單的運(yùn)動軌跡，作為綜采工作面中采煤機(jī)和液壓支架的配套設(shè)備。它主要包括兩個(gè)過程是指推溜和拉架。推溜過程與采煤機(jī)匹配，拉架過程中則和液壓支架成套匹配，可在下一部分內(nèi)容中具體闡述。

3“三機(jī)”性能配套分析

3.1 采煤機(jī)牽引力配套分析

由于相對復(fù)雜的煤層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，本論文主要根據(jù)煤層不同的傾斜角進(jìn)行仿真配套分析討論。通過設(shè)置傾斜角分別為10°、15°以及20°傾斜角煤層結(jié)果表明，當(dāng)煤層傾斜角為10°時(shí)，采煤機(jī)有足夠的牽引力；當(dāng)煤層傾斜角為15°時(shí)，采煤機(jī)在設(shè)置相同的阻力以及動力的條件下，仍擁有足夠的牽引力，但爬坡速度明顯小于低傾斜角；當(dāng)煤層傾斜角為20°時(shí)，雖采煤機(jī)仍能向前移動，但運(yùn)動加速度較前兩者來說，明顯減低。最后，當(dāng)傾斜角為21°時(shí)，采煤機(jī)自身所具有的牽引力則小于爬坡阻力，呈現(xiàn)反向運(yùn)動，結(jié)果表明，該采煤機(jī)只適用于煤層傾斜角于20°范圍內(nèi)。

3.2 采煤機(jī)采高高度和液壓支架支護(hù)高度間的配套分析

本文設(shè)置采煤機(jī)的采高范圍和液壓支架支護(hù)高度范圍分別為3.2～6.3 m和2.8～6.3 m。在分析過程中，使采煤機(jī)前滾筒達(dá)到最高采高位置，后滾筒處于最低位置。同理，也將液壓支護(hù)高度設(shè)置于最高和最低極限位置。在最高極限位置，采煤機(jī)和液壓支護(hù)之間不存在干涉，但后滾筒卻與最低支架支護(hù)高度存在干涉，需進(jìn)一步進(jìn)行修改。若將采煤機(jī)調(diào)高至3.2 m高度，通過改變液壓支護(hù)的高度，兩者之間可以完成較好的配套分析；若減低支護(hù)高度為3 m，則采煤機(jī)與液壓支護(hù)間存在干涉，該結(jié)果表明，對于低于3.2 m的煤層高度工作面，雖然支架可以起到支護(hù)作用，但采煤機(jī)和液壓支護(hù)間不能起到較好的配套分析作用，該方法簡單便捷，可以得到較快的試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.3 采煤機(jī)搖臂和輸送機(jī)機(jī)尾的配套分析

采用傳統(tǒng)的方法，將輸送機(jī)的溜槽經(jīng)過變線處理，詳細(xì)的操作步驟可根據(jù)建立采煤機(jī)和刮板運(yùn)輸機(jī)間的三維立體模型，兩者間存在的干涉位置以及干涉值進(jìn)行處理操作。此種方法，通過更新模型即可立即涉及于綜合的裝配中，整個(gè)過程迅速便捷。

4 結(jié)論

采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架為綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其配套程度直接決定工作面的生產(chǎn)效率和安全性。本文通過搭建“三機(jī)”的三維模型從理論層面分析了采煤機(jī)牽引力的配套、采煤機(jī)采高與液壓支架支護(hù)高度的配套性以及采煤機(jī)搖臂與輸送機(jī)機(jī)尾的配套性，經(jīng)實(shí)踐證明，當(dāng)前工作面“三機(jī)”的配套性滿足實(shí)際生產(chǎn)需求。