MG700/2160WD 型采煤機(jī)振動(dòng)截割系統(tǒng)仿真分析

王成志

（江蘇徐礦能源股份有限公司， 江蘇 徐州 221000）

引言

隨著對(duì)采煤效率的要求不斷提高，采煤機(jī)作為采煤作業(yè)的重要設(shè)備，其截割能力已經(jīng)成為制約采煤效率的關(guān)鍵因素。將振動(dòng)截割技術(shù)運(yùn)用在采煤機(jī)上，可有效改善采煤作業(yè)時(shí)截齒受力情況，提高了截割能力。

振動(dòng)截割技術(shù)作為目前先進(jìn)的切削技術(shù)，在高效節(jié)能方面發(fā)揮著巨大優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外專家對(duì)振動(dòng)截割做了大量的研究。日本愛(ài)媛大學(xué)T.Muro 等人做了振動(dòng)切削巖石的實(shí)驗(yàn)研究，分析了振動(dòng)頻率、切削速度、振幅以及振動(dòng)的波形對(duì)主切削阻力的影響[1]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)鄒正龍教授，利用了擺振水射流的動(dòng)力特性和煤巖破壞特點(diǎn)，分析了擺振磨料水射流的落煤[2-3]。

本文以MG700/2160WD 型采煤機(jī)研究對(duì)象，對(duì)原有截割部進(jìn)行重新設(shè)計(jì)[4-8]，增加偏心錘振動(dòng)機(jī)構(gòu)，分析振動(dòng)截割技術(shù)在滾筒采煤機(jī)上的實(shí)際使用效果。

1 沖擊振動(dòng)截煤機(jī)理及滾筒設(shè)計(jì)

沖擊振動(dòng)截煤機(jī)理與傳統(tǒng)的截煤機(jī)理存在很大的差異，傳統(tǒng)截煤是利用滾筒上刀具與煤層發(fā)生接觸，刀具對(duì)煤層施加應(yīng)力，導(dǎo)致煤巖產(chǎn)生脆塑性變形后，煤巖脫落。沖擊振動(dòng)的截煤是利用煤巖層抗拉強(qiáng)度較差的特點(diǎn)，在刀具與煤層接觸時(shí)，增加一個(gè)額外的沖擊振動(dòng)應(yīng)力波。這個(gè)應(yīng)力波在截割過(guò)程中會(huì)沿著煤層傳遞，在煤層后部形成可以疊加的拉應(yīng)力波，最終對(duì)煤巖造成巨大的拉應(yīng)力，煤巖脫落[9-10]。

根據(jù)沖擊振動(dòng)機(jī)理，在截煤過(guò)程中，需額外增加一個(gè)振動(dòng)應(yīng)力源作用在煤巖上。 結(jié)合MG700/2160WD 型采煤機(jī)傳統(tǒng)截割系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)，在不影響采煤機(jī)功率的情況下，在滾筒內(nèi)部增加一個(gè)振動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖1 所示。圖中：b 為搖臂、c 為截割滾筒、H 為截割行星架、k 為聯(lián)軸器、R 為離合器、M 為截割電機(jī)、m 為偏心錘、Z1～Z6為嚙合齒輪[11-12]。

圖1 采煤機(jī)振動(dòng)沖擊截割系統(tǒng)

從圖1 中可以看出，新型的采煤機(jī)的截割系統(tǒng)與傳統(tǒng)截割系統(tǒng)力矩傳遞的方式一致，均是利用電機(jī)帶動(dòng)減速箱齒輪驅(qū)動(dòng)滾筒截割煤巖。所不同的是，振動(dòng)截割系統(tǒng)在截割滾筒中加入了偏心裝置，目的是利用偏心錘的離心力，增加振動(dòng)扭矩。

