基于LS-DYNA的采煤機截割特性研究

李小斌

（山西煤炭進出口集團左權(quán)宏遠煤業(yè)有限公司， 山西 晉中 032600）

引言

隨著煤炭開采逐漸朝著復(fù)雜地質(zhì)條件進行。采煤機在執(zhí)行截割煤壁作業(yè)時受到的各種截割阻力越來越復(fù)雜，對截割機構(gòu)的影響也越來越大，造成截割機構(gòu)工作效率降低，工作負載波動超標，嚴重影響截割機構(gòu)工作的可靠性和使用壽命，因此需要對采煤機截割機構(gòu)工作時的各種工作參數(shù)設(shè)定情況進行優(yōu)化研究，以降低采煤機在工作時的沖擊載荷[1]，提高采煤機的工作效率和使用壽命。在對采煤機各工作參數(shù)進行分析的基礎(chǔ)上，本文選擇對目前研究最少的采煤機工作時的旋轉(zhuǎn)角對截割機構(gòu)工作特性的影響進行分析，從而獲取對采煤機工作特性影響最小的旋轉(zhuǎn)角度，提高采煤機截割機構(gòu)的工作可靠性和使用壽命。

1 采煤機截割機構(gòu)動力學模型的建立

采煤機在工作時截齒部分以一定的旋轉(zhuǎn)角度切入煤壁，在驅(qū)動滾筒的作用下帶動截齒旋轉(zhuǎn)，對煤壁的煤層進行擠壓，使煤巖受力破碎，從而從煤壁上脫離下來，在截割過程中，截齒主要受到煤壁的截割阻力、側(cè)向阻力和牽引阻力，其中截割阻力Z0可表示為[2]：

式中：A為煤巖的阻抗；B為煤層的脆性系數(shù)，一般取 2.1～3.5；h為截齒厚度；t為齒距；d為截齒的外徑；Kφ為截齒的前側(cè)影響系數(shù)，一般取0.8～0.85；KZ為煤層表面干涉系數(shù)；Kc為截齒角度影響系數(shù)，取0.9；θ為截齒的螺旋角；Ky為截齒對切割比的影響系數(shù)；Kot為礦壓影響系數(shù)，取0.6。

采煤機截割機構(gòu)工作時的側(cè)向阻力主要是截齒截割煤壁時因各截齒的排列結(jié)構(gòu)，使采煤機截齒的兩側(cè)產(chǎn)生了一個不均衡的力，其合力即為此側(cè)向力，可表示為：

采煤機工作時的牽引阻力Y0可表示為：

式中：Kq為表示截齒上的牽引阻力和截割阻力的比值，其主要取決于采取的煤巖的脆性，一般取0.5～0.7。

綜上所述，采煤機在采煤作業(yè)時的綜合受力情況分解為在x，y軸上的運動速度數(shù)學公式可表示為[3]：

式中：ω1為采煤機截割機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)角；ω2為采煤機截割機構(gòu)的切削角。

2 采煤機截割機構(gòu)三維建模

為了對采煤機在進行截割作業(yè)時的情況進行仿真分析，首先利用SolidWorks三維建模軟件，建立采煤機截割部分及煤壁的三維模型并添加相應(yīng)的驅(qū)動和約束，將三維模型導入到LS-DYNA[4]分析軟件中，利用其assembly模塊完成裝配并對驅(qū)動滾筒和截齒、煤壁進行網(wǎng)格劃分和相關(guān)參數(shù)設(shè)置，作為仿真分析的基礎(chǔ)，根據(jù)采煤機在實際工作時的情況，設(shè)置采煤機驅(qū)動滾筒工作時的轉(zhuǎn)速為40 r/min，系統(tǒng)的仿真時間設(shè)置為10 s，煤壁參數(shù)設(shè)置為脆性煤層。為了對采煤機工作時旋轉(zhuǎn)角度對采煤機工作效率、截割載荷、負載的波動情況進行分析，因此在采煤機現(xiàn)有工作旋轉(zhuǎn)角度的基礎(chǔ)上，分別對旋轉(zhuǎn)角為10°、12°、14°、16°、18°的情況進行仿真分析，其整體結(jié)構(gòu)如下頁圖1所示。

圖1 采煤機截割機構(gòu)截割過程的三維視圖

3 截割機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角對工作載荷的影響

采煤機工作時的旋轉(zhuǎn)角是指截齒中心線和截齒回轉(zhuǎn)平面之間的夾角，采煤機截割機構(gòu)在不同旋轉(zhuǎn)角度下對工作載荷的影響如圖2、圖3所示。

圖2 不同旋轉(zhuǎn)角下的平均截割阻力

圖3 不同旋轉(zhuǎn)角下的平均側(cè)向阻力

由分析結(jié)果可知，采煤機的平均截割阻力隨著采煤機工作旋轉(zhuǎn)角度的增加呈非線性增大，側(cè)向阻力隨旋轉(zhuǎn)角的增加而減小，分析可知其在旋轉(zhuǎn)角為14°時為側(cè)向阻力變化的轉(zhuǎn)折點。這是因為隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，截齒切割煤壁時的接觸面積逐漸增大，導致截割過程中的截割阻力不斷加大，同時旋轉(zhuǎn)角變化對側(cè)向阻力的影響相對較少，因此可分析當旋轉(zhuǎn)角為14°～16°時，截割頭的受力情況較為平緩。

4 截割機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角對載荷波動的影響

不同旋轉(zhuǎn)角對采煤機截割機構(gòu)載荷波動的影響如圖4、圖5所示。

由仿真分析結(jié)果可知，采煤機在工作過程中的截割載荷的變差系數(shù)除了在旋轉(zhuǎn)角為10°的情況下超過了20，其他的均能維持在6以下，且工作時的牽引阻力的變差系數(shù)會隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而增大，其側(cè)向阻力的變差系數(shù)則隨著旋轉(zhuǎn)角的增加而減小，在約12°～14°時變緩最為明顯。由此可見，采煤機的旋轉(zhuǎn)角度在12°～14°時對采煤機工作時的截割載荷變化影響較小。

圖4 不同旋轉(zhuǎn)角下的牽引阻力變差系數(shù)

圖5 不同旋轉(zhuǎn)角下的側(cè)向阻力變差系數(shù)

5 截割機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角對截割能耗比的影響

采煤機旋轉(zhuǎn)角對其工作能耗比的影響變化曲線如圖6所示，由分析可知，其能耗比隨著旋轉(zhuǎn)角的增加逐漸加大，因此應(yīng)盡量降低旋轉(zhuǎn)角以降低截割能效比。

圖6 不同旋轉(zhuǎn)角下的截割能效比

由以上分析可知，綜合在不同旋轉(zhuǎn)角情況下，對采煤機工作時的截割能耗比、工作載荷和載荷波動影響情況的分析，可知在旋轉(zhuǎn)角度為14°情況下采煤機截割機構(gòu)具有最佳大截割特性，能夠極大地提升采煤機工作時的可靠性和使用壽命。

6 結(jié)論

根據(jù)實際工作經(jīng)驗，采用LS-DYNA仿真分析軟件對采煤機截割機構(gòu)工作時的旋轉(zhuǎn)角對采煤機截割能效比、截割載荷及負載波動情況的影響進行了仿真分析，結(jié)果表明采煤機的截割機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角度為14°時，結(jié)構(gòu)機構(gòu)具有最優(yōu)的截割能力，為采煤機截割機構(gòu)工作旋轉(zhuǎn)角度的確定提供了理論依據(jù)，極大地提升了采煤機工作時的穩(wěn)定性和使用壽命。