采煤機(jī)液壓拉杠力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)

毛 君 楊辛未 陳洪月,2,3 宋秋爽 袁 智

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，阜新，123000

2.中國(guó)煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)高端綜采成套裝備動(dòng)力學(xué)測(cè)試與大數(shù)據(jù)分析中心，阜新，123000

3.礦山液壓技術(shù)與裝備國(guó)家工程研究中心，阜新，123000

4.中國(guó)煤礦裝備有限責(zé)任公司，北京，100011

0 引言

采煤機(jī)是綜采工作面的主要設(shè)備［1］，隨著煤炭資源開采力度和采煤深度的增加，煤礦井下工作環(huán)境的極度惡劣，需保證其工作效益，以及煤礦井下安全的作業(yè)環(huán)境，對(duì)采煤機(jī)的可靠性是巨大考驗(yàn)。液壓拉杠是采煤機(jī)重要的輔助元件，采煤機(jī)機(jī)身主要采用4根液壓拉杠和高強(qiáng)度螺栓，將左右牽引部和連接框架連接為一個(gè)剛性整體，無底托架［2］。在實(shí)際工作過程中，液壓拉杠經(jīng)常出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。采煤機(jī)液壓拉杠是否可靠，直接影響整個(gè)綜采工作面的工作效率。毛君等［3］采用數(shù)值分析方法對(duì)不同工況下液壓拉杠的力學(xué)特性進(jìn)行了分析，并基于疲勞累積損傷理論，對(duì)液壓拉杠進(jìn)行了疲勞壽命預(yù)測(cè)。宋澤鋒等［4］對(duì)疲勞斷裂的液壓拉杠進(jìn)行了理化檢驗(yàn)、材料和使用等方面的分析，得出了液壓拉杠斷裂原因以及改進(jìn)建議。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采煤機(jī)液壓拉杠的研究較少，并且在上述研究中，缺乏對(duì)采煤機(jī)工作過程中的液壓拉杠力學(xué)特性研究。本文借助1:1模擬煤礦井下綜采成套裝備實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了采煤機(jī)液壓拉杠載荷的測(cè)試方案以及數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，對(duì)液壓拉杠在采煤機(jī)空載直線行走、空載“S”彎走、斜切、重載直線截割4種工況下的動(dòng)載特性進(jìn)行了實(shí)時(shí)在線測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)主要設(shè)備及模擬煤壁

煤礦井下地質(zhì)條件的惡劣性、復(fù)雜性以及不確定性，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的要求較高。為保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的安全性以及實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)的可靠性，研究采煤機(jī)不同工況下液壓拉杠的載荷特性，在地面上建立了模擬的綜采工作面實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在中煤集團(tuán)張家口國(guó)家能源煤礦采掘機(jī)械裝備研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心。該中心實(shí)驗(yàn)平臺(tái)1∶1模擬煤礦井下綜采成套裝備開采過程，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中采煤機(jī)為西安煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)的MG500/1180-WD采煤機(jī)，刮板輸送機(jī)為中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的SGZ1000/1050刮板輸送機(jī)，液壓支架為中煤北京煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司生產(chǎn)的ZY9000/15/28型液壓支架，見圖1，其中，MG500/1180-WD采煤機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform

表1 MG500/1180-WD采煤機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab.1 Technical parameters of MG500/1180-WD coal mining machine

實(shí)驗(yàn)所用煤壁全長(zhǎng)為70 m，寬度為4 m，高度為3 m，煤壁堅(jiān)固性系數(shù)f=3。實(shí)驗(yàn)煤壁為人工模擬煤壁，煤壁配制的準(zhǔn)確性直接影響實(shí)驗(yàn)的可信度，應(yīng)盡量降低與天然煤壁各項(xiàng)特性的誤差。實(shí)驗(yàn)煤壁以煤為主，輔以水泥、水、減水劑等原料。模擬煤壁所用的煤經(jīng)過洗選后破碎成粒徑為0～50 mm不等的顆粒，細(xì)骨料選用5 mm以下，粗骨料的粒徑選用范圍為5～50 mm，模擬煤壁的水泥選用PC32.5，強(qiáng)度等級(jí)富余系數(shù)為1.05的復(fù)合水泥，依據(jù)實(shí)驗(yàn)煤壁配比參數(shù)見表2［5］。將選用的煤、水泥用水混合，并加入適量的減水劑。為保證澆筑后的模擬煤壁具有天然煤壁的層理和節(jié)理特性，采用逐層澆筑的形式得到模擬煤壁，當(dāng)?shù)谝粚訚仓瓿?，放置一段時(shí)間，待煤巖混合物形成堅(jiān)硬的煤壁后，再進(jìn)行下一層澆筑，以此類推，直至完成整個(gè)煤壁的制備。

