综采工作面设备运动仿真及配套分析.pdf

总 第 209期 机械管理开发 Total 209 2020 年第9 期___________________MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT______________________No.9,2020 机械分 析 与 设 计 D0110.16525/l41134/th.2020.09.050 综采工作面设备运动仿真及配套分析 刘 涛 阳泉市上社二景煤炭有限责任公司，山西 阳 泉045000 摘要 针对目前国内综采工作面设备发展水平相对落后、 不合理的配套综采设备以及经验判断所造成的工 作量大、 生产效率低等问题， 以综采工作面采煤机、 液压支架以及刮板输送机三个关键设备为综合成套研究设 备 ， 建立了三种设备的装配三维模型， 并将该模型应用于动态仿真中， 更加直观进行性能配套分析。 关键词 综 采 工 作 面V P分 析 动 态 配 套 运 动 仿 真 中图分类号TD823.97 文献标识码A 引言 近年来， 由于采煤机技术的不断改进， 综采设备 的自动化水平的提升，使煤矿综采工作面生产效率 得到了有效提高。其中， 综采工作面采煤机、 刮板输 送机以及液压支架“ 三机” 的配套水平直接决定综采 工作面的生产效率和安全性。 因此， 开展综采工作面 “ 三机” 设备的配套性研究具有相当重要的意义。本 文着重开展综采工作面“ 三机” 的配套性研究， 指导 工作面设备的选型。 1综采工作面设备模型的建立 1 . 1 采煤机三维模型的建立 作为综采工作面的主要设备，采煤机主要作用 于装煤和落煤。本文主要研究对象为电牵引式无链 滚筒采煤机， 主要包括电气系统、 牵引部、 截割部以 及附属机构组成。其主要工作过程为位于煤壁侧和 采空侧的两只滑靴及两只导向滑轨分别于刮板输送 机工作面的产煤板及销轨上[ 1 ] 。采煤机沿刮板输送 机运行主要依靠采煤机上的销轨与齿轮耦合，以达 到左右牵引作用。截割电机则依靠机械系统带动旋 转滚筒， 完成落煤以及之后的装煤任务。 简化模型的核心部件包括采煤机底托架模型、 右摇臂、 左摇臂、 滑靴以及滚筒模型。采煤机装配的 三维模型如图1所 示 。 1 . 2 液压支架三维模型的建立 被称之为“ 钢铁长廊” 的液压支架是整个综采工 作面的支护设备，其主要作用是保证整个采煤过程 中工作设备以及人员的安全。简化模型的核心部件 主要包括液压支架护帮板模型、 液压支架底板模型、 液压支架顶梁模型、 液压支架掩护梁模型、 液压支架 前连杆模型、 液压支架后连杆模型、 液压支架立柱一 收稿日期2020-05-09 作者简介刘涛1991,男， 本科， 毕业于太原理工大学采矿工 程专业， 助理工程师， 综采队技术员， 研究方向为采矿工程。 文章编号 1〇〇3-773X 2020 09-0118-02 图 1采煤机的三维装配模型 级杆模型、液压支架立柱中缸模型以及液压支架立 柱活塞杆模型， 将这些部件装配起来， 组合为液压支 架的三维装配模型， 如图2所 示 。 图 2液压支架的三维装配模型 1 . 3 刮板输送机三维模型的建立 作为采煤机的运行轨道，刮板输送机主要依靠 牵引构件的刮板链和支承机构的溜槽作为连续的运 输设备。简化模型的核心部件主要包括输送机机头 架模型、 机头过渡槽模型、 机尾架模型、 机尾过渡槽 模型、 输送机中部槽模型， 将这些部件装配起来， 组 合为刮板运输机三维装配模型，该装配方式较为简 单， 如图3 所示。 2综采工作面设备运动仿真分析 2 . 1 采煤机的运动仿真 主要针对采煤机工作面移动方向以及螺旋滚筒 的旋转运动模拟仿真。设置运动仿真的相关主要参 数， 如下页表1 所示。主要的仿真步骤根据各部件 材料通过材料属性进行设置；定义连杆；定义运动 副;设置相关机构解算方案的参数， 主要包括运动方 2020年第9期刘涛综采工作面设备运动仿真及配套分析.1 1 9 . 表1采煤主要参数 采高/mm3 200-6 300 装机功率/kW2 390 适应工作倾角/ 10 总质量/kg125 000 截割滚筒材料 8637 H band steel 摇臂材料 钢铸，GS-10MnMo74 V 案以及分析类型、重力方向、解算时间以及解算步数 等;求解;求解完成后’ 观察运动状态;最终干涉检查气 经动态干涉检查得出，采煤机的滑靴以及滚筒 和地面之间存在干涉情况， 整个运功过程将会中止。 如此，需继续检验各部分组件之间所存在的装配问 题 ， 持续修改， 直至干涉无问题， 运动继续。 2 . 2 液压支架的运动仿真 液压支架间各个部件间相互牵引， 相互影响。 液 压支架运动仿真与采煤机的运动仿真基本相似， 但 也存在不同之处。主要体现在， 顶梁、 立柱以及底座 之间存在球面副;顶梁和底座之间约束为平行面， 顶 梁和护帮间约束为垂直。 采用与采煤机一样的运动干涉检查，检查结果 表明， 底座和后连杆存在干涉， 需对此进行调整修 改。修改之后， 整个运行过程正常。