王 靜， 康 鵬

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

采掘機(jī)械履帶動(dòng)力學(xué)分析

王 靜， 康 鵬

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

對(duì)連續(xù)采煤機(jī)履帶建立動(dòng)力學(xué)模型、考慮不同情況對(duì)履帶行走系統(tǒng)進(jìn)行了多體接觸動(dòng)力學(xué)分析。并以Bekker理論為基礎(chǔ)，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件得到不同工況下履帶的受力狀態(tài)。

Bekker理論；履帶；多體接觸

0 引言

20世紀(jì)40年代以來(lái)，采用了連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行房柱式采煤法開采，使采煤效率提高了一大步。如今，連續(xù)采煤機(jī)的采煤產(chǎn)量幾乎占美國(guó)，南非等世界主要產(chǎn)煤國(guó)地下煤炭產(chǎn)量的一半[1]。掘錨機(jī)組是連續(xù)采煤機(jī)和錨桿鉆機(jī)的有機(jī)結(jié)合，可用于頂板條件不太好的單巷及雙巷掘進(jìn)，在美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等主要產(chǎn)煤國(guó)家得到了廣泛應(yīng)用。

由于井下開采環(huán)境惡劣，連續(xù)采煤機(jī)、掘錨機(jī)組等采掘機(jī)械的履帶系統(tǒng)經(jīng)常承受到各種沖擊載荷，容易發(fā)生履帶板變形、履帶銷斷裂、驅(qū)動(dòng)輪損壞等設(shè)備故障，并且難于維修更換，從而嚴(yán)重影響整機(jī)可靠性，給煤礦生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重影響，所以有必要對(duì)連續(xù)采煤機(jī)履帶行走系統(tǒng)運(yùn)行行為進(jìn)行分析研究。連采機(jī)和掘錨機(jī)組的履帶系統(tǒng)相似，本文以連采機(jī)的履帶系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，其研究方法和所得結(jié)論也適用于掘錨機(jī)組。

1 多體動(dòng)力學(xué)模型的建立

連采機(jī)的履帶板由于形狀復(fù)雜必須經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化才能夠在立動(dòng)力學(xué)模型建立接觸，本文采用雙銷式的履帶板來(lái)模擬實(shí)際的連采機(jī)履帶板。在建立的履帶模型中共采用55塊履帶板。

連采機(jī)履帶驅(qū)動(dòng)連輪加旋轉(zhuǎn)副，在驅(qū)動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)副施加運(yùn)動(dòng)STEP(TIME, 1,0,200,8400d)， 兩個(gè)履帶接連接銷用 BUSHING模擬，21個(gè)固定在履帶架上的支撐輪模擬履帶架與履帶的接觸， 張緊輪在 0～200mm之間每移動(dòng) 50mm分析一次。然后復(fù)制另一條履帶，將連采機(jī)機(jī)架導(dǎo)入到多體動(dòng)力學(xué)模型中，保證質(zhì)量和質(zhì)心位置與實(shí)際一致，連采機(jī)機(jī)架與履帶架固定。

圖1 連采機(jī)履板的簡(jiǎn)化Fig.1 Simplification of the continuous miner track

圖2 采機(jī)履帶模型Fig.2 Model of the continuous miner track

2 履帶的Bekker理論

本文針對(duì)履帶系統(tǒng)分析方法提出的壓力－沉陷關(guān)系，其中把履帶板模型簡(jiǎn)化為一個(gè)剛性踏板，應(yīng)用土壤壓力與沉陷關(guān)系，預(yù)測(cè)出履帶沉陷量和運(yùn)動(dòng)阻力，再依據(jù)剪切應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線以及土壤剪切強(qiáng)度，最終得出推力與滑轉(zhuǎn)曲線和最大履帶系統(tǒng)牽引力。Bekker提出的壓力－沉陷關(guān)系是預(yù)測(cè)一個(gè)具有均勻法向壓力、無(wú)水平載荷的載荷面沉陷量，用于估計(jì)履帶車的靜止沉陷量[2～3]。

軟性地面模型認(rèn)為路面具有 “記憶”的功能，即考慮加載歷史；在動(dòng)力學(xué)模型中每塊履帶板與地面之間都有廣義力，其中z方向的力表示履帶板與路面之間的正壓力，另外兩個(gè)水平方向的力表示履帶板與路面之間的摩擦力。履帶車輛對(duì)地面的正壓力是基于Bekker提出的壓力一沉陷公式[4]：

履帶與地面摩擦（剪切）力的計(jì)算也是基于Bekker的理論，履帶在接觸的地面上產(chǎn)生剪切作用，剪切力一位移的關(guān)系有：

式中：q—接地壓力；KC—內(nèi)摩擦的壤變形模量；K?—內(nèi)聚土壤變形模量；b—履帶板寬度；z—變形的深度；n—變形指數(shù)；S—剪切位移；c—內(nèi)聚力；k—水平剪切變形模數(shù)[5]；本文采用的是堅(jiān)實(shí)沙土路面來(lái)模擬井下巷道路面，路面參數(shù)見表1。

