采煤機截割部截割振動特性的研究

郭曙光

（晉能控股煤業集團成莊礦， 山西 晉城 048000）

0 引言

采煤機是煤礦井下截割作業的核心，主要通過截割部驅動截割滾筒的旋轉來將煤炭從煤壁上切割下來，由于煤壁質地堅硬，且在不同截割位置、不同截割狀態下，作用在截割部的沖擊變化較大，導致截割部振動沖擊大、截割故障率高，在對截割部進行改進時也主要是依靠實際操作經驗，對局部進行加強，但由于缺乏可靠的理論指導，其實際優化效果不足而且成本高。

1 采煤機截割部數學模型

采煤機在截割作業過程中會受到來自煤壁的截割載荷沖擊作用，但目前對采煤機截割部的研究較少，現有理論知識不足以支撐對截割部在受載荷沖擊情況下的振動特性研究，因此本文結合采煤機截割部的特性，提出建立截割部耦合動力學模型，然后利用仿真分析的方式進行振動特性研究的方案。

由于采煤機截割部外側殼體在受力情況下容易變形且傳動機構則具有一定的吸振緩沖作用，因此在對多種動力學模型進行分析后，確定采煤機截割部的特性和剛柔耦合動力學模型最為接近，因此建立截割部的動力學模型，可表示為[1]：

式中：M 為模態質量矩陣；σ 為廣義坐標矩陣；K 為模態剛度矩陣；f 為廣義重力；D 為模態阻尼矩陣。

2 采煤機截割部截割模型建立

利用三維建模軟件建立采煤機截割部的三維模型，為了提高建模速度，截割運動機構的建?？梢园磳嶋H零件比例及配合關系建立，對應殼體類的可采用簡化建模方案，完成裝配后按實際的接觸方式定義不同零件之間的相互關系[2]，建立的采煤機截割部三維模型如圖1-1 所示。

圖1 采煤機截割部截割三維模型示意圖

為了確保仿真分析結果的準確性，對煤壁參數是以煤礦井下實際測得的煤層地質特性為基礎進行設置的，煤層的密度為1 240 kg/m3，煤層的泊松比為0.26，剪切模量為763 MPa，彈性模量為2 011 MPa。夾矸的密度為2 638 kg/m3，夾矸的泊松比為0.23，剪切模量為1 739 MPa，彈性模量為3 183 MPa。

在離散元仿真分析軟件中建立煤層的三維分析模型，從上到下分別為煤、夾矸、煤，模擬樣件的尺寸為3 000 mm×2 000 mm×2 000 mm，設置夾矸層的高度為300 mm，設置滾筒和煤巖的截割模型為H-M模型[3]，所建立了滾筒截割煤層的三維模型如圖1-2 所示。

設置仿真分析時采煤機的截割進給速度為5 m/min，截割部的截割轉速為80 r/min，截割滾筒截割時的截割深度為500 mm，仿真的總時間設置為10 s，仿真時的步長按0.05 s 設置，則截割作業過程中采煤機截割滾筒上的受力變化曲線如圖2 所示。

圖2 采煤機截割滾筒變化曲線示意圖

由圖2 仿真分析結果可知，采煤機在截割作業過程中截割滾筒上的最大截割載荷為9.6×104N，平均截割載荷為6.1×104N，其截割作業過程中的載荷波動系數為0.39，說明在截割作業過程中存在著較大的波動性。

3 采煤機截割部受力變形分析

將采煤機在截割作業過程中的受力情況施加到采煤機截割部，利用ADAMS 仿真分析軟件對截割部在受力情況下的振動特性進行分析，截割部在受力情況下的質心加速度變化情況如圖3 所示。

圖3 截割部質心加速度變化曲線

由圖3 可知，當沖擊載荷的頻率達到21 Hz 時，截割部在Y 軸方向上的最大加速度為41.4 mm/s2，且Y 軸（豎直方向）上的振動幅值要大于X 軸（牽引方向）方向上的振動幅值，這主要是由于采煤機在截割作業過程中，作用在Y 軸方向上的截割分力數值和變化頻率均較大，導致了在Y 軸方向上的振幅較大。

采煤機截割部外殼的質心，在受力作用下的位移變化曲線如圖4 所示。隨著載荷沖擊頻率的不斷加大，截割部殼體質心的位移響應開始出現振動，當沖擊載荷的頻率達到20.36 Hz時，殼體的質心位移達到了最大的15.1 mm且最大質心位移出現在Y 軸方向上。

圖4 截割部殼體質心加速度變化曲線

通過仿真分析可知，采煤機截割部在受到載荷沖擊的作用下，截割部和截割部殼體的最大質心振幅和位移均出現在Y 軸（豎直方向）方向，表明對豎直方向上的影響較為嚴重，因此在采煤機截割部設計時，需要重點考慮在豎直方向上的零件配合間隙和殼體結構強度，降低在截割作業過程中的變化和沖擊，提高截割部的截割穩定性。

4 結論

1）采煤機截割部的特性和剛柔耦合動力學模型最為接近，利用剛柔耦合動力學模型能很好的對截割部的受力情況進行模擬；

2）采煤機截割部在受到載荷沖擊的作用下，截割部和截割部殼體的最大質心振幅和位移均出現在Y軸（豎直方向）方向，殼體的質心位移達到了最大，為15.1 mm；

3）在采煤機截割部設計時，需要重點考慮在豎直方向上的零件配合間隙和殼體結構強度，降低在截割作業過程中的變化和沖擊。