不同地質(zhì)條件下掘錨機(jī)的行駛通過性能分析

陳洪月，元世浩,?；⒚鳎瑥埖律?鐘東虎

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000； 3.天地科技股份有限公司開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

為解決當(dāng)前巷道綜掘工作面的智能化程度低，掘進(jìn)效率低下的問題，眾多煤礦企業(yè)開始引進(jìn)掘錨機(jī)等綜掘設(shè)備。能否適應(yīng)井下工況條件成為引進(jìn)煤礦設(shè)備的主要參考因素。研究掘錨機(jī)行駛通過性也就是研究履帶車輛地面力學(xué)，主要任務(wù)是用理論分析和仿真試驗(yàn)的方法揭示其在不同底板上的行駛特性及底板承載能力，從而達(dá)到充分發(fā)揮掘錨機(jī)工作能力這一目的，使其更好的服務(wù)于煤礦生產(chǎn)。

國內(nèi)外有關(guān)車輛通過性的研究中以BEKKER[1]的研究最具有代表性，他系統(tǒng)、全面地總結(jié)了20世紀(jì)60年代以前支承通過性的研究成果，并且深入、全面闡述了汽車在硬質(zhì)路面上的越障能力。19世紀(jì)50年代，BEKKER先后推導(dǎo)出了土壤剪切特性和承壓特性的應(yīng)力-應(yīng)變公式，這些公式在之后的幾十年中得到了廣泛的應(yīng)用。我國對車輛地面力學(xué)的研究也發(fā)展于該時(shí)期，并陸續(xù)在車輛通過性、水田作業(yè)機(jī)械化和土壤值的測試方面展開研究。

進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，車輛地面力學(xué)在國內(nèi)外更是取得了飛速發(fā)展。GERHART等[2]利用BEKKER地面力學(xué)模型研究了不同尺寸和質(zhì)量的履帶車輛和輪式車輛在不同條件下的行駛特性。美國密西根大學(xué)的馬正東等[3]運(yùn)用超單元法對負(fù)重輪-履帶-地面的相互作用的動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行了深入研究。日本的YOSHIDA等[4]基于滑轉(zhuǎn)率牽引模型進(jìn)行了月球車動(dòng)力學(xué)模擬。北京理工大學(xué)的韓寶坤等[5]進(jìn)一步分析了高速履帶車輛平穩(wěn)性能仿真及影響因素。SHILLER等[6]提出一種考慮縱向地面力學(xué)模型評價(jià)越野車縱向的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的方法。北京理工大學(xué)的孫逢春等[7]研究了履帶式車輛斜坡轉(zhuǎn)向時(shí)的動(dòng)力學(xué)特性。北方車輛研究所的盧進(jìn)軍等[8]完成了基于RecurDyn的履帶車輛啟動(dòng)加速過程滑轉(zhuǎn)率仿真與試驗(yàn)研究。宿月文等[9]進(jìn)行了履帶機(jī)械地面力學(xué)建模及牽引性能仿真與試驗(yàn)。英國的AL-MILLI[10]提出了一種履帶式車輛的動(dòng)態(tài)分析和軟地面通過性能預(yù)測的新模型。LYASKO等[11]提出了一個(gè)考慮履帶板滑移-沉陷的預(yù)測車輛行駛阻力的方法。

近年來，對于履帶車輛軟路面行駛實(shí)時(shí)仿真的研究也越來越多。MADSEN等[12]對越野車模型進(jìn)行了基于物理的車輛/地形相互作用仿真分析。AZIMI等[13]進(jìn)行了行星車輪的交互模擬和分析。北京理工大學(xué)的呂唯唯等[14]深入研究了高加載速率下可變形地面土壤的特性。楊聰彬等[15]研究了高速履帶與軟路面的附著特性。江蘇大學(xué)的丁肇等[16]研究了履帶式行走機(jī)構(gòu)壓實(shí)作用下土壤應(yīng)力分布均勻性分析。陸軍工程大學(xué)的何健等[17]通過仿真研究了基于改進(jìn)土壤承壓模型的履帶車輛行駛振動(dòng)特性。中南大學(xué)的戴瑜等[18]針對深海履帶式集礦機(jī)進(jìn)行了多體動(dòng)力學(xué)建模與行走性能仿真分析。

