陈 浩

（霍州煤电集团辛置煤矿 ，山西 霍州 031412）

0 引 言

采煤机工作环境复杂，负荷变化很大，一些关键部件经常因过载工作而损坏。比如采煤机牵引行走部的负荷大、载荷不均，其支撑轴承很容易出现磨损或滚动体破裂等现象和链轮齿根的断裂。特别是采煤机完成斜切截煤后才能开始直线截煤工作，而在斜切截煤的过程中输送机会呈现弯曲为“S”型的扭曲状态，也正是这种“S”型的扭曲使输送机具有引导采煤机前进、截煤的能力，但这种“S”型弯曲或一定角度的扭曲，会造成采煤机牵引部瞬时载荷过大，从而导致局部区域应力超过材料屈服极限，产生塑性形变的累积，在长时间的工作后产生疲劳断裂或脆断。这些存在的问题很大程度上是由采煤机的动态特性研究不够造成的，动态特性的研究不足导致我们无法了解采煤机牵引部在位移、速度、载荷变化的剧烈程度，因此采煤机在设计时也缺乏理论参考，对局部零部件的结构设计、材料选用考虑不足，引起结构的破坏也就在所难免。针对采煤机牵引部动态特性研究不足的情况，本文采用基于ADAMS-LSDYNA联合仿真的手段，对采煤机牵引部在斜切进刀截煤时的动态特性进行了研究。

1 采煤机牵引部动态特性研究流程

针对斜切工况下采煤机的载荷波动幅度较大，工况恶劣，但又缺乏相关研究的问题，文章旨在开展采煤机在斜切截煤时的动力学特性研究。首先建立了采煤机的整体三维模型，于ADAMAS软件中加以斜切工况时的运动关系及运动输入条件，如行走轮初始速度等参数，得到采煤机的前后滚筒在此工况下的轴向偏移、滚筒相对于煤壁的偏转角度随时间的变化趋势。并以这两种参数随时间的变化作为LSDYNA软件中滚筒斜切截煤有限元模型的边界条件，得到了滚筒的动态载荷。最后将滚筒的动态载荷加载到滚筒质心上，结合采煤机的整体样机模型，最后得到了采煤机在斜切时的牵引部总体的动力学特性。研究流程可表述如图1所示。

图1 斜切工况下采煤机牵引部动力学仿真流程图

2 采煤机斜切截煤运动仿真

2.1 斜切煤模型的建立

根据相关文件规定，刮板输送机在水平方向的弯曲角度应控制在1°范围内，同时，要求其弯曲部分的横向位移值应大于滚筒的最大宽度。因此，结合相关理论计算公式，确定了输送机中部槽结构的数量为11套，其弯曲段的长度为23.5m，其主要性能参数如表1所示。同时，建立了经结构简化的采煤机斜切截煤模型，如图2所示。

表1 采煤机中部槽参数表

图2 采煤机斜切模型

将采煤机斜切3D模型导入ADAMAS，设置其零部件之间的运动关系：电机轴与牵引箱、齿轮与牵引箱、行星轮与行星架、行星架与内齿圈设定为转动副；内齿圈与牵引箱、外花键与齿轮设定为固定副；导向滑靴与牵引箱、平滑靴与牵引箱设定为旋转副。如图3所示。

图3 斜切截煤仿真模型

2.2 仿真结果获取

运动仿真的参数设定为：行走轮初始转速为4.2r/min，采煤机整个仿真过程的仿真时间定义为290s。最后得到采煤机斜切进刀时滚筒运动参数曲线，如图4所示。因此，在后面的仿真分析过程中，将会以图4的滚筒运动特性曲线作为其边界条件。

