基于多体动力学的采煤机截割部仿真研究

张 帅，程 刚，沈利华，成钰龙，徐 鹏

（1.中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116；2.天地科技股份有限公司 上海分公司，上海 200092）

0 引言

采煤机工作环境恶劣，负载特性复杂，通过传统方法建立刚性区域无法准确模拟其受力和变形情况，因此，本文建立采煤机截割部刚柔耦合系统，根据采煤机实际工作情况算出滚筒瞬时负载，由动力学仿真软件ADMAS对采煤机柔性化摇臂动力学仿真，准确获得应力应变情况，为优化采煤机设计提供理论依据，本文研究思路。

1）通过对采煤机实际工作情况分析，建立滚筒负载数学模型，利用MATLAB编制滚筒瞬时负载模拟程序，生成滚筒瞬时负载文本文件。

2）利用ANSYS仿真软件将摇臂离散成有限元网格，将模态中性文件导入ADMAS中，完成采煤机刚柔耦合多体系统的建立。

3）瞬时负载文件添加到刚柔耦合多体系统，进行动力学研究，为采煤机优化设计提供理论依据。

1 采煤机工作特性

由于煤层机械物理特性和采煤工艺等因素影响，造成采煤机工作过程中负载变化剧烈，机械传动系统造成严重的危害，因此，研究采煤机负载特性十分必要。

1.1 截齿瞬时截割阻力

式中：Z0为锋利截齿受到的切削力；f′为切削阻力系数；Y1为牵引阻力；Y1.0为锋利截齿上的牵引阻力；Y1－Y1.0为钝截齿上的牵引阻力。

1.2 截齿瞬时牵引阻力和侧向阻力

截齿牵引阻力：

截齿侧向阻力：

式中：C1、C2、C3为切削图影响系数。

1.3 滚筒瞬时负载的确定

根据截齿瞬时阻力即可求得滚筒瞬时载荷。滚筒工作时n个截齿同时截割煤层，则滚筒受到的垂直阻力Fa、水平阻力Fb和轴向阻力Fc分别为：

t时刻螺旋滚筒上受到各个力矩：

式中：ai、bi、ci为滚筒转到某一位置时，第i个截齿X、Y、X三个方向的分力；Lac、Lbc、Lab、Lcb、Lca、Lba为各合力作用点的位置。

2 瞬时负载模拟及实例

2.1 滚筒瞬时负载模拟程序设计

截齿遇到夹矸等硬包裹体，采煤机系统将受到大载荷的冲击，很容易造成关键零部件的损坏。因此，模拟滚筒瞬时载荷应当注意：1）由于煤层赋存条件复杂，充分考虑夹矸含量对煤层截割阻抗的影响，采用简化方法模拟遇到夹矸时的实际载荷特性。2）煤层中包裹体分布具有随机性，因此应找出影响最恶劣的工况进行研究。

通过上述分析可知，滚筒瞬时负载相当复杂，为完成采煤机虚拟样机复杂负载施加问题，本文采用MATLAB生成滚筒瞬时负载文本，通过ADMAS软件将该文本数据转化为样条函数，解决了采煤机复杂负载施加问题。

2.2 滚筒瞬时负载模拟实例

将系统参数、几何参数及工作条件参数等输入已编好的程序中，即可得到不同参数下滚筒瞬时三向力和力矩仿真曲线，如图1所示。同时还可以得到滚筒质心处瞬时力及力矩随时间变化的负载文本，然后将该文本导入到ADMAS中，得到与图1完全相同的负载曲线，如图2所示。说明本文提出的对采煤机瞬时负载模拟的研究方法是可靠的。然后在ADMAS中，将图2中的六条负载曲线拟合成六条样条函数，方便施加载荷。

图1 滚筒瞬时三向力和力矩载荷曲线

图2 导入ADMAS后滚筒瞬时三向力和力矩载荷曲线

3 刚柔耦合多体系统动力学仿真

3.1 采煤机虚拟样机模型的建立

采煤机刚柔耦合多体系统由UG NX、ANSYS和ADMAS联合建立。为使分析与实际情况更吻合，使用UG NX建立168个零件模型，然后装配成整机，如图3 (a)所示。各零部件之间共有213个装配关系。通过UG NX与ADMAS之间的无缝连接口，将采煤机三维模型导入到ADMAS中，并使用ADMAS自检功能仔细检查模型材料、约束等属性，确保虚拟样机模型的正确性。利用有限元分析软件ANSYS将摇臂离散成细小网格，进行模态计算生成中性文件，由ADMAS/Flex模块将刚性摇臂替换成柔性，形成采煤机刚柔耦合多体系统。

3.2 摇臂对负载的响应分析

柔性体通过外部连接点与刚体或其它柔性体建立连接关系。摇臂柔性体如图3 (b)所示。图中Marker2、Marker3和Marker4分别为采煤机摇臂和牵引部及调高液压系统的连接点，当摇臂调整到合适高度割煤时，施加负载进行仿真分析。对采煤机刚柔耦合多体系统仿真，应根据柔性体的频率特性选择合适的积分器，由于载荷曲线变化剧烈，推荐使用SI2积分格式，可以提高求解性能。

图3 采煤机虚拟样机

图4 铰接点的受力曲线

图5 摇臂质心的变形

在Marker1点施加瞬时负载：ASKISPL (time, 0,SPLINE_i, 0)进行仿真，其中SPLINE_i (i=1 to6)为图2中的六条曲线函数。仿真时间设为3秒，步长200。通过仿真可以得到铰接点的受力曲线及柔性摇臂上各个点的变形曲线，Marker2～Marker4受力对应如图4中曲线1～3，图5表示柔性摇臂质心变形曲线，曲线1～3为质心沿X、Y、Z向的变形，曲线4为总变形量。

根据仿真结果，Marker2和Marker4受力趋势一致，3秒内应力发生5次突变，峰值反映滚筒截齿遭遇夹矸等结合体时受到的冲击力，其余时间载荷波动平稳。Marker3受力最小，同样受到冲击载荷发生突变。图5可看出，柔性化摇臂质心沿Y方向变形最大，最大变形量0.8991mm，当采煤机受到冲击载荷时，摇臂位移变化剧烈。

4 结论

1）建立采煤机负载特性方程，并根据所建立的数学模型，求得采煤机滚筒瞬时负载，为分析采煤机受力提供了理论模型。

2）通过MATLAB将负载转换成曲线方程，方便ADMAS对摇臂受力分析，解决了采煤机负载复杂，模拟困难的难题。

3）基于UG NX、ANSYS和ADMAS建立刚柔耦合采煤机虚拟样机模型，为采煤机优化设计提供了参考，拓宽了虚拟样机技术与研究内容。

[1] 赵丽娟, 王乘云.复杂刚柔耦合系统模态参数识别与振动分析研究[J].制造业自动化, 2008, 31(4): 190-122.

[2] 杨冬平, 高学仕, 戴扬.双驴头抽油机变参数柔性连杆机构动态仿真系统[J].机械工程学报, 201046(9): 59-61.

[3] 王庆康, 门迎春, 译.E.3.保晋 B.3.乜拉麦德 B.B.顿.采煤机破煤理论[M].北京: 煤炭工业出版社, 1992.

[4] 赵丽娟, 王乘云.采煤机截割部建模与动力学仿真研究[J].工程设计学报, 2010, 17(2): 190-122.

[5] 廉自生, 刘凯安.采煤机摇臂虚拟样机及其动力学分析[J].煤炭学报, 2005, 30(6): 801-804.