以往研究大多建立動(dòng)力學(xué)模型通過仿真模擬履帶運(yùn)動(dòng)過程，或者建立數(shù)學(xué)模型通過計(jì)算求解目標(biāo)參數(shù)。而巷道底板作為離散型物質(zhì)，是顆粒和顆粒黏結(jié)體的集合，特別是履帶的存在使得履帶—底板的動(dòng)力學(xué)關(guān)系更加難以刻畫。通過離散元軟件與多體動(dòng)力學(xué)軟件耦合仿真，可以更為準(zhǔn)確的刻畫掘錨機(jī)履帶與底板煤和矸石的接觸過程，從而為巷道掘進(jìn)過程中底板變形與掘錨機(jī)動(dòng)態(tài)分析提供依據(jù)。

1 掘錨機(jī)組成及模型建立

1.1 MB670掘錨機(jī)

MB670-1掘錨一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)截割與支護(hù)平行作業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。該型掘錨機(jī)主要由截割系統(tǒng)、錨桿機(jī)系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)、裝載系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、降塵系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 掘錨機(jī)模型建立

在三維建模軟件SolidWorks中通過各種命令建立掘錨機(jī)零件三維模型，將裝配完成后的整機(jī)模型保存為x_t格式。

借助動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn中Track/HM工具包，建立如圖2所示高速履帶子系統(tǒng)[19]。履帶子系統(tǒng)包括1個(gè)后置驅(qū)動(dòng)輪、1個(gè)前置誘導(dǎo)輪、16個(gè)負(fù)重輪、8個(gè)托帶輪和93個(gè)履帶板。

圖2 履帶動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 Track dynamic model

參照履帶板零件圖，建立如圖3所示的履帶板模型，表1為履帶板主要參數(shù)。

圖3 履帶板零件與模型Fig.3 Track shoe parts and models

表1 履帶板模型參數(shù)Table 1 Track shoe model parameters mm

將機(jī)身模型導(dǎo)入到RecuDyn中并移動(dòng)到合適位置，重命名為MB670機(jī)身，選擇MB670機(jī)身為履帶母系統(tǒng)。掘錨機(jī)整機(jī)模型如圖4所示，表2為掘錨機(jī)主要參數(shù)。

圖4 掘錨機(jī)模型Fig.4 Bolter miner model

表2 掘錨機(jī)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of tunneling machine

2 地形對掘錨機(jī)通過性能的影響

以國內(nèi)某礦區(qū)5-2煤層為背景，資料顯示該煤層屬特厚煤層，整體賦存較穩(wěn)定，埋藏深度為79.8～202.3 m，煤層橫向傾角β為1°～3°，縱向坡度i為5%～17%(坡度角為α,i=tanα,α為正時(shí)，代表上坡,α為負(fù)時(shí)，代表下坡)。厚度變化幅度相對較小，煤層的兩極厚度為5.85～6.20 m，平均厚度為6.07 m，煤層結(jié)構(gòu)較為簡單[20]，滿足掘錨機(jī)運(yùn)行條件。

2.1 巷道底板模型

RecurDyn中提供了Ground模塊，底板模型采用多個(gè)三角形平面單元及其法向方向確定，每塊三角形單元可以記住最大沉陷量、最大壓力、剪應(yīng)變和剪應(yīng)力，以計(jì)算正壓力和水平摩擦力。根據(jù)5-2煤層地質(zhì)勘探報(bào)告[20]，在RecurDyn中建立如圖5所示以O(shè)，M為起停點(diǎn)，A，B，C，…，L為不同地形轉(zhuǎn)折節(jié)點(diǎn)的底板模型。并參考5-2煤層煤巖體物理學(xué)參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)[20]，確定底板特征參數(shù)見表3。

