实验研究
原彬1，2， 王义亮1，2， 杨兆建1，2
(1.太原理工大学 机械工程学院， 山西 太原 030024； 2.煤矿综采装备山西省重点实验室， 山西 太原 030024)
摘要：为研究斜切工况下采煤机滚筒的运动规律及受力特性，利用ADAMS建立了斜切工况下采煤机虚拟样机模型，通过运动仿真得到了斜切工况下采煤机滚筒运动曲线，并以该曲线作为滚筒运动边界条件；采用LS-DYNA对斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩进行了模拟仿真，得到了斜切工况下滚筒受力特性。仿真结果表明：斜切工况下滚筒的截割阻力和牵引阻力逐步增大并最终趋于稳定，且截割阻力约为牵引阻力的2倍；滚筒轴向力呈先增大后减小趋势，最大轴向力出现在滚筒轴向位移达到最大时，且滚筒轴向力与轴向位移密切相关；滚筒力矩主要由截割阻力和轴向力产生，且力矩大小变化趋势与产生力矩的作用力的变化趋势一致。
关键词：煤炭开采； 采煤机； 滚筒； 斜切进刀； 截割煤岩
滚筒是采煤机的重要工作部件，在截割煤岩过程中滚筒的受力状况对采煤机整机及其寿命有直接影响。斜切工况下采煤机滚筒的运动和受力比较复杂[1]，滚筒轴向力较大，摇臂振动幅度大，容易造成截齿断裂、滚筒变形和摇臂根部断裂[2-4]。因此，研究斜切工况下采煤机滚筒的受力特性很有必要。目前，大多数研究局限于采煤机滚筒直线截割煤岩时的受力情况[5-6]，而研究斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩时未能充分考虑滚筒的运动特点[7]。鉴此，本文利用ADAMS软件建立了斜切工况下采煤机虚拟样机模型，得到斜切工况下采煤机滚筒的运动规律，并应用非线性动力学软件LS-DYNA对斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩的过程进行了数值仿真，得到滚筒在斜切工况下的受力特性。
采煤机斜切进刀主要依靠刮板输送机弯曲段的引导实现，刮板输送机弯曲段参数直接决定采煤机滚筒的运动状态。刮板输送机弯曲段的相关工艺参数由弯曲段中部槽的横偏量、数量、偏角决定[8-10]。
刮板输送机弯曲段中部槽橫偏量由式(1)确定：
(1)
式中：ai为刮板输送机弯曲段第i(i=1，2，…，n，n为刮板输送机弯曲段中部槽数量)节中部槽橫偏量，mm；l为单节中部槽长度，mm；αi为刮板输送机弯曲段第i节中部槽偏角，(°)。
刮板输送机弯曲段中部槽数量由式(2)确定：
(2)
式中w为滚筒截深，mm。
刮板输送机弯曲段中部槽偏角由式(3)确定：
(3)
根据综采工作面作业要求，刮板输送机水平弯曲角度不大于1°，为保证推溜过程平稳，刮板输送机长度应大于21 m，刮板输送机弯曲段总体横偏量要大于滚筒的结构宽度。最终确定刮板输送机弯曲段长度为24 m，中部槽数量为13节，具体参数见表1。利用UG建立刮板输送机弯曲段模型，如图1所示。
表1 刮板输送机弯曲段中部槽参数
Table 1 Parameters of middle pan of bending section of scraper conveyor
图1 刮板输送机弯曲段模型
Fig.1 Model of bending section of scraper conveyor
将刮板输送机弯曲段模型导入ADAMS软件中，建立斜切工况下采煤机虚拟样机模型，如图2所示。设置采煤机牵引速度V为15.6 m/min。滚筒几何参数见表2，根据文献[11-12]计算接触参数，见表3。
设置仿真时间为300 s，步长为0.01 s，对采煤机斜切进刀进行运动仿真。在ADAMS后处理中绘制斜切工况下采煤机滚筒运动曲线，如图3所示。
图2 斜切工况下采煤机虚拟样机模型
Fig.2 Virtual prototype model of shearer under oblique cutting condition
表2 滚筒几何参数
Table 2 Drum geometric parameter
表3 采煤机虚拟样机模型接触参数
Table 3 Contact parameters of virtual prototype model of shearer
(a) 滚筒相对刮板输送机偏角
(b) 滚筒轴向位移
图3 斜切工况下采煤机滚筒运动曲线
Fig.3 Shearer drum movement curve under oblique cutting condition
由图3(a)可知，采煤机在斜切进刀过程中，滚筒相对刮板输送机的偏角先增大后减小，在150 s时达到最大，为3.2°。由图3(b)可知，采煤机在斜切进刀过程中，滚筒轴向位移先增大后减小，最终稳定在滚筒直线截割煤岩时的截深，其中在190 s时滚筒轴向位移最大，达到950 mm。仿真结果和实际情况相符，仿真结果可作为斜切工况下滚筒受力仿真时的滚筒运动边界条件。
滚筒截割煤岩时所受载荷为各个截齿所受载荷的矢量叠加[13-14]。根据力学平衡原理，滚筒所受载荷可等效为作用在滚筒质心的三向力和三向力矩[15]，如图4所示。三向力即沿牵引方向的牵引阻力Fx、垂直于牵引方向的截割阻力Fy、滚筒轴向力Fz，Mx，My，Mz分别为由Fx，Fy，Fz产生的三向力矩。
图4 滚筒受力
Fig.4 Force on drum
利用LS-DYNA软件建立斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩有限元模型，如图5所示。滚筒采用10节点四面体单元SOLID168，煤岩模型选用8节点六面体单元SOLID164，单元积分形式为单点高斯积分。选择193号D-P材料作为煤岩本构模型，煤岩材料参数见表4。仿真过程中主要分析滚筒受力，其变形可忽略不计，因此选用RIGID刚体材料作为滚筒和截齿的本构模型，并约束滚筒沿牵引方向的转动自由度和垂直于牵引方向的移动自由度，滚筒材料参数见表5。
图5 斜切工况下采煤滚筒截割煤岩有限元模型
Fig.5 Finite element model of shearer drum cutting coal-rock under oblique cutting condition
表4 煤岩材料参数
Table 4 Coal-rock material parameter
表5 滚筒材料参数
Table 5 Drum material parameter
根据滚筒截割煤岩的实际工况，定义滚筒与煤岩的接触类型为面面接触中的侵蚀接触。对煤岩添加全约束，煤岩没被截割的面添加非反射边界条件来模拟无限大的煤岩。将滚筒在斜切工况下的运动曲线以表格形式导入LS-DYNA中，作为滚筒运动边界条件施加在滚筒上并进行仿真求解，输出数据类型为LS-DYNA类型，仿真时间设置为300 s。
