采煤机截割过程仿真分析(1).pdf

2 0 2 0年第0 2期 采煤机截割过程仿真分析 张建明 山西潞安郭庄煤业有限责任公司, 山西 长治 0 4 6 1 0 0 摘 要 采煤机在采煤过程中的振动主要是由截割部割煤过程受到的冲击载荷引起的, 利用L S - D YNA软件对采 煤机的截割部进行了建模与仿真, 研究了采煤机牵引速度和滚筒旋转速度对采煤机振动的影响。 关键词 采煤机; 截割部;L S - D YNA; 仿真研究 中图分类号 T D 4 2 1 D O I 1 0. 1 9 7 6 9/j . z d h y . 2 0 2 0. 0 2. 0 2 3 0 引言 煤炭是我国储量最丰富的化石能源, “ 多煤、 贫油、 少 气” 的能源储量情况决定了我国的能源结构必然是以煤炭 为主。提高煤矿的开采效率, 一直是我国煤炭行业发展的 方向, 随着现代化煤矿的建设, 各大煤矿综采工作面已经 逐步由人工开采发展成机械化、 自动化开采。采煤机是综 采工作面最重要的设备之一, 目前应用最广泛的是采煤 机, 它承担着破煤、 割煤、 装煤的采掘任务, 其工作效率直 接决定了整个综采工作面的生产效率。由于井下环境恶 劣, 采煤机容易出现故障, 影响煤矿产量, 而其故障主要是 由截割部受到的冲击载荷所引起的振动造成的, 因此本文 以采煤机截割部为研究对象, 研究其动力学特性。 1 采煤机截割部 采煤机由截割部、 牵引行走部及中间箱三部分构成, 其中截割部的主要功能是截割和破碎, 由摇臂和滚筒两 个部件联动完成。摇臂主要由各截轴组件、 各惰轴组件、 壳体、 喷雾供水装置、 行星机构、 截割电机组成。截割电 机的转矩和转速输入由各截轴和惰轴来实现传递, 并通 过行星机构传递到滚筒上, 实现滚筒的转动。在截割电 机和截一轴间还装有扭矩保护装置, 在截割过载时将传 动系统与截割电机分离, 进行过载保护。滚筒是采煤机 的割煤装置, 直接与煤层接触, 主要由端盘、 螺旋叶片、 筒 毂、 截齿、 齿座和喷雾系统组成。截齿安装在齿座上, 齿 座安装在螺旋叶片上, 高速旋转时截齿进行割煤, 破碎的 煤块沿着螺旋叶片被送到刮板输送机上, 喷雾系统喷出 水雾起到降尘和冷却的作用。采煤机工作时受到的载荷 主要就是截齿在割煤时受到的阻力, 振动和冲击通过滚 筒和摇臂传递到整个采煤机上。 2 模型建立 2. 1 L S - D Y N A软件 L S - D YNA软件可以对复杂的几何、 材料以及接触的 等问题进行非线性动力学分析, 可以对各种高速碰撞、 金 属成型等非线性动力冲击行为进行求解, 功能非常强大。 L S - D YNA拥有L a n g u a g e、E u l e r、A L E、S h e l l和S P H等 众多处理器, 允许同一问题的不同部分选用不同数值方 法进行耦合分析, 更高效地解决问题。L S - D YNA软件采 用拉格朗日数值方法解决高速碰撞问题, 引入沙漏控制 和人工体积黏性来解决网格畸变问题。 2. 2 截割部模型建立 采煤机在实际割煤过程中, 每一时刻参与割煤的截 齿数是不同的, 煤层的物理性能也随工作面的变化而变 化[ 1], 因此滚筒受到的载荷是一个随机变量。在建立仿 真模型之前需要研究滚筒与媒体互相作用的受力情况, 才能在仿真结果中得到更接近真实情况的滚筒振动特 性。截齿跟随滚筒做旋转运动, 与煤层大量媒体微元发 生碰撞。因为煤是弹塑脆性材料, 截齿与煤体微元的碰 撞可以用弹性单元、 塑性单元和脆性单元复合表示。在t 时刻有N个煤体单元与截齿发生接触碰撞, 与之相连的 M个煤体微元会遵从相应的破碎准则被破坏, 煤层的材 料必须设置为合适的非线性材料才能在仿真中准确模拟 煤体被切割破碎的过程。 