表3 底板接觸參數(shù)Table 3 Floor contact parameters

圖5 底板模型Fig.5 Floor model

2.2 行駛特性分析

根據(jù)仿真結(jié)果，標(biāo)定履帶到達(dá)各位置的時(shí)刻為T1，離開各位置的時(shí)刻為T2，位置與時(shí)刻對應(yīng)關(guān)系見表4。按時(shí)間先后，同一位置的T1→T2對應(yīng)掘錨機(jī)在兩種地形上運(yùn)動(dòng)，相鄰位置的T2→T1對應(yīng)掘錨機(jī)在單一地形上運(yùn)動(dòng)。例如:TA1→TA2對應(yīng)掘錨機(jī)從地形OA運(yùn)動(dòng)到地形AB，TA2→TB1對應(yīng)掘錨機(jī)在地形AB上運(yùn)動(dòng)。

以125 s和216 s為斷點(diǎn)將仿真分為3個(gè)階段，見表4。其中125 s是地形DE與地形EF的分界點(diǎn)，216 s是地形HI與地形IJ的分界點(diǎn)。

表4 位置與時(shí)間對照Table 4 Location and time comparison

掘錨機(jī)行駛時(shí)，由于底板在提供推力時(shí)發(fā)生剪切變形，故履帶的接地面相對地面有向后的滑動(dòng)，稱為滑轉(zhuǎn)，為了描述掘錨機(jī)的滑轉(zhuǎn)程度，引入履帶滑轉(zhuǎn)率k:

(1)

式中,v為履帶實(shí)際速度;V為理論速度，由表2可知理論最大行駛速度為15 m/min，即V為250 mm/s;vj為履帶相對地面的滑轉(zhuǎn)速度。

當(dāng)車輛滑轉(zhuǎn)時(shí)，vj與車輛行駛方向相反;反之，當(dāng)車輛滑移時(shí)，vj與車輛行駛方向相同。

圖6給出了掘錨機(jī)理論速度、實(shí)際速度和滑轉(zhuǎn)率的變化曲線。根據(jù)圖6(a)，在OE上坡段平均速度隨坡度升高而降低，在EI下坡段平均速度隨坡度減小有所增大。在E點(diǎn)處和I點(diǎn)處速度波動(dòng)最大，因?yàn)閮商幤露确謩e改變了17%和15%，縱向地形改變導(dǎo)致掘錨機(jī)穩(wěn)定性下降。由圖6(b)可知，隨著坡度角增大，滑轉(zhuǎn)率增大，滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，掘錨機(jī)在5-2煤層穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的最大平均滑轉(zhuǎn)率約為0.214，代表掘錨機(jī)耗能比理論多21.4%，因此在井下要盡量避免掘進(jìn)大坡度巷道。

圖6 速度與滑轉(zhuǎn)率Fig.6 Speed and slip rate curve

掘錨機(jī)姿態(tài)可用俯仰角、偏航角和側(cè)滾角描述。如圖7所示，俯仰角是機(jī)體繞左右軸線旋轉(zhuǎn)的角度，偏航角是機(jī)體繞上下軸線旋轉(zhuǎn)的角度，側(cè)滾角是機(jī)體繞前后軸線旋轉(zhuǎn)的角度。

