MG700/2160WD 型采煤機振動截割系統仿真分析

王成志

（江蘇徐礦能源股份有限公司， 江蘇 徐州 221000）

引言

隨著對采煤效率的要求不斷提高，采煤機作為采煤作業的重要設備，其截割能力已經成為制約采煤效率的關鍵因素。將振動截割技術運用在采煤機上，可有效改善采煤作業時截齒受力情況，提高了截割能力。

振動截割技術作為目前先進的切削技術，在高效節能方面發揮著巨大優勢。國內外專家對振動截割做了大量的研究。日本愛媛大學T.Muro 等人做了振動切削巖石的實驗研究，分析了振動頻率、切削速度、振幅以及振動的波形對主切削阻力的影響[1]。中國礦業大學鄒正龍教授，利用了擺振水射流的動力特性和煤巖破壞特點，分析了擺振磨料水射流的落煤[2-3]。

本文以MG700/2160WD 型采煤機研究對象，對原有截割部進行重新設計[4-8]，增加偏心錘振動機構，分析振動截割技術在滾筒采煤機上的實際使用效果。

1 沖擊振動截煤機理及滾筒設計

沖擊振動截煤機理與傳統的截煤機理存在很大的差異，傳統截煤是利用滾筒上刀具與煤層發生接觸，刀具對煤層施加應力，導致煤巖產生脆塑性變形后，煤巖脫落。沖擊振動的截煤是利用煤巖層抗拉強度較差的特點，在刀具與煤層接觸時，增加一個額外的沖擊振動應力波。這個應力波在截割過程中會沿著煤層傳遞，在煤層后部形成可以疊加的拉應力波，最終對煤巖造成巨大的拉應力，煤巖脫落[9-10]。

根據沖擊振動機理，在截煤過程中，需額外增加一個振動應力源作用在煤巖上。 結合MG700/2160WD 型采煤機傳統截割系統的外形結構，在不影響采煤機功率的情況下，在滾筒內部增加一個振動機構，如圖1 所示。圖中：b 為搖臂、c 為截割滾筒、H 為截割行星架、k 為聯軸器、R 為離合器、M 為截割電機、m 為偏心錘、Z1～Z6為嚙合齒輪[11-12]。

圖1 采煤機振動沖擊截割系統

從圖1 中可以看出，新型的采煤機的截割系統與傳統截割系統力矩傳遞的方式一致，均是利用電機帶動減速箱齒輪驅動滾筒截割煤巖。所不同的是，振動截割系統在截割滾筒中加入了偏心裝置，目的是利用偏心錘的離心力，增加振動扭矩。

結合上述原理，在不影響滾筒及電機規格的情況下，合理設計偏心裝置具體參數。

2 偏心裝置結構設計

新設計的采煤機振動機構如下頁圖2 所示。振動機構由偏心錘、太陽輪、行星輪和離合器等組成，偏心錘圓周方向安裝于行星架中，太陽輪受到來自齒輪傳遞的扭矩后，帶動行星輪公轉加自轉。由離合器控制偏心系統的運行，當離合器處于打開狀態時，偏心裝置與太陽輪斷開，截割系統只進行傳統截割；當離合器處于閉合狀態時，偏心裝置工作，太陽輪帶動行星輪轉動，向截割滾筒施加波動扭矩和周期性振動。滾筒與搖臂利用彈性聯軸器聯接，在增加周期振動的狀態下，保證平穩截割。

