采煤機振動滾筒數值模擬研究

李 勇

（山西凌志達煤業有限公司， 山西 長治 046000）

引言

隨著煤礦的開采年限不斷增加，煤礦開采逐步向著大埋深、大傾角等賦存條件較差的煤層轉移，開采難度逐步增大。煤礦機械是礦山開采的重要保障，隨著開采難度的逐步增加，礦山機械的性能成為了重要的研究課題，采煤機截割滾筒作為采煤機的截割部，其性能直接制約著礦山的開采效率[1-2]。在開采賦存條件較差的煤層時，采煤機滾筒截齒切入煤壁較淺，造成破碎角較小，能量損耗較大，落煤快度小等問題，為了解決采煤機低效的問題[3-4]，以MG800/2400WD 型采煤機作為研究對象，利用數值模擬軟件進行研究，對采煤機截滾筒設計優化。

1 采煤機振動滾筒

采煤機滾筒可連續作業，擁有破碎效率高、工人強度低、作業現場安全、自動化控制管理等優點，所以采煤機滾筒破碎煤巖成為了目前最常見的采煤技術。對于不同的開采對象，應當結合其實際的工況選定相適應的破碎技術。

根據應力波理論可知，在進行煤巖開采過程中，煤巖的抗拉強度要大于其抗壓強度，在進行破煤時，此時的沖擊振動會形成可壓縮應力波，應力波在進入到自由面后會轉變成為拉伸應力波，當拉伸應力波不斷的聚集，此時的煤巖拉應力不斷增加，當拉應力大于煤巖的抗拉強度時，此時煤巖發生破裂。振動截割滾筒和原有采煤機滾筒的區別主要集中在其截割機理的不同。常見的采煤機滾筒均為平穩切削式截割，振動截割滾筒是利用截割部與煤巖間的振動沖擊進行截煤。由于煤與巖石間的物理屬性類似，依據抗破壞強度的順序依次排序為巖石抗壓強度、巖石抗剪強度和巖石抗拉強度。振動截割充分利用煤巖抗拉強度較低的物理屬性，在振動滾筒截割過程中，滾筒截齒不斷地向煤巖傳輸可壓縮應力波，受到壓縮應力波經過多次的轉換形成拉應力，達到破碎煤巖的目的，振動采煤機的截割部傳動示意圖如圖1所示。

如圖1 所示：a 為采煤機截割部電動機；b 為采煤機搖臂；c 為采煤機滾筒；H 是行星架；k 是彈性聯軸節；m 是偏心錘；R 是離合器，Z1和 Z6均為傳動機構的齒輪。在截割滾筒內放置振動器，振動器為行星傳動機構，滾筒與行星架相互連接，在行星輪軸部設置偏心錘，搖臂和截割滾筒中的行星架通過彈性聯軸節連接，兩者之間同時設置有離合器，用于控制振動器，控制截割。截割電機輸出的扭矩傳輸至齒輪Z1后，此時Z1帶動Z2太陽輪和行星輪Z3，由于Z3與Z4發生相對運動所以帶動行星架轉動，行星架帶動滾筒實現截割。同時當離合器結合此時的主軸帶動振動器的太陽輪，太陽輪驅動行星輪，由于行星輪帶有偏心錘，從而使得偏心輪在繞著振動器主軸公轉的同時還在繞行星輪出現自轉，由于中心的不穩，使得截割滾筒由于離心力出現扭轉振動，煤壁出現沖擊振動截割。

圖1 振動采煤機的截割部傳動示意圖

2 數值模擬分析

對振動型截割滾筒部件強度及受力變形進行分析。首先對振動截割滾筒的行星減速機構進行力學建模，利用COMSOL 數值模擬軟件，對振動型截割滾筒行星架的應力、應變進行分析。振動型截割行星減速機構在正常運行過程中，其最重要的核心承載部件分別有：行星架、行星輪、太陽輪、行星軸等。在進行建模時，首先進行假設，正常運行過程中行星齒輪勻速旋轉繞中心線的三個行星輪均等受力；由于摩擦力對本文研究影響不大，所以不計所有部件的的摩擦力也不計機構各部件的自重。

利用COMSOL 數值模擬軟件分析行星架受力云圖，首先進行數值模擬建模，在Solidworks 軟件中建立行星架實體模型，將建立的模型導入COMSOL中。對導入的模型進行網格劃分，在進行網格劃分時，要充分考慮計算模擬的精確度及合理性，在細節部分網格劃分相對較細，完成網格劃分后對模型進行物理參數的設定，行星架強度材料選定為ZG42CrMo，材料的密度為7 850 kg/m3，材料的屈服強度設定為630 MPa，材料彈性模量為2.06×109Pa，泊松比設定為0.3。根據資料對模型進行約束及應力的加載，完成模型前期設定后對模型進行計算。

根據圖2 可知，在行星架大端等效應力較另一側明顯較高，但在變形量上卻呈現減小的趨勢，兩端的應力差及變形量差分別為0.04 MPa 和0.025 mm，這是由于振動滾筒行星架承載性能所決定的。在振動滾筒行星減速器中，內部行星軸和行星架是一個較為明顯的懸臂梁結構，受到徑向齒輪接觸力的作用，造成行星架直徑小的一端較直徑大的等效應力搖臂的大。同理，考慮到懸臂梁作用機理，由于受力大且直徑較小，所以使得在直徑小的一側出現變形較大的情況。

根據圖3 可以看出，在輸出軸的位置施加扭矩給振動截割行星減速機構，行星輪受到輸出軸軸套和軸承作用接觸到太陽輪。在齒輪的嚙合位置由于受力積較小使得對應的等效應力較大。齒輪傳動所受的壓應力沿嚙合線呈現出不均勻分布，靠近兩端部壓應力較大，其中太陽輪部位最大壓應力為9.53×10 Pa，最大壓應力出現的位置在初始接觸點處，在中間部位，壓應力分布較為平穩，壓應力的分部在徑向部位呈現不變的趨勢，沿接觸齒面的方向呈現逐步減小的趨勢。太陽輪的最大主應變為0.38 mm，最大的應變出現在齒根處，在齒頂位置變形量為0.21 mm。可以看出，振動滾筒行星齒輪的材料的屈服極限約為9.87×108Pa，部件的最大應力均小于屈服強度，較為合理。

圖2 行星架應力應變云圖

圖3 應力應變云圖

3 結論

1）本文通過分析采煤機滾筒截割原理，給出了振動型截割滾筒的工作原理及工作優越性，通過數值模擬軟件進行建模，為后續模擬做鋪墊。

2）利用數值模擬軟件對振動截割滾筒行星架應力應變進行分析，在行星架大端應力較另一側明顯較高，但在變形量上卻更小。

3）通過數值模擬研究發現振動滾筒行星齒輪的材料的屈服極限約為9.87×108Pa，部件的最大應力均小于屈服強度，符和要求。