礦井采煤機截割部件動態特性仿真分析研究

崔廣宇，張 欣，邵千城，鄒俊俊

(1.西安鐵路職業技術學院，陜西 西安 710026； 2.陜西應用物理化學研究所，陜西 西安 710061)

我國煤炭資源儲量豐富，位居世界所有國家的前列，雖然我國正在大力實施綠色能源發展戰略，但是我國經濟社會的發展仍然離不開煤炭資源的支撐。礦井采煤機作為采掘煤炭的機械設備，具有較高的機電一體化集成系統，包括機械系統、電氣系統和液壓系統。如果采煤機在采掘煤炭的過程中出現了故障，不僅使得煤炭企業蒙受巨大的經濟損失，還有可能引發安全生產事故。采煤機截割部件是直接接觸煤炭的核心部件，關系到了采煤機整機的平穩運行，在惡劣的礦井開采環境中，容易受到外界不利因素所產生的振動、受力載荷、腐蝕等物理和化學影響[1]。為了提升采煤機整機的動態平穩性，對截割部件的運動特性以及關鍵機械連接部位的受力載荷情況進行分析。利用數值模擬分析的計算方法，結合截割部件在實際工況條件下的運動特性，對其轉動電機、傳動齒輪等動態系統的規律進行分析。將截割部件設計為一個虛擬數值計算模型，可將結構進行參數化設計。試驗方法可為礦井機械設備制造企業在截割部件結構優化研究方面提供依據。

1 采煤機受力負載特性分析

1.1 采煤機結構組成

礦井采煤機采用了多種分類的方法，主要的分類方式為牽引方式、牽引部動力分類方式、工作機構位置劃分方式[2]。我國綜采工作面主要采用的是滾筒式采煤機，液壓結合機械牽引的方式實施動力的輸出。為了提高研究的廣泛性，以中厚煤層大傾角綜采工作面所采用的雙滾筒采煤機為研究對象，該類型的采煤機使用了雙輪驅動的動力系統，如圖1所示。

圖1 雙滾筒采煤機結構組成簡化示意

截割部件包括2個裝置，分別為滾筒和截割搖臂。滾筒在旋轉軸的帶動下，通過截齒采掘煤炭。底部的負載托架與導軌相連，在安裝于綜采工作面的導軌平面上移動。除了上述機械部件在電控箱組件內部布置有各類電氣元件。由于在礦井環境內使用，所有電氣元件都應具備防火、防潮、防爆的本質安全設計。雙滾筒采煤機內部還設計有水冷裝置，防止過熱所產生的機械破壞。根據專業測算，截割部件在雙滾筒采煤機采掘煤炭過程中所消耗的功率占到了近9成[3]，凸顯的截割部件作為核心結構的地位。

1.2 截割部件的負載特性分析

截割部件所面臨的采掘煤炭環境復雜具有較大的隨機性，因此要求截割部件面對不同的煤巖采掘對象要時刻輸出不同的機構載荷。截割部件面臨的負載劇烈變化對機械電機系統造成了危害。在分析截割部件的負載特性時，應注意以下4個方面：①判斷截割功率與電動機的功率是否匹配，能否充分發揮兩者的工作性能；②減少負載波動，通過安裝彈性緩沖裝置，實現采煤機的過載保護；③保持采煤機輸出功率的恒定，確保生產效率的可持續性；④準確判斷工況條件以及外界影響因素，選擇與截割部件工作負載相適應的輸出特性。

1.3 截割部件受力分析

以MG750/1800-GWD采煤機截割部件為研究對象，該型號采煤機的裝機功率為1 800 kW、截割功率為2×750 kW，牽引功率為2×90 kW、牽引速度為13.0/25.9 m/min，滾筒轉速為23 r/min，滾筒截割深度為800～1 000 mm[4]，采用交流變頻的調速方式驅動截割部件。

由于礦井開采環境的特殊性，會使截割部件的載荷變化規律性較弱。隨著采掘煤炭的進行，各零部件的磨損造成了截割部件在軸向旋轉過程中的偏振，對采煤機及其整機系統產生了嚴重的振動效應。截割部件滾筒采掘煤炭受力如圖2所示。

圖2 截割部件滾筒采掘煤炭受力示意

由圖2可知，受力方向隨著滾筒的轉動而發生變化，R系列力代表是雙滾筒所受到的截齒矢量分力，由于截齒的分布位置不同，各分力的方向均不相同。截割滾筒轉動過程中的速度波動大約為8%，在對雙滾筒采煤機做負載特性計算時，如果速度波動較低，可忽略。為了提高計算時的效率，適當對采煤機作出簡化假設是有必要的。采煤機內部的彈性部件受力情況可假設為黏性阻尼，垂直于采煤機牽引方向的銷輪、齒條等部件不考慮旋轉過程中的不平衡離心力作用[5]。