除此之外， 根据 液压支架中选择的为四连杆机构， 所以双扭线作为 其顶梁的运动轨迹， 经验证液压支架理论的运动轨 迹与实际运动轨迹保持一致，且梁端间距为30 mm 以内[ 4 ] 。 2 . 3 刮板输送机的运动仿真 刮板输送机具有相对简单的运动轨迹，作为综 采工作面中采煤机和液压支架的配套设备。它主要 包括两个过程是指推溜和拉架。推溜过程与采煤机 匹配,拉架过程中则和液压支架成套匹配， 可在下一 部分内容中具体阐述。 3 “ 三机” 性能配套分析 3 . 1 采煤机牵引力配套分析 由于相对复杂的煤层地质结构，本论文主要根 据煤层不同的倾斜角进行仿真配套分析讨论。通过 设置倾斜角分别为1 0 、 1 5以及20倾斜角煤层 结果表明， 当煤层倾斜角为10时 ， 采煤机有足够 的牵引力； 当煤层倾斜角为15时 ， 采煤机在设置 相同的阻力以及动力的条件下，仍拥有足够的牵引 力 ， 但爬坡速度明显小于低倾斜角； 当煤层倾斜角为 2 0 时， 虽采煤机仍能向前移动， 但运动加速度较前 两者来说， 明显减低。最后， 当倾斜角为21时 ， 采 煤机自身所具有的牵引力则小于爬坡阻力，呈现反 向运动， 结果表明， 该采煤机只适用于煤层彳 斜角于 2 0 范围 内 。 3 . 2 采煤机采高高度和液压支架支护高度间的配 套分析 本文设置采煤机的采高范围和液压支架支护 高度范围分别为3_26.3m和 2.86.3m〇在分析过 程中， 使采煤机前滚筒达到最高采高位置， 后滚筒 处于最低位置。同理， 也将液压支护高度设置于最 高和最低极限位置。在最高极限位置， 采煤机和液 压支护之间不存在干涉， 但后滚筒却与最低支架支 护高度存在干涉， 需进一步进行修改。若将采煤机 调高至3.2 m高度， 通过改变液压支护的高度， 两者 之间可以完成较好的配套分析;若减低支护高度为 3 m, 则采煤机与液压支护间存在干涉，该结果表 明， 对于低于3.2 m的煤层高度工作面， 虽然支架可 以起到支护作用， 但采煤机和液压支护间不能起到 较好的配套分析作用， 该方法简单便捷， 可以得到 较快的试验验证。 3 . 3 采煤机摇臂和输送机机尾的配套分析 采用传统的方法，将输送机的溜槽经过变线处 理 ，详细的操作步骤可根据建立采煤机和刮板运输 机间的三维立体模型，两者间存在的干涉位置以及 干涉值进行处理操作。 此种方法， 通过更新模型即可 立即涉及于综合的装配中， 整个过程迅速便捷。 4结论 采煤机、刮板输送机以及液压支架为综采工作 面的关键设备，其配套程度直接决定工作面的生产 效率和安全性。本文通过搭建“ 三机” 的三维模型从 理论层面分析了采煤机牵引力的配套、采煤机采高 与液压支架支护高度的配套性以及采煤机摇臂与输 送机机尾的配套性， 经实践证明， 当前工作面“ 三机” 的配套性满足实际生产需求。 参考文献 [ 1 ] 徐晓粤.采煤技术现状与发展方向[J].中州煤炭，20055 14-17. [ 2 ] 廉自生， 李文英,刘混举.VP技术在液压支架设计中的应用探 讨[J].煤矿机械，19989 12-13. [3] Isidro Diego, MalcolmGent.A finite element FEM ■ FuzZy logic SoftComPuting一 virtual reality model apProaeh in a coal face longwall mining simulation [J] .Automation in Construction, 2008 17413-414. [4] Sheaf J C, Thompson F L,Churehwell V D. Virtual prototyping with low end 3D Graphics Programs [J] .Proeeed 一 in of the 1 994 Winter Simulation Conference,BostonCountry of Publication, 1994 9789-803. 编辑 王慧芳） 下转第122页） 122. 平几械管理开发 jxglkfbjb 第3 5卷 梁尾部的下盖板与主隔板的焊接接口处，接口区域 狭小，且计算模型中接口处并未设置焊缝造成的偏 差 ， 在此可以看作是虚应力。两种工况下， 焊缝的最 大平均应力分别为481MPa、 412MPa。根据焊缝应 力计算结果， 应力较高的区域均出现在垫块位置， 且 两种工况下均产生于主加强筋与横隔板所形成的焊 缝上。 焊缝上的应力梯度较大， 在弯曲、 偏载两种工况 下 ， 应力较大的区域较为相似。根据应力来看， 主要 在横隔板与侧护板之间所形成的焊缝区域，这些区 域容易产生局部开裂、 裂纹。 但在顶梁中部的焊缝其 应力值较小， 结构仍具备一定承载余量。 4结论结论 1 根据计算的应力结果， 结构总体强度有富余， 但是局部容易产生裂纹、 局部塑性变形等。 顶梁中部 应力计算的结果显示， 其富余量大， 主筋板结构仍未 达到承载极限，但在使用中应注意排查侧护板与横 隔板所形成的焊缝区域。 