電牽引采煤機(jī)核心部件可靠性分析

申宏亮

（山西誠(chéng)正建設(shè)監(jiān)理咨詢(xún)有限公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

1 電牽引采煤機(jī)沖擊載荷模擬

滾筒是采煤機(jī)落煤和裝煤的工作機(jī)構(gòu)，采煤機(jī)在工作時(shí)，滾筒截齒只要截入煤壁，就要承受截割阻力，順序式滾筒截齒還要受到側(cè)向力，此外還有作用于螺旋葉片上的裝煤反力等多重作用，而在采煤機(jī)切入煤壁的過(guò)程中，滾筒還將受到一個(gè)附加的軸向力[1-4]。

由于同時(shí)參與截割的截齒齒數(shù)和位置是變化的，煤巖的物理機(jī)械性質(zhì)也是隨機(jī)的，因此，截齒給予煤巖的截割力、力矩等動(dòng)力學(xué)參數(shù)也是變化的[5]。通過(guò)對(duì)滾筒承受的瞬時(shí)沖擊載荷、截割力矩等進(jìn)行分析計(jì)算,在模擬軟件中施加給電牽引采煤機(jī)滾筒模型中，從而對(duì)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。能夠使得采煤機(jī)提高工作效率，保持穩(wěn)定性。電牽引采煤機(jī)滾筒受到的三向力曲線如圖1所示。

圖1 電牽引采煤機(jī)滾筒受到的三向力曲線

2 模型建立與外部載荷模擬

電牽引采煤機(jī)割煤的工作過(guò)程中，采煤機(jī)搖臂殼體承受采煤機(jī)內(nèi)部的齒輪耦合傳動(dòng)沖擊和滾筒割煤時(shí)候受到的力，引起電牽引采煤機(jī)搖臂殼體受力比較大；與此同時(shí)采煤機(jī)行星部件需要很大的扭矩傳遞在采煤機(jī)割煤時(shí)，受到的負(fù)載也非常大，而長(zhǎng)時(shí)間處于高應(yīng)力載荷容易導(dǎo)致電牽引采煤機(jī)搖臂殼體與采煤機(jī)行星部件的損壞[6]。因此通過(guò)對(duì)電牽引采煤機(jī)搖臂殼體與采煤機(jī)行星部件進(jìn)行仿真模擬來(lái)進(jìn)行可靠性分析以確保采煤機(jī)正常高效使用。

采煤機(jī)受到的外部載荷主要來(lái)自于螺旋滾筒上截齒截割煤壁時(shí)受到的沖擊作用，其中滾筒的受力如圖2所示。當(dāng)螺旋滾筒上的截齒在截割煤壁時(shí)其將受到截割阻力Fj、牽引阻力Fq及側(cè)向力Fc的作用，截割過(guò)程中所有截齒的受力使采煤機(jī)受到外部載荷。

圖2 滾筒受力示意圖

因?yàn)榫C采工作面煤層地質(zhì)情況不盡相同，電牽引采煤機(jī)割煤時(shí)滾筒受力值也不同。

為了便于對(duì)滾筒截割時(shí)所受負(fù)載進(jìn)行分析，單純地根據(jù)力學(xué)關(guān)系很難推斷出某段時(shí)間內(nèi)滾筒的受力狀態(tài)，所以本文基單個(gè)截齒的力學(xué)模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)建模軟件，編制出能夠模擬滾筒截割過(guò)程中的受力程序，根據(jù)編程模擬出采煤機(jī)以牽引速度為4 m/min進(jìn)行截割堅(jiān)固性系數(shù)為3并含有夾矸石煤壁時(shí)螺旋滾筒所受的負(fù)載[7]。

3 采煤機(jī)核心部件可靠性分析

仿真模擬的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、精度、快速性都與仿真參數(shù)的設(shè)定起著相當(dāng)重要的作用，因此選用求解迅速、計(jì)算精度高的積分器以提高仿真速度。經(jīng)過(guò)仿真建立模擬得到搖臂殼體在工作過(guò)程中的受力分布云圖，如下頁(yè)圖3所示。

圖3 搖臂殼體受力（MPa）分布

由圖3可以看出，截割過(guò)程中搖臂殼體在相關(guān)軸安裝處的受力較大，同時(shí)搖臂殼體與調(diào)高油缸連接耳處附近的受力更為惡劣。當(dāng)截割時(shí)遇到含有硬結(jié)核時(shí)，滾筒受到的沖擊作用傳遞到上述位置，上述位置的受力將更大，極易造成相關(guān)位置的結(jié)構(gòu)疲勞損壞，因此在截割時(shí)可適當(dāng)降低采煤機(jī)的牽引速度以保證滾筒上的沖擊不至于過(guò)大[8]。

如圖4所示為采煤機(jī)搖臂殼體最大受力點(diǎn)S應(yīng)力曲線圖，由圖4可以看出，電牽引采煤機(jī)核心部件搖臂殼體在未進(jìn)行作業(yè)時(shí)受力非常小，隨著采煤機(jī)開(kāi)始作業(yè)滾筒開(kāi)始割煤，電牽引采煤機(jī)核心部件搖臂殼體受力開(kāi)始急劇加大。在0.12 s能夠達(dá)到最大值141 MPa，隨著滾筒持續(xù)切割煤璧，割煤開(kāi)始穩(wěn)定后電牽引采煤機(jī)核心部件搖臂殼體受力開(kāi)始逐漸減小，搖臂殼體受力開(kāi)始發(fā)生周期波動(dòng)變化穩(wěn)定在70MPa左右。滿(mǎn)足采煤機(jī)割煤時(shí)材料的允許應(yīng)力范圍值，即采煤機(jī)割煤時(shí)電牽引采煤機(jī)核心部件搖臂殼體穩(wěn)定性能達(dá)到受力要求，控制好電牽引采煤機(jī)的牽引速度，保證工作面采煤機(jī)高效穩(wěn)定割煤。

圖4 采煤機(jī)搖臂殼體最大受力點(diǎn)S應(yīng)力曲線

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電牽引采煤機(jī)核心部件可靠性分析，建立了采煤機(jī)核心部件的仿真模型，模擬模型對(duì)于實(shí)際工作面中滾筒負(fù)載施加壓力條件下的仿真，根據(jù)電牽引采煤機(jī)搖臂殼體最大受力點(diǎn)S的應(yīng)力曲線與電牽引采煤機(jī)搖臂殼體的受力分布云圖情況分析可知，當(dāng)井下工作面采煤機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，采煤機(jī)搖臂殼體在初始切割時(shí)受力較大，初始切割時(shí)要注意控制采煤機(jī)牽引速度，確保采煤機(jī)不因牽引速度過(guò)快而失穩(wěn)，隨著采煤機(jī)的切割穩(wěn)定以后，搖臂殼體的強(qiáng)度能滿(mǎn)足要求，為采煤機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。