表2 實(shí)驗(yàn)煤壁配比參數(shù)Tab.2 Proportional parameters of test coal wall

2 測(cè)試方法

MG500/1180-WD型采煤機(jī)的4根液壓拉杠的連接位置見圖2。液壓拉杠的尺寸、相關(guān)安裝參數(shù)見表3。液壓拉杠受力測(cè)試采用壓力環(huán)傳感器（尺寸D=127 mm，d=58 mm，L=40 mm）。在實(shí)驗(yàn)過程中，將壓力環(huán)傳感器安裝在液壓拉杠高強(qiáng)度螺母連接處的固定端，替換液壓拉杠一側(cè)的墊片，4個(gè)壓力環(huán)傳感器全部安裝在一側(cè)，共用1個(gè)無線應(yīng)變節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集兼無線傳輸，通過無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線傳感器的節(jié)點(diǎn)信號(hào)收集，無線網(wǎng)關(guān)與電腦連接，通過BeeData采集控制軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、分析與儲(chǔ)存。各測(cè)試設(shè)備見圖3。

圖2 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch map of Shearer

表3 液壓拉杠相關(guān)參數(shù)Tab.3 Parameters of hydraulic pull bar

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備Fig.3 Experimental test equipment

3 壓力環(huán)傳感器標(biāo)定

在進(jìn)行液壓拉杠受力測(cè)試實(shí)驗(yàn)之前，需要對(duì)壓力環(huán)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，以保證實(shí)驗(yàn)測(cè)出值的準(zhǔn)確性。壓力環(huán)傳感器標(biāo)定采用靜態(tài)標(biāo)定法，將壓力環(huán)傳感器直接放置在拉壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，檢測(cè)傳感器的輸出與加載力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，等量加載量程為10 t，壓力環(huán)傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)見表4。

表4 壓力環(huán)傳感器標(biāo)定數(shù)據(jù)Tab.4 Calibration data of pressure ring sensor

根據(jù)壓力環(huán)傳感器的標(biāo)定數(shù)據(jù)可以得到數(shù)據(jù)擬合公式，其中，SG403/SG404無線應(yīng)變傳感器節(jié)點(diǎn)電橋靈敏度為0.624 35 μV/με，供橋電壓為2.0 V（±0.1%精度），則4個(gè)液壓拉杠壓力環(huán)傳感器的壓力值公式分別為

式中，xi為各壓力環(huán)的應(yīng)變值；F1、F2、F3、F4分別為壓力環(huán)1～4的壓力值，kN。

4 實(shí)驗(yàn)分析

采掘機(jī)械綜合實(shí)驗(yàn)室對(duì)采煤機(jī)成套設(shè)備進(jìn)行采煤機(jī)空載運(yùn)行與截煤實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程見圖4，依次對(duì)采煤機(jī)液壓拉杠，在空載直線行走、空載“S”彎行走、斜切進(jìn)刀、重載直線截割4種不同工況下的載荷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。采煤機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，先讓采煤機(jī)滾筒空載旋轉(zhuǎn)運(yùn)行一段時(shí)間，來檢驗(yàn)采煤機(jī)機(jī)身上的傳感器的性能，以及無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，之后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖5。實(shí)驗(yàn)過程中，采煤機(jī)的牽引速度為3 m/min，刮板輸送機(jī)的俯角為0°，刮板輸送機(jī)的側(cè)傾角為0°。

