采煤機滾筒速度對采煤機動態響應的影響分析

邢春雨

（晉能控股煤業集團北辛窯煤業有限公司，山西 忻州 036700）

引言

采煤機作為主要的采煤設備，可以提高綜采工作面的自動化水平及煤礦的開采效率。采煤機進行截割作業主要依靠滾筒進行，由于采煤機井下作業的環境較為惡劣，對于采煤機的作業可靠性具有較高的要求。由于螺旋滾筒的旋轉截割及截齒安裝的精度不一，煤層的物理性能多變等容易造成采煤機滾筒的振動，從而引起采煤機的故障，對采煤機的壽命及工作效率造成影響[1]。而選擇合理的滾筒速度，可降低或抑制外部因素對滾筒截割的振動作用，提高采煤機的機械化水平及效率，從而提高煤礦的整體效率及經濟效益。

1 采煤機滾筒截割煤巖模型的建立

在采煤機滾筒進行截割的過程中，容易遇到不連續或不均勻的煤巖而產生振動，振動作用的傳遞容易引起零部件的損壞，造成采煤機的故障。由于滾筒是直接進行煤巖截割的部件，針對滾筒與煤層相互作用的煤巖進行分析，建立煤巖的截割模型。采用LS-DYNA非線性動力學軟件，可以針對煤巖的截割進行材料、接觸等非線性問題模擬，解決非線性結構的碰撞、爆炸等沖擊性行為[2]。

由于采煤機工作的復雜性，對采煤機截割部進行一定的簡化，建立合理的仿真模型。在建模過程中，首先采用三維繪圖軟件進行滾筒模型的建立，提高整體分析的效率。在LS-DYNA中，將截割滾筒的模型進行導入，并以此建立其他部分的幾何實體模型，采用相應的實體塊進行代替，對模型進行網格劃分處理，得到如圖1所示的采煤機截割滾筒的動力學模型，主要包括截割煤層、滾筒、搖臂及液壓缸單元[3]，圖中的1、2標識處為搖臂的鉸接點位置。

圖1 采煤機滾筒截割動力學模型

對所建立的模型進行一定的初始設置，搖臂及滾筒采用剛性材料，液壓缸采用線彈性材料，截齒與煤巖之間的接觸設定為侵蝕接觸，其余為面接觸類型；截齒和滾筒之間采用剛性連接的形式，煤層的自由面進行固定約束。采煤機滾筒在截割過程中進行旋轉運動及直線進給運動實現煤巖的截割脫落，在模型中，設定滾筒的轉動及煤層的平移來模擬滾筒的旋轉和進給運動，對煤層的非截割面施加無反射的邊界條件，從而模擬煤層的相對無限大，避免滾筒截割引起的膨脹波作用[4]。

2 采煤機滾筒速度的動態響應分析

采煤機依靠滾筒的旋轉及進給實現煤巖的截割，兩種運動速度合成滾筒的截割運動。滾筒的旋轉沖擊引起滾筒的振動，依據滾筒不同的旋轉速度及進給速度分別對引起的動態響應進行分析。

2.1 采煤機滾筒進給速度的動態響應分析

對滾筒的進給速度進行分析，設定滾筒的旋轉速度為4 rad/s，設定進給速度為0.05 m/s、0.07 m/s及0.09 m/s，對不同進給速度下的動力學模型進行仿真分析，得到不同進給速度下的滾筒的受力曲線及位移變化曲線。

滾筒在進入截割的初始階段受到的沖擊力作用較大，進入截割過程穩定后沖擊作用減小。在滾筒的旋轉速度保持一致的工況下，隨著進給速度的增加，滾筒在X方向的受力基本保持不變，而Y方向的受力呈現逐漸增加的趨勢。在進給速度增加時，單位時間內被截割煤巖的體積增加，Y方向主要起到對煤層的破壞，破損的煤層堆積在煤巖的表面，經過截齒的擠壓作用形成質密的煤核，從而破碎時造成較大的反作用力，使得Y向的受力逐漸增加[5]。

在截割過程中，作用力的不同引起位移的變化，滾筒在Y方向的位移變化如圖2所示。從圖2中可以看出，位移的變化隨著截割過程的進行逐漸增加，然后進行波動震蕩，隨著進給速度的增加，位移逐步增加，作用力的變化引起位移的增加，造成滾筒的振動。在進行進給速度的選擇時，在一定的截割效率下，應盡量選擇較小的進給速度，從而降低滾筒的振動作用[6]。

圖2 不同牽引速度下Y向位移變化曲線

2.2 采煤機滾筒旋轉速度的動態響應分析

對滾筒的旋轉速度進行分析，設定滾筒的牽引速度為0.07 m/s，設定旋轉速度為4 rad/s、6 rad/s及8 rad/s，對不同旋轉速度下的動力學模型進行仿真分析，得到Y方向的滾筒的受力曲線及位移變化曲線如圖3所示。隨著滾筒旋轉速度的增加，Y向的受力逐漸減小，在滾筒速度增加時，由于進給速度不變，使得切削厚度逐漸減小，從而受到的截割阻力逐漸減??；從圖3中可以看出，滾筒旋轉速度的減小，引起的滾筒位移變化也逐漸減小，位移穩定后波動幅度也逐漸減小。因此，在進行滾筒速度的選擇時，可依據一定的截割效率，旋轉較大的滾筒旋轉速度，從而可以降低滾筒的振動作用。

圖3 不同旋轉速度下Y向位移變化曲線

3 結論

采煤機是進行煤炭開采的重要設備，滾筒在進行煤巖的截割過程中，容易引起一定的振動，這種振動作用的傳遞，不利于采煤機的穩定工作。針對滾筒引起的振動作用，采用LS-DYNA軟件進行有限元分析，對不同的滾筒進給速度及旋轉速度下滾筒的受力及位移變化進行分析。結果表明，在滾筒進行截割的過程中，應選擇旋轉較小的滾筒進給速度及較大的滾筒旋轉速度，從而可以降低滾筒的振動作用，提高采煤機的穩定性，保證采煤機的使用壽命，提高煤礦的綜合經濟效益。