山特維克MB670型掘錨機履帶動態接地壓力分析

李偉東，段金紅，李宣東，邵常雄，劉占明，梁志杰，馬學京，陳洪月，張德生

1華能煤炭技術研究有限公司 北京 100071

2扎賚諾爾煤業有限責任公司 內蒙古滿洲里 021412

3華亭煤業集團有限責任公司 甘肅平涼 744199

4華能慶陽煤電有限責任公司 甘肅慶陽 745002

5華能云南滇東能源有限責任公司 云南曲靖 655508

6華能煤業有限公司陜西礦業分公司 陜西西安 710032

7華能煤業有限公司 北京 100036

8遼寧工程技術大學機械工程學院 遼寧阜新 123000

9天地科技股份有限公司 北京 100013

履帶由于其高通過性、高適應性等特點而廣泛應用于掘錨機等礦山工程車輛。掘錨機質量可達上百噸，雖然履帶式行走機構降低了掘錨機的平均接地比壓，但巷道施工時設備為運動狀態，掘錨機重心位置及接地條件不斷變化，導致掘錨機接地壓力分布改變，進而影響掘錨機的通過性和適應性，因此需要快速有效預測掘錨機運動過程中的接地壓力。

隨著計算機技術的發展，國內外專家學者開始借助計算機仿真技術研究履帶車輛的地面力學問題。美國密西根大學的馬正東等人[1]為捕獲履帶輪與地形交互的高頻內容，且能夠更準確地描述車輛在崎嶇地形上行駛時多節距軌道的力學特性，運用超單元法，對負重輪-履帶-地面的動態仿真進行了深入研究，提出了一種自適應網格劃分的新型求解方法。貴州大學的張燕等人[2]針對運動過程中履帶及承重輪位置改變造成的脫輪問題，建立了履帶車輛虛擬樣機模型，利用多體動力學軟件 R ecurDyn 對履帶車輛高速運動進行了仿真分析。湖南農業大學的郭凱文等人[3]為提升農用履帶車輛在丘陵地帶的地質適應性，對某小型農用履帶車輛在定型農業路況下的運動過程進行了仿真與分析，得到了其運動規律。為了解履帶式礦用挖裝機承重輪在不同底板上的受載情況，張新等人[4]利用多體動力學軟件對履帶式礦用挖裝機單邊轉向作業進行了仿真分析。筆者在上述研究基礎上，采用多軟件協同仿真技術，構建了掘錨機行駛動力學模型，分析了掘錨機工作過程中履帶與底板間的接地壓力變化情況，研究結果為掘錨機工作參數和履帶結構參數優化提供依據。

1 DEM-MBD 耦合空間模型

1.1 掘錨機動力學模型

以山特維克 MB670 型掘錨機為研究對象。該掘錨機采用滑架式掏槽，在機身不動的情況下掏槽深度最大可達 1 m，實現了掘、支平行作業，頂、幫錨桿及錨索支護全部一次到位，整機結構如圖 1 所示。

圖1 履帶式掘錨機模型Fig.1 Model of tracked bolt miner

1.2 底板顆粒床模型

該型號掘錨機適用于平直巷道的掘進，因此主要針對水平煤質底板作動態仿真分析。結合煤層地質調查結果[5]，在 EDEM 中設置顆粒床填充底板參數，如表 1、2 所列。

表1 材料物理及力學參數Tab.1 Physical and mechanical parameters of material

2 掘錨機耦合參數設置

2.1 履帶運動參數設置

為模擬掘錨機前進動作，設置鏈輪角速度驅動函數為 s tep (t ime，0，0，1.5，1.194 3)，即初始時刻角速度為 0，1.5 s 后鏈輪的角速度增加到 1.194 3 rad/s，換算成履帶線速度為 0.25 m/s，即掘錨機最大運行速度。履帶動力學模型如圖 2 所示。

