采煤機(jī)直線截割工況下刮板輸送機(jī)中部槽受力及應(yīng)力分析

楊恩建，王義亮，楊兆建

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024）

1 引言

刮板輸送機(jī)是綜采工作面三機(jī)配套的重要組成部分之一，中部槽是刮板輸送機(jī)中工作的承載核心，不僅是采煤機(jī)的運(yùn)行軌道，而且是物料運(yùn)輸?shù)闹饕d體，是刮板輸送機(jī)的重要組成單元。其性能的好壞直接影響刮板輸送機(jī)的運(yùn)輸能力，從而影響采煤機(jī)的工作效率[1-2]。中部槽是刮板輸送機(jī)中損壞最嚴(yán)重的部件，我國每年失效的中部槽數(shù)以萬計(jì)[3]。因此對(duì)中部槽進(jìn)行力學(xué)分析很有必要。目前對(duì)于中部槽的失效開裂問題，主要集中在采煤機(jī)的拉架和推溜兩種工況下的研究[4]。研究表明，在這兩種工況下容易導(dǎo)致中部槽推拉耳和啞鈴窩的疲勞破壞。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，截割工況相比于拉架、推溜工況，不僅占比最高，而且對(duì)中部槽的作用載荷更大。在該工況下，中部槽不僅承受采煤機(jī)的自重，而且還有來自煤壁的截割反力，此外還會(huì)遇到煤巖底板不平等惡劣工況，對(duì)中部槽的破壞較大。因此對(duì)截割工況的研究很有必要。

主要研究采煤機(jī)直線截割工況下的中部槽受力及應(yīng)力分布，針對(duì)煤巖底板平整和不平整兩種特殊情況進(jìn)行仿真分析。采煤機(jī)在復(fù)雜惡劣的礦井環(huán)境下進(jìn)行截割煤壁時(shí)，直接測(cè)中部槽所受載荷不僅成本高、影響正常的生產(chǎn)運(yùn)行而且還存在潛在的風(fēng)險(xiǎn)。此外，采煤機(jī)行走輪與銷軌一直處于旋轉(zhuǎn)嚙合狀態(tài)，其嚙合力的測(cè)量尤為困難[5]。本次研究借助ADAMS軟件進(jìn)行整機(jī)的直線截割仿真，可方便地提取所需載荷，解決人工測(cè)量載荷不便的難題。將獲取的載荷譜導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA中，分別對(duì)采煤機(jī)在直線截割工況下中部槽鏟煤板全支撐與部分懸空兩種工況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。

2 采煤機(jī)虛擬樣機(jī)建立及動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 刮板輸送機(jī)及整機(jī)三維建模

該文主要研究采煤機(jī)在直線截割煤壁時(shí)中部槽的受載情況以及槽幫上應(yīng)力分布情況。因此建立的采煤機(jī)整機(jī)虛擬樣機(jī)包括刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)。應(yīng)用UG建立刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)三維模型。

2.2 虛擬樣機(jī)建立

將整機(jī)三維模型導(dǎo)入到ADAMS軟件后，對(duì)刮板輸送機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。建立虛擬樣機(jī)的目的主要是獲取采煤機(jī)對(duì)中部槽的作用力。實(shí)際上采煤機(jī)是通過平滑靴、導(dǎo)向滑靴和行走輪將力直接或間接地作用在中部槽上，這些力均為變載荷且載荷作用區(qū)域也隨時(shí)間而變化，給后續(xù)動(dòng)力學(xué)分析中載荷位置的確定帶來不便。由于銷軌安裝在中部槽后槽幫銷軌座上，導(dǎo)向滑靴和行走輪是通過銷軌將力傳遞到銷軌座上，銷軌、銷軌座和中部槽的相互作用關(guān)系[6]，如圖1所示。根據(jù)其相互作用關(guān)系可將導(dǎo)向滑靴和行走輪對(duì)中部槽的作用轉(zhuǎn)化為銷軌對(duì)銷軌座的作用，因此只需獲取作用在同一銷軌座上的兩銷軌耳處的兩向力。直線截割工況下側(cè)向力相對(duì)牽引力和豎直作用力較小可忽略。平滑靴對(duì)鏟煤板的作用力，可直接從虛擬樣機(jī)中提取。為方便提取這些接觸力，虛擬樣機(jī)只保留刮板輸送機(jī)中的銷軌和各中部槽的鏟煤板。

圖1 銷軌和中部槽裝配關(guān)系Fig.1 Assembly Relationship Between Pin Rail and Middle Through

