礦井采煤機截割滾筒性能分析

蔡俊林

（陽泉市南莊煤炭集團有限責任公司生產(chǎn)技術(shù)處，山西 陽泉 045000）

引言

采煤機作為礦井的關(guān)鍵開采設(shè)備，影響著開采的效率和安全，其中截割滾筒性能關(guān)系到了落煤和裝煤生產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性，同時隨著礦井機械化開采比例在日趨增加，截割滾筒的使用性能也得到了進一步重視。截割滾筒在與煤炭直接接觸過程中將產(chǎn)生復雜的受力情況，影響著截割滾筒結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。從實際開采理論分析，整體的采煤過程可看作剛?cè)狁詈系南嗷プ饔眠^程[1]。因此截割滾筒在接觸煤炭時相互作用力的動態(tài)特性值得深入研究，判斷截割滾筒在受到作用力后的振動情況和是否會產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此，采用數(shù)值模擬分析方法，以常用的MG800 型采煤機為研究對象，對其截割滾筒的動力學特性進行研究并且對結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈献饔眠M行分析，得出截割滾筒在接觸煤炭開采時，截割滾筒的前6 階模態(tài)振形。為避免實際過程中產(chǎn)生共振現(xiàn)象而造成結(jié)構(gòu)破壞提供有力的技術(shù)支撐。

1 截割采煤機破巖機理分析

開采煤礦時需要面對惡劣多變的工作環(huán)境，并且所受到的工作載荷力十分復雜，采煤機截割滾筒的工作強度、使用壽命、故障率方面都經(jīng)受考驗。為確保采煤工藝的正常進行，一個完整的工作面都會配備液壓支架、采煤機、刮板輸送機等關(guān)鍵的機械設(shè)備[2]。

其中MG800 型采煤機是常用的采煤設(shè)備，為雙滾筒采煤機使用于厚煤層中并且適用于各種硬度的煤炭開采。由于該型號采煤機特別適用于大傾角煤層[3]，被煤礦企業(yè)廣泛使用。該型號采煤機結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 MG800 型采煤機結(jié)構(gòu)示意圖

MG800 型采煤機的工作原理就是受到內(nèi)部電機的牽引力，使得截割滾筒對煤壁進行切割，同時通過滾筒旋轉(zhuǎn)將切下的煤炭裝入至專門設(shè)備中。一個工作面通常分為幾個工作段進行切割，此時的采煤機和刮板輸送機將根據(jù)工序的進行進行移動和轉(zhuǎn)移，使得滾筒能夠?qū)⑶邢碌拿禾课锪险_地裝入輸送機當中。

因此可以得出采煤機滾筒的螺旋滾筒是最為關(guān)鍵的部件，該部件不僅能產(chǎn)生高速旋轉(zhuǎn)將煤炭物料進行脫落，還能存儲煤炭并裝入至傳送帶中運輸至礦井外。滾筒的旋轉(zhuǎn)方向要與葉片方向一致，正確的方向旋轉(zhuǎn)才能將煤塊引導至傳送帶上，如圖2 所示為截割煤巖的示意圖。

圖2 采煤機滾筒截割煤炭物料示意圖

2 振動截割滾筒總體設(shè)計

2.1 技術(shù)參數(shù)

MG800/2040WD 型采煤機主要應(yīng)用于厚度為2.7～5.5 m 和傾角小于12°的中硬煤層。通過變頻交流電動機驅(qū)動滾筒進行旋轉(zhuǎn)，滾筒結(jié)構(gòu)由滾筒、截齒、齒座等關(guān)鍵零部件組成，通常采用三頭螺旋葉片集成噴霧系統(tǒng)對煤炭進行切割。該型號采煤機的牽引速度為12、19 m/min、滾筒轉(zhuǎn)速為26.179 r/min、截割電動機的轉(zhuǎn)速為1 480 r/min、行星齒輪的最大輸出扭矩為64.2 kN·m、主要的噴塵方式采用的是內(nèi)外結(jié)合的雙噴霧方式[4]。

2.2 振動截割滾筒總體設(shè)計原理

根據(jù)采煤機在礦井所受到作用力分析，應(yīng)將整體截割滾筒作為一個系統(tǒng)進行研究。因為滾筒會受到粉塵、振動、腐蝕等作用，對滾筒整體結(jié)構(gòu)的抗振性和抗爆性都提出了要求[5]。由于受環(huán)境的影響使振動截割滾筒的輸出力矩和破巖效應(yīng)受到影響。因此在分析截割滾筒使用性能之前，應(yīng)首先對截割滾筒的外部因素進行系統(tǒng)研究，具體研究示意圖如圖3 所示。由圖3 可知，截割滾筒的振動特性環(huán)境復雜，應(yīng)進一步進行研究。