圖2 采煤機振動機構示意圖

根據振動破碎機理，振動偏心裝置中，偏心錘數量和偏心半徑是決定偏心振動扭矩的關鍵因素。偏心錘與太陽輪和行星輪的幾何尺寸關系如下：

式中：rm為偏心錘外圓的最大半徑，mm；d3為滾筒內部最大回轉直徑，mm；dv為偏心錘回轉分度圓直徑，mm；d0為行星輪嚙合分度圓直徑，mm。

從式（1）中可以看出，偏心振動裝置在太陽輪行星輪配合尺寸確定的情況下，偏心錘回轉分度圓直徑決定了偏心錘外圓最大半徑；而偏心錘回轉分度圓直徑又與偏心錘數量相關。

結合MG700/2160WD 型采煤機結構參數，振動器徑向截面尺寸最大值受到限制，得出最優值如表1 所示。

表1 MG700/2160WD 采煤機偏心裝置設計參數

3 沖擊振動截煤系統動力學分析

為了驗證上述振動器設計的可行性，對截割系統的建立數學模型，檢測其實際的輸出特性。

結合振動截割原理可知，當振動截割系統在額定負載下運行時，其輸出扭矩可看做截割滾筒扭矩與振動器慣性扭矩的疊加。即：

式中：M1為采煤機截割扭矩，N·m；P 為截割電機輸出功率，kW；ω 為滾筒截割角速度，rad/s；J3為振動器中偏心錘轉動慣量，kg·m2；φ¨3為振動器瞬態角加速度，rad/s2。

從式（2）中可以看出，振動截割滾筒的輸出扭矩有振動器的瞬態角加速度決定。

振動器的瞬態角加速度與振動器中各個元件均有關系，為了方便計算，通過拉格朗日方程建立系統的動力學模型，即在確定系統的廣義坐標的前提下，結合系統的動能，勢能，廣義力等，建立動力學方程。根據MG700/2160WD 型采煤機結構參數，利用MATLAB 計算得出滾筒輸出扭矩變化曲線，如圖3所示。

圖3 振動截割系統輸出扭矩圖

從圖3 中滾筒輸出的扭矩變化可以看出：由于振動器的作用，振動截割系統的輸出扭矩，以類似簡諧波運動在一定值上下浮動。最大值超過71.4 kN·m，其扭矩均值為63.8 kN·m。

根據上述數據可以得出結論，在擁有振動器的截割系統，能夠利用振動扭矩疊加的特點，集中能量于煤巖中堅硬的部分。

同時振動截割系統還具備一般截割的連續破碎特點，這樣可有效提高截割質量，保證生產效率。

4 性能仿真分析

為驗證上述設計的振動偏心裝置對采煤機截割性能的影響，采用COMSOL 軟件，對與振動偏心裝置嚙合的太陽輪進行有限元分析。分析其在偏心振動的影響下，截割煤巖的受力情況。首先利用solidworks 建立截割部滾筒三維實體模型，隨后利用COMSOL 中的structuarl mechanics module 模塊對其進行分析，分析結果如圖4 所示。

圖4 為傳統截割煤巖時齒輪應力云圖，從圖中可以看出，傳統的滾筒截割煤層，太陽齒輪受到的最大應力在齒尖處，最大應力為19.57×108Pa；從軸向齒寬方向看，應力分布相對均勻，應力偏差不大于0.89×106Pa；從軸向尺嚙合方向看，應力沿嚙合線分布逐漸變化。

圖4 為振動截割煤巖時齒輪應力云圖，從圖中可以看出，帶有偏心振動的滾筒截割煤層時，太陽齒輪受到的最大應力在齒根處，最大應力為9.45×108Pa；從軸向齒寬方向看，應力分布是不均勻的，應力偏差不大于1.98×107Pa；這是由于振動的原因導致；從軸向尺嚙合方向看，應力變化不均，齒根部受力較大，沿嚙合線逐漸減小。

圖4 傳統截割狀態齒輪應力云圖

圖4 振動截割狀態下齒輪應力云圖

圖3與圖4 對比發現，振動截割能夠有效降低采煤截割的受力情況，這是由于振動扭矩和振動波形成的交變應力，降低了截齒側面所受的黏附力和摩擦力。但振動截割由于存在振動載荷，會導致截割應力分布不均，對截割會造成一定的影響。

5 結論

利用振動截割技術，對MG700/2160WD 型采煤機截割滾筒進行了優化設計得知：

1）結合振動截煤機理，設計了振動截割滾筒結構圖，該結構具有傳統截割和振動截割兩種截割能力，具有較強的適應性；

2）對MG700/2160WD 型采煤機的原滾筒腔體進行了優化設計，在未改變腔體外形結構的情況下，裝入了偏心振動裝置；同時利用MATLAB 軟件模擬計算，得出偏心振動裝置的最優參數值；

3）通過對嚙合太陽輪的有限元分析，振動截割滾筒能夠有效降低傳動截齒面所受的黏附力和摩擦力，提高截割能力。但由于存在振動力矩，截割應力分布不均，對截割會造成一定的影響。