采煤機(jī)截割部截割振動(dòng)特性的研究

郭曙光

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)成莊礦， 山西 晉城 048000）

0 引言

采煤機(jī)是煤礦井下截割作業(yè)的核心，主要通過(guò)截割部驅(qū)動(dòng)截割滾筒的旋轉(zhuǎn)來(lái)將煤炭從煤壁上切割下來(lái)，由于煤壁質(zhì)地堅(jiān)硬，且在不同截割位置、不同截割狀態(tài)下，作用在截割部的沖擊變化較大，導(dǎo)致截割部振動(dòng)沖擊大、截割故障率高，在對(duì)截割部進(jìn)行改進(jìn)時(shí)也主要是依靠實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)局部進(jìn)行加強(qiáng)，但由于缺乏可靠的理論指導(dǎo)，其實(shí)際優(yōu)化效果不足而且成本高。

1 采煤機(jī)截割部數(shù)學(xué)模型

采煤機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中會(huì)受到來(lái)自煤壁的截割載荷沖擊作用，但目前對(duì)采煤機(jī)截割部的研究較少，現(xiàn)有理論知識(shí)不足以支撐對(duì)截割部在受載荷沖擊情況下的振動(dòng)特性研究，因此本文結(jié)合采煤機(jī)截割部的特性，提出建立截割部耦合動(dòng)力學(xué)模型，然后利用仿真分析的方式進(jìn)行振動(dòng)特性研究的方案。

由于采煤機(jī)截割部外側(cè)殼體在受力情況下容易變形且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則具有一定的吸振緩沖作用，因此在對(duì)多種動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行分析后，確定采煤機(jī)截割部的特性和剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型最為接近，因此建立截割部的動(dòng)力學(xué)模型，可表示為[1]：

式中：M 為模態(tài)質(zhì)量矩陣；σ 為廣義坐標(biāo)矩陣；K 為模態(tài)剛度矩陣；f 為廣義重力；D 為模態(tài)阻尼矩陣。

2 采煤機(jī)截割部截割模型建立

利用三維建模軟件建立采煤機(jī)截割部的三維模型，為了提高建模速度，截割運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的建模可以按實(shí)際零件比例及配合關(guān)系建立，對(duì)應(yīng)殼體類的可采用簡(jiǎn)化建模方案，完成裝配后按實(shí)際的接觸方式定義不同零件之間的相互關(guān)系[2]，建立的采煤機(jī)截割部三維模型如圖1-1 所示。

圖1 采煤機(jī)截割部截割三維模型示意圖

為了確保仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)煤壁參數(shù)是以煤礦井下實(shí)際測(cè)得的煤層地質(zhì)特性為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)置的，煤層的密度為1 240 kg/m3，煤層的泊松比為0.26，剪切模量為763 MPa，彈性模量為2 011 MPa。夾矸的密度為2 638 kg/m3，夾矸的泊松比為0.23，剪切模量為1 739 MPa，彈性模量為3 183 MPa。

在離散元仿真分析軟件中建立煤層的三維分析模型，從上到下分別為煤、夾矸、煤，模擬樣件的尺寸為3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，設(shè)置夾矸層的高度為300 mm，設(shè)置滾筒和煤巖的截割模型為H-M模型[3]，所建立了滾筒截割煤層的三維模型如圖1-2 所示。

設(shè)置仿真分析時(shí)采煤機(jī)的截割進(jìn)給速度為5 m/min，截割部的截割轉(zhuǎn)速為80 r/min，截割滾筒截割時(shí)的截割深度為500 mm，仿真的總時(shí)間設(shè)置為10 s，仿真時(shí)的步長(zhǎng)按0.05 s 設(shè)置，則截割作業(yè)過(guò)程中采煤機(jī)截割滾筒上的受力變化曲線如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)截割滾筒變化曲線示意圖

由圖2 仿真分析結(jié)果可知，采煤機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中截割滾筒上的最大截割載荷為9.6×104N，平均截割載荷為6.1×104N，其截割作業(yè)過(guò)程中的載荷波動(dòng)系數(shù)為0.39，說(shuō)明在截割作業(yè)過(guò)程中存在著較大的波動(dòng)性。

3 采煤機(jī)截割部受力變形分析

將采煤機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中的受力情況施加到采煤機(jī)截割部，利用ADAMS 仿真分析軟件對(duì)截割部在受力情況下的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，截割部在受力情況下的質(zhì)心加速度變化情況如圖3 所示。

圖3 截割部質(zhì)心加速度變化曲線

由圖3 可知，當(dāng)沖擊載荷的頻率達(dá)到21 Hz 時(shí)，截割部在Y 軸方向上的最大加速度為41.4 mm/s2，且Y 軸（豎直方向）上的振動(dòng)幅值要大于X 軸（牽引方向）方向上的振動(dòng)幅值，這主要是由于采煤機(jī)在截割作業(yè)過(guò)程中，作用在Y 軸方向上的截割分力數(shù)值和變化頻率均較大，導(dǎo)致了在Y 軸方向上的振幅較大。

采煤機(jī)截割部外殼的質(zhì)心，在受力作用下的位移變化曲線如圖4 所示。隨著載荷沖擊頻率的不斷加大，截割部殼體質(zhì)心的位移響應(yīng)開始出現(xiàn)振動(dòng)，當(dāng)沖擊載荷的頻率達(dá)到20.36 Hz時(shí)，殼體的質(zhì)心位移達(dá)到了最大的15.1 mm且最大質(zhì)心位移出現(xiàn)在Y 軸方向上。

圖4 截割部殼體質(zhì)心加速度變化曲線

通過(guò)仿真分析可知，采煤機(jī)截割部在受到載荷沖擊的作用下，截割部和截割部殼體的最大質(zhì)心振幅和位移均出現(xiàn)在Y 軸（豎直方向）方向，表明對(duì)豎直方向上的影響較為嚴(yán)重，因此在采煤機(jī)截割部設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮在豎直方向上的零件配合間隙和殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低在截割作業(yè)過(guò)程中的變化和沖擊，提高截割部的截割穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

1）采煤機(jī)截割部的特性和剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型最為接近，利用剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型能很好的對(duì)截割部的受力情況進(jìn)行模擬；

2）采煤機(jī)截割部在受到載荷沖擊的作用下，截割部和截割部殼體的最大質(zhì)心振幅和位移均出現(xiàn)在Y軸（豎直方向）方向，殼體的質(zhì)心位移達(dá)到了最大，為15.1 mm；

3）在采煤機(jī)截割部設(shè)計(jì)時(shí)，需要重點(diǎn)考慮在豎直方向上的零件配合間隙和殼體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，降低在截割作業(yè)過(guò)程中的變化和沖擊。