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采煤机液压拉杆瞬态动力学仿真分析 马英 天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013 ［ 摘 要］为了研究采煤机液压拉杆载荷的变化规律，采用三维实体建模与有限元仿真方法， 建立了采煤机整机动力学仿真模型，分析了滚筒动载荷作用下液压拉杆的载荷变化特性，得出 4 个拉 杆的最大应力和对应变形量，通过与液压拉杆的材料需用强度对比，证明了液压拉杆的可靠性和安全 性。 ［ 关键词］采煤机; 液压拉杆; 瞬态动力学 ［ 中图分类号］ TD355. 41［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 2019 01- 0045- 03 Transient Dynamics Simulation of Coal Cutter Hydraulic Pressure Pull Rod MA Ying Coal Mining ＆ Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co. ，Ltd. ，Beijing 100013，China Abstract In order to studying loading variation of hydraulic pressure pull rod of coal cutter，and then three dimensions solid model building and finite element simulation were applied，the dynamics simulation model of complete machine of coal cutter，and then load- ing variation characters of hydraulic pressure pull rod under dynamical loading of roller，the maximal stress and it’s corresponding deation of all four pull rod were put forward，according strength comparison of hydraulic pressure pull rod，the reliability and safe- ty of hydraulic pressure pull rod were verified. Key words coal cutter; hydraulic pressure pull rod; transient dynamics ［ 收稿日期］ 2018－09－05［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2019. 01. 010 ［ 基金项目］ 十三五重点研发计划 千米深井超长工作面围岩自适应智能控制开采技术专项 01021007－52J ;国家智能制造专项 863 计 划 项目 2012AA06AA407 ［ 作者简介］ 马英 1982－ ，男，辽宁海城人，博士，副研究员，主要从事煤矿开采装备技术研究。 ［ 引用格式］ 马英 . 采煤机液压拉杆瞬态动力学仿真分析 ［ J］ ． 煤矿开采，2019，24 1 45－47，97. 液压拉杆是连接采煤机机身和左、右行走部的 关键零件，采煤机滚筒在截割煤岩的过程中，会经 常受到动载荷的作用，传递至液压拉杆使其产生较 为强烈的振动，从而容易出现破坏失效。其性能和 寿命直接影响着采煤机的稳定性和可靠性 ［1 ］，为 此，工程设计人员对液压拉杆的载荷、结构进行了 大量分析和研究，主要成果有文献 ［ 2］ 研究了 液压拉杆预紧作用下，采煤机连接结合面的接触压 力分布特性，并分析了液压拉杆布置及其连接对采 煤机工作过程中的整体性、可靠性的影响;文献 ［ 3］ 对液压拉杆进行了有限元分析，得到了液压 拉杆的应力、应变特性; 文献 ［ 4］ 通过液压拉杆 的结构、材料和工作过程分析，给出液压拉杆断裂 的影响因素; 文献 ［ 5］ 建立了斜切工况下采煤机 液压拉杆受力分析模型，研究了不同工况下液压拉 杆载荷特性，并分析了液压拉杆疲劳强度;文献 ［ 6］ 设计了液压拉杆拉压力测试装置，实现了液 压拉杆载荷的实时测量;文献 ［ 7］ 建立了液压拉 杆静力学方程，得到了液压拉杆的剪切载荷，并据 此对液压拉杆进行寿命分析;文献 ［ 8］ 对液压拉 杆的制造工艺和材料进行优化，提高了液压拉杆的 强度; 文献 ［ 9］ 将超级螺栓结构应用到采煤机的 机身连接上，提高了螺栓的连接可靠性;文献 ［ 10］ 建立了液压拉杆超静定静力学模型，采用变 形协调方程对模型进行了求解，获得了液压拉杆载 荷变化规律。 