薄煤层采煤机螺旋滚筒截割性能研究.pdf

田震,荆双喜,赵丽娟,等. 薄煤层采煤机螺旋滚筒截割性能研究[J]. 河南理工大学学报自然科学版,2020,39280- 84. doi10. 16186/ j. cnki. 1673-9787. 2020. 2. 11 TIAN Z,JING S X,ZHAO L J,et al. Research on cutting perance of spiral drum of thin coal seam shearer[J]. Journal of Henan Polytechnic UniversityNatural Science,2020,39280-84. doi10. 16186/ j. cnki. 1673-9787. 2020. 2. 11 薄煤层采煤机螺旋滚筒截割性能研究 田震1,2,荆双喜2,赵丽娟3,高珊1,张成光1 1. 周口师范学院 机械与电气工程学院,河南 周口 466000;2. 河南理工大学 机械与动力工程学院,河南 焦作 454000;3. 辽宁工程技术 大学 机械工程学院,辽宁 阜新 123000 * 摘要为研究螺旋滚筒结构对薄煤层采煤机截割性能的影响,基于 MATLAB 和 VB 编制采煤机 载荷计算软件,对截割过程中螺旋滚筒载荷、截割阻力矩以及截割功率进行分析,得到 A、B 两 种型号螺旋滚筒的截割阻力矩及截割功率分布规律。 通过对具有柔性摇臂壳体、行星架和行 星轴的采煤机刚柔耦合模型进行仿真,得到相应结构件的应力水平。 研究结果表明A 型螺旋 滚筒的截割阻力矩和功率消耗均大于 B 型螺旋滚筒;采用 B 型螺旋滚筒与 MG400/951-WD 型 采煤机进行配套后,采煤机关键零件的受力状态能够得到明显改善。 对定型后的采煤机在生 产过程中进行跟踪,并对所用分析方法的准确性进行验证。 研究结果可为螺旋滚筒截割性能 的综合评价以及采煤机运动参数的合理匹配提供一定参考。 关 键 词薄煤层采煤机;螺旋滚筒;截割性能;动态特性 中图分类号TD421. 6 文献标志码A 文章编号1673-978720202-80-5 Research on cutting perance of spiral drum of thin coal seam shearer TIAN Zhen1,2,JING Shuangxi 2,ZHAO Lijuan3,GAO Shan1,ZHANG Chengguang1 1. College of Mechanical and Electrical Engineering,Zhoukou Normal University,Zhoukou 466000,Henan,China;2. School of Mechanical and Power Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,Henan,China;3. College of Mechanical Engineering,Liaoning Technical Universi- ty,Fuxin 123000,Liaoning,China AbstractIn order to study the influence of spiral drum’s structure on the cutting perance of thin coal seam shearer,a calculation software of shearer load was compiled based on MATLAB and VB,and the load of spiral drum,cutting resistance moment and cutting power in the cutting process were analyzed. The distributions of cutting resistance moment and cutting power of A and B type spiral drums were obtained. Through the simula- tions of shearer rigid-flexible coupling model with flexible rocker shell,planetary frame and planetary axis,the stress level of corresponding structural parts was obtained. It was found that the cutting resistance moment and power consumption of type A spiral drum were greater