采煤机截割部动力学仿真及实践研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：郭海霞 ：基金项目：山西省科技厅青年基金资助项目（）作者简介：张泽泰（），男，甘肃白银人，工程师，研究方向为采矿工程。引用格式：张泽泰，杜双利，张欢 采煤机截割部动力学仿真及实践研究 能源与环保，（）：，（）：，采煤机截割部动力学仿真及实践研究张泽泰，杜双利，张欢（国网能源哈密煤电有限公司 大南湖一矿，新疆 哈密 ；太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 ）摘要：截割部作为采煤机关键结构，其设计分析多采用理论计算分析、刚柔耦合动力学分析等多种分析方法，不同设计分析方法所获取的设计方案也存在较大差异性。为获取更为精准合理的设计方案，将在设计中引入动力学仿真分析方法，分别采用刚柔耦合动力学仿真和机电耦合动力学仿真两种仿真分析方法对采煤机截割部进行仿真分析，从中选择最佳动力学仿真分析方法，进而对采煤机截割部关键零部件 扭矩轴进行参数化设计，再分别采用仿真分析和工程应用实践分析进行参数化设计检验，综合确认扭矩轴参数化设计可行性和应用价值。关键词：采煤机；截割部；动力学仿真；机电耦合模型；参数化设计中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；截割部作为采煤机关节结构，其动态响应特性直接影响到采煤机整体生产效率和使用寿命。为保障采煤机不出现过载损坏情况，设置于传动系统与截割电机之间的扭矩轴具有动力传递、弹性缓冲、过载保护等功能，在采煤机过载时可率先扭断，避免采煤机过载损毁。当前采煤机截割部设计常用设计方法为理论计算法和仿真分析法，但相关方法未充分考虑到冲击载荷对扭矩轴性能的影响，以至于所设计的扭矩轴难以满足采煤机过载保护需求 。针对此种情况，介绍一种机电耦合动力学仿真方法，并以此方法为基础实施采煤机截割部扭矩轴参数化设计，旨在为后续扭矩轴设计提供仿真分析方法与参数化设计参考。采煤机截割部动力学仿真模型构建 刚柔耦合动力学模型采用 三维模型软件构建采煤机截割部关键部件三维立体模型，并对模型进行简化处理，森林模型中小孔、倒角等综合性能影响较小结构。完成模型简化后，对模型进行虚拟装配，形成采煤机截割部三维几何模型导入到 软件中，形成采煤机截割部刚性体模型。将采煤机截割部扭矩轴三维 年第 期能源与环保第 卷立体模型导入到 中，采用四面体单元对扭矩轴模型进行网格划分，设置质量单元参数为 ，模型材料为 ，此种材料密度为 、弹性模量为 、泊松比为 。将扭矩轴模型两端花键设置为刚性体系，其他区域则为柔性体模型。将扭矩轴模型导入到 软件中，替换模型原有扭矩轴刚性体模型，形成刚柔耦合模型。图 采煤机截割部刚柔耦合模型 另外，需要在 环境中构建截割部电路系统模块。其中，截割电机参数主要技术参数：电机功率 、极数 、额定电压 、额定频率 、额定转速 、接法 型、工作制为 型。具体截割电机对应的截割电路系统模块如图 所示。图 截割电机电路系统模块 机电耦合动力学模型机电耦合动力学模型的构建关键点在于机械传动系统与截割电机相连，形成一个完整的动态仿真系统。为能够将截割部机电特性引入到刚柔耦合模型中，需要在 软件中为模型配置 输入变量和 输出变量，分别用于将截割电机动力传递至传递系统，将传动系统负载转矩传递至截割电机输出轴 。在 工具中导入 参数变量及模型，并在 中将截割电机与刚柔耦合动力学模型相连，形成几机电耦合动力学模型如图 所示。图 机电耦合动力学模型 采煤机截割部动力学仿真分析 刚柔耦合动力学仿真定义仿真分析时间为 ，步长为 ，采用 求解器进行仿真求解，进而获取图中的仿真分析结果。