對(duì)采煤機(jī)各零部件添加約束，在平滑靴與鏟煤板、導(dǎo)向滑靴與銷軌、行走輪與銷軌之間創(chuàng)建接觸。接觸力通過沖擊函數(shù)法計(jì)算[7]，沖擊函數(shù)示意圖，如圖2所示。接觸力由兩部分組成，一個(gè)是部件相互切入而產(chǎn)生的彈性力，另外一個(gè)是兩構(gòu)件相對(duì)速度產(chǎn)生的阻尼力[8-9]。其函數(shù)表達(dá)式，如式（1）所示：

圖2 沖擊函數(shù)示意圖Fig.2 Diagram of Impact Function

式中：K—接觸剛度系數(shù)，N·m-3/2；x1—位移開關(guān)量，mm；x—兩物體的初始實(shí)際距離，mm；n—碰撞力的指數(shù)；d—法向穿透深度，mm；c—接觸過程中最大阻尼系數(shù)，N/（S·mm）；—相對(duì)速度，mm/s。

計(jì)算接觸力的各參數(shù)需要在ADAMS軟件中設(shè)定，接觸剛度系數(shù)根據(jù)赫茲接觸理論計(jì)算得到[10]。接觸剛度系數(shù)與所接觸物體表面的幾何形狀有關(guān)，一般需要把其他類型的接觸轉(zhuǎn)化為齒輪接觸類型，齒輪接觸剛度系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中：R—兩齒輪嚙合的等效半徑，mm；

R1、R2—兩嚙合齒輪接觸點(diǎn)的半徑，mm；

E1、E2—兩嚙合齒輪材料的彈性模量，Pa；

μ1、μ2—兩嚙合齒輪材料的泊松比。

將前后滾筒截割煤壁的三向力載荷曲線分別施加在前后滾筒的質(zhì)心處[11]，從而實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)截割煤壁的目的。最終創(chuàng)建的采煤機(jī)虛擬樣機(jī)，如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)虛擬樣機(jī)模型Fig.3 Virtual Prototype Model of Shearer

2.3 虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真

設(shè)定采煤機(jī)牽引速度為15.6m/min，仿真求解時(shí)間為15s，仿真步長(zhǎng)為0.001s[12]。

采煤機(jī)在直線截割煤壁時(shí)，煤壁對(duì)采煤機(jī)前滾筒在垂直底板方向（Z向）上有向上的合力，而對(duì)后滾筒在垂直底板方向上有向下的合力，所以鏟煤板對(duì)后平滑靴的支撐力大于前平滑靴支撐力[13]?？赏茢嗖擅簷C(jī)在截割煤壁時(shí)，后平滑靴對(duì)中部槽的影響較大。在對(duì)中部槽進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，選取后平滑靴處的接觸力作為中部槽所受載荷。

由上節(jié)分析可知每個(gè)銷軌座都受到兩個(gè)銷軌連接耳的作用，因此為了方便后續(xù)載荷施加，可將作用在同一銷軌座上的兩銷軌耳上的同向載荷求和，并導(dǎo)出作用在左右銷軌座的兩向載荷曲線，如圖4、圖5所示。后平滑靴對(duì)鏟煤板的豎直載荷，如圖6所示。

圖4 銷軌座所受Y向力Fig.4 Y Force of Pin Rail Seat

圖5 銷軌座所受Z向力Fig.5 Z Force of Pin Rail Seat

圖6 后平滑靴支撐力曲線Fig.6 Supporting Force Curve for Smoothing Boots

3 中部槽動(dòng)力學(xué)分析

3.1 中部槽模型的建立

這里對(duì)比分析中部槽底部煤巖底板平整和不平整兩種工況下中部槽槽幫應(yīng)力分布結(jié)果。下面以煤巖底板平整為例介紹仿真分析過程。

中部槽主要是由槽幫、中板和封底板等組成[14]。為了簡(jiǎn)化分析，將這些部件全部粘結(jié)在一起，作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。應(yīng)用Pro/E軟件創(chuàng)建中部槽三維模型。為真實(shí)地模擬采煤機(jī)直線截割工況，反映相鄰中部槽之間的相互作用，本次研究采用三節(jié)中部槽進(jìn)行仿真分析。中部槽下方模型模擬實(shí)際工況下的煤巖底板，滑塊模擬平滑靴，用啞鈴銷將三節(jié)中部槽進(jìn)行連接裝配。煤巖底板平整與不平整時(shí)的裝配模型，如圖7、圖8所示。