通过前处理器完成仿真后，采用LS-DYNA后处理器LS-PREPOST对仿真结果进行分析，滚筒三向力及三向力矩曲线分别如图6、图7所示。
图6 滚筒三向力曲线
Fig.6 Drum three-direction force curve
图7 滚筒三向力矩曲线
Fig.7 Drum three-direction torque curve
从图6可看出：斜切工况下采煤机滚筒截割阻力和牵引阻力均逐步增大并最终趋于稳定，且截割阻力约为牵引阻力的2倍；滚筒轴向力则呈先增大后减小的变化趋势，且最大轴向力出现在滚筒轴向位移达到最大时。从图7可看出：斜切工况下滚筒力矩主要为由截割阻力和轴向力产生的力矩，且力矩大小变化趋势与产生力矩的作用力的变化趋势一致，由牵引阻力产生的力矩可忽略不计。
(1) 利用ADAMS软件对斜切工况下采煤机虚拟样机模型进行运动仿真，分析了斜切工况下采煤机滚筒运动规律，解决了斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩仿真时滚筒运动边界条件难以确定的问题。
(2) 通过LS-DYNA软件模拟了斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩时滚筒的三向力及三向力矩变化，仿真结果表明：滚筒的截割阻力和牵引阻力逐步增大并最终趋于稳定，截割阻力约为牵引阻力的2倍；滚筒轴向力呈先增大后减小的变化趋势，最大轴向力出现在滚筒轴向位移达到最大时，且滚筒轴向力与轴向位移密切相关；滚筒力矩主要由截割阻力和轴向力产生，且力矩大小变化趋势与产生力矩的作用力的变化趋势一致。
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YUAN Bin1,2, WANG Yiliang1,2, YANG Zhaojian1,2
(1.College of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China；2.Shanxi Key Laboratory of Full Mechanized Coal Mining Equipment, Taiyuan 030024, China)
Abstract：In order to study movement rule and force characteristic of shearer drum under oblique cutting condition, virtual prototype model of shearer under oblique cutting condition was established by use of ADAMS, and movement curve of shearer drum was obtained through motion simulation, which was used as drum movement boundary condition. LS-DYNA was used to simulate shearer drum cutting coal-rock under oblique cutting condition, and force characteristic of drum under oblique cutting condition was obtained. The simulation results show that cutting resistance and traction resistance of drum gradually increase and eventually become stable under oblique cutting condition, and the cutting resistance is 2 times as much as the traction resistance. Axial force of drum first increases and then decreases, the maximum axial force occurs when axial displacement of drum reaches the maximum, and the axial force and axial displacement of drum are closely related. Torque of drum is mainly generated by the cutting resistance and the axial force, and change trend of the torque is consistent with that of the force generating the torque.
Key words:coal mining; shearer; drum; oblique cutting feed; cutting coal-rock
文章编号：1671-251X(2018)01-0064-05
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2018.01.2017090011
中图分类号：TD421.6
文献标志码：A 网络出版时间：2017-12-26 11:16
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20171223.0747.002.html
收稿日期：2017-09-04；
修回日期：2017-12-13；
责任编辑：盛男。
基金项目：山西省煤基重点科技攻关项目(MJ2014-05-02)；山西省研究生联合培养基地人才培养项目(2016JD14)。
作者简介：原彬(1991-)，男，山西河津人，硕士研究生，研究方向为现代设计理论与方法，E-mail:18298369865@163.com。通信作者：王义亮(1969-)，男，山西静乐人，教授，硕士研究生导师，博士，研究方向为机械现代设计、机械结构及系统动力学、机电一体化、结构振动与噪声分析及控制等，E-mail:wangyiliangwyl@163.com。
引用格式：原彬，王义亮，杨兆建.斜切工况下采煤机滚筒截割煤岩仿真分析[J].工矿自动化，2018,44(1)：64-68.
YUAN Bin,WANG Yiliang,YANG Zhaojian.Simulation analysis of shearer drum cutting coal-rock under oblique cutting condition[J].Industry and Mine Automation，2018,44(1)：64-68.