礦井采煤機(jī)截割滾筒性能分析

蔡俊林

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

引言

采煤機(jī)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(shí)隨著礦井機(jī)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(jìn)一步重視。截割滾筒在與煤炭直接接觸過程中將產(chǎn)生復(fù)雜的受力情況，影響著截割滾筒結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。從實(shí)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(shí)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(jī)為研究對象，對其截割滾筒的動力學(xué)特性進(jìn)行研究并且對結(jié)構(gòu)的剛?cè)狁詈献饔眠M(jìn)行分析，得出截割滾筒在接觸煤炭開采時(shí)，截割滾筒的前6 階模態(tài)振形。為避免實(shí)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(jī)破巖機(jī)理分析

開采煤礦時(shí)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(fù)雜，采煤機(jī)截割滾筒的工作強(qiáng)度、使用壽命、故障率方面都經(jīng)受考驗(yàn)。為確保采煤工藝的正常進(jìn)行，一個(gè)完整的工作面都會配備液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備[2]。

其中MG800 型采煤機(jī)是常用的采煤設(shè)備，為雙滾筒采煤機(jī)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(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 MG800 型采煤機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

MG800 型采煤機(jī)的工作原理就是受到內(nèi)部電機(jī)的牽引力，使得截割滾筒對煤壁進(jìn)行切割，同時(shí)通過滾筒旋轉(zhuǎn)將切下的煤炭裝入至專門設(shè)備中。一個(gè)工作面通常分為幾個(gè)工作段進(jìn)行切割，此時(shí)的采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)將根據(jù)工序的進(jìn)行進(jìn)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(jī)當(dāng)中。

因此可以得出采煤機(jī)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(jìn)行脫落，還能存儲煤炭并裝入至傳送帶中運(yùn)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(dǎo)至傳送帶上，如圖2 所示為截割煤巖的示意圖。

圖2 采煤機(jī)滾筒截割煤炭物料示意圖

2 振動截割滾筒總體設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)參數(shù)

MG800/2040WD 型采煤機(jī)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(jī)驅(qū)動滾筒進(jìn)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(jìn)行切割。該型號采煤機(jī)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(jī)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(jì)原理

根據(jù)采煤機(jī)在礦井所受到作用力分析，應(yīng)將整體截割滾筒作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行研究。因?yàn)闈L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(jìn)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(fù)雜，應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)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(shí)體模型進(jìn)行建立。整體模型根據(jù)實(shí)際模型尺寸1∶1的比例完成建立，為了提高仿真計(jì)算的效率，應(yīng)將非重要的零碎部件進(jìn)行簡化和去除，同時(shí)對于需要精確計(jì)算的部位在網(wǎng)格劃分應(yīng)進(jìn)行加疏密[6]。

將Solidworks 軟件與ANSYS 軟件進(jìn)行通訊連接并加入三維實(shí)體模型，在仿真軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，應(yīng)用仿真軟件的多體動力學(xué)仿真模塊，實(shí)現(xiàn)截割滾筒振動特性研究。MG800/2040WD 型采煤機(jī)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(diǎn)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(shí)際情況對結(jié)構(gòu)的材料、受力、邊界情況進(jìn)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(qiáng)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(shí)對截割滾筒與開采面的接觸進(jìn)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?zé)o限遠(yuǎn)的效果。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 多剛體動力學(xué)仿真結(jié)果分析

對MG800 型采煤機(jī)截割滾筒的多剛體動力學(xué)和剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真，對截割滾筒主要組成構(gòu)件——行星架進(jìn)行計(jì)算仿真。將Solidworks 軟件建立的三維模型導(dǎo)入之ANSYS 軟件的多剛體動力學(xué)求解模塊進(jìn)行計(jì)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(dá)到一定程度，與行星架的固有頻率相同或接近時(shí)，就會出現(xiàn)劇烈的共振現(xiàn)象，不僅會影響正常工作，甚至?xí)p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(jìn)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?jì)算模塊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(shí)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(shí)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(shí)提供了MG800 型采煤機(jī)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(jī)截割滾筒在實(shí)際工程中的使用性能并且確保長時(shí)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(jìn)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(jì)算，證明了MG800 型采煤機(jī)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(shí)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)。