than those of type B spiral drum. The stress state of key parts of MG400/951-WD shearer with type B spiral drum could be significantly improved. The analytical meth- od was verified by the production test of shearer. The research results could provide a reference for the compre- 第 39 卷第 2 期 2020 年 3 月 河南理工大学学报自然科学版 JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITYNATURAL SCIENCE Vol. 39 No. 2 Mar. 2020 *收稿日期2019-05-16;修回日期2019-06-22 基金项目国家自然科学基金资助项目51674134;河南省自然科学基金资助项目182300410250;河南省科技攻关项目 182102210606;周口师范学院高层次人才引进项目ZKNUC2017034 第一作者简介田震1987,男,安徽界首人,博士,讲师,主要从事机械系统动力学分析与控制方面的教学和研究工作。 E-mail lntutian2008126. com 通讯作者简介荆双喜1962,男,河南巩义人,博士,教授,博士生导师,主要从事机电设备故障检测与诊断方面的教学和研究工 作。 E-mailjsx hpu. edu. cn hensive uation of the cutting perance of the spiral drum and the selection of motion parameters. Key wordsthin coal seam shearer;spiral drum;cutting perance;dynamic characteristic 0 引 言 薄煤层赋存条件不稳定、工作面空间狭小、环 境恶劣,因此实现机械化开采对机械设备性能的 要求较高[1-2]。 螺旋滚筒是采煤机的工作机构,承 担着破煤、装煤及除尘等任务,采煤机的装机功率 绝大部分消耗在螺旋滚筒截割煤岩的过程中,因 此,螺旋滚筒的设计是否合理,将直接影响截齿受 力及其波动、截割比能耗等截割性能指标[3-4]。 此 外,在复杂工况下,采煤机行星架等薄弱环节的可 靠性研究也是煤矿高产高效的重要课题。 为了提高薄煤层采煤机螺旋滚筒截割性能, 国内外许多学者开展了相关研究。 M. Ayhan 等[5]对采用锥型和圆柱型2 种形状筒毂的螺旋滚 筒进行截割试验,比较分析了 2 种型式滚筒的截 割性能;A. W. Reid 等[6]提出了利用扩展卡尔曼 滤波器间接识别截齿受力的动态方法,并通过数 值模拟验证了该方法的正确性;陈洪月等[7]利用 Tikhonov 正则化方法对滚筒截齿所受载荷进行重 构,找出了采煤机牵引速度对截齿载荷的影响,并 进行了试验验证;张强等[8]通过试验获得了采煤 机在截割时螺旋滚筒受到的载荷特性;陆辉等[9] 通过数值模拟得到镐型截齿截割时的载荷,并用 UG/ NASTRAN 对截齿进行了疲劳寿命分析;罗晨 旭[10]通过螺旋滚筒截割试验,找出了煤岩性质与 冲击载荷之间的关系,并对影响截割比能耗、块煤 率等截割性能指标的参数进行了分析。 以上研究 取得了很多有价值的成果,但多从受力或载荷的 角度对螺旋滚筒截割性能进行分析,而从螺旋滚 筒截割阻力矩、截割功率以及采煤机动态特性等 方面对螺旋滚筒截割性能进行研究的较少。 本文以 MG400/951-WD 型采煤机螺旋滚筒 为研究对象,从滚筒载荷、截割阻力矩和截割功率 等方面对 2 种不同结构螺旋滚筒的截割性能进行 分析。 采用 MATLAB 与 VB 编写的采煤机螺旋滚 筒载荷计算软件,找出截割阻力矩、截割功率的变 化规律,对采用不同结构螺旋滚筒的采煤机动态 特性进行仿真,得到关键零部件的应力状态。 通 过对螺旋滚筒截割性能进行多角度分析评价,可 以选择与采煤机及其所应用煤层更为匹配的螺旋 滚筒,同时也可根据截割阻力矩和截割功率变化 规律,对相关运动参数进行合理匹配。 1 螺旋滚筒结构参数 为了与 MG400/951-WD 型电牵引采煤机配 套,基于该型采煤机机身尺寸、截齿形状以及煤层 条件,设计 2 种不同结构参数的螺旋滚筒 A 型和 B 型,其中 A 型滚筒截齿排列如图 1 所示。 该滚 筒具有 18 条截线,螺旋升角为 12. 17,其中滚筒 端盘截齿数为 14,分布在沿滚筒周向均匀布置的 A,B,C,D,E 5 条截线上,A 截线上截齿为 6 个,B 和 C 截线上截齿各3 个,D,E 截线上截齿各1 个, 截齿安装角均为 40;倾斜角分别为 15,12,8, 5和 2;转角分别为 45,35,20,0和 10。 