2 应力云图显示大部分筋板未达到承载极限， 且 在 两 种 工 况 下 母 材 应 力 值 最 大 值 分 别 为 418 MPa、 428 MPa,小于460 MPa。焊缝平均应力最大值 达 到 481 MPa,高 于 460 MPa,所以焊缝作为结构的 易破坏点， 应该引起重视。 3焊接结构的破坏常常受焊缝的影响， 焊缝在 承载过程中产生裂纹的结构的使用寿命具有重要影 响，从计算的结果中也可以看到焊缝相对于主体结 构的应力较大，在设计中应尽量采取措施避免在狭 小空间中的焊缝，同时在生产活动中应随时对关键 点焊缝进行排查。 参考文献 [ 1 ] 高郁，冯旻我国液压支架技术现状及发展[ J ].煤炭技术， 2003,2274-6. [ 2 ] 俞茂宏，M.Yoshimine， 强洪夫.强度理论的发展和展望[J].工程 力学，2004,2161-17. [ 3 ] 王坚.关于强度理论的几点探讨[J].沈阳工程学院学报，2007 085-89. [ 4 ] 郑颖人， 高红.材料强度理论的讨论[J].广西大学学报，2008，33 4337-345. [ 5 ] 刘涛， 陈海东.我国几种主要综采设备的现状及与国外的差距 [J]煤炭工程，200198-11. [ 6 ] 孙林松， 王德信， 谢能刚.接触问题有限元分析方法综述[J] 水 利水电科技进展，2001，21 3 18-20. 编 辑 贾 韻 ） Analysis of Strength of Top Beam of Hydraulic Support under Different Working Conditions Li Haijun Mugua Coal Mine of Lyuliangshan Coal Power Co., Ltd., Fangshan Shanxi 033100 Abstract Using ANSYS Workbench to analyze the strength of the top beam of a certain type of beam hydraulic support under different working conditions, the stress distribution of the main body of the structure and the distribution of weld stress are obtained. By extracting the calculated stress value, the weld area ed by the side guard plate and the transverse partition plate is the most obvious and easily damaged area of the structural stress concentration. Key words hydraulic support top beam; coal mining; strength analysis; finite element 上 接 第119页 ） Motion Simulation and Auxiliary of Equipment of Fully Mechanical Mining Face Liu Tao Shangshe Erjing Coal Co” Ltd.， Yangquan Shanxi 045000 Abstract Aiming at the problems of heavy workload and low production efficiency caused by the relatively backward and unreasonable supporting fully mechanized mining equipment in China at present, three key equipment of fully mechanized mining face shearer, hydraulic support and scraper conveyor are used as comprehensive research equipment. The three-dimensional assembly model of three kinds of equipment is established. Then the model is applied to dynamic simulation to study and analyze the perance matching analysis more intuitively. Key words fully mechanized mining face; VP analysis; dynamic matching; motion simulation