采煤机斜切工况下牵引部动态特性研究_陈浩.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 采煤机工作环境复杂， 负荷变化很大， 一些关键部 件经常因过载工作而损坏。比如采煤机牵引行走部的 负荷大、 载荷不均， 其支撑轴承很容易出现磨损或滚动 体破裂等现象和链轮齿根的断裂。特别是采煤机完成 斜切截煤后才能开始直线截煤工作，而在斜切截煤的 过程中输送机会呈现弯曲为 “S” 型的扭曲状态， 也正是 这种 “S” 型的扭曲使输送机具有引导采煤机前进、 截煤 的能力， 但这种 “S” 型弯曲或一定角度的扭曲， 会造成 采煤机牵引部瞬时载荷过大，从而导致局部区域应力 超过材料屈服极限， 产生塑性形变的累积， 在长时间的 工作后产生疲劳断裂或脆断。这些存在的问题很大程 度上是由采煤机的动态特性研究不够造成的，动态特 性的研究不足导致我们无法了解采煤机牵引部在位 移、 速度、 载荷变化的剧烈程度， 因此采煤机在设计时 也缺乏理论参考， 对局部零部件的结构设计、 材料选用 考虑不足， 引起结构的破坏也就在所难免。 针对采煤机 牵引部动态特性研究不足的情况，本文采用基于 ADAMS- LSDYNA联合仿真的手段，对采煤机牵引部 在斜切进刀截煤时的动态特性进行了研究。 1采煤机牵引部动态特性研究流程 针对斜切工况下采煤机的载荷波动幅度较大， 工 况恶劣， 但又缺乏相关研究的问题， 文章旨在开展采 煤机在斜切截煤时的动力学特性研究。 首先建立了采 煤机的整体三维模型，于 ADAMAS 软件中加以斜切 工况时的运动关系及运动输入条件， 如行走轮初始速 度等参数， 得到采煤机的前后滚筒在此工况下的轴向 偏移、滚筒相对于煤壁的偏转角度随时间的变化趋 势。并以这两种参数随时间的变化作为 LSDYNA 软 件中滚筒斜切截煤有限元模型的边界条件， 得到了滚 筒的动态载荷。 最后将滚筒的动态载荷加载到滚筒质 心上， 结合采煤机的整体样机模型， 最后得到了采煤 机在斜切时的牵引部总体的动力学特性。 研究流程可 表述如图 1 所示。 采煤机斜切工况下牵引部动态特性研究 陈浩 （霍州煤电集团辛置煤矿 ， 山西 霍州031412 ） 摘要 目前采煤机动态特性研究不足， 对于采煤机零部件的载荷波动缺乏了解， 这也导致采煤机设 计不合理， 零部件时常因为载荷波动较大而断裂等问题。文章针对这些问题， 对采煤机在斜切进刀截 煤工况下的动态特性进行了研究， 采用了连续过程连续仿真和多软件联合仿真的方式， 最终获取了采 煤机牵引部的运动参数变化、 滚筒三向受力、 导靴受力、 行走轮受载随时间变化等动力学特性。 该研究 为不仅为采煤机零部件强度分析提供了前期基础，也为采煤机进一步开展动力学分析研究提供了重 要的研究方法。 关键词 采煤机 ； 动力学 ； 斜切截煤 ； ADAMS ； LSDYNA 中图分类号 TD724文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0098- 03 Study on the dynamic characteristics of traction under the condition of oblique cutting of the shearer CHEN Hao （Huozhou Coal Group Xinzhi Coal Mine , Huozhou031412 ，China ） Abstract At present, the dynamic characteristics of the shearer are not studied enough, and the lack of understanding of the load fluctuation slot of the shearer components is not well understood, which also leads to the unreasonable design of the shearer, and the parts and components are often broken because of the large load fluctuations. In viewof these problems, the dynamic characteristics of the shearer under the condition ofoblique cut- in coal cut coal are studied, and the dynamic characteristics such as the motion parameter change, the three- way force ofthe roller traction, the guide boot force, and the travel wheel load change over time are obtained by usingcontinuous process simulation and multi- software joint simulation. This research provides not onlya preliminarybasis for the analysis ofthe strength ofthe components ofthe shearer, but alsoan important research for the further development ofdynamic analysis ofthe shearer. Keywords Shearer ; Dynamics ; Slash cut coal ; ADAMS; LSDYNA 98 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 图 1斜切工况下采煤机牵引部动力学仿真流程图 2采煤机斜切截煤运动仿真 2.1斜切煤模型的建立 根据相关文件规定， 刮板输送机在水平方向的弯 曲角度应控制在 1范围内， 同时， 要求其弯曲部分 的横向位移值应大于滚筒的最大宽度。