山特維克MB670型掘錨機履帶動態(tài)接地壓力分析

李偉東，段金紅，李宣東，邵常雄，劉占明，梁志杰，馬學京，陳洪月，張德生

1華能煤炭技術研究有限公司 北京 100071

2扎賚諾爾煤業(yè)有限責任公司 內(nèi)蒙古滿洲里 021412

3華亭煤業(yè)集團有限責任公司 甘肅平?jīng)?744199

4華能慶陽煤電有限責任公司 甘肅慶陽 745002

5華能云南滇東能源有限責任公司 云南曲靖 655508

6華能煤業(yè)有限公司陜西礦業(yè)分公司 陜西西安 710032

7華能煤業(yè)有限公司 北京 100036

8遼寧工程技術大學機械工程學院 遼寧阜新 123000

9天地科技股份有限公司 北京 100013

履帶由于其高通過性、高適應性等特點而廣泛應用于掘錨機等礦山工程車輛。掘錨機質(zhì)量可達上百噸，雖然履帶式行走機構降低了掘錨機的平均接地比壓，但巷道施工時設備為運動狀態(tài)，掘錨機重心位置及接地條件不斷變化，導致掘錨機接地壓力分布改變，進而影響掘錨機的通過性和適應性，因此需要快速有效預測掘錨機運動過程中的接地壓力。

隨著計算機技術的發(fā)展，國內(nèi)外專家學者開始借助計算機仿真技術研究履帶車輛的地面力學問題。美國密西根大學的馬正東等人[1]為捕獲履帶輪與地形交互的高頻內(nèi)容，且能夠更準確地描述車輛在崎嶇地形上行駛時多節(jié)距軌道的力學特性，運用超單元法，對負重輪-履帶-地面的動態(tài)仿真進行了深入研究，提出了一種自適應網(wǎng)格劃分的新型求解方法。貴州大學的張燕等人[2]針對運動過程中履帶及承重輪位置改變造成的脫輪問題，建立了履帶車輛虛擬樣機模型，利用多體動力學軟件 R ecurDyn 對履帶車輛高速運動進行了仿真分析。湖南農(nóng)業(yè)大學的郭凱文等人[3]為提升農(nóng)用履帶車輛在丘陵地帶的地質(zhì)適應性，對某小型農(nóng)用履帶車輛在定型農(nóng)業(yè)路況下的運動過程進行了仿真與分析，得到了其運動規(guī)律。為了解履帶式礦用挖裝機承重輪在不同底板上的受載情況，張新等人[4]利用多體動力學軟件對履帶式礦用挖裝機單邊轉(zhuǎn)向作業(yè)進行了仿真分析。筆者在上述研究基礎上，采用多軟件協(xié)同仿真技術，構建了掘錨機行駛動力學模型，分析了掘錨機工作過程中履帶與底板間的接地壓力變化情況，研究結果為掘錨機工作參數(shù)和履帶結構參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 DEM-MBD 耦合空間模型

1.1 掘錨機動力學模型

以山特維克 MB670 型掘錨機為研究對象。該掘錨機采用滑架式掏槽，在機身不動的情況下掏槽深度最大可達 1 m，實現(xiàn)了掘、支平行作業(yè)，頂、幫錨桿及錨索支護全部一次到位，整機結構如圖 1 所示。

圖1 履帶式掘錨機模型Fig.1 Model of tracked bolt miner

1.2 底板顆粒床模型

該型號掘錨機適用于平直巷道的掘進，因此主要針對水平煤質(zhì)底板作動態(tài)仿真分析。結合煤層地質(zhì)調(diào)查結果[5]，在 EDEM 中設置顆粒床填充底板參數(shù)，如表 1、2 所列。

表1 材料物理及力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of material

2 掘錨機耦合參數(shù)設置

2.1 履帶運動參數(shù)設置

為模擬掘錨機前進動作，設置鏈輪角速度驅(qū)動函數(shù)為 s tep (t ime，0，0，1.5，1.194 3)，即初始時刻角速度為 0，1.5 s 后鏈輪的角速度增加到 1.194 3 rad/s，換算成履帶線速度為 0.25 m/s，即掘錨機最大運行速度。履帶動力學模型如圖 2 所示。