由圖8(a)可知,I點(diǎn)之前掘錨機(jī)俯仰角只受坡度影響，坡度增大(減小)時(shí)俯仰角增大(減小)，坡度不變時(shí)俯仰角為定值，機(jī)身最大仰角為9.6°，最大俯角為8.5°。I點(diǎn)之后底板既有坡度角又有傾角，俯仰角不等于坡度角，但符合坡度角大于0°時(shí)為仰角，坡度角小于0°時(shí)為俯角。圖8(a)中，E和I兩處俯仰角在15 s內(nèi)變化了9.6°和8.5°，姿態(tài)變化大則機(jī)身穩(wěn)定性差。由圖8(b)可知，最大俯仰角加速度發(fā)生在E處，其值為0.18 rad/s2，可見掘錨機(jī)在E處振動(dòng)最大，穩(wěn)定性最差。

圖8 俯仰角與角加速度曲線Fig.8 Pitch angle and angular acceleration curve

根據(jù)表4將偏航角、偏移量和側(cè)滾角曲線分為3段，如圖9所示。階段1實(shí)際航向與理論方向偏差很小，且時(shí)而偏左時(shí)而偏右，這是因?yàn)镺E段整體呈凹形，該類地形可以在航向偏離時(shí)通過對兩履帶作用力差減弱甚至改變偏離程度。階段2偏航角基本維持在階段1末時(shí)角度，可見EI段凸形底板對偏離程度基本無影響。階段3，由于底板向右傾斜導(dǎo)致掘錨機(jī)朝右側(cè)偏移，偏移量增大，圖9(a)顯示在該階段存在2次偏航角減小現(xiàn)象，是I，L兩處凹形底板對掘錨機(jī)的糾偏作用造成的。偏移量可看作偏航角在時(shí)間上的積累，所以偏移量在階段1最小，只有10 mm左右。由于偏航角固定，在階段2偏移量呈線性增長，該階段掘錨機(jī)向前運(yùn)動(dòng)19.7 m，偏移量增加57.4 mm，即平均每前進(jìn)1 m偏移量增加2.9 mm。在階段3偏移量呈幾何增長，掘錨機(jī)前進(jìn)了17.8 m，偏移量增加了371 mm，掘錨機(jī)最終偏移量為424 mm。

側(cè)滾角是描述掘錨機(jī)傾斜程度的物理量，根據(jù)圖9(c)，在前2階段機(jī)身保持水平，階段3受底板右傾影響側(cè)滾角先增大后減小，機(jī)身最大傾斜角度為2.6°。

3 地質(zhì)對掘錨機(jī)通過性能的影響

地質(zhì)勘探顯示5-2煤層底部有2層夾矸，厚度分別為20和50 mm，巖性為泥巖[20]。由于掘錨機(jī)質(zhì)量過大容易造成底板破碎變形，而底板變形也帶來了履帶行駛時(shí)前后的晃動(dòng)、左右的搖擺和上下的顛簸，導(dǎo)致掘錨機(jī)振動(dòng)，對于在狹窄巷道作業(yè)的掘錨機(jī)來說，這種振動(dòng)無疑是不利的。除此之外，底板變形還會(huì)破壞底板-支柱-頂板在工作面垂直方向形成的穩(wěn)定力學(xué)系統(tǒng)。因此有必要研究底板應(yīng)力-應(yīng)變和掘錨機(jī)在變形底板上運(yùn)行情況。

3.1 顆粒底板模型

根據(jù)5-2煤層煤巖體物理學(xué)參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)[20]，取煤、煤(含水)、矸石和鋼的物理參數(shù)見表5，接觸參數(shù)見表6。煤顆粒半徑設(shè)為20 mm，矸石顆粒半徑設(shè)為15 mm，接觸半徑取顆粒實(shí)際半徑的1.2倍，則煤的接觸半徑為24 mm，矸石的接觸半徑為18 mm。

表5 材料物理參數(shù)Table 5 Material physical parameters

表6 材料接觸參數(shù)Table 6 Material contact parameters

選擇接觸模型為Hertz-Mindlin with bonding，在煤間、含水煤間、煤與矸石及矸石間形成黏結(jié)鍵，若鍵被破壞則顆?；謴?fù)彈性接觸模型自由運(yùn)動(dòng)。圖10為多次填充得到的全煤、含水煤、含30 mm矸石和含60 mm矸石4類煤層底板。

