滚筒采煤机截割部调高机构振动特性仿真研究

丁余良 王 鹏

（1.山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿，山西 长治 046000；2.新疆工程学院矿业工程与地质学院，新疆 乌鲁木齐 830091）

采煤机截割到硬度较高的煤岩体时，截割部将受到强烈的冲击载荷，造成采煤机剧烈摆动，影响采煤机的正常作业[1,2]。采煤机依靠调高机构进行截割高度调整，因此调高机构的工作状态直接影响采煤机割煤质量[3]。本文对滚筒采煤机截割部调高机构进行仿真研究，为矿井采煤机稳定作业提供依据。

1 滚筒采煤机截割部结构分析

滚筒采煤机截割部主要由滚筒、摇臂、液压油缸和机身四部分组成，其中调高机构主要由减速滚筒、摇臂、液压油缸及其配套的液压控制系统构成[4]，如图1所示。采煤机作业过程中，液压缸通过液压系统向截割部进行动力供给，使得截割部能够上下调高，进行不同厚度煤层的截割。

在不同工况下，截割部受载相应不同：（1）未进行割煤时，采煤机空载运行，其截割部仅受自身重力作用；（2）进行割煤时，采煤机负载运行，截割部受到割煤阻力和自身重力共同作用。此时受到强烈冲击载荷的影响，截割部产生剧烈摆动，影响采煤机的前进。

2 滚筒采煤机截割部调高机构力学模型

由于采煤机系统复杂，为了便于分析，本文对截割部进行如图2所示的简化，并给定如下假设：（1）采煤机截割部摆动仅考虑液压油缸伸缩方向；（2）采煤机机身固定不动；（3）视截割部与机身及液压油缸的联接为刚性联接，摇臂运动为刚体定轴转动。

图1 采煤机截割部结构示意图

图2 滚筒采煤机截割部调高机构简化模型

采煤机作业时，截割部所遇煤层特性不断变化，呈现非均质性，同时滚筒上截齿非均匀布置，因此滚筒在前行作业中受到的载荷呈现出一定的随机性。基于相关文献，滚筒受载可以简化成3个方向的交变载荷[5]：

式中：

Px，Py，Pm-分别为滚筒在垂直、水平和轴向的外载荷分力，N；

Pamax，Pbmax，Pcmax-分别为外载荷在3个方向上的最大幅值，N；

ωa，ωb，ωc-分别为滚筒外载荷在3个方向的变化频率，rad/s；

P0，P1-分别为水平和垂直方向上的滚筒所受平均载荷，N。

基于前述采煤机工况，研究中假设在竖直剖面内，滚筒只受到水平方向Px和竖直方向Py两个力的作用，同时由于滚筒质量分布不均匀，因此转动过程中受到一定片心力的影响。分析过程中，将液压缸等效为液压弹簧-阻尼振动系统，因此建立如图3所示截割部调高机构简化模型。图中m1，m2分别表示滚动和摇臂等效质心，L1，L2分别表示大摇臂和小摇臂长度，α1表示摇臂与水平方向的夹角，α2表示小摇臂与液压缸所成夹角，k，c分别表示液压缸等效后的弹簧刚度和阻尼系数。

依据图3，结合力矩平衡定力，建立如下方程：

式中：

J-滚筒及摇臂绕点O的转动惯量，kg·m2；

-摇臂绕O点转动的角加速度，rad/s2；

x-液压缸的位移，m；

ΣMO-对O点所有外力矩之和，N·m。

图3 滚筒采煤机截割部调高机构动力模型

在模型计算中，为了更加符合采煤机截割部实际工作情况，文中引入周期变化的水平力和垂直力来模拟滚筒偏心力对摇臂摆动造成的影响。其中PxL1sinα1、PyL1cosα1分别表示水平和垂直方向上的激振力矩，1/2m2gL1cosα1、m1gL1cosα1分别表示摇臂和滚筒所产生的重力矩。因此式（1）可转换为：

式中：

ω-滚筒旋转角速度，一般ωa=ωb=ω，rad/s；

Pn-滚筒所产生的偏心力最大幅值，N。

基于图3分析液压缸产生的位移为：

式中：

θ-摇臂绕O点转动角，rad，因数值较小，所以 sinθ≈θ。

因此式（4）可变为：

滚筒即摇臂绕O点的转动惯量为：

联立式（2）、（3）、（5）和（6）可得：

3 滚筒采煤机截割部调高机构仿真模拟

仿真模拟试验主要基于Matlab/Simulink模块进行，依据矿井实际生产情况，进行下列参数 取 值：m1=100kg，m2=600kg，ω=3.07rad/s，Px+Pn=20000N，Py+Pn=2000N，Pn=40000N，P1=30000N，L1=2.3m，L2=0.95m。仿真时间设定为8s，测定摇臂摆动角位移、角速度和角加速度随着时间的变化曲线。

采煤机截割部调高机构震动与液压缸特性关系紧密，此处进行液压缸支撑刚度和阻尼参数的选取。通过以下四组方案分析两参数对调高机构特性的影响，具体如表1所示，仿真结果如图4所示。

表1 仿真模拟参数

通过分析图4（1）和（2）可知，在保持调高液压缸刚度固定时，随着阻尼参数的变化，能量在衰减过程中振幅变化不同，且达到最大振幅所需时间也不相同。其中当调高液压缸阻尼增大时，角加速度、角速度和角位移的振动幅度减小，且相应达到稳定的时间缩短。

通过分析图4（3）和（4）可知，保持调高液压缸的阻尼不变，所以能量消耗相同，所以在角加速度和加速度上，能量最大振幅和系统平衡时间基本相同，但在角位移曲线图中，随着刚度参数的减小，系统衰减波动更加剧烈。

4 结论

本文通过对滚筒采煤机截割部调高机构进行模型简化，建立相应结构的动力学模型，然后采用Matlab/Simulink模块，基于动力学模型方程进行仿真模拟，并分析不同液压缸刚度和阻尼参数方案下的摇臂角加速度、角速度和角位移的变化，结论表明，通过适当调高液压缸的阻尼和刚度可以降低系统摇摆幅度，提高采煤机作业的稳定性，为矿井实际生产提供依据。

图4 不同方案仿真结果图