3 截割部件三維模型的建立

3.1 零部件模型的建立原則

采用SolidWorks軟件對截割部件的各零部件進行單獨的建立，對每一個零部件按照其基礎結構特征完成拉伸、旋轉、倒角等建模工作，實現精細化設計。同時為了提高仿真計算的效率，對截割部件結構整體受力性能影響不大的零碎部件以及結構設計進行簡化處理，盡量在保證整體結構完善的情況下，進行簡單化的繪制。分別對截割部件的行星齒輪架、搖臂、齒輪、電機、滾筒、調高油缸的模型進行建立。由于組成截割部件的結構較多，無法通過一次建模成型的方法對其結構三維模型進行建立，應分別建立起每個重要零部件的三維模型并通過裝配的方式將各零部件進行組合，形成截割部件的整體模型，如圖3所示。

圖3 截割部件模型裝配設計流程

3.2 截割部件裝配模型建立

工作裝置零件的三維實體模型完成后，為了建立虛擬樣機，需要對其各個零件進行虛擬裝配。在SolidWorks的裝配模塊中，通過確定零件之間的位置約束關系，并檢查零件之間是否有干涉以及裝配體的運動情況是否合乎設計要求。按照截割部件的實際結構以及相互配合關系，對零部件的裝配圖進行設計。對各零部件模型進行裝備組裝過程中，應注意2個部件之間的過盈配合，采用“小零件先裝、大零件后裝”的方式完成整體模型裝備。裝配完過后在軟件中讀取零部件的裝配參數，對不合理的間距進行調整，尤其注意關鍵控制部件的邊界條件以及約束位置。正確的裝配位置關系有利于提升仿真計算的精確性，采煤機截割部件的裝配完成以及內部構造如圖4所示。

圖4 截割部件三維裝配模型示意

3.3 截割部件裝配干涉檢查

由于截割部件是采用裝配組成，在裝配過程中部分零部件的裝配位置無法精準的設計，造成了受力部件或者運動部件出現了干涉問題。一方面干涉問題影響到了運動連桿部件的協調性，導致驅動機構無法達到正確的預定工位，降低了運動連桿的工作性能；另一方面不同性質機構之間的干涉問題會導致機構之間發生碰撞，從而造成結構的損壞，嚴重時會造成采煤機的整體停機。SolidWorks軟件集成了檢查干涉問題的功能可以準確的檢測出采煤機截割部件的干涉行為，并且在軟件中進行提示。在一定干涉范圍內，能通過軟件直接對干涉位置的結構進行修改。在截割部件設計中，應該尤其注意連接件、搖臂、液壓件之間的相互干涉問題，因為上述三者構件出現了干涉問題，無法正常對截割部件進行負載特性的仿真分析。

4 截割部位動態特性仿真參數設定

4.1 約束條件添加

為了使截割部件達到與實際工況條件下的運動狀態，對其組成的各個零部件的約束和驅動進行定義，SolidWorks軟件中對常見的機構運動副和邊際約束條件進行定義。通過運動副限制某個部件在X、Y、Z空間內的自由度[6]，除了對運動副的轉動和移動進行限制以外，截割部件還將完成復雜的運動，應該對截割部件的部位點運動進行定義。根據對截割結構部件的分析，相對運動副之間都屬于低副狀態。由于截割部件的驅動裝置為液壓缸，應當分別對移動副和轉動副的驅動方式進行重新的定義。運動定義參數的數據形式要被虛擬樣機的仿真環境所識別[7]，準確的定義可以增加仿真計算結果的精確性，具體的分析流程如圖5所示。

圖5 采煤機動態參數分析環境流程

通過對運動構件力、約束、接觸的準確定義，實現采煤機的牽引部件、截割部件、行走箱等組成部分左、右兩側都能按照實際工況條件運動。實現采煤機整機的移動、雙滾筒的同時旋轉以及搖臂上下升降等3個主要運動的正常進行。

4.2 零部件驅動設置

4.2.1 運動部件間的定義

采煤機是實現采掘煤炭為主要功能的機械設備，應首先對其滾筒的旋轉運動進行定義。通過旋轉副的設置(圖6)，將采煤機截割部位單個滾筒與搖臂之間的旋轉接觸狀態進行設置，包括摩擦屬性和運動屬性。尤其是設置旋轉副時，要對旋轉速度進行精確的計算。旋轉副與移動副的約束條件有一定的區別，旋轉副應添加Ragid Joint約束，實現剛性連接。

