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链驱式外牵引薄煤层采煤机动力学分析
摘要：薄煤层工作面空间狭小、环境恶劣，采用外牵引链驱动可以有效减小机身长度，能更好适应顶底板起伏变化，牵引装置出现故障时便于维修维护。应用LS-DYNA建立滚筒截割煤壁有限元模型并进行仿真提取滚筒所受三向力载荷。以120 m水平工作面、截割速度5 m/min为例，采用ANSYS Workbench计算出牵引链等效刚度，应用ADAMS建立整机虚拟样机模型并进行动力学仿真。分析表明，主机体距离机头越远，左右两侧导向滑靴及驱动链轮承受三向力越呈现非线性增大趋势。
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在世界能源结构体系中，煤炭依旧是最为重要的一种能源，也是我国主体能源。随着我国煤炭行业的高速发展，易开采的厚与中厚煤层资源越来越少，薄煤层储量比例越来越高，薄煤层开采成为必然选择。薄煤层煤矿分布广泛，储量丰富，针对薄煤层开采过程中面临地质条件差、空间小等问题，采用外牵引链驱动方式将牵引装置安装在工作面两侧可以有效降低机身长度、机面高度，增大过煤、过机空间和通风断面。由于采煤机实际工作环境恶劣，外牵引采煤机在外部载荷作用下整机受力复杂，并且外牵引关键部件受力会出现波动。对外牵引采煤机在不同工况下进行动力学特性分析可以为外牵引部结构设计和分析提供参考。
1、外牵引采煤机虚拟样机模型建立
(1）建立模型虚拟样机
由于整机模型复杂，并且外观细节不会对仿真的精度及准确性造成影响，因此只保留机身、摇臂、滚筒以及导向划靴等关键部件，并且将一部分牵引链等效为弹簧，再将外牵引模型与简化之后的刮板输送机模型进行装配。在SolidWorks软件中完成三维模型干涉检验后，将模型导入ADAMS中对其进行材料参数定义，完成采煤机截煤虚拟样机模型。
(2）确定仿真参数
利用STEP函数编写驱动函数，使采煤机的驱动以阶跃函数形式作用到采煤机两端的链轮质心处。其驱动函数为step(time,1,0,1.5,22.5 d)+step(time,1.5,0,5,0 d），避免启动时出现冲击，设定链轮速度在0～1 s时间内为0，对等效弹簧施加预张紧力将牵引链张紧，在1～1.5 s为启动阶段。进入稳定运行阶段时再将滚筒截割煤岩所得三向力载荷谱进行变换施加到滚筒质心上，模拟在工作过程中受到的负载。
2、牵引链等效刚度计算
在实际工作环境中，综采工作面长度一般很长，外牵引采煤机在工作面运行时，在不同位置会对链驱动系统产生影响，对主机体在工作面不同位置工况进行仿真分析，由于建立全长虚拟样机模型对计算机配置要求较高，故将牵引链等效为弹簧。
离散单元的刚度系数是等效动力学模型关键参数，其刚度系数主要由组成链环的材料性质和几何尺寸决定。GB/T 12718—2009规定圆环链材料为23MnNiMoCrMo，其密度7.86×103kg/m3、弹性模量210 GPa、泊松比0.25。
采用Mesh对仿真模型进行网格划分，其中网格尺寸为2.5 mm，网格模型如图1所示。
图1 圆环链网格模型
将圆环链一端固定，另一端施加远程力。根据GB/T 12718—2009圆环链机械性能试验力，按照E级矿用圆环链标准施加1810 kN拉力，圆环链拉伸变形如图2所示。
图2 圆环链拉伸变形
由图2可知圆环链平均拉伸长度为3.81 mm。等效刚度模型如图3所示。
图3 等效刚度模型
kr.单个圆环链刚度系数kc.接触刚度系数F.拉伸负荷ΔL.变形量L0.圆环链初始长度
牵引链等效刚度系数
根据式（1）计算出牵引链刚度并施加在等效弹簧上，对主机体在120 m工作面、初始距离机头20 m处、间距为10 m进行仿真分析，不同长度牵引链等效刚度如表1所示。
表1 不同长度牵引链等效刚度
在外牵引采煤机运行过程中，牵引链会出现伸长造成圆环链与链轮啮合过程中出现松弛现象，可能会导致局部堆链、卡链等事故。
将牵引链近似为理想状态黏弹性体，根据胡克定律计算出牵引链的张力分布如图4所示。
图4 链传动张力分布示意图
1.理想情况下牵引链的预紧力2.链驱动采煤机运行过程中张力的分布L.链轮间距v.链速F1～F5.各关键点张力
考虑两端驱动装置和牵引链质量及其他影响因素，建立多自由度采煤机动力学模型。主机体简化为一个较大的质量块，牵引链离散为多个集中的质量单元。建立链传动多体动力学模型如图5所示。
图5 多体动力学模型
3、截割滚筒负载仿真