上述研究为采煤机拉杆的深入研究提供了基 础。已有的研究成果主要对液压拉杆结构参数和几 何参数进行分析，对滚筒截割煤岩过程的拉杆受载 规律分析不够透彻。因此，为保证其安全可靠性， 有必要对其进行动力学分析研究，以满足其动态特 性要求。 1采煤机三维实体模型构建 以 MG500/1180－WD 型交流电牵引采煤机为研 究对象，利用 Croe3. 0 三维建模软件采用自下而上 的建模方式进行三维建模，模型比例为 1 ∶ 1，并 对除液压拉杆以外的其他构件进行了适当的简化处 理。 在模型建立功能界面中分别对左机身、右机 54 第 24 卷 第 1 期 总第 146 期 2019 年 2 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 24No. 1 Series No. 146 February2019 ChaoXing 身、中部机身、左滚筒、右滚筒、左摇臂、右摇 臂、左减速箱、右减速箱、滑靴组件、液压拉杆、 附件等部件进行三维模型构建，完成后将其置于装 配模块中进行装配。首先将左、右摇臂，左、右滚 筒对应装配; 再将三部分机身通过 4 根液压拉杆装 配为一体，其中 2 根布置在采空区侧，2 根在煤壁 侧; 机身与液压拉杆装配完成后，将左减速箱和右 减速箱装配至机身上; 最后装配滑靴组件。采煤机 整机三维模型如图 1 所示。 图 1滚筒采煤机三维模型 2边界条件设置及求解 2. 1滚筒载荷设置 采煤机工作过程中，截齿间歇性冲击煤岩，受 到大小方向时刻变化的动态载荷作用，形成交变应 力，滚筒在截割过程中的三向载荷公式如下 FxΣ i 1 Nc Zicosφi Y isinφi FyΣ Nc i 1 － Zisinφi Y icosφi FzΣ Nc i 1Xi M Σ Nc i 1 ZiR            1 式中， Xi，Yi，Zi分别为滚筒上第 i 个参与截割的 截齿的径向、牵引及切割阻力，N; Fx，Fy，Fz分 别为滚筒在轴向、牵引及竖直方向的阻力载荷， N; M 为载荷扭矩，Nm。Nc为滚筒截齿总数; R 为滚筒半径; φi为第 i 个截齿与滚筒竖直方向的夹 角。 根据文献 ［ 11］ 中利用 EDEM 离散元仿真分 析软件模拟采煤机动态截割过程，获得前后滚筒三 向载荷，滚筒三向载荷－时间曲线如图 2 所示，参 考文献 ［ 11］ 设置载荷均值如表 1 所示。把前后 滚筒载荷导入 ANSYS 中并施加在滚筒表面。 表 1三向载荷参数 N 方向 载荷均值 前滚筒后滚筒 X 5. 74291034. 6518103 Y 2. 32761041. 8124104 Z5. 26591044. 7396104 图 2滚筒三向载荷－时间曲线 2. 2材料设定 由于采煤机在实际工作中环境恶劣且受到严格 限制，液压拉杆会因机身所受冲击载荷发生振动， 作为滚筒采煤机中关键联接部件，其可靠性直接影 响整机的工作效率及寿命，因此液压拉杆需要满足 高的强度、塑性和韧性要求。液压拉杆材料选用 40CrNiMoA，采煤机其他部件材料为 Q235。 2. 3网格划分 网格划分是进行有限元分析中不可或缺的步 骤，网格的质量会直接影响分析的精度、收敛性和 速度。Workbench 为网格划分提供了强大的功能， 采用这些功能进行网格划分操作可以获得高质量的 网格，对于分析的结果至关重要。Workbench 中常 用的网格划分方法包括Automatic 自动网格划 分 、Terzhedrons 四面体网格划分 、Hex Domi- nant 六面体主导网格划分 、Sweep 扫掠法 、 MultiZone 多区法 、Inflation 膨胀法 。本文采 用四面体网格对采煤机整机进行网格划分，并着重 对液压拉杆组件部分进行区域细化。全局单元尺寸 为 100mm，局部单元尺寸为 50mm。 2. 4载荷步设置 利用 EDEM 离散元分析法模拟采煤机动态截 割过程，通过 EDEM 与 ANSYS 的耦合接口，将截 割过程中滚筒载荷数据导入 workbench 中，分析实 际工况下采煤机液压拉杆的受载情况。设置仿真时 长为 25s，时间步长为 0. 1s。 2. 5求解方法设置 在对系统进行瞬态动力学分析时，需要考虑阻 尼这一重要参数，在 ANSYS 软件中一般可以指定 几种形式的阻尼，分别为瑞利阻尼、单元阻尼。 本文选择完全法 Full来进行采煤机整机的瞬态 动力学分析，在 ANSYS 软件中选取瑞利阻尼进行 计算，并对瑞利阻尼的 2 个常数 δ 和 λ 进行求解。 阻尼矩阵求解方程为 C[ ] δ M [ ] λ K [] 2 式中， C[] 为系统的阻尼矩阵; M[] 为系统的质量 64 总第 146 期煤矿开采2019 年第 1 期 ChaoXing 矩阵;K[] 为系统的刚度矩阵。 根据式 2还不能直接求解出 δ 和 λ ，需要 通过计算振型阻尼比 ξi才能得出。