图 1 A 型滚筒截齿排列示意 Fig. 1 Pick arrangement schematic of A type drum B 型滚筒截齿排列如图 2 所示。 该滚筒具有 17 条截线,螺旋升角为 131 7 截线和 178 11 截线,端盘截齿数为15,分布在沿周向均匀 布置的 A,B,C,D,E 和 F 截线上,A 截线上截齿为 6 个,B 和 C 截线上截齿各 3 个,D,E,F 截线上截 齿各 1 个,截齿安装角均为 45;倾斜角分别为 15,12,8,5,2和 0;转角分别为 47,35, 20,12,5和 0。 图 2 B 型滚筒截齿排列示意 Fig. 2 Pick arrangement schematic of B type drum 2 螺旋滚筒截割性能分析 为使滚筒所受载荷更符合实际工况,对采煤 机所用煤矿进行煤层取样。 通过煤样性质测定, 得其密度为 1 309 kg/ m3,抗拉强度为 1. 08 MPa, 抗压强度为 17. 71 MPa,弹性模量为 4 388 MPa, 泊松比为 0. 23,内摩擦角为 59,坚固性系数为 2. 0,凝聚力为 1. 85 MPa。 18 第 2 期 田震,等薄煤层采煤机螺旋滚筒截割性能研究 对螺旋滚筒进行受力分析,基于 MATLAB 和 VB 软件编写采煤机滚筒载荷计算软件[11-12],并 利用该软件计算采煤机以牵引速度 5 m/ min、截 深1 150 mm进行截割上述煤层时的 A、B 两型号 滚筒所受载荷,如图 3 和图 4 所示。 B 型滚筒叶 片为变螺旋升角,其截齿排列较 A 型滚筒出现了 变化,而且截线距分布更加均匀、截齿总数减小。 在相同截割条件下,B 型滚筒所受载荷比 A 型滚 筒小,且载荷波动也有一定程度降低。 图 3 A 型螺旋滚筒瞬时载荷曲线 Fig. 3 Instantaneous load curves of A type drum 图 4 B 型螺旋滚筒瞬时载荷曲线 Fig. 4 Instantaneous load curves of B type drum A、B 型滚筒在上述工况下的截割阻力矩、截 割功率曲线如图 5 所示。 由图 5 可知,两型号螺 旋滚筒截割阻力矩和截割功率波动趋势均保持一 致,但 B 型螺旋滚筒截割时受到冲击载荷的波动 明显低于 A 型滚筒,且 B 型滚筒截割阻力矩和功 率消耗相对于 A 型滚筒有一定程度的降低。 在 截割同一煤层时,采用 B 型螺旋滚筒的采煤机不 仅能够保证采煤机的工作稳定性,而且能够以较 快的牵引速度进行截割作业,从而提高煤炭生产 效率。 图 5 截割阻力矩、截割功率曲线 Fig. 5 Cutting resistance moment and cutting power curves 计算得到两型号螺旋滚筒截割阻力矩随滚筒 转速和牵引速度变化规律,如图 6 所示。 由图 6 可知,由于 A 型滚筒截齿总数比 B 型滚筒的多, 在相同条件下截割同一性质煤层时,其截割阻力 矩高于 B 型滚筒的。 在滚筒截割阻力矩分布特 性中,截割阻力矩分布曲面沿滚筒转速降低和牵 引速度增大两个方向缓慢上升,曲面较为平坦,但 图 6 截割阻力矩分布规律 Fig. 6 Distribution law of cutting resistance moment 当二者增加到与某一曲线相交时,曲面率迅速增 加,直至最大。 滚筒转速越高,截割阻力矩相对于 28 河南理工大学学报自然科学版 2020 年第 39 卷 牵引速度的变化范围越小,其刚性沿某一方向越 来越低。 总体而言,滚筒转速或牵引速度在某一 范围内变化时,滚筒截割阻力矩的变化不会剧烈。 截割功率随滚筒转速及牵引速度的变化规律 如图 7 所示。 由图 7 可见,截割功率沿滚筒转速 和牵引速度增大的两个方向不断上升,曲面变化 同截割阻力矩趋势类似,且 A 型滚筒的功率消耗 略大于 B 型滚筒。 随着滚筒转速降低,截割功率 相对于牵引速度变化曲线的斜率增加,说明在滚 筒高转速下,变速牵引时滚筒截割功率相对稳定。 该采煤机若选用 A 型螺旋滚筒与其配套,为充分 发挥采煤机的生产能力,根据滚筒截割阻力矩以 及截割功率分布规律,计算得到该型采煤机在该 工作面截割时的最大牵引速度,约为 6. 78 m/ min;若选用 B 型螺旋滚筒时,该采煤机最大牵引 速度约为 7. 53 m/ min。 图 7 截割功率分布规律 Fig. 7 Distribution law of cutting power 3 采煤机动态特性分析 对关键零件进行柔性化处理是采煤机动态特 性分析的重要环节[13-14]。 