圖6 截割部件旋轉副的設置界面

搖臂升降運動是通過5個部件聯合實現，包括搖臂、油缸、過渡架、液壓箱、活塞缸等[8]。需要對相互之間的6個運動副進行設置，不僅要設置旋轉副，還應設置滑動副和移動副，實現雙滾筒采煤機前后搖臂的對稱性。

4.2.2 運動部件添加驅動

根據采煤機截割部件的動力驅動傳遞路線，由電機—離合器—減速器—滾筒的逐級傳動[9]，如圖7所示。在對每個零部件的運動副參數進行定義時，要盡量減少對于自由度的限制。不同機構之間的連接轉換需要設置特定的驅動形式，例如移動驅動方式應用于導軌接觸之間，而旋轉驅動方式適用于滾筒與煤炭物料的接觸。驅動參數包括了對運動函數的定義，可以考慮將時間函數設定為恒定值。在COSMOSMotion環境下，對雙滾筒采煤機在沿導軌方向施加1 200 mm/min的速度，截割部件的搖臂繞驅動軸以順時針方向的旋轉速度為180°/s[10]。

圖7 截割部件動力傳遞路線示意

在COSMOSMotion的軟件環境中，截割部件在采掘煤炭過程中將實現3類交互控制：①采煤載荷的交互控制；②采掘作業的交互控制；③仿真計算的交互控制。根據不同部件的載荷施加形式，設定不同力的諧波曲線，并且根據不同工序條件下載荷特征，對力的自定義函數進行重新編寫。通過模擬電機傳動軸驅動力的表現形式，在XYZ三個方向上的分量進行獨立設置，其中X方向力為923 kN、Y方向力為230 kN、Z方向力為743 kN[11]，忽略了截割部件受到的重力影響以及飛濺出來的煤炭顆粒的沖擊影響。

5 截割部件的動態特性仿真結果分析

在COSMOSMotion環境中，作用力是以時間為函數的，根據時間的變化，力的函數可為恒定值、諧波函數、樣條曲線或自定義函數，給截割部施加不同類型的力，比較分析在不同輸入載荷下的動力學情況，對于采煤機截割部物理樣機的制造與力學研究都有很大的幫助。采煤機負載特性非常復雜，模擬其負載比較困難。因此，分別施加恒定、諧波負載信號，仿真搖臂對負載的響應。根據采煤機截割部裝配關系可知，采煤機搖臂和牽引部及調高液壓系統有3個鉸接點。在調高液壓缸作用下，采煤機搖臂調整到某一位置割煤，施加負載仿真鉸接點的響應。 雙滾筒采煤機的輸出軸轉速n=24.40 r/min、截割功率為900 kW、滾筒直徑為2.5 m，設定仿真分析類型為運動學分析，仿真時間設為10 s，仿真步數為500步，仿真結果如圖8所示。

圖8 搖臂與調高液壓缸鉸接點的力學曲線

在對數字樣機進行虛擬分析時，考慮到不同作用力下的采煤機工作情況，更有利于對采煤機的優化設計。本節中對采煤機滾筒施以相對于時間為諧波函數的作用力，研究其動力學曲線變化。研究施加的單作用力時，其諧波函數參數設置：頻率為360°/s、振幅為45°、沒有時移和相移、平均值為0°的情況下，采煤機3個鉸接點的動力學特性曲線。 仿真條件分析：設定仿真分析類型為運動學分析，仿真時間依然設為10 s，仿真步數為500步，對應仿真結果如圖9所示。

圖9 搖臂曲柄轉角與端部加速度關系曲線

根據仿真結果可知，2種負載下頂部鉸接點的受力最大，底部鉸接點的受力最小。搖臂與滾筒鉸接點受力幅值變化最大，搖臂與中間連接殼體鉸接點力的變化依然為恒定值。在諧波函數作用下，質心的速度、加速度以及搖臂的平均速度都保持了不變。因此，搖臂對諧波函數的響應更趨近于采煤機工作的理想狀態，實現了截割部件的數字化參數設計。在其結構設計方面，可以按照擬定流程對各個鉸接點的受力、速度進行分析。

6 結語

為了提升礦井采煤機在采掘煤炭過程中的安全可靠性，對其截割部件的運動特性以及受力分布規律進行了分析研究。利用數值模擬分析了計算方法，對采煤機截割部件的運動軌跡進行了可視化研究。根據仿真計算結果，得出了截割部件的關鍵設計參數以及結構安全性設計指標，并對關鍵機械連接點的力學載荷數據進行了讀取。在實際工程中難以對截割部件進行拆卸分析的情況下，利用了有限元仿真技術對截割部件進行了虛擬化數值計算。數值計算結果驗證了截割部件的組成零部件能夠滿足正常的工程運行要求，并且得到了截割部件結構設計不合理之處，為截割部件結構的優化設計指明了方向。