圖4 實(shí)驗(yàn)過程Fig.4 Experimental test process

圖5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Experimental field

4.1 空載啟動(dòng)及直線行走工況

采煤機(jī)空載直線行走工況見圖4a，從中截取40 s的采煤機(jī)液壓拉杠應(yīng)變曲線，見圖6。該工況下各壓力環(huán)應(yīng)變特征值見表5。在采煤機(jī)空載啟動(dòng)及直線行走實(shí)驗(yàn)過程中，0～209 s為采煤機(jī)準(zhǔn)備階段；209～393 s為采煤機(jī)開機(jī)靜止（停車）階段；393～395 s為采煤機(jī)起車階段；395～500 s為采煤機(jī)直線行走階段。由表5可知，壓力環(huán)1～4的初始值分別為 6 363.37 με、6824.31 με、6 336.05 με、6873.42 με，并結(jié)合式（1）和圖6可知：液壓拉杠在采煤機(jī)停車階段的初始預(yù)緊力分別為487.427 4 kN、520.872 2 kN、485.033 3 kN、524.934 6 kN，而裝配過程中液壓拉杠的預(yù)緊力為674 kN，兩者存在差值。這是由于在采煤機(jī)三段機(jī)身連接過程中，先用8組高強(qiáng)度螺栓連接框架，再將4組液壓拉杠裝配到機(jī)身上，且預(yù)緊力到指定值，最后將8組高強(qiáng)度螺栓全部擰緊，8組高強(qiáng)度螺栓分擔(dān)液壓拉杠的一部分預(yù)緊力，出現(xiàn)液壓拉杠初始拉力小于預(yù)緊力的情況；壓力環(huán)4個(gè)初始值表現(xiàn)出液壓拉杠上側(cè)比下側(cè)預(yù)緊力大，這是由于搖臂與滾筒相當(dāng)于一個(gè)“懸臂梁”，在左右兩側(cè)的搖臂、滾筒、連接架的重力作用下使得機(jī)身連接處上端面受拉、下端面受壓。

圖6 空載直線階段壓力環(huán)傳感器信號(hào)圖Fig.6 Signal diagram of pressure ring sensor in no load line

表5 空載直線階段壓力環(huán)傳感器特征值數(shù)據(jù)Tab.5 Characteristic value data of pressure ring sensor in no load linear phase

在采煤機(jī)起車階段過程中，空載啟動(dòng)階段齒軌輪開始牽引，從靜止階段到平穩(wěn)運(yùn)行階段之間，會(huì)有一個(gè)過渡階段，液壓拉杠會(huì)受到外載荷沖擊過程（即拉力突然增大），然后載荷趨于平穩(wěn)，壓力環(huán)1和3啟動(dòng)階段載荷上升趨勢(shì)較大，即位于采煤機(jī)下側(cè)的兩根液壓拉杠載荷波動(dòng)較大，這是由于空載啟動(dòng)過程中，平滑靴與導(dǎo)向滑靴受到摩擦力、齒軌輪軸受到運(yùn)行方向的牽引力，而下側(cè)液壓拉杠距離受力位置最近。

在采煤機(jī)直線行走工況下，采煤機(jī)空載平穩(wěn)運(yùn)行階段中，從表5和式（1）可以得出，該區(qū)域內(nèi)4根液壓拉杠的載荷波動(dòng)平均值分別為488.20 kN、522.33 kN、485.89 kN、524.72 kN；載荷極值差分別為4.83 kN、0.76 kN、1.12 kN、2.91 kN；通過表5中的各壓力環(huán)應(yīng)變的方差和標(biāo)準(zhǔn)差值，可以得出在采煤機(jī)空載直線行走的工況下，采空下側(cè)的液壓拉杠受載影響最大。采煤機(jī)行走部位于采空側(cè)，采煤機(jī)在空載行走過程中，由于受到行走部傳動(dòng)系統(tǒng)中齒輪嚙合產(chǎn)生的振動(dòng)以及行走輪、導(dǎo)向滑靴與刮板輸送機(jī)銷排產(chǎn)生的摩擦力等因素的影響，采空下側(cè)的液壓拉杠載荷波動(dòng)較大。