表1 井下路面參數(shù)表Tab.1 The table of underground road surface parameters

3 仿真結(jié)果分析

張緊位移為0mm時(shí)的履帶銷受力如圖3所示。

圖3 張緊位移為0mm時(shí)的履帶銷受力圖Fig.3 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 0mm

由圖可知張緊位移為0mm時(shí)，履帶從63～82s為松鏈段，平均受力 4kN，履帶從82～99s為張緊段，平均受力 27.5kN，最大為39.1 kN，單側(cè)履帶的平均牽引力約為23.5kN，單側(cè)履帶的最大牽引力約為35.1kN。張緊位移為50mm時(shí)的履帶銷受力如圖4所示。

圖4 張緊位移為50mm時(shí)的履帶銷受力圖Fig.4 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 50mm

由圖可知張緊位移為50mm時(shí)，履帶從63～82s為松鏈段，平均受力 28.1kN，履帶從 82～99s為張緊段，平均受力 50.1kN，最大為53.2kN，單側(cè)履帶的牽引力約為25.1kN。張緊位移為100mm時(shí)的履帶銷受力如圖5所示。

圖5 張緊位移為100mm時(shí)的履帶銷受力圖Fig.5 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 100mm

由圖可知張緊位移為100mm時(shí)，履帶從63～82s為松鏈段，平均受力60kN，履帶從82～99s為張緊段，平均受力 83.7kN，最大為93.7kN，單側(cè)履帶的牽引力約為33.7kN。張緊位移為150mm時(shí)的履帶銷受力如圖6所示。

圖6 張緊位移為150mm時(shí)的履帶銷受力圖Fig.6 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 150mm

由圖可知張緊位移為150mm時(shí)，履帶從63～82s為松鏈段，平均受力97.2kN，履帶從82～99s為張緊段，平均受力 119.2kN，最大為127.8kN，單側(cè)履帶的牽引力約為30.6kN。張緊位移為200mm時(shí)的履帶銷受力如圖7所示。

圖7 張緊位移為200mm時(shí)的履帶銷受力圖Fig.7 Force diagram of track pin when the tightening displacement is 200mm

由圖可知張緊位移為200mm時(shí)，履帶從63～82s為松鏈段，平均受力134.2kN，履帶從82～99s為張緊段，平均受力 153.2kN，最大為161.8kN，單側(cè)履帶的牽引力約為27.6kN。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立連采機(jī)三維多體動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)履帶采用Bekker理論在軟地面的高速前進(jìn)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析，并將不同張緊距離工況的仿真結(jié)果作對(duì)比分析。張緊位移由0～200mm變化時(shí)，履帶銷受力開始逐漸增大。同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著張緊力的變大，驅(qū)動(dòng)力則逐漸變小的趨勢(shì)。

在軟路面上，連采機(jī)履帶需要破碎土壤并推動(dòng)履帶前面的土壤一起運(yùn)動(dòng)正常的驅(qū)動(dòng)力較大，但由于土壤能夠變形，所以沖擊載荷小，與實(shí)際情況較為接近。

[1]Continuous Miners[J].Coal International,2009(9/10).

[2]陳育儀.工程機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1987.

[3]J.J.Pignatiello；J.s.Ramberg.Top ten triumphs and tragedies of GenichiTaguchi.Quality Eeng，1991.

[4]WONG J Y;CHIANG C F A General Theory for Skid-steering of Tracked Vehicles of Firm Ground，2001.

[5]盧進(jìn)軍；魏來(lái)生，趙韜碩.基于RecurDyn的履帶車輛高速轉(zhuǎn)向動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].現(xiàn)代機(jī)械，2008，1.

The Dynamic Simulation of Continuous Miner Tracked

WANG Jing，KANG Peng
(Taiyuan Institute of China Coal Technology Engineering Group,Taiyuan Shanxi 030006,China)

The dynamic model establishment of continuous miner tracked are presented in this paper.Under the complex condition the dynamic analysis of continuous miner tacked is described.The continuous miner tacked force is expressed by multi-body dynamic software using Bekker theory.

Bekker theory；trackede；multi-body contact

TH122

：Adoi:10.3969/j.issn.1002－6673.2014.03.006

1002－6673（2014）03－015－03

2014－04－09

項(xiàng)目來(lái)源：山西省自然科學(xué)基金支持項(xiàng)目（2013011025-3）；中國(guó)煤炭科工集團(tuán)有限公司科技創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2013ZD001）

王靜（1980-），男，安徽淮北人，碩士，現(xiàn)在煤炭科學(xué)研究總院太原研究院短壁研發(fā)中心從事產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)工作。