图4 滚筒偏转角度与轴向位移随时间的变化

3 滚筒斜切截过程中的载荷计算

3.1 采煤机滚筒截割煤岩有限元模型

结合建立的滚筒三维模型，采用LS-DYNA软件，对其进行有限元仿真模型的建立，所建立的仿真模型如图5所示。根据模型中滚筒结构的复杂程度，对其进行了10节点单元的SOLID168；而煤壁的三维模型相对较简单，因此，选用8节点单元的SOLID185。同时，束条件设置为：将滚筒X方向的转动自由度和Y方向的平动自由度均设置为0个，把第2节获得的滚筒偏转角度与轴向位移随时间的变化作为此次仿真的边界条件进行仿真，仿真时间设定为290s，获取分析结果。

图5 滚筒斜切截煤有限元模型

3.2 仿真结果获取

仿真结束后获得前后滚筒分别在X、Y、Z三个方向上的受力变化，如图6所示。

图6 前后滚筒三向受力变化曲线

4 斜切工况下牵引部动力学分析

4.1 载荷施加

将第3节获得的三向力分解成数据后导入ADAMAS软件，并将载荷施加采煤机斜切截煤时的前后滚筒质心上，完成载荷施加，并进行采煤机斜切截煤时的牵引部运动特性仿真。

4.2 结果分析

1）导向滑靴受力分析。

采煤机主要通过弯曲段的刮板输送机和导向滑靴的共同引导，实现在斜切工况下斜切进刀操作，导致导向滑靴因受外力过大而出现了较大程度损坏。因此，采用了ADAMS软件，对采煤机开展了动力学仿真研究，得到了导向滑靴及行走轮的动态载荷曲线，并由此确定了导向滑靴在弯曲段行走过程中相对销排的接触位置示意图，如图7所示。

图7 导向滑靴与销轨接触示意图

通过分析可知，导靴A、B的内侧与销排的外侧之间由于相互接触。产生了较大的摩擦力，此摩擦力即为导靴、销排在Y方向上的接触力。从图8中可以看出：导靴Y方向上有着十分复杂的接触力，而前后导靴在Y方向上的受载变化相反。当采煤机进出弯曲部分刮板输送机时，前导靴和后导靴受载波动较大。

图8 导靴Y向受力变化

图9 行走轮受载曲线随时间的变化

2）行走轮受力分析。

从图9中的行走轮的力曲线可以看出，在倾斜切割条件下，采煤机行走轮的牵引阻力呈现逐渐增大的变化趋势，分析其原因为：由于采煤机随着切割作业的不断进行，其切割所涉及的截齿逐渐增加，因接触产生的摩擦力也逐渐增加，最终导致了采煤机所需的牵引力也逐步增大，以现象与实际工作情况基本吻合。

5 结 论

文章提供了连续过程仿真获得牵引部动力学特性的方式，采用ADAMS-LSDYNA联合仿真的手段获取了较为可靠的滚筒轴向偏移与转角等运动参数随时间的变化、滚筒三向载荷变化曲线、导靴、行走轮受力随时间的变化。根据多种仿真分析可得到以下结论：

1）在采煤机弯曲段两节销排的连接处由于存在局部误差，导致导靴与行走轮在此处产生了较大的冲击作用力，长时间工作后易产生结构破坏。可通过对弯曲段的参数的合理设置，以此来减小销排连接处的误差和导向滑靴与行走轮在此处的冲击力值，保证采煤机的正常运行。

2）连续过程仿真与多种软件的联合仿真，获取的牵引部动斜切截煤的动力学特性，为后续其他工况下动力学特性分析提供了思路和方法，重要的是获得部件如滚筒、行走轮的受载随时间的变化可用作有限元强度分析的输入与边界条件，为开展零部件的强度评估提供了先决条件。

3）滚筒在170s斜切截煤时，偏转角与轴向偏移都较大，这就容易引起刚度失效与强度失效，可在结构设计时减小滚筒轴距的方式来提高滚筒在轴向的刚度，对局部应力集中的位置进行结构补强、开圆孔、选用高强度材料的方式来降低局部应力。