采煤机的结构复杂, 各零件配合起来可以实现很多 功能, 但很多零件并不参与截割部破煤过程, 如果对全部 零件进行实体建模, 在仿真中并不起作用反而会浪费计 算资源与时间。因此, 为了提高仿真精度和效率, 适当去 掉采煤机中一些不必要的零件, 建立采煤机的简化实体 模型, 主要包括滚筒、 摇臂和调高液压缸[ 2]。 图1 采煤机截割部割煤过程仿真模型 在所有实体模型建立完成后, 采用单点高斯积分形 式的3 D S o l i d 1 6 4实体单元对各部件进行网格划分和细 化, 再对各零件进行材料设置与约束设置。其中, 摇臂与 滚筒采用常规刚性材料, 煤层采用MA T - 1 9 3非线性材 85 自动化应用 计算机与信息技术 收稿日期 2 0 2 0 - 0 1 - 0 4 作者简介 张建明 1 9 8 8 , 男, 本科, 毕业于太原理工大学现代科技学院, 助理工程师。 2 0 2 0年第0 2期 料, 调高液压缸采用线弹性材料; 1、2点为铰接点, 摇臂、 滚筒与调高液压缸三者之间均为自动面面接触, 截齿 通过刚性约束在筒毂上, 截齿与煤层的接触采用侵蚀接 触。定义采煤机滚筒的旋转运动, 并定义煤层的水平运 动来代替采煤机的水平运动, 模拟割煤过程, 最后设置仿 真模型的单位制, 采用m - k g - s统一单位。设置好的截割 部截割过程仿真模型如图1所示。 3 牵引速度对割煤过程的影响分析 将煤层的水平运动速度分别设置为0. 0 5 m/s、0. 0 7 m/s和0. 0 9 m/s, 滚筒旋转速度设置为4 r a d/s, 运行仿 真程序, 得到仿真结果如图2所示。 图2 不同牵引速度下的滚筒仿真结果 从滚筒的受力曲线中可以看出, 在截割初始时受力 突然增大, 这是滚筒撞击煤层产生的冲击导致的, 截割开 始后受力逐渐平稳。随着牵引速度的增加,X方向受力 变化趋势基本不变, Y方向受力逐渐增大, 这是因为煤层 在不断地被破坏过程中, 破损的煤块堆积在表面, 被不断 压实, 形成一层坚硬的“ 煤核” , 使滚筒在对煤层进行破坏 时受到更大的反作用力, 更快的牵引速度会导致更多的 破损煤块被压实。滚筒的加速度与位移曲线变化趋势与 受力曲线变化应一致, 由此可知, 在保证生产效率的前提 下, 采取较慢的牵引速度可以更好地减弱采煤机的振动。 4 滚筒旋转速度对割煤过程的影响分析 将煤层的水平运动速度分别设置为0. 0 7 m/s, 滚筒 旋转速度分别设置为4 r a d/s、6 r a d/s和8 r a d/s, 运行仿 真程序, 得到仿真结果如图3所示。 图3 不同滚筒旋转速度下的滚筒仿真结果 由图3可以看出, 随着滚筒旋转速度的增加, 在牵引 速度一定时, 滚筒的受力X方向基本不变, Y方向受力逐 渐减小, 这是因为滚筒旋转速度增加相当于变相减小了 截齿的切削厚度, 截割阻力减小。由此可知, 在保证生产 效率的前提下, 采用较高的滚筒旋转速度可以更好地减 弱采煤机的振动。 5 结论 在研究采煤机截割部截割过程的基础上, 利用L S - D YNA软件对采煤机截割部进行了实体建模与仿真, 研 究采煤机牵引速度与滚筒旋转速度对采煤机振动的影 响, 结果表明在满足截割效率的前提下, 采用较慢的采煤 机牵引速度和较快的滚筒旋转速度可以有效减弱采煤机 的振动。 参考文献 [ 1] 谢苗, 闫江 龙, 毛 君, 等.采 煤 机 截 割 部 振 动 特 性 分 析 [ J].机械强度,2 0 1 7,3 92 2 5 4 - 2 6 0. [ 2] 刘晓立.基于A D AM S的采煤机截割部动力学分析及仿 真[D].邯郸 河北工程大学, 2 0 1 4. 95 计算机与信息技术 自动化应用