4.2 空載“S”彎行走工況

采煤機(jī)空載“S”彎工況見圖4b，從中截取20 s的采煤機(jī)液壓拉杠應(yīng)變曲線，見圖7。該工況下各壓力環(huán)應(yīng)變特征值見表6。在采煤機(jī)空載“S”彎行走工況下，結(jié)合式（1）可得采煤機(jī)4根液壓拉杠的載荷平均值分別為488.24 kN、522.04 kN、487.39 kN、527.14 kN，該工況下的載荷波動(dòng)中心與空載啟動(dòng)及直線行走階段位置幾乎相同，可以得出空載運(yùn)行階段（直線與“S”彎階段）載荷波動(dòng)中心十分穩(wěn)定；載荷峰值差分別為7.14 kN、1.37 kN、2.48 kN、3.31 kN；由表6中各壓力環(huán)應(yīng)變的方差和標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，采煤機(jī)在空載“S”彎行走過程中，采空下側(cè)的液壓拉杠載荷幅值波動(dòng)程度最大，受到的影響最大，并且4根液壓拉杠的載荷波動(dòng)幅度均比空載直線行走工況下的波動(dòng)幅度大。由于該工況下，采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴橫跨多個(gè)中部槽，位于采空側(cè)的液壓拉杠多處于拉伸狀態(tài)，同空載直線行走工況，受到諸多因素影響，采煤機(jī)在空載“S”彎行走過程中，采空下側(cè)的液壓拉杠的載荷最大，并且載荷波動(dòng)比空載直線行走工況的載荷波動(dòng)大。

圖7 空載“S”彎階段壓力環(huán)傳感器信號(hào)圖Fig.7 No load“S”phase pressure ring sensor signal

表6 空載“S”彎階段壓力環(huán)傳感器特征值數(shù)據(jù)Tab.6 The characteristic value of the pressure ring sensor at the stage of no load“S”

4.3 斜切進(jìn)刀工況

采煤機(jī)斜切進(jìn)刀工況見圖4c，從中截取200 s的采煤機(jī)液壓拉杠應(yīng)變曲線，見圖8。圖8中的初始值代表液壓拉杠實(shí)際預(yù)緊力值，用虛線標(biāo)出以便于觀察載荷波動(dòng)情況。該工況下各壓力環(huán)應(yīng)變特征值見表7。采煤機(jī)斜切進(jìn)刀過程中截齒開始進(jìn)行截煤，在1 709 s時(shí)采煤機(jī)左滾筒截齒接觸煤壁，從圖8中可以看出各液壓拉杠變形量變化趨勢(shì)分別為：液壓拉杠1下降、液壓拉杠2～4上升；在1 787 s時(shí)采煤機(jī)右滾筒截齒開始接觸煤壁，各液壓拉杠變形量變化趨勢(shì)分別為：液壓拉杠1上升且趨勢(shì)較大、液壓拉杠2和3幾乎無變動(dòng)、液壓拉杠4下降且趨勢(shì)較大。

從表7和式（1）中可以分析出，整個(gè)斜切進(jìn)刀過程中，采煤機(jī)4根液壓拉杠的載荷平均值分別為492.61 kN、524.16 kN、492.35 kN、520.17 kN，分別與初始值預(yù)緊力相減得：5.18 kN、3.29 kN、7.32 kN、-4.76 kN，可以得出在斜切進(jìn)刀截煤過程中液壓拉杠在外載荷作用下，液壓拉杠1～3受拉、液壓拉杠4受壓；載荷峰值差分別為15.80 kN、8.90 kN、15.37 kN、38.47 kN，且在各液壓拉杠變形量的方差中，液壓拉杠4的變形量的方差值最大，即在采煤機(jī)斜切進(jìn)刀過程中，由于位于采煤側(cè)上的液壓拉杠與采煤機(jī)前后滾筒距離最近，受到滾筒載荷影響最大，故位于采煤側(cè)上的液壓拉杠載荷波動(dòng)最大。

表7 斜切進(jìn)刀階段壓力環(huán)傳感器特征值數(shù)據(jù)Tab.7 Stage beveling feeding pressure ring sensor characteristic value data

