關(guān)于采煤機(jī)行走輪的動力學(xué)仿真分析

郇郭建

(霍州煤電集團(tuán) 呂梁山煤電有限公司方山店坪煤礦， 山西 方山 033100)

采煤機(jī)作為重要的煤礦開采設(shè)備，在煤礦開采中發(fā)揮著重要作用。但由于采煤機(jī)在實(shí)際工作過程中，經(jīng)常處于超負(fù)荷狀態(tài)，加上井下環(huán)境相對復(fù)雜，導(dǎo)致采煤機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)部件受力不均勻、卡死等故障，無法保證長時間正常作業(yè)。掌握作業(yè)過程中關(guān)鍵部件的運(yùn)動特性及運(yùn)動規(guī)律，對提高采煤機(jī)的開采效率很重要。

因此，以采煤機(jī)結(jié)構(gòu)組成為基礎(chǔ)，建立了采煤機(jī)的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，采用UG和ADAMS軟件，建立了采煤機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，對采煤機(jī)在空載和受載狀態(tài)進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析研究，并提出了提高采煤機(jī)工作效率的措施。

1 采煤機(jī)結(jié)構(gòu)組成分析

目前，采煤機(jī)主要采用的是雙滾筒采煤機(jī)，運(yùn)行可靠，開采效率高。其結(jié)構(gòu)主要包括螺旋滾筒、截割部、液壓傳動部、噴霧冷卻系統(tǒng)、行走部、滑靴、中間控制箱、破碎機(jī)等。其中，滾筒機(jī)構(gòu)是采煤機(jī)中的主要工作機(jī)構(gòu)，焊接該結(jié)構(gòu)上的螺旋葉片和端盤，可實(shí)現(xiàn)快速開采。牽引電機(jī)進(jìn)行動力輸出，通過行走部上軌道與輪軌之間的相互嚙合，將動力傳輸至行走機(jī)構(gòu)，從動帶動采煤機(jī)沿工作面移動。采煤機(jī)中的噴霧系統(tǒng)主要進(jìn)行降塵和煤炭冷卻。電控系統(tǒng)對采煤機(jī)進(jìn)行直接操作控制。

2 采煤機(jī)動力學(xué)模型分析

建立采煤機(jī)動力學(xué)模型是進(jìn)行整機(jī)動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。結(jié)合采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，去除采煤機(jī)中的電控、液壓、噴霧系統(tǒng)等，采用質(zhì)量塊進(jìn)行配重代替；采用連桿機(jī)構(gòu)，建立包含多個機(jī)構(gòu)的采煤機(jī)簡化機(jī)構(gòu)模型。其中，將滾筒到牽引箱和搖臂之間的連接件用l1桿表示，搖臂與牽引箱之間的轉(zhuǎn)接連桿用l2表示，搖臂與牽引箱體鉸接點(diǎn)到行走輪軸心的水平距離、垂直距離采用l3和l4表示，行走輪軸心到牽引箱體與活塞缸鉸接處的水平距離、垂直距離用l6、l7表示，采煤機(jī)簡化后的動力學(xué)模型見圖1. 同時，對圖1中各個鉸接處進(jìn)行了受力分析，得出采煤機(jī)的整體受力傳遞情況。此動力學(xué)模型可作為采煤機(jī)動力學(xué)仿真分析的理論基礎(chǔ)。

圖1 采煤機(jī)整機(jī)簡化后的動力學(xué)模型圖

3 采煤機(jī)虛擬樣機(jī)建立

3.1 三維模型建立

結(jié)合采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)組成機(jī)構(gòu)可知，采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)包含左截割部、右側(cè)調(diào)高油缸、右截割部等部件。為進(jìn)一步對采煤機(jī)的運(yùn)動情況進(jìn)行分析，采用UG軟件，建立包含采煤機(jī)主要部件的三維模型；同時，為提高模型的仿真精度，減少因非關(guān)鍵零件對仿真結(jié)果的影響，對三維模型中的螺栓、螺母、定位銷、圓角、倒角等零件及特征進(jìn)行了模型簡化。由此，建立采煤機(jī)三維模型，見圖2.

圖2 采煤機(jī)三維模型圖

3.2 虛擬樣機(jī)仿真模型建立

將建立的三維模型導(dǎo)入至ADAMS動力學(xué)軟件中，建立動力學(xué)仿真模型。在軟件中，對所有零件進(jìn)行材料的定義，將零件材料設(shè)置為Q235材料；同時，對滾筒與搖臂、行走輪與導(dǎo)向滑靴、牽引箱體與行走輪等零件之間的鉸接處施加旋轉(zhuǎn)副，銷排與地面之間設(shè)置為固定副，并在l3連桿上施加驅(qū)動力，對整體施加重力，保證該樣機(jī)模型的重量與實(shí)際的重量基本相同。仿真時間設(shè)置為15 s，步長設(shè)置為0.2 s. 由此，建立了采煤機(jī)的虛擬樣機(jī)仿真模型。