結(jié)合上述原理，在不影響滾筒及電機(jī)規(guī)格的情況下，合理設(shè)計(jì)偏心裝置具體參數(shù)。

2 偏心裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)的采煤機(jī)振動(dòng)機(jī)構(gòu)如下頁(yè)圖2 所示。振動(dòng)機(jī)構(gòu)由偏心錘、太陽(yáng)輪、行星輪和離合器等組成，偏心錘圓周方向安裝于行星架中，太陽(yáng)輪受到來(lái)自齒輪傳遞的扭矩后，帶動(dòng)行星輪公轉(zhuǎn)加自轉(zhuǎn)。由離合器控制偏心系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)離合器處于打開(kāi)狀態(tài)時(shí)，偏心裝置與太陽(yáng)輪斷開(kāi)，截割系統(tǒng)只進(jìn)行傳統(tǒng)截割；當(dāng)離合器處于閉合狀態(tài)時(shí)，偏心裝置工作，太陽(yáng)輪帶動(dòng)行星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，向截割滾筒施加波動(dòng)扭矩和周期性振動(dòng)。滾筒與搖臂利用彈性聯(lián)軸器聯(lián)接，在增加周期振動(dòng)的狀態(tài)下，保證平穩(wěn)截割。

圖2 采煤機(jī)振動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

根據(jù)振動(dòng)破碎機(jī)理，振動(dòng)偏心裝置中，偏心錘數(shù)量和偏心半徑是決定偏心振動(dòng)扭矩的關(guān)鍵因素。偏心錘與太陽(yáng)輪和行星輪的幾何尺寸關(guān)系如下：

式中：rm為偏心錘外圓的最大半徑，mm；d3為滾筒內(nèi)部最大回轉(zhuǎn)直徑，mm；dv為偏心錘回轉(zhuǎn)分度圓直徑，mm；d0為行星輪嚙合分度圓直徑，mm。

從式（1）中可以看出，偏心振動(dòng)裝置在太陽(yáng)輪行星輪配合尺寸確定的情況下，偏心錘回轉(zhuǎn)分度圓直徑?jīng)Q定了偏心錘外圓最大半徑；而偏心錘回轉(zhuǎn)分度圓直徑又與偏心錘數(shù)量相關(guān)。

結(jié)合MG700/2160WD 型采煤機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，振動(dòng)器徑向截面尺寸最大值受到限制，得出最優(yōu)值如表1 所示。

表1 MG700/2160WD 采煤機(jī)偏心裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

3 沖擊振動(dòng)截煤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

為了驗(yàn)證上述振動(dòng)器設(shè)計(jì)的可行性，對(duì)截割系統(tǒng)的建立數(shù)學(xué)模型，檢測(cè)其實(shí)際的輸出特性。

結(jié)合振動(dòng)截割原理可知，當(dāng)振動(dòng)截割系統(tǒng)在額定負(fù)載下運(yùn)行時(shí)，其輸出扭矩可看做截割滾筒扭矩與振動(dòng)器慣性扭矩的疊加。即：

式中：M1為采煤機(jī)截割扭矩，N·m；P 為截割電機(jī)輸出功率，kW；ω 為滾筒截割角速度，rad/s；J3為振動(dòng)器中偏心錘轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；φ¨3為振動(dòng)器瞬態(tài)角加速度，rad/s2。

從式（2）中可以看出，振動(dòng)截割滾筒的輸出扭矩有振動(dòng)器的瞬態(tài)角加速度決定。

振動(dòng)器的瞬態(tài)角加速度與振動(dòng)器中各個(gè)元件均有關(guān)系，為了方便計(jì)算，通過(guò)拉格朗日方程建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，即在確定系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)的前提下，結(jié)合系統(tǒng)的動(dòng)能，勢(shì)能，廣義力等，建立動(dòng)力學(xué)方程。根據(jù)MG700/2160WD 型采煤機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用MATLAB 計(jì)算得出滾筒輸出扭矩變化曲線，如圖3所示。