将 ωi设定为采 煤机第 i 阶模态的固有频率，则其计算公式为 ξi δ 2ω i λωi 2 3 为了在给定的振型阻尼比下得到确定的 δ 和 λ ，通常情况在已知的固有频率条件下，需要将 δ 与 λ 之和设置为一个恒定值。通过查阅相关资 料 ［12 ］，选取阻尼比为0. 009。在计算此处的阻尼常 数时，可得到 δ1. 6734， λ0. 2605。 3仿真结果分析 由于实际工况下，采煤机 4 根拉杆中最长的那 根拉杆最易发生损坏，因此提取出该液压拉杆所受 应力随时间变化的曲线图，对图 3 中的数据进行分 析，可以得出在第 15s 时液压拉杆出现最大应力， 约为 840MPa。因此对 15s 时刻的采煤机整机和液 压拉杆进行瞬态的力学特性分析。 图 3 4 号液压拉杆应力变化曲线 采煤机整机和液压拉杆在动载情况下的变形值 和应力如图 4、图 5 所示，4 根液压拉杆所受最大 应力值及变形量如表 2 所示。 图 4动载作用下采煤机变形云图 由图 5、6 可知，液压拉杆应力集中部位为螺 母与机身接触面且液压拉杆中部变形最大，由于 4 图 5动载作用下采煤机应力云图 表 2液压拉杆动力学仿真结果 液压拉杆最大应力值/MPa变形量/mm 1 号 547. 233. 2732 2 号 368. 912. 3157 3 号 301. 451. 9183 4 号 836. 174. 1395 图 6液压拉杆螺纹处应力云图 号液压拉杆受力最严重，因此对其进行着重分析。 由图6 中的信息可知，最大应力为 836. 17MPa，远 小于液压拉杆材料 40CrNiMoA 的许用应力σ[ ] 1118MPa，其变形量 4. 1395mm 也小于其参考变形 量 6mm，4 根液压拉杆均在安全适用范围内。 从分析结果可以看出液压拉杆螺纹配合处应力 比拉杆大，因此通过热处理工艺提高其抗拉强度或 选用更高强度的材料制作螺纹可以从根本上减缓螺 纹的应力破坏。螺纹材料的强度、硬度等物理性能 参数确定以后，螺纹副的抗拉强度就由受内外螺纹 螺牙啮合的高度决定。因此通过采取高精度螺纹技 术，使内外螺纹大径的配合精度提高，就能使螺纹 副的啮合高度接近理论尺寸，达到接近标准螺纹副 的啮合状态，从而显著提高螺纹副的抗拉强度。 4结论 通过建立采煤机整机虚拟样机模型，对液压拉 杆瞬时动力学特性进行了分析，得到了最长液压拉 下转 97 页 74 马英 采煤机液压拉杆瞬态动力学仿真分析2019 年第 1 期 ChaoXing 计对底板应力进行监测，发现底板应力在工作面推 进过程中变动幅度较大，对矿井生产变化十分敏 感。 2对底板受力进行简化后的理论分析，认 为其在不稳定应力下的变形为非协调变形; 结合尖 点突变模型，推导出底板失稳的必要条件。 3华亭煤矿 250104 工作面的底板处于临界 失稳状态，在开采扰动的情况下可能会产生结构性 失稳，进而造成冲击地压破坏;而陈家沟煤矿 8512 工作面计算结果显示陈家沟煤矿底板稳定性 较好，不容易发生结构性失稳，和实际情况相吻 合。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 煤矿安全规程 ［ M］ ． 北京 煤炭工业出版社，2011. ［ 2］ 章梦涛 . 我国冲击地压预测和防治 ［J］ ．辽宁工程技术大学 学报 自然科学版 ，2001，20 4 434－435. ［ 3］ 章梦涛，徐曾和，潘一山，等 . 冲击地压和突出的统一失稳 理论 ［J］． 煤炭学报，1991，16 4 48－53. ［ 4］ 潘一山，章梦涛 . 冲击地压失稳理论的解析分析 ［J］ ．岩石 力学与工程学报，1996 S1 504－510. ［ 5］ 梁冰，章梦涛 . 采区冲击地压的数值预测 ［J］． 矿山压力 与顶板管理，1992 2 12－15. ［ 6］ 唐春安，徐小荷 . 岩石破裂过程失稳的尖点灾变模型 ［J］ ． 岩石力学与工程学报，1990，9 2 100－107. ［ 7］ 唐春安 . 脆性材料破坏过程分析的数值试验方法 ［J］ ．力学 与实践，1999 2 21－24. ［ 8］ 潘一山，章梦涛 . 用突变理论分析冲击地压发生的物理过程 ［ J］． 阜新矿业学院学报，1992，11 l 12－18. ［ 9］ 赵扬锋，潘一山，于海军 . 基于剪切梁层间失效模型的断层 冲击地压分析 ［J］． 岩土力学，2007，28 8 1571－1576. ［ 10］ 费鸿禄，徐小荷 . 岩爆的动力失稳 ［M］ ．上海东方出版 中心，1998. ［ 11］ 徐曾和，徐小荷，唐春安 . 坚硬顶板条件下煤柱岩爆的尖点 突变理论分析 ［J］． 煤炭学报，1995，20 5 485－491. ［ 12］ Wang J A，Park H D. 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