4 整機(jī)動力學(xué)仿真結(jié)果

由于采煤機(jī)右側(cè)行走輪為主要受力部件。因此，根據(jù)滾筒的實(shí)際受載情況，通過在右側(cè)行走輪的滾筒質(zhì)心上施加1 010 N驅(qū)動載荷和130 N·m的旋轉(zhuǎn)力矩，分別對采煤機(jī)空載狀態(tài)及受載狀態(tài)時右側(cè)行走輪的受力情況進(jìn)行分析研究，得出其受力變化曲線圖，見圖3，圖4. 由圖3，4可知，行走輪在整個受力過程中，其接觸力的變化均相對穩(wěn)定，波動性較小，僅在零件剛啟動瞬間出現(xiàn)了較大的波動現(xiàn)象。

圖3 采煤機(jī)空載時右側(cè)行走輪受力曲線圖

圖4 采煤機(jī)受載時右側(cè)行走輪受力曲線圖

根據(jù)圖3，圖4的分析結(jié)果，對曲線中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到兩種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)對比表，見表1. 由表1可知，行走輪在受載時的平均接觸力是空載時的1.17倍，其峰值接觸力是空載時的1.23倍。由此可知，行走輪在受載狀態(tài)時具有更高的接觸力，在行走輪長期作用過程中，受載狀態(tài)下更容易發(fā)生故障失效的可能性，而行走輪的失效將對采煤機(jī)的正常運(yùn)行產(chǎn)生重要影響。因此，需對行走輪的結(jié)構(gòu)性能及采煤機(jī)的運(yùn)動效率進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

表1 行走輪空載與受載狀態(tài)下的接觸力對比表

采煤機(jī)空載時左側(cè)行走輪受力曲線見圖5. 結(jié)合圖3，圖5，對采煤機(jī)在空載狀態(tài)下右側(cè)行走輪與左側(cè)行走輪的接觸力進(jìn)行了對比分析，得對比表，見表2. 由表2可知，采煤機(jī)右側(cè)行走輪的接觸力值無論是峰值還是平均值均比左側(cè)行走輪的接觸力大，其原因?yàn)椋翰擅簷C(jī)在向左截割運(yùn)動過程中，重心向右進(jìn)行了偏移，此時，右側(cè)搖臂向下產(chǎn)生了力，左側(cè)搖臂則向上產(chǎn)生了部分作用力，進(jìn)而使右側(cè)行走輪承受的作用力比左側(cè)更大。因此，在空載或作業(yè)過程中，同比條件下要求右側(cè)行走輪具有更高的結(jié)構(gòu)性能，以保證采煤機(jī)的正常運(yùn)行。

圖5 采煤機(jī)空載時左側(cè)行走輪受力曲線圖

工作狀態(tài)平均接觸力/kN峰值接觸力/kN右側(cè)行走輪3 3145 870左側(cè)行走輪3 2905 140右側(cè)與左側(cè)比值1.0071.14

5 提高整機(jī)工作效率的措施

結(jié)合采煤機(jī)運(yùn)動過程的動力學(xué)分析可知，右側(cè)行走輪在受載狀態(tài)下具有更高的接觸力，在使用過程中極易發(fā)生故障。因此，需對行走輪的結(jié)構(gòu)性能及采煤機(jī)的工作效率進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出如下措施：

1) 增大行走輪接觸力較大處材料的強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)厚度，提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；同時，加大行走輪上受力較大處圓弧結(jié)構(gòu)，提高其承載能力。

2) 定期對行走輪進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，對接觸力較大位置處定時添加潤滑油，保證接觸時摩擦力較小。

3) 應(yīng)避免采煤機(jī)在超負(fù)荷狀態(tài)下長時間的開采作業(yè)，且在受載狀態(tài)下工作時，應(yīng)按照規(guī)定的作業(yè)時間對行走輪的運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，保證行走輪及采煤機(jī)的正常運(yùn)行。

4) 采煤機(jī)應(yīng)嚴(yán)格按照正確的操作規(guī)程開采作業(yè)，針對出現(xiàn)問題，應(yīng)及時維修和保養(yǎng)，以提高采煤機(jī)的工作效率和作業(yè)安全。

6 結(jié) 論

以采煤機(jī)結(jié)構(gòu)組成為基礎(chǔ)，建立了采煤機(jī)的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，采用UG和ADAMS軟件，建立了采煤機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，對采煤機(jī)在空載和受載狀態(tài)進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析研究，仿真結(jié)果表明，采煤機(jī)的右側(cè)行走輪在受載狀態(tài)下具有更高的接觸力，且右側(cè)行走輪比左側(cè)受到的接觸力更大，此現(xiàn)象與實(shí)際狀態(tài)基本吻合。因此，在使用過程中，要求行走輪需具有更高的結(jié)構(gòu)性能，且重點(diǎn)提高右側(cè)行走輪結(jié)構(gòu)性，以降低采煤機(jī)的故障，提高開采效率。