斜切工况下采煤机截割部离散元及动力学仿真分析

宋佼佼

（晋中职业技术学院， 山西 晋中 030600）

引言

采煤机为综采工作面的关键机电设备，其与刮板输送机、液压支架统称为综采工作面的“三机”。采煤机截割部滚筒与工作面煤层直接接触，其所承受的载荷为不规律变化，通过摇臂传递至采煤机机身振动信号。尤其是在斜切进刀工况下，采煤机截割部的动力学特性更加复杂[1]。因此，本文重点对采煤机在斜切进刀工况下的动力学特性进行仿真分析，为后续采煤机的动态可靠性奠定扎实的理论基础和工程应用价值。

1 仿真模型的构建

本文重点对斜切工况下采煤机截割部在含矸煤岩条件下动力学特性进行仿真分析。鉴于基于EDEM软件无法准确建立含矸煤岩对应的煤壁空间模型，因此，本文首先基于PRO/E 软件完成采煤机截割部和含矸煤岩基础模型的搭建，而后将所搭建的模型导入EDEM 软件中开展离散元和动力学仿真。为提高仿真效率，本文通过分段建立煤壁模型的方法将煤壁进行拆分，从而达到模拟斜切进刀工况的目的[2]。

1.1 采煤机截割部模型的构建

本文以MG2×55/250-BW 型采煤机为例开展研究，重点对其截割部滚筒为研究对象。MG2×55/250-BW 型采煤机截割滚筒的主要结构参数如表1 所示。

除了表1 中所示采煤机截割部滚筒的关键结构尺寸外，滚筒模型的搭建还需结合滚筒上截齿的排列进行。根据MG2×55/250-BW 型采煤机截割部结构参数，分别建立滚筒和摇臂的三维模型，并根据二者之间的连接方式和约束完成了采煤机截割部的装配，装配模型如图1 所示。

图1 采煤机截割部装配模型

表1 MG2×55/250-BW 型采煤机截割部滚筒主要结构参数

为保证后续仿真的顺利开展，对建立好的截割部装配模型进行全局干涉检查。

1.2 离散元仿真模型的构建及参数设置

煤壁仿真模型需要真实模拟实际生产工作面中煤层和矸石掺杂的情况。因此，离散元仿真模型搭建时首先分别建立煤炭颗粒和矸石颗粒的模型，而后将二者有机掺杂并组合为煤壁模型。同时，在EDEM 软件中分别对煤层、矸石的物理力学参数进行设置，包括煤炭、矸石的密度，泊松比，剪切模量和弹性模量等[3]。

将所构建的含矸煤岩的模型与图1 中采煤机截割部滚筒的模型进行结合，形成如下页图2 所示的离散元仿真模型。

图2 离散元仿真模型

对应的滚筒转速为90 r/min，采煤机牵引速度为1 m/min、1.5 m/min 和 2 m/min 三种情况进行仿真分析。为了缩短仿真时间，将离散元仿真模型的网格数量控制在 1×105以下[4]。

2 离散元仿真分析

在构建图2 离散元仿真模型的基础上，本节重点对滚筒截割含矸煤壁和截割全煤壁两种工况下的载荷进行对比分析。

2.1 滚筒截割含矸煤壁的载荷分析

当截割部滚筒旋转速度为90 r/min，分别对采煤机牵引速度为1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 时对应采煤机整机的牵引阻力、截割部所承受的截割阻力和轴向力进行对比分析，仿真结果如表2 所示。

表2 不同牵引速度下含矸煤壁截割工况载荷分布情况

由表2 可知，随着采煤机牵引速度的增加，对应在含矸煤岩截割工况下采煤机所承受的牵引阻力、截割阻力以及轴向力峰值的均呈现增大的趋势。牵引阻力和轴向力峰值在三种工况下的比例均为3∶4∶5；截割阻力在三种工况下的比例为4∶5∶6。

2.2 滚筒截割全煤壁的载荷分析

当截割部滚筒旋转速度为90 r/min，分别对采煤机牵引速度为1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 时对应采煤机整机的牵引阻力、截割部所承受的截割阻力和轴向力进行对比分析，仿真结果如表3 所示。

表3 不同牵引速度下截割全煤壁工况载荷分布情况

由表3 可知，从整体上分析，截割全煤壁工况下各载荷均小于截割含矸煤壁的工况，约为5 倍的关系[5]。此外，随着采煤机牵引速度的增加，对应在含矸煤岩截割工况下采煤机所承受的牵引阻力、截割阻力以及轴向力的峰值均呈现增大的趋势。牵引阻力在三种工况下的比例均为3.5∶4∶6，截割阻力在三种工况下的比例为3.5∶5∶7，轴向力峰值在三种工况下的比例为 7∶8∶10。

3 采煤机截割部的动力学仿真

本节将基于PRO/E 软件所建立的三维软件导入ADAMS 软件中对采煤机截割部的动力学进行仿真分析，包括摇臂壳体和行星架。

3.1 采煤机摇臂壳体的动力学仿真

同样，分别在采煤机滚筒转速为90 r/min，采煤机牵引速度为1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 三种情况下的动力学特性进行对比分析。在不同牵引速度下采煤机摇臂壳体的最大应力值如表4 所示。

表4 不同牵引速度下摇臂壳体最大应力值

由表4 可知，随着采煤机牵引速度的增加，对应摇臂壳体所承受的最大应力值先减小后增大，且最大应力值均位于同一个位置，即在摇臂壳体输出端的拐点位置。同时，摇臂壳体的最大应力值未超过材料的需用应力120 MPa。

3.2 采煤机行星架的动力学仿真

同样，分别在采煤机滚筒转速为90 r/min，采煤机牵引速度为1 m/min、1.5 m/min 和2 m/min 三种情况下的动力学特性进行对比分析。在不同牵引速度下采煤机行星架的最大应力值如表5 所示。

表5 不同牵引速度下行星架最大应力值

由表5 可知，随着采煤机牵引速度的增加，对应行星架所承受的最大应力增大，且最大应力值处于不同的位置。同时，摇臂壳体的最大应力值未超过材料的需用应力536.847 8 MPa。

4 结论

采煤机为综采工作面的关键设备，其承担煤层的截割和落煤任务，对于保证煤矿生产能力具有重要意义。采煤机截割部作为与煤层直接接触的零部件，准确掌握截割部在不同工况下的动力学特性，对于后续改进采煤机截割部的结构和相关采煤工艺参数具有重要意义。本文分别基于EDEM 和ADAMS 软件完成了采煤机截割部的离散元仿真和动力学仿真，并总结如下：

1）在含矸煤岩截割工况下，牵引阻力和轴向力峰值在三种工况下的比例均为3∶4∶5，截割阻力在三种工况下的比例为4∶5∶6；在全煤壁截割工况下，牵引阻力在三种工况下的比例均为3.5∶4∶6，截割阻力在三种工况下的比例为3.5∶5∶7，轴向力峰值在三种工况下的比例为7∶8∶10。

2）摇臂壳体输出端的拐点位置为应力最大位置，行星架在不同牵引速度的最大应力位置不统一。