圖2 履帶動力學模型Fig.2 Dynamic model of track

表2 材料間接觸參數Tab.2 Material contact parameters

2.2 黏結參數設置

為模擬底板煤巖之間的黏結狀態，需要在 EDEM前處理階段選擇 Hertz-Mindlin with bonding 模型，該模型可使煤巖黏結體承受一定的法向力、切向力和力矩。只有當黏結體受到的外力超過黏結鍵強度時，煤巖顆粒才能恢復自由運動狀態。底板黏結參數如表 3所列。

表3 顆粒黏結參數Tab.3 Grain bonding parameters

3 仿真結果分析

3.1 底板受力變形

底板應力分布如圖 3 所示。由圖 3 可知，底板應力在履帶運動過程中并不是均勻分布的。其中，縱向方面，應力在履帶前端和中后位置下方較大，這是由于底板首次接觸履帶時受力變形，此時變形量最大，因此前端處底板應力較大，且向前進方向延伸；橫向方面，應力大小隨深度逐漸降低，且向履帶兩側擴散，遠離履帶對稱平面的應力越小。

圖3 底板應力分布Fig.3 Stress distribution of bottom plate

根據底板變形特點可將底板破壞分為 3 類。當履帶下方底板發生較大壓縮變形，車輛無明顯滑動，履帶接地周圍土體無明顯堆土時的破壞稱為沖剪破壞；當底板破碎，履帶兩側產生裙帶現象，觸土位置產生明顯壅土時，此時底板發生整體剪切破壞；若履帶作用導致底板內部產生破壞，底板內部顆粒運動導致表面有隆起現象，此時巷道底板發生局部剪切破壞。局部剪切破壞程度介于沖剪破壞和整體剪切破壞之間，如圖 3 所示。觀察底板變形情況可以看出，底板部分表面隆起高度最高為 10 mm，履帶下的底板在履帶擠壓下沉陷，最大沉陷深度約為 20 mm。

3.2 履帶接地壓力

從上述分析可知，履帶接地壓力并不是均勻分布的。為獲得行走時不同位置履帶的壓力值范圍，可由監測同一履帶板運動到不同位置處的壓力大小實現。選取圖 4 中 4 個不同位置處的履帶板為分析對象，其中 48、49 號履帶板在仿真時依次經過 1～ 8 號承重輪，31、32 號履帶板經過 9～ 16 號承重輪。

圖4 檢測位置示意Fig.4 Sketch of testing positions

圖5 所示為履帶板在不同接地位置處的壓力曲線，結合履帶運動過程，接地履帶板在繞轉到 1 號承重輪下方時，壓力由 0 迅速增加至 20 kN，如圖 5(a)中 0～ 2 s 間曲線變化所示。之后，履帶板離開 1 號承重輪，履帶垂直壓力降低，并在到達 2 號承重輪時再度升高，之后履帶板壓力值呈波浪狀循環往復，直到離開最后一個承重輪后壓力再次降為 0，如圖 5(b) 所示。圖 5(b) 中初始時刻壓力波動是由掘錨機下落撞擊底板時的振動造成的，故壓力數據應在穩定后讀取。根據圖 5 壓力峰值可知，履帶接地壓力整體呈現中間高兩頭低的特點，履帶最大接地壓力為 27 kN，但由于 1 號承重輪的壓土作用，該位置履帶板接地壓力較大，壓力值接近 20 kN。2 號和 16 號承重輪下方履帶板受壓最小，底板應力也最低，接地壓力約為 10 kN。

圖5 履帶接地壓力Fig.5 Grounding pressure of track

4 結語

通過建立山特維克 MB670 型履帶式掘錨機動力學模型，分析了掘錨機平地運動時的底板應力分布、底板變形和履帶對地壓力特點。通過分析，得出掘錨機行走時底板壓力呈不均勻性分布，底板在履帶反復擠壓下發生局部剪切破壞，其中，履帶前方發生隆起，履帶下方產生沉陷。受承重輪分布影響，掘錨機對地壓力呈現多峰值非均勻性分布，具體表現為承重輪下方履帶板接地壓力大，承重輪間履帶板接地壓力小，運動過程中山特維克 MB670 型掘錨機最大接地壓力為 27 kN。