采煤機截割部截割煤層仿真研究

吳繼龍，張麗軍

（大同煤礦集團同生精通興旺煤業有限公司，山西 大同 037001）

引言

在當前綜合機械化開采的大背景下，采煤機作為綜采工作面的關鍵設備，承擔著工作面的煤層截割、落煤等任務。采煤機的截割效率、落煤能力等直接決定工作面的生產效率和能力。在實際截割任務中，由于工作面煤層條件、頂底板情況的復雜性，采煤機截割部與煤層接觸時所承受的載荷處于動態變化狀態。準確對動態載荷進行控制和預測，并采取有效的控制措施對于提高采煤機的生產效率和設備的使用壽命具有重要意義。因此，在合理的控制策略下，可根據煤層的變化情況對采煤機的截割速度和牽引速度進行實時控制[1-2]，并開展關于采煤機動力學特性的研究。

1 采煤機概述

采煤機作為煤礦開采的核心設備，根據滾筒數量可分為單滾筒采煤機和雙滾筒采煤機。其中，單滾筒采煤機的應用較少，主要用于薄煤層開采；雙滾筒采煤機能夠適用于各種復雜條件煤層的開采，具有采高范圍廣、調高方便的優勢，其應用較廣。本文以雙滾筒采煤機為例開展研究，其具體型號為MG300/7000-WDK。MG300/7000-WDK 雙滾筒采煤機的結構如圖1 所示。

圖1 雙滾筒采煤機整體結構圖

由圖1 可知，雙滾筒采煤機的關鍵部件包括截割部、牽引部、控制部和行走部。截割部包括左右側兩個滾筒，主要部件為搖臂和滾筒。滾筒與煤層直接接觸，承擔主要的截割任務，其主要任務為落煤和裝煤，主要結構包括截齒、噴霧系統、螺旋葉片，該部件也是直接接受煤層沖擊的部件[3]；截割部搖臂包括各類齒輪傳動組件、噴霧降塵裝置以及截割電機等。

2 采煤機截割部截割煤層仿真分析

在實際生產中，由于工作面煤層、底板條件的復雜性，截割部與煤層之間的振動屬于耦合振動，目前還無法對上述的耦合振動進行精準控制和預測。因此，開展關于截割部的動力學特性研究，掌握其與煤層之間的實際載荷和沖擊，對于提高設備壽命和截割效率具有重要意義。

本文采用LS-DYNA 軟件對截割部截割煤層時的動力學特性進行仿真分析。與常規仿真軟件類似，需根據實際生產建立截割部的有限元模型，并根據截割部的實際參數和煤層條件對仿真模型中的參數進行設置，建立邊界條件，施加載荷后得出仿真結果。

2.1 仿真模型的建立

2.1.1 截割部模型的建立

截割部與煤層的截割仿真，主要研究的核心為截割部滾筒在截割生產中與煤層之間的相互作用。在實際生產中，截割部滾筒所接收的信號為隨機信號，并通過滾筒傳遞至采煤機設備本身的各個部位。通過滾筒與煤層的相互作用，截齒時滾筒旋轉和采煤機本身牽引的合成運動完成了煤炭的割煤和傳輸任務[4]。

2.1.2 煤層模型的建立

煤層的條件也是影響截割部動力學特性的直接因素。因此，采煤機所面對煤層條件在有限元模型中反應的準確性是保證仿真結果準確性的基礎。同時，從煤層截割的機理來分析，煤層模型可分為拉伸破壞和壓剪破壞兩種形式。鑒于在有限元分析軟件中，壓剪破壞模型的精確性較差，本次仿真認定煤層以拉伸破壞為主，且選擇MAT-193 非線性材料對煤層進行模擬。在上述原則和基礎上，建立截割部截齒與煤層相互作用的動力學仿真模型如圖2 所示。

圖2 截齒與煤層相互作用的動力學仿真模型

由圖2 可知，所建立的有限元仿真模型模擬了采煤機的搖臂、滾筒以及調高油缸。模型采用單元積分的方式進行網格劃分。其中，采煤機滾筒、搖臂的材料特性設定為剛性材料；調高油缸的材料設定為彈性材料；煤層材料設定為MAT-193 非線性材料。截齒與煤層之間的接觸定義為侵蝕接觸；搖臂與滾筒和調高油缸的接觸定義為面面接觸。

2.2 仿真結果分析

截齒的運動為牽引方向和滾筒旋轉方向的合成運動。因此，重點對滾筒不同旋轉速度和不同推進速度下截割部的動力學特性進行仿真分析。

2.2.1 推進速度對截割部動力學特性的影響

設定滾筒的旋轉速度為6 rad/s，采煤機的推進速度分別為0.05 m/s、0.07 m/s 以及0.09 m/s，對上述三種推進速度下采煤機截割部滾筒在x 和y 方向的受力情況進行對比仿真研究，仿真結果如圖3 所示。

由圖3 可知，截齒剛切入煤層時滾筒所承受的載荷突然增大，這部分載荷由滾筒的慣性沖擊導致，且x、y 方向的受力逐漸增大，并趨于穩定。同時，隨著采煤機推進速度的增加，滾筒在x 方向的受力幾乎保持不變；在y 方向的受力隨著推進速度的增加而增大。y 方向受力增加的主要原因為煤層被不斷推擠和壓實，使得煤層的密度增大，導致截齒所承受的反作用力增加，從而使y 方向的受力增加[5]。

圖3 不同推進速度下滾筒x、y 方向的受力曲線

2.2.2 旋轉速度對截割部動力學特性的影響

設定采煤機的推進速度為0.07 m/s，滾筒的旋轉速度分別為4 rad/s、6 rad/s 以及8 rad/s，對上述三種旋轉速度下采煤機截割部滾筒在x 和y 方向的受力情況進行對比仿真研究，仿真結果如圖4 所示。

圖4 不同旋轉速度下滾筒x、y 方向的受力曲線

由圖4 可知，隨著滾筒旋轉速度的增加，滾筒在x 方向的受力幾乎不變，在y 方向的受力逐漸減小。導致該現象的主要原因在于，隨著滾筒旋轉速度的增加，截齒對應的截割厚度減小，其所承受的阻力值減小。

3 結論

1）隨著采煤機牽引速度的增加，采煤機截割部在x 方向的受力幾乎恒定不變；而在y 方向受力增加。因此，在滿足截割效率的基礎上，選用較小的牽引速度進行開采。

2）隨著采煤機旋轉速度的增加，采煤機截割部在x 方向的受力幾乎恒定不變，而在y 方向上對應受力減小。因此，在保證截割效率的基礎上，可選用較大的旋轉速度來減小設備的振動。