圖10 底板模型Fig.10 Floor model

參照煤巖體物理學(xué)參數(shù)測定實(shí)驗(yàn)[20]，依據(jù)毛君等[21]在煤層傾角對滾筒工作性能影響的仿真研究中黏結(jié)參數(shù)的設(shè)定方法，取煤層黏結(jié)參數(shù)見表7。層理間黏結(jié)參數(shù)相差0.2倍，上層硬度小于下層。由于水進(jìn)入圍巖體節(jié)理裂隙內(nèi)部形成水壓作用，圍巖體的裂隙擴(kuò)展發(fā)育，最終導(dǎo)致了圍巖體介質(zhì)的承載強(qiáng)度降低[22]，取含水煤層的黏結(jié)參數(shù)為自然煤層的0.5倍。

表7 煤粒黏結(jié)參數(shù)Table 7 Coal binding parameters

3.2 耦合仿真簡介

RecurDyn具有與粒子求解器共同仿真的能力。RecurDyn與顆粒求解器EDEM聯(lián)合仿真時(shí)，可以準(zhǔn)確地分析履帶與土壤的相互作用模型。以下是執(zhí)行協(xié)同仿真的步驟[19]:

(1)在RecurDyn中創(chuàng)建掘錨機(jī)模型;

(2)從掘錨機(jī)模型中創(chuàng)建履帶部分wall文件;

術(shù)后產(chǎn)生尿潴留的危險(xiǎn)因素主要有年齡、術(shù)中補(bǔ)液量、手術(shù)時(shí)間、≥11.25 mg麻醉藥量及術(shù)后鎮(zhèn)痛等，見表2。

(3)從RecurDyn導(dǎo)出wall文件;

(4)在EDEM中建立底板模型;

(5)將wall文件導(dǎo)入到EDEM中，并調(diào)整到適當(dāng)位置，耦合模型如圖11所示;

(6)點(diǎn)擊EDEM中Start Coupling Server選項(xiàng)，準(zhǔn)備進(jìn)行協(xié)同仿真;

(7)在RecurDyn中運(yùn)行協(xié)同仿真;

(8)在RecurDyn和EDEM中進(jìn)行后處理分析。

3.3 地質(zhì)對爬坡性能的影響

根據(jù)MB670型掘錨機(jī)在煤巷快速掘進(jìn)中的應(yīng)用[23]，掘錨機(jī)的縱向適應(yīng)坡度角為18°，但在井下不同地質(zhì)條件下掘錨機(jī)的爬坡性能會(huì)有所差異。將掘錨機(jī)模型移動(dòng)到顆粒底板中間位置，通過改變重力加速度在x和y方向上的分量來模擬不同爬坡角度。掘錨機(jī)在坡面上由靜止加速到最大速度，若仿真結(jié)束時(shí)的實(shí)際速度大于0則稱掘錨機(jī)能適應(yīng)該坡度，反之則不適應(yīng)。

初始角度設(shè)為18°，若結(jié)果為適應(yīng)則坡度增加，反之則減小，坡度間隔為2°，直到相鄰兩組數(shù)據(jù)反向則取兩者中間值為最后一組變量。表8給出了掘錨機(jī)對不同坡度、底板的適應(yīng)性情況。

