关于采煤机行走轮的动力学仿真分析

郇郭建

(霍州煤电集团 吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿， 山西 方山 033100)

采煤机作为重要的煤矿开采设备，在煤矿开采中发挥着重要作用。但由于采煤机在实际工作过程中，经常处于超负荷状态，加上井下环境相对复杂，导致采煤机经常出现部件受力不均匀、卡死等故障，无法保证长时间正常作业。掌握作业过程中关键部件的运动特性及运动规律，对提高采煤机的开采效率很重要。

因此，以采煤机结构组成为基础，建立了采煤机的动力学数学模型，采用UG和ADAMS软件，建立了采煤机的虚拟样机模型，对采煤机在空载和受载状态进行了动力学仿真分析研究，并提出了提高采煤机工作效率的措施。

1 采煤机结构组成分析

目前，采煤机主要采用的是双滚筒采煤机，运行可靠，开采效率高。其结构主要包括螺旋滚筒、截割部、液压传动部、喷雾冷却系统、行走部、滑靴、中间控制箱、破碎机等。其中，滚筒机构是采煤机中的主要工作机构，焊接该结构上的螺旋叶片和端盘，可实现快速开采。牵引电机进行动力输出，通过行走部上轨道与轮轨之间的相互啮合，将动力传输至行走机构，从动带动采煤机沿工作面移动。采煤机中的喷雾系统主要进行降尘和煤炭冷却。电控系统对采煤机进行直接操作控制。

2 采煤机动力学模型分析

建立采煤机动力学模型是进行整机动力学分析的基础。结合采煤机的结构特点，去除采煤机中的电控、液压、喷雾系统等，采用质量块进行配重代替；采用连杆机构，建立包含多个机构的采煤机简化机构模型。其中，将滚筒到牵引箱和摇臂之间的连接件用l1杆表示，摇臂与牵引箱之间的转接连杆用l2表示，摇臂与牵引箱体铰接点到行走轮轴心的水平距离、垂直距离采用l3和l4表示，行走轮轴心到牵引箱体与活塞缸铰接处的水平距离、垂直距离用l6、l7表示，采煤机简化后的动力学模型见图1. 同时，对图1中各个铰接处进行了受力分析，得出采煤机的整体受力传递情况。此动力学模型可作为采煤机动力学仿真分析的理论基础。

图1 采煤机整机简化后的动力学模型图

3 采煤机虚拟样机建立

3.1 三维模型建立

结合采煤机的结构组成机构可知，采煤机的结构包含左截割部、右侧调高油缸、右截割部等部件。为进一步对采煤机的运动情况进行分析，采用UG软件，建立包含采煤机主要部件的三维模型；同时，为提高模型的仿真精度，减少因非关键零件对仿真结果的影响，对三维模型中的螺栓、螺母、定位销、圆角、倒角等零件及特征进行了模型简化。由此，建立采煤机三维模型，见图2.

图2 采煤机三维模型图

3.2 虚拟样机仿真模型建立

将建立的三维模型导入至ADAMS动力学软件中，建立动力学仿真模型。在软件中，对所有零件进行材料的定义，将零件材料设置为Q235材料；同时，对滚筒与摇臂、行走轮与导向滑靴、牵引箱体与行走轮等零件之间的铰接处施加旋转副，销排与地面之间设置为固定副，并在l3连杆上施加驱动力，对整体施加重力，保证该样机模型的重量与实际的重量基本相同。仿真时间设置为15 s，步长设置为0.2 s. 由此，建立了采煤机的虚拟样机仿真模型。

4 整机动力学仿真结果

由于采煤机右侧行走轮为主要受力部件。因此，根据滚筒的实际受载情况，通过在右侧行走轮的滚筒质心上施加1 010 N驱动载荷和130 N·m的旋转力矩，分别对采煤机空载状态及受载状态时右侧行走轮的受力情况进行分析研究，得出其受力变化曲线图，见图3，图4. 由图3，4可知，行走轮在整个受力过程中，其接触力的变化均相对稳定，波动性较小，仅在零件刚启动瞬间出现了较大的波动现象。

图3 采煤机空载时右侧行走轮受力曲线图

图4 采煤机受载时右侧行走轮受力曲线图

根据图3，图4的分析结果，对曲线中的数据进行整理，得到两种状态下的数据对比表，见表1. 由表1可知，行走轮在受载时的平均接触力是空载时的1.17倍，其峰值接触力是空载时的1.23倍。由此可知，行走轮在受载状态时具有更高的接触力，在行走轮长期作用过程中，受载状态下更容易发生故障失效的可能性，而行走轮的失效将对采煤机的正常运行产生重要影响。因此，需对行走轮的结构性能及采煤机的运动效率进行优化改进。

表1 行走轮空载与受载状态下的接触力对比表

采煤机空载时左侧行走轮受力曲线见图5. 结合图3，图5，对采煤机在空载状态下右侧行走轮与左侧行走轮的接触力进行了对比分析，得对比表，见表2. 由表2可知，采煤机右侧行走轮的接触力值无论是峰值还是平均值均比左侧行走轮的接触力大，其原因为：采煤机在向左截割运动过程中，重心向右进行了偏移，此时，右侧摇臂向下产生了力，左侧摇臂则向上产生了部分作用力，进而使右侧行走轮承受的作用力比左侧更大。因此，在空载或作业过程中，同比条件下要求右侧行走轮具有更高的结构性能，以保证采煤机的正常运行。

图5 采煤机空载时左侧行走轮受力曲线图

工作状态平均接触力/kN峰值接触力/kN右侧行走轮3 3145 870左侧行走轮3 2905 140右侧与左侧比值1.0071.14

5 提高整机工作效率的措施

结合采煤机运动过程的动力学分析可知，右侧行走轮在受载状态下具有更高的接触力，在使用过程中极易发生故障。因此，需对行走轮的结构性能及采煤机的工作效率进行优化改进，提出如下措施：

1) 增大行走轮接触力较大处材料的强度及结构厚度，提高其结构强度；同时，加大行走轮上受力较大处圆弧结构，提高其承载能力。

2) 定期对行走轮进行维护保养，对接触力较大位置处定时添加润滑油，保证接触时摩擦力较小。

3) 应避免采煤机在超负荷状态下长时间的开采作业，且在受载状态下工作时，应按照规定的作业时间对行走轮的运行情况进行检查，保证行走轮及采煤机的正常运行。

4) 采煤机应严格按照正确的操作规程开采作业，针对出现问题，应及时维修和保养，以提高采煤机的工作效率和作业安全。

6 结 论

以采煤机结构组成为基础，建立了采煤机的动力学数学模型，采用UG和ADAMS软件，建立了采煤机的虚拟样机模型，对采煤机在空载和受载状态进行了动力学仿真分析研究，仿真结果表明，采煤机的右侧行走轮在受载状态下具有更高的接触力，且右侧行走轮比左侧受到的接触力更大，此现象与实际状态基本吻合。因此，在使用过程中，要求行走轮需具有更高的结构性能，且重点提高右侧行走轮结构性，以降低采煤机的故障，提高开采效率。