圖3 振動(dòng)截割系統(tǒng)輸出扭矩圖

從圖3 中滾筒輸出的扭矩變化可以看出：由于振動(dòng)器的作用，振動(dòng)截割系統(tǒng)的輸出扭矩，以類似簡(jiǎn)諧波運(yùn)動(dòng)在一定值上下浮動(dòng)。最大值超過(guò)71.4 kN·m，其扭矩均值為63.8 kN·m。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論，在擁有振動(dòng)器的截割系統(tǒng)，能夠利用振動(dòng)扭矩疊加的特點(diǎn)，集中能量于煤巖中堅(jiān)硬的部分。

同時(shí)振動(dòng)截割系統(tǒng)還具備一般截割的連續(xù)破碎特點(diǎn)，這樣可有效提高截割質(zhì)量，保證生產(chǎn)效率。

4 性能仿真分析

為驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的振動(dòng)偏心裝置對(duì)采煤機(jī)截割性能的影響，采用COMSOL 軟件，對(duì)與振動(dòng)偏心裝置嚙合的太陽(yáng)輪進(jìn)行有限元分析。分析其在偏心振動(dòng)的影響下，截割煤巖的受力情況。首先利用solidworks 建立截割部滾筒三維實(shí)體模型，隨后利用COMSOL 中的structuarl mechanics module 模塊對(duì)其進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 為傳統(tǒng)截割煤巖時(shí)齒輪應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，傳統(tǒng)的滾筒截割煤層，太陽(yáng)齒輪受到的最大應(yīng)力在齒尖處，最大應(yīng)力為19.57×108Pa；從軸向齒寬方向看，應(yīng)力分布相對(duì)均勻，應(yīng)力偏差不大于0.89×106Pa；從軸向尺嚙合方向看，應(yīng)力沿嚙合線分布逐漸變化。

圖4 為振動(dòng)截割煤巖時(shí)齒輪應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，帶有偏心振動(dòng)的滾筒截割煤層時(shí)，太陽(yáng)齒輪受到的最大應(yīng)力在齒根處，最大應(yīng)力為9.45×108Pa；從軸向齒寬方向看，應(yīng)力分布是不均勻的，應(yīng)力偏差不大于1.98×107Pa；這是由于振動(dòng)的原因?qū)е拢粡妮S向尺嚙合方向看，應(yīng)力變化不均，齒根部受力較大，沿嚙合線逐漸減小。

圖4 傳統(tǒng)截割狀態(tài)齒輪應(yīng)力云圖

圖4 振動(dòng)截割狀態(tài)下齒輪應(yīng)力云圖

圖3與圖4 對(duì)比發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)截割能夠有效降低采煤截割的受力情況，這是由于振動(dòng)扭矩和振動(dòng)波形成的交變應(yīng)力，降低了截齒側(cè)面所受的黏附力和摩擦力。但振動(dòng)截割由于存在振動(dòng)載荷，會(huì)導(dǎo)致截割應(yīng)力分布不均，對(duì)截割會(huì)造成一定的影響。

5 結(jié)論

利用振動(dòng)截割技術(shù)，對(duì)MG700/2160WD 型采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)得知：

1）結(jié)合振動(dòng)截煤機(jī)理，設(shè)計(jì)了振動(dòng)截割滾筒結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)具有傳統(tǒng)截割和振動(dòng)截割兩種截割能力，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性；

2）對(duì)MG700/2160WD 型采煤機(jī)的原滾筒腔體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在未改變腔體外形結(jié)構(gòu)的情況下，裝入了偏心振動(dòng)裝置；同時(shí)利用MATLAB 軟件模擬計(jì)算，得出偏心振動(dòng)裝置的最優(yōu)參數(shù)值；

3）通過(guò)對(duì)嚙合太陽(yáng)輪的有限元分析，振動(dòng)截割滾筒能夠有效降低傳動(dòng)截齒面所受的黏附力和摩擦力，提高截割能力。但由于存在振動(dòng)力矩，截割應(yīng)力分布不均，對(duì)截割會(huì)造成一定的影響。