因此， 结合相 关理论计算公式， 确定了输送机中部槽结构的数量为 11 套， 其弯曲段的长度为 23.5m， 其主要性能参数如 表 1 所示。同时， 建立了经结构简化的采煤机斜切截 煤模型， 如图 2 所示。 表 1采煤机中部槽参数表 图 2采煤机斜切模型 将采煤机斜切 3D 模型导入 ADAMAS， 设置其零 部件之间的运动关系 电机轴与牵引箱、 齿轮与牵引 箱、 行星轮与行星架、 行星架与内齿圈设定为转动副； 内齿圈与牵引箱、 外花键与齿轮设定为固定副； 导向 滑靴与牵引箱、 平滑靴与牵引箱设定为旋转副。如图 3 所示。 图 3斜切截煤仿真模型 2.2仿真结果获取 运动仿真的参数设定为行走轮初始转速为 4.2r/min，采煤机整个仿真过程的仿真时间定义为 290s。最后得到采煤机斜切进刀时滚筒运动参数曲 线， 如图 4 所示。因此， 在后面的仿真分析过程中， 将 会以图 4 的滚筒运动特性曲线作为其边界条件。 图 4滚筒偏转角度与轴向位移随时间的变化 3滚筒斜切截过程中的载荷计算 3.1采煤机滚筒截割煤岩有限元模型 结合建立的滚筒三维模型，采用 LS- DYNA 软 件， 对其进行有限元仿真模型的建立， 所建立的仿真 模型如图 5 所示。根据模型中滚筒结构的复杂程度， 对其进行了 10 节点单元的 SOLID168； 而煤壁的三维 模型相对较简单，因此，选用 8 节点单元的 SOL- ID185。同时， 束条件设置为 将滚筒 X方向的转动自 由度和 Y 方向的平动自由度均设置为 0 个，把第 2 节获得的滚筒偏转角度与轴向位移随时间的变化作 为此次仿真的边界条件进行仿真，仿真时间设定为 290s， 获取分析结果。 图 5滚筒斜切截煤有限元模型 3.2仿真结果获取 仿真结束后获得前后滚筒分别在 X、 Y、 Z三个方 向上的受力变化， 如图 6 所示。 图 6前后滚筒三向受力变化曲线 参数中部槽序号 12345678910 偏角 / 0.591.231.572.182.853.243.863.422.812.27 横移量 /mm 16.852.3103.4171.8259.3360.2483.5586.1672.6741.7 99 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 4斜切工况下牵引部动力学分析 4.1载荷施加 将第 3 节获得的三向力分解成数据后导入 ADAMAS 软件，并将载荷施加采煤机斜切截煤时的 前后滚筒质心上， 完成载荷施加， 并进行采煤机斜切 截煤时的牵引部运动特性仿真。 4.2结果分析 1 ） 导向滑靴受力分析。 采煤机主要通过弯曲段的刮板输送机和导向滑 靴的共同引导，实现在斜切工况下斜切进刀操作， 导 致导向滑靴因受外力过大而出现了较大程度损坏。 因 此， 采用了 ADAMS 软件， 对采煤机开展了动力学仿 真研究，得到了导向滑靴及行走轮的动态载荷曲线， 并由此确定了导向滑靴在弯曲段行走过程中相对销 排的接触位置示意图， 如图 7 所示。 图 7导向滑靴与销轨接触示意图 通过分析可知， 导靴 A、 B的内侧与销排的外侧之 间由于相互接触。产生了较大的摩擦力， 此摩擦力即 为导靴、 销排在 Y方向上的接触力。从图 8 中可以看 出 导靴 Y 方向上有着十分复杂的接触力， 而前后导 靴在 Y方向上的受载变化相反。 当采煤机进出弯曲部 分刮板输送机时， 前导靴和后导靴受载波动较大。 图 8导靴 Y 向受力变化 图 9行走轮受载曲线随时间的变化 2 ） 行走轮受力分析。 从图 9 中的行走轮的力曲线可以看出， 在倾斜切 割条件下， 采煤机行走轮的牵引阻力呈现逐渐增大的 变化趋势， 分析其原因为 由于采煤机随着切割作业 的不断进行， 其切割所涉及的截齿逐渐增加， 因接触 产生的摩擦力也逐渐增加，最终导致了采煤机所需的 牵引力也逐步增大， 以现象与实际工作情况基本吻合。 5结论 文章提供了连续过程仿真获得牵引部动力学特 性的方式， 采用 ADAMS- LSDYNA联合仿真的手段获 取了较为可靠的滚筒轴向偏移与转角等运动参数随时 间的变化、 滚筒三向载荷变化曲线、 导靴、 行走轮受力 随时间的变化。根据多种仿真分析可得到以下结论 1 ） 在采煤机弯曲段两节销排的连接处由于存在 局部误差， 导致导靴与行走轮在此处产生了较大的冲 击作用力， 长时间工作后易产生结构破坏。可通过对 弯曲段的参数的合理设置， 以此来减小销排连接处的 误差和导向滑靴与行走轮在此处的冲击力值， 保证采 煤机的正常运行。 2 ）连续过程仿真与多种软件的联合仿真，获取 的牵引部动斜切截煤的动力学特性， 为后续其他工况 下动力学特性分析提供了思路和方法， 重要的是获得 部件如滚筒、 行走轮的受载随时间的变化可用作有限 元强度分析的输入与边界条件， 为开展零部件的强度 评估提供了先决条件。 3 ）滚筒在 170s 斜切截煤时， 偏转角与轴向偏移 都较大， 这就容易引起刚度失效与强度失效， 可在结 构设计时减小滚筒轴距的方式来提高滚筒在轴向的 刚度， 对局部应力集中的位置进行结构补强、 开圆孔、 选用高强度材料的方式来降低局部应力。 参考文献 [1] 毛君,刘晓宁,陈洪月等.采煤机截割部传动系统刚柔耦合 动力学仿真分析[J].机械强度,2017,39 （5） 1138- 1144. 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