根據(jù)表8數(shù)據(jù)可得4種地質(zhì)下速度與坡度角關(guān)系如圖12所示。

表8 坡度、底板適應(yīng)性情況Table 8 Adaptability of slope and floor

由圖12可以預(yù)測掘錨機(jī)在全煤層的爬坡角度略高于19°，含水煤層的爬坡角度略低于19°，在含30 mm矸石煤層的爬坡角度約為19.5°，在含60 mm矸石煤層的爬坡角度為17°。這是由于薄矸石層在履帶擠壓下易破碎，含30 mm矸石煤層上的矸石在破碎后增大了底板的粗糙程度，因此爬坡性能增強(qiáng)，而60 mm矸石煤層上的矸石厚度大于矸石直徑導(dǎo)致底板摩擦力在矸石顆粒的碰撞中消減，因此爬坡性能降低。所以底板表面保留少量矸石可以提高掘錨機(jī)的行駛性能。同時(shí)根據(jù)圖12中折線斜率可以得出當(dāng)滾動(dòng)摩擦因數(shù)增大后，含水煤層上掘錨機(jī)速度受坡度的影響降低。

3.4 接地比壓與底板變形

接地比壓是掘錨機(jī)行駛通過性的一個(gè)重要參數(shù)，受重心位置、履帶板參數(shù)、接地長度和承重輪個(gè)數(shù)及分布影響，接地比壓并不是均勻分布的。圖13給出了4種底板上掘錨機(jī)各承重輪壓力分布情況。

圖13 掘錨機(jī)壓力分布Fig.13 Pressure distribution of bolter miner

由圖13可知，受履帶張緊力和模型重心靠前影響，1號承重輪受力最大，16號承重輪壓力次之，2～5號承重輪受地質(zhì)影響較大，6～9號較小，10～15號居中，因此1號和16號承重輪容易因承載過大發(fā)生變形、斷裂，2～5號承重輪容易發(fā)生疲勞損壞。

將履帶接地段從前往后分為15段，每段履帶接地比壓由式(2)計(jì)算，得到各位置接地比壓如圖14所示。

圖14 履帶接地比壓Fig.14 Ground pressure of track

(2)

式中,Fi為第i個(gè)承重輪所受壓力；Pi為兩承重輪下方履帶板的平均接地比壓；A為單側(cè)履帶接地面積，即履帶板寬度與接地長度的積。

4種地質(zhì)條件下掘錨機(jī)的平均接地比壓均處于26～27 N/cm2內(nèi)，小于理論值28 N/cm2，這是由于取各承重輪壓力為仿真過程中的平均值，與實(shí)際情況有所差距，誤差在5%左右，因此數(shù)據(jù)具有較高的可信度。由圖14可知，履帶前后端接地比壓遠(yuǎn)大于其他位置，其中以前端處接地比壓最大，約為其他位置的1.2～1.8倍。除含30 mm矸石煤層上履帶前段接地比壓大于后段外，其他3類底板皆為后段大于前段，其中以含60 mm矸石煤層上最為明顯，由此可見少量矸石可降低重心位置對比壓分布的影響。

圖15以顏色劃分顆粒位置，綠色為顆粒初始位置，紅色表示位置升高，藍(lán)色表示位置降低?？梢钥闯龊?0 mm矸石底板形變量最大，含30 mm矸石底板變形較小，全煤和含水煤層底板無明顯變形。

圖15 顆粒位移云圖Fig.15 Particle displacement cloud

底板變形程度可通過顆粒移動(dòng)速度加以區(qū)分，速度越大則代表底板變形越嚴(yán)重。以變形最大的含60 mm矸石煤層為例，圖16給出了底板在縱向和橫向上的變形?？梢钥闯觯装逶谑艿铰膸D壓時(shí)發(fā)生約30 mm沉陷，同時(shí)履帶前端產(chǎn)生推土效應(yīng)，大部分矸石被抬高堆積在履帶前方，其余部分被擠壓到履帶底部和履帶兩側(cè)，形成履帶軌跡，堆積高度約50 mm，形狀和位置如圖16所示。若以20 mm/s為最大變形速度，則底板變形深度為150 mm，最大形變由履帶前端擠壓造成。