圖2 履帶動力學模型Fig.2 Dynamic model of track

表2 材料間接觸參數(shù)Tab.2 Material contact parameters

2.2 黏結參數(shù)設置

為模擬底板煤巖之間的黏結狀態(tài)，需要在 EDEM前處理階段選擇 Hertz-Mindlin with bonding 模型，該模型可使煤巖黏結體承受一定的法向力、切向力和力矩。只有當黏結體受到的外力超過黏結鍵強度時，煤巖顆粒才能恢復自由運動狀態(tài)。底板黏結參數(shù)如表 3所列。

表3 顆粒黏結參數(shù)Tab.3 Grain bonding parameters

3 仿真結果分析

3.1 底板受力變形

底板應力分布如圖 3 所示。由圖 3 可知，底板應力在履帶運動過程中并不是均勻分布的。其中，縱向方面，應力在履帶前端和中后位置下方較大，這是由于底板首次接觸履帶時受力變形，此時變形量最大，因此前端處底板應力較大，且向前進方向延伸；橫向方面，應力大小隨深度逐漸降低，且向履帶兩側(cè)擴散，遠離履帶對稱平面的應力越小。

圖3 底板應力分布Fig.3 Stress distribution of bottom plate

根據(jù)底板變形特點可將底板破壞分為 3 類。當履帶下方底板發(fā)生較大壓縮變形，車輛無明顯滑動，履帶接地周圍土體無明顯堆土時的破壞稱為沖剪破壞；當?shù)装迤扑?，履帶兩?cè)產(chǎn)生裙帶現(xiàn)象，觸土位置產(chǎn)生明顯壅土時，此時底板發(fā)生整體剪切破壞；若履帶作用導致底板內(nèi)部產(chǎn)生破壞，底板內(nèi)部顆粒運動導致表面有隆起現(xiàn)象，此時巷道底板發(fā)生局部剪切破壞。局部剪切破壞程度介于沖剪破壞和整體剪切破壞之間，如圖 3 所示。觀察底板變形情況可以看出，底板部分表面隆起高度最高為 10 mm，履帶下的底板在履帶擠壓下沉陷，最大沉陷深度約為 20 mm。

3.2 履帶接地壓力

從上述分析可知，履帶接地壓力并不是均勻分布的。為獲得行走時不同位置履帶的壓力值范圍，可由監(jiān)測同一履帶板運動到不同位置處的壓力大小實現(xiàn)。選取圖 4 中 4 個不同位置處的履帶板為分析對象，其中 48、49 號履帶板在仿真時依次經(jīng)過 1～ 8 號承重輪，31、32 號履帶板經(jīng)過 9～ 16 號承重輪。

圖4 檢測位置示意Fig.4 Sketch of testing positions

圖5 所示為履帶板在不同接地位置處的壓力曲線，結合履帶運動過程，接地履帶板在繞轉(zhuǎn)到 1 號承重輪下方時，壓力由 0 迅速增加至 20 kN，如圖 5(a)中 0～ 2 s 間曲線變化所示。之后，履帶板離開 1 號承重輪，履帶垂直壓力降低，并在到達 2 號承重輪時再度升高，之后履帶板壓力值呈波浪狀循環(huán)往復，直到離開最后一個承重輪后壓力再次降為 0，如圖 5(b) 所示。圖 5(b) 中初始時刻壓力波動是由掘錨機下落撞擊底板時的振動造成的，故壓力數(shù)據(jù)應在穩(wěn)定后讀取。根據(jù)圖 5 壓力峰值可知，履帶接地壓力整體呈現(xiàn)中間高兩頭低的特點，履帶最大接地壓力為 27 kN，但由于 1 號承重輪的壓土作用，該位置履帶板接地壓力較大，壓力值接近 20 kN。2 號和 16 號承重輪下方履帶板受壓最小，底板應力也最低，接地壓力約為 10 kN。

圖5 履帶接地壓力Fig.5 Grounding pressure of track

4 結語

通過建立山特維克 MB670 型履帶式掘錨機動力學模型，分析了掘錨機平地運動時的底板應力分布、底板變形和履帶對地壓力特點。通過分析，得出掘錨機行走時底板壓力呈不均勻性分布，底板在履帶反復擠壓下發(fā)生局部剪切破壞，其中，履帶前方發(fā)生隆起，履帶下方產(chǎn)生沉陷。受承重輪分布影響，掘錨機對地壓力呈現(xiàn)多峰值非均勻性分布，具體表現(xiàn)為承重輪下方履帶板接地壓力大，承重輪間履帶板接地壓力小，運動過程中山特維克 MB670 型掘錨機最大接地壓力為 27 kN。