对连续采煤机侧滚筒的有限元分析

李发泉

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

有限元分析方法应用于滚筒失效分析、滚筒优化设计等领域具有快速、便捷、可靠等优点。本文以对某型连采机侧滚筒有限元分析为例，详细阐述了该分析方法的主要技术难点，该方法能够准确预测滚筒撕裂位置，对连续采煤机截割滚筒设计及优化具有较强指导意义。

1 结构及工作原理

连续采煤机是短壁开采和煤巷快速掘进的主采设备，其具有采掘合一，机动灵活，设备投资少见效快等优点，可适用于我国不规则块段的开采，对提高煤炭资源回收率具有重要意义[1～3]。截割滚筒是连采机的主要工作机构，其通过布置在其上的截齿来截割矿岩。其工作时，常常由于载荷突变、局部受载等原因造成滚筒撕裂失效，如图1 所示。

连采机截割滚筒是一种铣削式破煤机构[4]，一般采用三段式中心对称结构，主要包括端盘、侧滚筒、中间滚筒如图2 所示。

侧滚筒是截割滚筒的一部分，其通过平键联接传递扭矩，内部表面通过与减速器外轮毂配合定位，边缘通过螺栓联接将端盘安装其上，齿座通过垫块焊接在其筒体表面。

图1 侧滚筒撕裂Fig.1 Lateral drum avulsion

2 侧滚筒有限元模型的建立

2.1 模型简化及材料特性

图2 连续采煤机截割滚筒典型结构Fig.2 The representative configuration of cutting drum of continuous miners

对模型的有效简化处理有助于提高有限元计算效率，降低模型计算不收敛风险。由于截齿和齿座形状不规则，六面体网格划分困难，计算耗时长，远程力耦合加载方式可避免将截齿和齿座带入计算中，该方法需要建立加载点的坐标系。本文以齿尖为加载点，通过三维软件的实体模型，可方便的求出齿尖的位置坐标及方向，可迅速建立出各齿尖的局部坐标系。简化模型过程中去掉不工作截齿垫块、螺栓孔、小倒角等特征，最终简化模型见图3。

图3 侧滚筒简化模型Fig.3 The simplified model of lateral drum

图4 侧滚筒网格划分Fig.4 The mesh division on lateral drum

筒体和垫块模型均为35CrMo，杨氏模量2.0×105MPa，泊松比0.3，屈服应力440 MPa。

2.2 网格划分

基于有限元分析软件，采用以六面体为主的网格划分方法，调整网格大小，保证筒体厚度方向上单元个数不少于4 个。

本模型共划分70831 个单元，268776 个节点，最终网格划分模型见图4。

2.3 边界条件及工况选择

将各键槽各自的承压面施加全位移约束；与减速器外轮毂配合表面施加圆柱约束；与端盘联接端面施加扭矩，其值为端盘工作截齿瞬时载荷之和与滚筒半径之积；在各齿尖坐标系处施加远程力，将其作用至垫块上表面，由于牵引阻力对筒体的影响程度较小，故将其忽略，截齿仅承受来自旋转方向的切向截割阻力，由于截齿所处位置瞬时切削厚度存在差异如图5 所示，其瞬时载荷值与圆心角θi的正弦成正比：

式中，Fi—瞬时载荷；Fmax—最大载荷，其值按文献[5]方法计算。

侧滚筒工作条件差异决定其上应力分布，本文选择以下两种工况进行研究。

工况一： 正常工况，各工作截齿受到正常f=3 截煤载荷，其边界条件见图6。

工况二： 恶劣工况，7号截齿（见图8b）受到f=9 的硬岩载荷，其它工作截齿受到正常f=3 截煤载荷。

图5 不同截齿瞬时切削厚度hiFig.5 The instantaneous cut depth hi for every pick

3 结果分析

由图7 和图8（a）可知，侧滚筒在工况一条件下最大等效应力为72.17Mpa，在工况二条件下为231.72MPa，均未超过其材料屈服应力440MPa，可见，工况一和工况二侧滚筒所受到的载荷条件均不能造成其因强度不足而撕裂。

由图8（a）和图8（b）可知，侧滚筒应力最大处为筒体和垫块的前焊缝处，且其周围应力分布较集中，与图1 所示断口形状近似，故判定此处为薄弱点，应力集中和材料缺陷均会导致该处发生撕裂失效，应在该位置采取有效措施避免应力集中和材料缺陷。

图6 工况一下的边界条件Fig.6 The boundary condition at the first work state

图7 工况一下侧滚筒等效应力云图Fig.7 The von-stress distribution nephogram of lateral drum at the first work state

图8a 工况二下侧滚筒等效应力云图Fig.8a The von-stress distribution nephogram of lateral drum at the second work state

图8b 工况二的侧滚筒等效应力云图 （局部放大）Fig.8b The von-stress distribution nephogram of lateral drum at the second work state （partial zoom）

4 结束语

连采机截割较硬矿物时，不会因强度不足导致滚筒撕裂，局部应力集中或材料缺陷或是滚筒撕裂的原因。滚筒有限元分析方法可准确判断出滚筒的薄弱环节，为滚筒设计和优化提供可靠依据。

[1] 王金华. 中国煤矿现代化开采技术装备现状及其展望[J].煤炭科学技术，2011，11.

[2] 王虹，李变荣. 我国短壁机械化开采技术发展现状与思考[C].太原：山西经济出版社，2005.

[3] 宿月文，朱爱斌，陈渭，等.连续采煤机履带行走系统驱动功率匹配与试验[J].煤炭学报，2009，3.

[4] 刘春生，于信伟，任昌玉.滚筒式采煤机工作机构[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.

[5] 赵丽娟，董萌萌.含硫化铁结核薄煤层采煤机工作机构载荷问题[J].煤炭学报，2009，6.