在采煤机工作过程中, 摇臂壳体不仅承受着传动系统内部齿轮啮合时的 冲击,而且还承受螺旋滚筒截割时受到的交变冲 击载荷作用,在机械系统中属于受力恶劣的薄弱 环节。 采煤机截割时受到的交变冲击载荷使行星 机构承受较大的负载,负载过大极易造成行星减 速器 的 损 坏, 进 而 影 响 整 个 生 产 过 程 的 进 行[15-16],因此,有必要对行星减速器的可靠性进 行分析。 在对摇臂壳体、行星架和行星轴柔性化 后,建立采煤机的刚柔耦合模型,如图 8 所示。 计算采煤机以牵引速度 5 m/ min、前滚筒截 煤厚度 1 150 mm滚筒直径、后滚筒截煤厚度 450 mm截割煤层时两种型号螺旋滚筒受到的瞬 时载荷,并将载荷施加到前后滚筒质心后进行动 力学仿真[17-18]。 根据仿真结果,统计得到相关零 图 8 采煤机刚柔耦合模型 Fig. 8 Rigid-flexible coupling model of shearer 部件受力信息,如表 1 所示。 由表 1 可知,无论采 用何种型号螺旋滚筒,各零件的最值节点所处区 域位置变化不大,但采用 B 型螺旋滚筒后关键零 件在稳定截割后的受力均小于采用 A 型螺旋滚 筒时的受力,零件的受力状态得到明显改善。 表 1 相关零件应力信息统计 Tab. 1 Stress ination statistics of related parts 项目 最值 节点 稳定后最 值/ MPa 稳定后均 值/ MPa 壳体19 021111. 493 690. 399 6 行星架23 341474. 288 6350. 247 4 A 滚筒 前摇臂 行星轴-15 071611. 130 9476. 104 6 行星轴-24 990528. 8820306. 203 5 行星轴-35 132495. 881 5294. 938 7 壳体19 465132. 776 76. 088 3 行星架24 477390. 585 7174. 283 5 A 滚筒 后摇臂 行星轴-15 022364. 419 0233. 157 8 行星轴-25 071413. 751 5246. 372 3 行星轴-34 990362. 499 7235. 534 8 壳体19 02197. 801 481. 883 7 行星架23 451416. 042 6317. 253 1 B 滚筒 前摇臂 行星轴-15 022536. 079 7431. 254 2 行星轴-24 990463. 931 6277. 358 2 行星轴-35 071434. 983 8267. 154 6 壳体19 465116. 470 85. 514 8 行星架23 341342. 619 0157. 865 5 B 滚筒 后摇臂 行星轴-15 132319. 665 8211. 193 7 行星轴-25 071362. 939 9223. 163 3 行星轴-34 990317. 982 2213. 346 7 4 工业试验 根据 2 种型号螺旋滚筒在截割性能、装煤性 能以及对采煤机动态性能影响等方面的综合比 较,MG400/951-WD 型采煤机最终采用 B 型螺旋 滚筒与其配套。 该采煤机定型生产后进行井下工 业性试验,试验中 B 型螺旋滚筒能够对煤层中的 夹矸、硫化铁硬结核体和厚度 500 mm 以内的底 38 第 2 期 田震,等薄煤层采煤机螺旋滚筒截割性能研究 板岩石实现有效截割,如图 9 所示。 根据滚筒截 割功率分布规律,该型采煤机在工业性试验中以 牵引速度 7. 53 m/ min 截割纯煤时,在大截深、高 牵引速度条件下,采煤机仍能安全可靠地进行生 产作业。 在截割顶底板以及含包裹体煤层时,采 用降低截割深度的方法进行截割,此时摇臂及机 体振动较小,设备能够平稳运行。 工业性试验期 间,该采煤机除导向滑靴磨损较快以外,其他结构 正常,整机具有良好的结构性能和可靠性。 图 9 采煤机工业性试验 Fig. 9 Industrial test of shearer 5 结 语 基于 MATLAB 与 VB 编写采煤机载荷计算软 件,对 2 种结构的螺旋滚筒所受载荷、功率消耗、 截割阻力矩等截割性能指标的变化规律进行了分 析。 构建了薄煤层采煤机刚柔耦合多体模型,分 析不同型号螺旋滚筒所受载荷对薄煤层采煤机动 态特性的影响,得到了关键零部件的应力状态。 通过对 2 种型号螺旋滚筒的综合性能分析,发现 B 型螺旋滚筒具有良好的煤岩适应性。 在工业性 试验中,根据螺旋滚筒截割功率分布规律,对采煤 机的运动参数进行合理匹配,能够实现采煤机安 全高效的工作。 研究结果可为螺旋滚筒截割性能 的综合评价提供一定的参考。 参考文献 [1] GAO K D,DU C L,LIU S Y,et al. 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