圖3 振動截割滾筒技術(shù)分析示意圖

3 截割滾筒仿真環(huán)境的建立

3.1 仿真模型建立

通過Solidworks 軟件對截割滾筒模型的三維實體模型進行建立。整體模型根據(jù)實際模型尺寸1∶1的比例完成建立，為了提高仿真計算的效率，應(yīng)將非重要的零碎部件進行簡化和去除，同時對于需要精確計算的部位在網(wǎng)格劃分應(yīng)進行加疏密[6]。

將Solidworks 軟件與ANSYS 軟件進行通訊連接并加入三維實體模型，在仿真軟件中進行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用仿真軟件的多體動力學仿真模塊，實現(xiàn)截割滾筒振動特性研究。MG800/2040WD 型采煤機截割滾筒模型采用的是六面體網(wǎng)格單元，整體網(wǎng)格數(shù)目為284 613，節(jié)點數(shù)為603 872，截割滾筒剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ腿鐖D4 所示。

圖4 振動截割滾筒剛?cè)狁詈戏抡婺Ｐ?/p>

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

按照實際情況對結(jié)構(gòu)的材料、受力、邊界情況進行設(shè)定，提高仿真的精確性。在仿真軟件的材料庫中選用ZG42CrMo 材料，密度為7.90×103kg/m3，屈服強度為660 MPa，彈性模量為2.10×1011Pa，泊松比為0.3。其中齒輪的材料更為特殊，選用的材料為42CrMo，彈性模量為2.10×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7.85×103kg/m3。

同時對截割滾筒與開采面的接觸進行設(shè)置。將齒輪與煤炭壁的接觸設(shè)置為面—面接觸，其余的接觸類型設(shè)置為柔體—柔體接觸。由于整體煤炭開采層的體積非常大，將煤炭開采面的邊界設(shè)置為無反射邊界條件，模擬大地無限遠的效果。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 多剛體動力學仿真結(jié)果分析

對MG800 型采煤機截割滾筒的多剛體動力學和剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M行仿真，對截割滾筒主要組成構(gòu)件——行星架進行計算仿真。將Solidworks 軟件建立的三維模型導入之ANSYS 軟件的多剛體動力學求解模塊進行計算，得到了截割滾筒前6 節(jié)固有頻率和振動形式，如表1 所示。

表1 截割滾筒行星架前6 階固有頻率和振動形式

轉(zhuǎn)速達到一定程度，與行星架的固有頻率相同或接近時，就會出現(xiàn)劇烈的共振現(xiàn)象，不僅會影響正常工作，甚至會損壞設(shè)備。1 階與2 階的固有頻率以及5 階與6 階的固有頻率近似相等，尤其是5 階，6階的振動形式更為激烈，更加容易造成破壞。因此在工程進行中，應(yīng)避免載荷振動頻率接近5 階、6 階的固有頻率。

4.2 多剛?cè)狁詈戏抡娼Y(jié)果分析

基于ANSYS 軟件多剛?cè)狁詈嫌嬎隳K分析截割滾筒行星架的前6 階模態(tài)參數(shù)，如下頁表2 所示。

由表1、下頁表2 可知，整棟截割滾筒的剛?cè)狁詈虾团c剛性模型的模態(tài)特性方面具有一致性。在固有頻率對比方面，固有頻率相對誤差小于8.86%。由于在工程實際中截割滾筒行星架正常轉(zhuǎn)速為22.74 r/min，經(jīng)專業(yè)儀器檢測后的轉(zhuǎn)動頻率為38 Hz，小于剛性行星架模態(tài)分析的一階固有頻率82.242 Hz，同時也小于剛?cè)狁詈闲行羌苣B(tài)分析的一階固有頻率75.169 Hz，綜合分析發(fā)現(xiàn)截割滾筒在工作過程中不會發(fā)生共振。同時提供了MG800 型采煤機截割滾筒的前6 級模態(tài)數(shù)據(jù)，在日常使用中應(yīng)避免載荷產(chǎn)生的振動頻率接近固有頻率數(shù)值。

表2 剛?cè)狁詈辖馗顫L筒行星架前6 階固有頻率和振動形式

5 結(jié)語

為了提高礦井采煤機截割滾筒在實際工程中的使用性能并且確保長時間的安全性和穩(wěn)定性，對截割滾筒的剛?cè)狁詈虾蛣傂阅Ｐ偷膭討B(tài)特性進行的分析，獲取到了模態(tài)數(shù)據(jù)。通過數(shù)值模擬仿真計算，證明了MG800 型采煤機截割滾筒在正常使用中不易發(fā)生共振現(xiàn)象，減小了產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞的概率，但是同時也要注意受到異常載荷波動或者結(jié)構(gòu)自然磨損后發(fā)生的異常頻率數(shù)據(jù)。