基于ADAMS的采煤机截割机构运动分析和结构优化

申艳忠

（山西新景矿煤业有限责任公司， 山西 阳泉 045000）

引言

采煤机是一种将机、电、液压整合在一起的复杂的机械系统，主要依靠截割机构实现对煤矿井下煤层的煤炭切割，完成落煤的任务，一旦采煤机的截割机构发生故障整个煤矿井下采煤工作将被迫中断，给煤炭生产企业造成巨大的经济损失[1]，同时采煤机的截割机构作为直接切割煤层的机构，其工作时的动态特性直接关系到截齿的使用寿命及采煤机工作的可靠性和稳定性。

1 采煤机截割机构工作时的受力分析

采煤机在煤矿井下巷道内采掘煤炭时，绝大部分的功率用于驱动螺旋滚筒进行落煤，因此要对采煤机截割机构进行受力分析就必须对采煤机截割机构的滚筒及截齿在工作时的受力情况进行分析，采煤机截割机构在工作中所受到的阻力包括截割阻力、侧向阻力及其他阻力，在滚筒上所受到的作用力主要是在工作过程中的截齿力及工作阻力力矩的综合，由于煤矿井下巷道煤层内煤岩在不同部位的力学特性和物理特性不同，因此造成作用在滚筒和截齿上的力的方向、大小的随机性变化。

采煤机的截齿机构的截齿在落煤时等效的几何模型如图1所示，以某型采煤机的截割机构为例，其截割机构的截齿的锥度为2α，在进行落煤时截割机构的截齿截入煤层的角度为β，在进行工作时作用在截齿上的阻力为Z，可表示为[2]：

式中：A为截割机构在切割煤层时作用在煤层上的截抗系数；h为采煤机在切煤时切入煤层的深度；bp截割机构截齿刀具的理论宽度。

图1 采煤机截齿切割煤层时的等效几何模型

煤矿井下巷道煤层内的煤炭具有脆性，采煤机的截齿在切割煤层时，煤炭受力剥离后，煤块随着截齿接触煤层体积的变化而变化，截齿与煤层的切入深度和剥落的煤炭深度有一定的理论差别，在已知切割时的平均切割深度后，即可得出截割机构截齿刀具的理论宽度bp，其可表示为[3]：

采煤机截割机构的滚筒在工作时的受力分析如图2所示。

图2 采煤机截割机构滚筒受力简图

在滚筒上的截齿工作时分别受到X、Y、Z方向的力，则滚筒在工作时所受到截割阻力可表示为FZi=∑Fzi，滚筒的侧向阻力可表示为FXi=∑Fxi，滚筒的牵引阻力可表示为FYi=∑Fyi，ri表示驱动滚筒半径，由此作用在采煤机截割机构上的阻力矩M可表示为[4]：

式中：D为截割机构滚筒的直径。

在工作中采煤机截机构所消耗的功率可表示为：

式中：N为截割机构滚筒的实际工作转速。

因此采煤机截割机构工作时的能耗比可表示为：

式中：H为截割机构的采煤高度；V为截割机构的滚筒转速。

2 采煤机截割机构的运动学模型

由于截割机构时采煤机进行落煤和装煤的机构其工作时消耗的功率占采煤机总功率的80%以上，因此采煤机截割机构在工作时的动力学特性决定着采煤机工作的能耗比及切割煤块的质量和截齿的使用寿命。由上文分析可知，采煤机在工作时其截割部分主要由牵引速度Vq、截割机构滚筒转速ω1及截割滚筒的螺旋升角ω2组成，因此可将采煤机工作时截割机构的运动轨迹表示为[5]：

式中：L为截割机构摆臂的臂长；rc为截割机构滚筒的理论半径。

对时间t求导，即可得到采煤机截割机构截齿的运动轨迹的速度数学模型为：

对采煤机截割机构的运动方程进一步求导，即可得出工作时截齿的运动加速度：

由分析可知，采煤机截割机构工作时的瞬时加速度与截割机构的螺旋升角有较大的关系，螺旋升角直接影响着其工作时的稳定性。

3 采煤机截割机构的仿真分析

利用Creo三维建模软件建立采煤机截割机构和煤层的三维模型，如图3所示，并将其导入到ADAMS仿真分析软件中，按照实际工作条件对其设置相关参数模型和边界条件，如表1所示。

图3 采煤机截割机构三维结构简图

表1 采煤机截割机构仿真参数

在采煤机的截割机构中位于滚筒上的螺旋升角对采煤机截割机构工作时的动态特性和截齿工作时的受力情况影响最大。当螺旋升角过大时会降低在切割煤层时的切割效率，形成二次无用截割，当其截割的螺旋升角过小时会造成作用于截齿上的截割应力集中，影响截齿的使用寿命，因此针对不同的螺旋升角进行仿真分析（某采煤机截割机构螺旋升角为15°，分别对其螺旋升角为 10°、15°、20°、25°情况下的截齿上的受力进行分析），获得不同螺旋升角下截齿上的受力曲线，其分析结果如图4—图7所示。

将不同螺旋升角下的受力情况进行汇总，如下页表2所示。

由表2分析可知，当采煤机截割机构的螺旋升角为20°时，其工作情况下的截割均力和最大截割力均最小，当其螺旋升角为15°时，其受力峰值较大，对采煤机工作时的稳定性和使用寿命将产生较为不利的影响，因此将采煤机截割机构的螺旋升角调整为20°时能够极大提高采煤机工作时的可靠性及截齿的使用寿命。

图4 螺旋升角为10°时截齿的受力曲线

图5 螺旋升角为15°时截齿的受力曲线

图6 螺旋升角为20°时截齿的受力曲线

图7 螺旋升角为25°时截齿的受力曲线

4 结论

本文通过对采煤机截割机构工作情况的分析，建立了采煤机截割机构关键目标的数学参数模型，利用ADAMS仿真分析软件，对影响采煤机工作稳定性和截齿使用寿命的采煤机截割机构不同螺旋升角下的截齿受力情况进行分析。结果表明，当螺旋升角为20°时，作用于截齿上的截割阻力最小，为采煤机截割机构的优化提供了理论支撑，具有较大的应用推广价值。

表2 采煤机截齿不同螺旋升角下的载荷