采煤機截割機構工作狀態的分析研究

候清華

（山西霍州煤電店坪煤礦智能化采煤隊， 山西 呂梁 033000）

0 引言

采煤機是煤礦井下“三機”設備之一，主要用于將煤炭從煤壁上截割下來，其工作時的穩定性和可靠性直接決定了煤礦井下綜采作業的安全性和經濟性。采煤機在工作的過程中利用液壓系統控制搖臂的升降，利用搖臂端部截割機構上的截齒來不斷地剝離煤炭，由于井下地質條件復雜，在截割作業過程中會產生大量交變載荷，截割機構在交變載荷的作用下會產生抖動、變形等，嚴重影響了截割機構的截割穩定性和安全性。

目前采煤機截割機構在設計的過程中主要采用了經驗設計的方式，對容易出現故障的位置依靠人工經驗對其結構進行加強，設計可靠性差、效率低，因此本文提出采用ANASYS 仿真分析軟件獲取在不同工作狀態下，對截割機構工作過程中的應力和應變情況進行研究，為優化截割機構、提升采煤機截割穩定性和可靠性奠定基礎。

1 截割機構三維建模

以搖臂式掘進機為依據，利用三維建模軟件建立采煤機截割機構的三維模型，在建模的過程中采用1∶1 的建模比例，各零部件間的配合關系完全按照實際的配合關系執行，為了提高仿真分析的精度，建模完成后采用自由網格劃分的方案對其進行網格劃分，特別注意的是在采煤機搖臂、截齒移架、螺旋滾筒三個結構上需要采用正六面體網格劃分方案[1]。在設置仿真分析參數時，根據實際所用的材料特性設置搖臂、截割滾筒材料彈性模量為200 GPa，其材料密度為7.8×103kg/m3；設置截割頭材料彈性模量為200 GPa，其材料密度為11.8×103kg/m3。實測采煤機在截割作業時的最大截割阻力為9 371 N，其運行時的最大牽引阻力為8 821 N，進行網格劃分后的采煤機截割機構模型如圖1 所示。

圖1 截割機構網格劃分示意圖

2 采煤機截割機構受力分析

采煤機在工作過程中作用在截齒上的是交變載荷，缺乏方向性，因此為了便于分析，將作用在截齒上的交變載荷分解為軸向、垂直和側向三個部分的力，采煤機在截割作業過程中進行的是旋轉運動，各個截齒上的受力作用在截割滾筒后是呈線性分布的，因此為了簡化受力分析，把截齒的受力進行合成，則采煤機在工作過程中所受的截割阻力F 可表示為[2]：

式中：λ 為煤炭的脆性系數；σ 為煤炭的抗壓強度；A為截齒在截割方向上的投影面積；f 為截齒的摩擦因數；γ 為采煤機截齒安裝角。

采煤機在截割作業過程中的牽引阻力可表示為[3]：

采煤機截割作業過程中截齒受力的波動采用變差系數來表示，根據實際測定，取變差系數為0.04，在利用有限元進行仿真分析時候，將截割機構的受力分布到每個刀頭上，根據采煤機在截割作業時的最大截割阻力為9 371 N，運行時的最大牽引阻力為8 821 N測算，分布在每個刀頭節點上的最大截割阻力為12.7N，最大牽引阻力為10.7 N。

為了確保分析結果的準確性，根據采煤機的實際作業狀態，在截割機構上設置了x、y、z 三個自由度限制條件，對各方面的運行情況進行限制，采煤機截割作業時的應力和應變分布如圖2 所示。

圖2 截割機構受力分析結果

由實際仿真分析結果可知，在受力過程中截割機構的最大變形量為0.086 mm，主要發生在截割滾筒的截割部；截割機構工作時的最大應力集中在截齒的錐形面上[4]，最大應力集中為155.87 MPa，因此在進行采煤機截割機構設計時需要重點對截割部和截齒錐形面進行加強，在其他應力和應變集中較小的位置可以適當進行優化減薄，降低制造成本。

3 采煤機動態受力振型分析

采煤機截割機構在外界負載的作用下會產生一定的變形，相互配合的零件之間會產生零件之間的相互激振力及相對位移[5]，因此若截割機構各個零件之間的配合關系滿足設計誤差則能夠保證穩定工作，若下個配合關系超出了設計誤差則會導致零件之間的磨損加劇、振動增大，影響采煤機作業的安全性。因此需要對采煤機在截割狀態下的低階振動頻率進行分析，獲取其共振頻率[6]，在設計時針對性地規避這些共振頻率，滿足截割安全性需求。

結合采煤機實際工作狀態，利用ANSYS 仿真分析軟件對其不同工作特性下的振動頻率進行研究[7]，結果如圖3 所示。對仿真情況進行分析，采煤機工作時，常見的振型及固有頻率[8]匯總如表1 所示。

表1 采煤機常見振型及固有頻率匯總

圖3 不同工作狀態下的振型

根據分析結果可知，采煤機工作時不同狀態下的固有頻率不一樣，而且其不同狀態下的最大變形量位置不同，一階振型和二階振型情況下的最大變形量出現在截割滾筒的前端，出現變形后會影響截割效率和截割阻力，三階振型情況下的最大變形量出現在搖臂處，若變形量過大會導致搖臂調節精度降低。

因此在設計時需要根據不同振型情況下的特性來對容易變形的區域進行加強，同時要對整機共振量進行調整，使其避開采煤機工作時的共振點，提升工作穩定性。

4 結論

1）采煤機在工作過程中作用在截齒上的是交變載荷，缺乏方向性，為了便于分析，將作用在截齒上的交變載荷分解為軸向、垂直和側向三個部分的力，可簡化分析過程，確保分析可靠性。

2）采煤機截割機構設計時需要重點對截割部和截齒錐形面進行加強，在其他應力和應變集中較小的位置可以適當進行優化減薄，降低制造成本。

3）計時需要根據不同振型情況下的特性來對容易變形的區域進行加強，同時要對整機共振量進行調整，使其避開采煤機工作時的共振點，提升工作穩定性。