圖7 煤巖底板完整中部槽裝配模型Fig.7 Assembly Model of Middle Trough of Complete Coal Rock Floor

圖8 煤巖底板部分缺失中部槽裝配模型Fig.8 Assembly Model of Middle Trough of Partially Missing Coal Rock Floor

3.2 材料模型的選擇

ANSYS/LS-DYNA系統(tǒng)內(nèi)部包含豐富的材料模型。選擇彈性和剛性兩種材料。選擇剛性材料的目的主要是為了盡量在不影響分析結(jié)果的基礎(chǔ)上節(jié)省計(jì)算資源，縮短計(jì)算時(shí)間。本次仿真著重分析中部槽槽幫的應(yīng)力分布情況，因此將中部槽設(shè)定為線彈性材料，啞鈴銷和平滑靴不是研究重點(diǎn)，定義為剛性材料。為更好地模擬實(shí)際接觸變形，底板采用煤巖材料模型，中部槽材料為ZG30MnSi。中部槽和底板材料參數(shù)，如表1所示。

表1 中部槽及底板材料參數(shù)Tab.1 Material Parameters of Middle Trough and Floor

3.3 網(wǎng)格劃分

中部槽和啞鈴銷形狀不規(guī)則，采用6級(jí)智能網(wǎng)格劃分，平滑靴和煤巖底板形狀規(guī)則，采用掃掠方式進(jìn)行劃分，模型均采用實(shí)體單元類型。劃分結(jié)果，如圖9所示。

圖9 中部槽有限元模型Fig.9 Finite Element Model of Middle Trough

3.4 定義接觸

為了反映中部槽之間、中部槽和啞鈴銷、中部槽和平滑靴以及中部槽和底板之間的相互作用，需要對(duì)它們進(jìn)行接觸設(shè)置。在定義接觸之前需要將模型生成part，ANSYS軟件會(huì)把采用相同單元、材料和實(shí)常數(shù)的模型生成一個(gè)part。本次仿真所有接觸均采用面面自動(dòng)接觸類型。

3.5 約束和載荷的確定

在實(shí)際工況中，中部槽連接體系的受力情況比較復(fù)雜[15]。在有限元分析時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)中部槽進(jìn)行理想化約束。煤巖底板和中部槽的約束，如圖10所示。啞鈴銷限制在中部槽啞鈴窩里面，起連接兩塊中部槽的作用。將設(shè)定的接觸條件作為啞鈴銷的邊界條件。

圖10 約束中部槽和底板Fig.10 Constrains the Middle Trough and the Bottom Plate

將從虛擬樣機(jī)中導(dǎo)出的載荷曲線施加在對(duì)應(yīng)的受載區(qū)域。將速度曲線施加在平滑靴上，定義平滑靴Y向（牽引方向）速度為-0.26m/s，設(shè)置平滑靴與鏟煤板的摩擦系數(shù)。

3.6 求解設(shè)置

為了將載荷作用時(shí)刻與平滑靴行走位置相匹配，且保證采煤機(jī)完整走過一節(jié)中部槽，設(shè)置求解時(shí)間為15s，輸出時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s。設(shè)置輸出文件為L(zhǎng)S-DYNA類型，最后輸出K文件。在后處理軟件中手動(dòng)修改K 文件，把中部槽材料模型改為3 號(hào)*MAT_PLASTIC_KINEMATIC金屬材料模型，底板材料模型改為193號(hào)*MAT_Drucker_Prager煤巖材料模型。最后提交K文件進(jìn)行求解。

3.7 結(jié)果分析

求解完成后提取中間中部槽不同時(shí)刻的等效應(yīng)力云圖，如圖11所示。通過應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，高應(yīng)力區(qū)域主要集中在鏟煤板肋板根部和啞鈴窩處。與實(shí)際損壞的中部槽對(duì)比可知，高應(yīng)力區(qū)域和實(shí)際開裂位置完全一致。實(shí)際損壞的中部槽，如圖12所示。

