滚筒式采煤机截割过程受力状态的分析研究

梁 兵

（山西霍尔辛赫煤业有限责任公司，山西 长治 046699）

引言

采煤机作为煤炭综采工作面内极为关键的设备，能否可靠工作不仅关系着工作面内工作人员的安全问题，还与煤炭企业的煤炭产量和经济效益息息相关[1-3]。滚筒作为采煤机结构中的重要组成部件，直接与煤炭岩层接触实现采煤机的采掘功能，但是由于煤炭岩层地质条件存在差异，使得滚筒在工作过程中的受力情况较为复杂[4-5]，煤炭岩层作用于滚筒的作用力基本等同于掘进过程中采煤机所受的外部载荷，影响整个采煤机的工作稳定性[6]。为了进一步提高采煤机结构的可靠性，对滚筒截割煤岩过程的受力情况进行分析。

1 滚筒截割煤岩有限元模型的建立

选择ANSYS 中的LS-DYNA 非线性显式模块作为采煤机滚筒截割煤岩仿真软件，以获得煤岩反作用于滚筒的载荷。运用SolidWorks 软件完成滚筒截割煤岩三维模型的建立，之后导入ANSYS 软件进行前处理。

滚筒材料属性参数如下：弹性模型为460 GPa，泊松比为0.3。煤岩材料属性参数如下：弹性模量为327 GPa，泊松比为0.36，摩擦角为0.52°，黏着力为530 Pa，膨胀角为0.6°。对于滚筒，采用SOLID168 四面体单元类型，对于煤岩，采用SOLID1648 节六面体单元类型，完成网格划分的滚筒截割煤岩模型（见图1）。将滚简与煤岩的接触类型定义为面面侵蚀接触，将滚筒的截割速度设为26.4 r/min，将其牵引速度设为0.26 m/s，将求解时间设置为9 s。

图1 采煤机滚筒截割煤岩的有限元模型

2 仿真结果

通过ANSYS 仿真计算软件中的LS-DYNA 模块，完成采煤机滚筒截割煤岩有限元模型的前处理工作之后即可启动其自带求解模块，进行煤岩截割过程的仿真计算。待仿真计算完成之后在LS-DYNA后处理器LS-PREPOST 中即可提取采煤机滚筒每个时刻对应的滚筒截割煤岩的实际状态。为了便于分析采煤机截割滚筒截割煤岩过程中的状态变化情况，选取滚筒自开始截割动作计时0、3 s、6 s、9 s 时的仿真状态，结果如图2 所示。由图2 可以看出，在仿真过程中滚筒随着时间的推移实现了煤岩截割的全过程，包括滚筒初始进入截割、部分截齿逐渐啮合截割煤岩、全部截齿参与煤岩截割等。由此可见，采煤机滚筒截割煤岩的仿真过程参数设置合理，仿真过程符合采煤机滚筒截割煤岩的实际工作状态。

图2 采煤机滚筒截割动态图

为了更好地通过仿真计算得到采煤机截割滚筒截割煤岩过程中的受力状态，需要提取滚筒全部截齿参与煤岩截割时的受力状态，原因是采煤机滚筒初始进入煤岩截割过程中仅仅是部分截齿参与煤岩截割，此时的受力状态未达到截割载荷最大，只有在采煤机滚筒截齿全部参与煤岩截割时，其截齿部分将会承受煤岩截割过程中的全部载荷，此时能够更好地表征采煤机滚筒的受力状态。如图3 和图4 所示的仿真过程中滚筒截割过程中截齿的三向力曲线和三向力矩曲线，代表了整个采煤机滚筒截割过程中的实际受力状态。其中三向力分别为滚筒截割煤岩过程中所受的牵引阻力、截割阻力和侧向阻力，三向力矩分别为滚筒截割煤岩过程中所受的牵引阻力矩、截割阻力矩和侧向阻力矩。由图3 可以看出，采煤机滚筒截割煤岩稳定时所受三向力中以截割阻力和牵引阻力为主，二者的力值均约为10 kN，仔细观察可以发现截割阻力和牵引阻力呈现一定的周期性，侧向阻力在零附近波动；由图4 可以看出，采煤机滚筒截割煤岩稳定时所受三相力矩以截割阻力矩和牵引阻力矩为主，前者数值约为40 000 N·m，后者约为20 000 N·m，侧向阻力矩数值较小，接近于零。

图3 滚筒三向力曲线

图4 滚筒三向力矩曲线

3 分析与讨论

采煤机滚筒截割煤岩时所承受的载荷等于滚筒上所有参与截割的截齿所受截割载荷的矢量和，在截割仿真中，未考虑截割电机机械特性对截割部齿轮传动系统速度的影响，故采煤机滚筒在截割煤岩体的过程中，其截割速度为匀速圆周运动。根据滚筒受力平衡原理，对截割滚筒进行受力分析，可以将滚筒截割载荷等效为作用于截割滚筒质心位置的三向力和三向阻力矩，具体的受力分析如图5 所示。三向力分别为牵引阻力Fx、截割阻力Fy和侧向阻力Fz，三向力矩分别为牵引阻力矩Mx、截割阻力矩My和侧向阻力矩Mz。仿真结果显示：采煤机滚筒截割煤岩稳定时所受三向力中以截割阻力和牵引阻力为主，侧向阻力在零附近波动；采煤机滚筒截割煤岩稳定时所受三相力矩以截割阻力矩和牵引阻力矩为主，侧向阻力矩数值较小。

图5 滚筒受力图

三向力中以截割阻力和牵引阻力为主且侧向阻力在零附近波动的原因主要是，滚筒截割煤岩时的运动方向包括旋转运动和进给运动，旋转时煤岩截割时滚筒截齿主要承受截割阻力，进给运行时滚筒截齿主要承受牵引阻力，整个截割过程未涉及侧摆运动，因此滚筒所受侧向阻力基本为零。滚筒三向力矩以截割阻力矩和牵引阻力矩为主，侧向阻力矩数值较小的受力状态原因与其三向力受力状态分析基本一致。

4 试验验证

为了验证采煤机滚筒截割煤岩过程受力状态仿真计算结果的准确性，对某企业服役中的采煤机滚筒工作状态下的受力状态进行试验采集。采用拉压力传感器对牵引阻力进行数据采集，采用扭矩传感器对截割阻力进行数据采集，采用拉压力传感器对侧向阻力进行数据采集。在试验过程中，采煤机处于稳定连续截割煤岩的工作状态，读取并记录各传感器数值，经过数据处理计算得出采煤机滚筒运行过程中的平均牵引阻力为9.86 kN，截割阻力矩平均值为40 800 N·m，侧向阻力平均值为0～100 N，与牵引阻力相比接近于0。可见，采煤机滚筒截割煤岩过程受力状态试验结果与仿真计算结果基本吻合，说明仿真计算结果准确可信，仿真计算结论具有很好的工程指导价值。

5 结论

1）采煤机滚筒截割煤岩稳定时所受三向力中以截割阻力和牵引阻力为主，仔细观察可以发现截割阻力和牵引阻力呈现一定的周期性，侧向阻力在零附近波动，对应的滚筒三向力矩状态与三向力状态相一致。

2）仿真计算结果与滚筒实际工作过程的受力状态吻合，仿真计算结果准确，对于采煤机结构的进一步优化设计工作具有重要的指导意义。