邢春雨

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)北辛窯煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

引言

采煤機(jī)作為主要的采煤設(shè)備，可以提高綜采工作面的自動化水平及煤礦的開采效率。采煤機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)主要依靠滾筒進(jìn)行，由于采煤機(jī)井下作業(yè)的環(huán)境較為惡劣，對于采煤機(jī)的作業(yè)可靠性具有較高的要求。由于螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)截割及截齒安裝的精度不一，煤層的物理性能多變等容易造成采煤機(jī)滾筒的振動，從而引起采煤機(jī)的故障，對采煤機(jī)的壽命及工作效率造成影響[1]。而選擇合理的滾筒速度，可降低或抑制外部因素對滾筒截割的振動作用，提高采煤機(jī)的機(jī)械化水平及效率，從而提高煤礦的整體效率及經(jīng)濟(jì)效益。

1 采煤機(jī)滾筒截割煤巖模型的建立

在采煤機(jī)滾筒進(jìn)行截割的過程中，容易遇到不連續(xù)或不均勻的煤巖而產(chǎn)生振動，振動作用的傳遞容易引起零部件的損壞，造成采煤機(jī)的故障。由于滾筒是直接進(jìn)行煤巖截割的部件，針對滾筒與煤層相互作用的煤巖進(jìn)行分析，建立煤巖的截割模型。采用LS-DYNA非線性動力學(xué)軟件，可以針對煤巖的截割進(jìn)行材料、接觸等非線性問題模擬，解決非線性結(jié)構(gòu)的碰撞、爆炸等沖擊性行為[2]。

由于采煤機(jī)工作的復(fù)雜性，對采煤機(jī)截割部進(jìn)行一定的簡化，建立合理的仿真模型。在建模過程中，首先采用三維繪圖軟件進(jìn)行滾筒模型的建立，提高整體分析的效率。在LS-DYNA中，將截割滾筒的模型進(jìn)行導(dǎo)入，并以此建立其他部分的幾何實(shí)體模型，采用相應(yīng)的實(shí)體塊進(jìn)行代替，對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，得到如圖1所示的采煤機(jī)截割滾筒的動力學(xué)模型，主要包括截割煤層、滾筒、搖臂及液壓缸單元[3]，圖中的1、2標(biāo)識處為搖臂的鉸接點(diǎn)位置。

圖1 采煤機(jī)滾筒截割動力學(xué)模型

對所建立的模型進(jìn)行一定的初始設(shè)置，搖臂及滾筒采用剛性材料，液壓缸采用線彈性材料，截齒與煤巖之間的接觸設(shè)定為侵蝕接觸，其余為面接觸類型；截齒和滾筒之間采用剛性連接的形式，煤層的自由面進(jìn)行固定約束。采煤機(jī)滾筒在截割過程中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動及直線進(jìn)給運(yùn)動實(shí)現(xiàn)煤巖的截割脫落，在模型中，設(shè)定滾筒的轉(zhuǎn)動及煤層的平移來模擬滾筒的旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動，對煤層的非截割面施加無反射的邊界條件，從而模擬煤層的相對無限大，避免滾筒截割引起的膨脹波作用[4]。

2 采煤機(jī)滾筒速度的動態(tài)響應(yīng)分析

采煤機(jī)依靠滾筒的旋轉(zhuǎn)及進(jìn)給實(shí)現(xiàn)煤巖的截割，兩種運(yùn)動速度合成滾筒的截割運(yùn)動。滾筒的旋轉(zhuǎn)沖擊引起滾筒的振動，依據(jù)滾筒不同的旋轉(zhuǎn)速度及進(jìn)給速度分別對引起的動態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。

2.1 采煤機(jī)滾筒進(jìn)給速度的動態(tài)響應(yīng)分析

對滾筒的進(jìn)給速度進(jìn)行分析，設(shè)定滾筒的旋轉(zhuǎn)速度為4 rad/s，設(shè)定進(jìn)給速度為0.05 m/s、0.07 m/s及0.09 m/s，對不同進(jìn)給速度下的動力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，得到不同進(jìn)給速度下的滾筒的受力曲線及位移變化曲線。

滾筒在進(jìn)入截割的初始階段受到的沖擊力作用較大，進(jìn)入截割過程穩(wěn)定后沖擊作用減小。在滾筒的旋轉(zhuǎn)速度保持一致的工況下，隨著進(jìn)給速度的增加，滾筒在X方向的受力基本保持不變，而Y方向的受力呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。在進(jìn)給速度增加時，單位時間內(nèi)被截割煤巖的體積增加，Y方向主要起到對煤層的破壞，破損的煤層堆積在煤巖的表面，經(jīng)過截齒的擠壓作用形成質(zhì)密的煤核，從而破碎時造成較大的反作用力，使得Y向的受力逐漸增加[5]。

在截割過程中，作用力的不同引起位移的變化，滾筒在Y方向的位移變化如圖2所示。從圖2中可以看出，位移的變化隨著截割過程的進(jìn)行逐漸增加，然后進(jìn)行波動震蕩，隨著進(jìn)給速度的增加，位移逐步增加，作用力的變化引起位移的增加，造成滾筒的振動。在進(jìn)行進(jìn)給速度的選擇時，在一定的截割效率下，應(yīng)盡量選擇較小的進(jìn)給速度，從而降低滾筒的振動作用[6]。

圖2 不同牽引速度下Y向位移變化曲線

2.2 采煤機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)速度的動態(tài)響應(yīng)分析

對滾筒的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行分析，設(shè)定滾筒的牽引速度為0.07 m/s，設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度為4 rad/s、6 rad/s及8 rad/s，對不同旋轉(zhuǎn)速度下的動力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，得到Y(jié)方向的滾筒的受力曲線及位移變化曲線如圖3所示。隨著滾筒旋轉(zhuǎn)速度的增加，Y向的受力逐漸減小，在滾筒速度增加時，由于進(jìn)給速度不變，使得切削厚度逐漸減小，從而受到的截割阻力逐漸減??；從圖3中可以看出，滾筒旋轉(zhuǎn)速度的減小，引起的滾筒位移變化也逐漸減小，位移穩(wěn)定后波動幅度也逐漸減小。因此，在進(jìn)行滾筒速度的選擇時，可依據(jù)一定的截割效率，旋轉(zhuǎn)較大的滾筒旋轉(zhuǎn)速度，從而可以降低滾筒的振動作用。

圖3 不同旋轉(zhuǎn)速度下Y向位移變化曲線

3 結(jié)論

采煤機(jī)是進(jìn)行煤炭開采的重要設(shè)備，滾筒在進(jìn)行煤巖的截割過程中，容易引起一定的振動，這種振動作用的傳遞，不利于采煤機(jī)的穩(wěn)定工作。針對滾筒引起的振動作用，采用LS-DYNA軟件進(jìn)行有限元分析，對不同的滾筒進(jìn)給速度及旋轉(zhuǎn)速度下滾筒的受力及位移變化進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在滾筒進(jìn)行截割的過程中，應(yīng)選擇旋轉(zhuǎn)較小的滾筒進(jìn)給速度及較大的滾筒旋轉(zhuǎn)速度，從而可以降低滾筒的振動作用，提高采煤機(jī)的穩(wěn)定性，保證采煤機(jī)的使用壽命，提高煤礦的綜合經(jīng)濟(jì)效益。