圖11 中部槽等效應(yīng)力云圖Fig.11 Middle Through Equivalent Stress Nephogram

圖12 損壞的中部槽Fig.12 Damaged Middle Trough

由應(yīng)力云圖可知中部槽槽幫開裂的主要原因是平滑靴對(duì)鏟煤板的作用。采煤機(jī)的質(zhì)量主要集中在機(jī)身、搖臂和滾筒上，而搖臂和滾筒處在平滑靴側(cè)，即采煤機(jī)重心處于平滑靴側(cè)。所以平滑靴對(duì)中部槽的作用力相對(duì)較大。當(dāng)平滑靴將載荷作用在鏟煤板上時(shí)，鏟煤板有向下的位移變形，而槽幫上的肋板對(duì)鏟煤板的變形有阻礙作用，因此肋板主要受到拉應(yīng)力作用。采煤機(jī)直線截割煤壁時(shí)，銷軌對(duì)銷軌座在豎直方向上時(shí)而有向下壓的作用，時(shí)而有向上拉的作用，且作用力相對(duì)較小。所以對(duì)中部槽后槽幫的作用較小，后槽幫上也沒有出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)。

由仿真結(jié)果可知，槽幫上高應(yīng)力區(qū)域主要出現(xiàn)在肋板根部和啞鈴窩處。在中間中部槽第一根肋板根部高應(yīng)力區(qū)域選取典型單元并提取這些單元的應(yīng)力時(shí)間曲線，如圖13所示。由圖可知5號(hào)單元在3.9s時(shí)出現(xiàn)最大等效應(yīng)力242MPa。

圖13 底板完整肋板根部典型單元應(yīng)力時(shí)間曲線Fig.13 Stress Time Curve of Typical Element of Bottom Plate Complete rib Plate of Root

選取中間中部槽左側(cè)啞鈴窩處高應(yīng)力區(qū)域典型單元并提取單元應(yīng)力時(shí)間曲線，如圖14所示。由圖可知4.1s時(shí)啞鈴窩處2號(hào)單元出現(xiàn)最大等效應(yīng)力283MPa，小于該材料的屈服強(qiáng)度。可以認(rèn)為中部槽在該工況下不會(huì)直接發(fā)生斷裂失效。同樣的方法模擬直線截割工況下中部槽左側(cè)底板部分懸空狀態(tài)下的情況，分析肋板根部和啞鈴窩處應(yīng)力變化情況。結(jié)果表明中部槽高應(yīng)力區(qū)域還是集中在肋板根部和啞鈴窩處。提取肋板根部和啞鈴窩處高應(yīng)力區(qū)域典型單元分析應(yīng)力變化情況，如圖15、圖16所示。由應(yīng)力時(shí)間曲線可知，肋板根部9號(hào)單元在2.8s時(shí)出現(xiàn)最大等效應(yīng)力316MPa，啞鈴窩處5 號(hào)單元在4.1s 時(shí)出現(xiàn)最大等效應(yīng)力317MPa。與底板不懸空相比肋板根部最大等效應(yīng)力增大74MPa，啞鈴窩處最大等效應(yīng)力增大34MPa。顯然底板懸空對(duì)中部槽的影響較大。雖然在這兩種工況下肋板根部與啞鈴窩處最大等效應(yīng)力均未超過該材料的屈服極限，但是如果中部槽長(zhǎng)時(shí)間在懸空工況下工作，槽幫很容易因?yàn)槠诙l(fā)生斷裂失效。

圖14 地板完整時(shí)啞鈴窩處典型單元應(yīng)力時(shí)間曲線Fig.14 Stress time Curve of Typical Element of Bottom Plate Complete Dumbbell Nest

圖15 底板部分懸空肋板根部典型單元應(yīng)力時(shí)間曲線Fig.15 Stress Time Curve of the Typical Element at the Root of the Ribbed Plate when the Bottom Plate is Suspended

圖16 底板部分懸空啞鈴窩處典型單元應(yīng)力時(shí)間曲線Fig.16 Stress Time Curves of Dumbbell Nest at the Bottom Plate Suspended

4 結(jié)論

（1）利用ADAMS軟件對(duì)采煤機(jī)直線截割工況下虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析，由導(dǎo)出的載荷曲線可知平滑靴對(duì)鏟煤板的豎直方向作用力始終向下，而導(dǎo)向滑靴對(duì)后槽幫的豎直方向作用力并不是始終向下。仿真結(jié)果與實(shí)際情況相符。（2）通過ANSYS-LSDYNA對(duì)中部槽進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析可知，采煤機(jī)在直線截割工況下高應(yīng)力區(qū)域主要集中在肋板根部和啞鈴窩處，與中部槽實(shí)際開裂的位置一致，從理論上解釋了中部槽開裂的原因。（3）應(yīng)盡量避免中部槽底板處于懸空狀態(tài)下工作。中部槽處于懸空狀態(tài)下工作，槽幫處等效應(yīng)力急劇增大，更容易引起中部槽疲勞開裂。