3.5 地質(zhì)條件對行駛特性的影響

圖17給出了掘錨機(jī)在4類底板上的速度與加速度曲線。由圖17(a)可以得出，當(dāng)煤層上方留有30 mm矸石時(shí)，速度波動(dòng)較全煤底板下降50%，當(dāng)矸石層厚度增加到60 mm時(shí)，前期速度波動(dòng)為全煤時(shí)的3倍，后期與30 mm矸石底板一致，含水煤層上的速度變化與含30 mm矸石煤層一致。加速度規(guī)律與速度相似，根據(jù)圖17(b)可以得出掘錨機(jī)在全煤底板上振動(dòng)逐漸增大，最大加速度為570 mm/s2，在60 mm矸石底板上，掘錨機(jī)前期振動(dòng)較大，在含水煤層和含30 mm矸石煤層上加速度整體較小，機(jī)身振動(dòng)也較弱。

圖17 x方向速度和加速度曲線Fig.17 Speed and acceleration curves in x direction

從圖18(a)可以看出，掘錨機(jī)沉陷深度隨著含矸量的增加而增加，含水煤層底板變形略大于全煤底板。履帶在全煤層沉陷深度為13 mm，在含水煤層為15 mm，在含30 mm矸石煤層上沉陷深度為17 mm，在含60 mm矸石煤層上沉陷深度為33 mm。圖18(b)中加速度在初始時(shí)刻最大，之后降低到0刻度線附近，并且含矸越多加速度值下降的越快，含60 mm矸石底板上振動(dòng)時(shí)間最短。

圖18 y方向質(zhì)心沉陷和加速度曲線Fig.18 Centroid subsidence and acceleration curves in y direction

由于填充底板表面較平整，可以排除地形對左右履帶的影響。10 s內(nèi)掘錨機(jī)在全煤層、含水煤層和含60 mm矸石煤層上的偏移量不超過7 mm，而在含30 mm矸石煤層上的偏移量為17 mm。這是因?yàn)轫肥瘜虞^薄時(shí)，由于各位置矸石層厚度有大有小，因此與履帶接觸的矸石可與矸石接觸也可與下層煤塊直接接觸，導(dǎo)致履帶摩擦力不同，從而出現(xiàn)左右履帶運(yùn)動(dòng)不一致的現(xiàn)象。圖19(a)顯示在含30 mm矸石底板上，掘錨機(jī)右側(cè)履帶牽引力略大于左側(cè)。而對于全煤層、含水煤層和矸石層厚的底板來說，左右履帶接地情況基本一致，因此偏移量小，機(jī)身橫向振動(dòng)也較小。

圖19 z方向偏移量和加速度曲線Fig.19 Lateral offset and acceleration curves in z direction

4 結(jié) 論

(1)掘錨機(jī)在模擬5-2煤層底板上的速度波動(dòng)與機(jī)身振動(dòng)主要來自縱向地形變化，穩(wěn)定地形上的振動(dòng)遠(yuǎn)小于變化的地形，坡度越大時(shí)，掘錨機(jī)速度越小，滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象越嚴(yán)重，耗能增加,5-2煤層底板上掘錨機(jī)的最大平均滑轉(zhuǎn)率為0.214。

(2)偏航角和側(cè)滾角對地形變化有相似的反應(yīng)，都主要受橫向地形的影響，在地形傾斜時(shí)兩者角度增大。研究發(fā)現(xiàn)地形呈凹形時(shí)能夠有效改善掘錨機(jī)偏離程度。

(3)掘錨機(jī)在4種底板上的最大爬坡角度分別為:全煤層略高于19°、含水煤層略低于19°、含30 mm矸石煤層約為19.5°，含60 mm矸石煤層為17°。

(4)接地比壓主要與掘錨機(jī)自身參數(shù)有關(guān)，4種底板上的平均接地比壓均在26～27 N/cm2，但含矸量會(huì)影響履帶壓力分布和機(jī)身穩(wěn)定性，含矸量越多接地比壓分布越不均勻，底板變形量也越大。含矸量少時(shí)掘錨機(jī)在橫向上的偏移量和振動(dòng)較大。