4.4 重載直線截割工況

采煤機(jī)重載直線截割工況見圖4d，從中截取20 s的采煤機(jī)液壓拉杠應(yīng)變曲線，見圖9。該工況下各壓力環(huán)應(yīng)變特征值見表8。分析表8可知，在采煤機(jī)重載直線截割工況下，4根液壓拉杠的載荷平均值分別為495.06 kN、524.83 kN、493.69 kN、517.71 kN，分別與初始值預(yù)緊力相減得：7.63 kN、3.96 kN、8.66 kN、-7.22 kN，可以得出在直線截割過程中液壓拉杠在外載荷作用下，液壓拉杠1～3受拉、液壓拉杠4受壓；載荷峰值差分別為12.51 kN、4.59 kN、9.59 kN、13.6 kN，且在各液壓拉杠變形量的方差中，液壓拉杠4的變形量的方差值最大。結(jié)合以上分析，在采煤機(jī)重載直線截割的工況下，滾筒與煤巖發(fā)生復(fù)雜的力學(xué)耦合作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的載荷沖擊；而位于采煤側(cè)上的液壓拉杠距離滾筒最近，受到載荷沖擊影響最大，因此，位于采煤側(cè)上的液壓拉杠的載荷波動(dòng)最大。

圖9 直線截割階段壓力環(huán)傳感器信號(hào)圖Fig.9 Signal of pressure loop in the stage of line cutting

表8 直線截割階段壓力環(huán)傳感器特征值數(shù)據(jù)Tab.8 Characteristic value data of pressure ring sensor in linear cutting stage

基于以上分析，在不同工況中，位于采煤機(jī)采空側(cè)下和采煤側(cè)上液壓拉杠的受載情況最惡劣，并且在斜切刀工況下，載荷的波動(dòng)最大。由等效應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系［6]，并以采煤機(jī)各液壓拉杠的初始預(yù)緊力為零基準(zhǔn)線，在采煤機(jī)截煤過程中，液壓拉杠1～3的載荷平均值在預(yù)緊力上方，液壓拉杠1載荷波動(dòng)平均值位于預(yù)緊力下方，并且液壓拉杠1（采空下側(cè)）的壽命較短；采煤機(jī)4根液壓拉杠載荷都小于設(shè)定的預(yù)緊力674 kN，沒有達(dá)到材料彈性極限，并且液壓拉杠1（采空下側(cè)）與設(shè)定的預(yù)緊力674 kN差值最大。當(dāng)采煤機(jī)承受較大沖擊載荷時(shí)，4根液壓拉杠會(huì)繼續(xù)伸長(zhǎng)，機(jī)身連接面易產(chǎn)生極小的縫隙，從而加劇螺紋根部與螺紋連接處的損壞。

5 結(jié)論

（1）采煤機(jī)裝配完成后以及在不同工況下采煤機(jī)液壓拉杠的受載程度都沒有達(dá)到設(shè)定的預(yù)緊力，并且在不同工況下采煤機(jī)機(jī)身上方液壓拉杠的載荷比下方液壓拉杠的載荷大，差值為32～40 kN。

（2）采煤機(jī)在起車過程中，4根液壓拉杠的載荷會(huì)突然增大，隨著采煤機(jī)啟動(dòng)載荷趨于平穩(wěn)，并且位于采煤機(jī)機(jī)身下方的兩根液壓拉杠的載荷增大趨勢(shì)較大，載荷波動(dòng)較大。

（3）采煤機(jī)在空載直線和“S”彎行走過程中，4根液壓拉杠的載荷波動(dòng)相對(duì)平穩(wěn)，位于采煤機(jī)采空側(cè)下方的液壓拉杠的載荷波動(dòng)最大，并在“S”彎行走工況下載荷波動(dòng)比直線行走的載荷波動(dòng)大；采煤機(jī)在斜切進(jìn)刀與重載直線截割過程中，位于采煤機(jī)采煤側(cè)上方的液壓拉杠處于壓縮狀態(tài)，其他3根液壓拉杠均處于拉伸狀態(tài)，并且采煤側(cè)上方液壓拉杠的載荷最大，位于采空側(cè)下方液壓拉杠受載程度次之。