(1）滚筒截割有限元模型
在实际工作中，由于煤岩物理力学性质不是均匀的，采煤机滚筒在截割煤壁过程中受到负载是随机的。在LS-DYNA进行滚筒截割煤壁仿真，模型设置为滚筒开始截割状态。煤壁的本构模型采用Drucker-Prager材料模型，以精准模拟煤岩物理性质。模型材料属性如表2与表3所示。
表2 滚筒材料参数
表3 煤壁材料参数
(2）相关边界条件设定
采煤机截煤时，煤岩体会发生非线性破坏。使用LS-DYNA进行滚筒对煤壁的截割仿真。首先在Hypermesh中对截齿进行网格划分，其中截齿网格加密尺寸为0.005 mm，滚筒网格尺寸为0.05 mm，煤壁网格尺寸为0.005 mm。在ANSYS Workbench中设置滚筒和煤壁边界条件，设置煤壁为固定支撑，设置滚筒只能在z方向发生转动，同时只能在x方向移动。以5 m/min沿x轴移动和以77 r/min绕z轴旋转为例进行仿真。设置完成后在ANSYSWorkbench保存为K文件格式，然后通过LS-PREPOST接口导入，更改煤岩材料，并添加煤壁关键字破坏准则。
(3）仿真结果分析
通过采用LS-DYNA后处理软件LS-PREPPOST得到滚筒三向力曲线如图6所示。在煤壁截割过程中，滚筒在旋转的同时对煤壁进行截割，各方向阻力随着滚筒的旋转呈现出周期性变化，反映了煤的各向异性特性。各向异性意味着煤体在不同方向上的物理性质和力学性能存在差异，导致滚筒在截割过程中所受阻力呈不规则状态。
图6 三向力曲线
根据整个滚筒截煤过程，提取煤壁对滚筒的作用反力，x方向（牵引方向）受力最大，其次为y方向（垂直于地面）受力，z方向（轴向）受力最小。
4、采煤机工作面不同位置仿真分析
应用PostProcessor进行后处理，提取受力进行分析。根据仿真结果与运行结果分析，提取主机体机身左右两侧导向滑靴载荷曲线如图7所示。
图7 不同位置机身左右两侧导向滑靴载荷曲线
由图7可知，左侧滚筒为完全截煤状态，使整机受力不均，截割阻力和在截煤时产生的反作用力导致主机体左右两侧导向滑靴y和z方向受力相反。在外部交变载荷的作用下机身左右两侧导向滑靴受力在一定范围内波动。
根据图7曲线数据进行整理得到主机体稳定运行阶段机身左右两侧导向滑靴载荷最大值、最小值和平均值，然后绘制曲线并进行拟合，拟合曲线如图8所示。
由图8可知，当主机体距离机头越远，其机身左右两侧导向滑靴x方向受力最值和平均值整体越呈现增大趋势，y和z方向，左侧导向滑靴受力成增大趋势，右侧导向滑靴受力方向相反，也呈非线性增大趋势，机身在y方向最大值波动较大说明机身在y方向出现起伏。
同时提取左右两侧驱动链轮稳定阶段受力，并对数据进行整理得到主机体在工作面不同位置受力的最值和均值曲线如图9所示。
图9 驱动链轮受力最值、均值曲线
5、结语
(1）对主机体在距离机头20～100 m位置、不改变其他条件情况下，当主机体距离机头越远其机身左右两侧导向滑靴所受力最大值、最小值和平均值整体越呈现增大趋势并且左侧导向滑靴x方向受力大约为右侧1.8倍；左右两侧导向滑靴y方向受力相近；左侧导向滑靴z方向受力大约为右侧1.2倍。机身在y方向出现轻微扭转的现象，同时在z方向出现倾覆的趋势。
(2）当主机体距离机头越远，其左侧驱动链轮x方向受力最值和平均值整体越呈现增大趋势，右侧整体呈缓慢减小趋势，y和z方向驱动链轮受力整体呈增大趋势，并且左侧驱动链轮承受载荷整体大于右侧。
参考文献:
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基金资助:黑龙江省首批“揭榜挂帅”科技攻关项目(2021ZXJ02A01);
文章来源:吴卫东,王宇霆,王子海,等.链驱式外牵引薄煤层采煤机动力学分析[J].煤矿机械,2024,45(11):80-85.
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2025-02-12我要评论
期刊名称：煤矿机械
期刊人气：1920
主管单位：国家煤矿安全监察局
主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
国内刊号：23-1280/TD
邮发代号：14-38
创刊时间：1980年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
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