图 扭矩轴负载转矩曲线 由图 可知，采煤机截割部扭矩轴最大负载转矩出现在仿真开始后的 时，对应的负载扭矩为 。此时扭矩轴会承受较大的惯性力，并且电机转速不会因为截割过程所产生的冲击载荷而出现波动。此外，在截割电机启动阶段扭矩轴负载转矩波动幅度较大，而在截割电机达到工作转速后，扭矩轴的转矩波动幅值也开始进入稳定状态，只有在遭受较大冲击载荷时才会出现大幅度波动。通过 软件实施扭矩轴剪应力仿真分析，具体仿真结果如图 所示。图 扭矩轴剪应力分布 年第 期张泽泰，等：采煤机截割部动力学仿真及实践研究第 卷由图 可知，扭矩轴所承受的剪应力主要集中在卸荷槽区域。在采煤机过载时，扭矩轴会从卸荷槽处断裂，符合卸荷槽设计目的要求。但由于刚柔耦合动力学模型中扭矩轴两端花键为刚性体，其在仿真中所产生的剪应力减小。在 软件中提取扭矩轴最大应力仿真区域，进而确定最大应力点为 节点，该节点所对应的最大应力值为 。节点对应的剪应力曲线如图 所示。图 节点的剪应力曲线 对比图 和图 可知，扭矩轴最大应力点剪应力曲线和负载转矩曲线基本相同，但由于刚柔耦合动力学模型中扭矩轴为柔性体，所以在承受负载时可能会出现一定形变，进而导致剪应力曲线和负载转矩曲线之间存在一定的相位差情况。机电耦合动力学仿真仿真分析中将刚柔耦合动力学模型与截割电机之间的交互时间设置为 ，在交互后为两者之间连接状态设置为离散，离散仿真时间设置为 ，之后实施机电耦合动力学仿真分析，进而获取以下仿真分析结果（图 ）。图 扭矩轴负载转矩曲线 由图 可看出，采煤机截割部扭矩轴最大负载转矩出现于仿真开始后 ，对应的最大负载转矩为 。同时，在截割电机启动阶段扭矩轴负载转矩波动幅度较大，而在截割电机达到工作转速后，扭矩轴转矩波动幅值也开始进入稳定状态，只有在遭受较大冲击载荷时才会出现大幅度波动。通过 软件实施扭矩轴剪应力仿真分析，具体仿真结果如图 所示。图 扭矩轴剪应力分布云图 由图 可知，扭矩轴所承受的剪应力主要集中在卸荷槽区域。在采煤机过载时，扭矩轴会从卸荷槽出断裂，符合卸荷槽设计目的要求。但由于刚柔耦合动力学模型中扭矩轴两端花键为刚性体，其在仿真中所产生的剪应力减小。在 软件中提取扭矩轴最大应力仿真区域，进而确定最大应力点为 节点，该节点所对应的最大应力值为 。节点对应的剪应力曲线如图 所示。图 节点的剪应力曲线 对比图 和图 可知，扭矩轴最大应力点剪应力曲线和负载转矩曲线基本相同，但由于刚柔耦合动力学模型中扭矩轴为柔性体，所以在承受负载时可能会出现一定形变，进而导致剪应力曲线和负载转矩曲线之间存在一定的相位差情况 。动力学仿真对比分析以上分布采用刚柔耦合动力学模型和机电耦合动力学模型进行仿真分析，对两种仿真分析方法进行匹配对比后，获取到对比分析结果，见表 。刚柔耦合动力学模型和机电耦合模型动力学模型之间的差异点仅在于模型构建中是否考虑机电耦合，根据表 可知，种模型之间所获取仿真结果差异均相对较大。其中最大负载转矩间差异率为 ，负载转矩均值间差异率为 ，方差间差异率为 ，最大剪应力间差异率为 。年第 期能源与环保第 卷表 两种模型对比结构 项目刚柔耦合模型机电耦合模型最大负载转矩（）负载转矩均值（）方差 最大剪应力 总体来说，相较于刚柔耦合动力学模型来说，机电耦合动力学模型各项参数值均相对较小，说明机电耦合可以发挥出以的扭矩轴负载抑制作用。采煤机截割部扭矩轴参数化设计 扭矩轴参数化设计流程将机电耦合动力学仿真分析结果导入到 中进行数据拟合，进而可获取到扭矩轴卸荷槽结构参数与最大剪应力区间之间的函数关系式，再根据函数式关系式来获取对应的卸荷槽尺寸参数，实现采煤机截割部扭矩轴参数化设计效果 。扭矩轴主要结构如图 所示。图 扭矩轴主要结构 如图 所示，采煤机截割部扭矩轴主要涉及扭矩轴长度（）和直径（），卸荷槽外径（）、圆弧半径（）、最小直径（）。其中，扭矩轴长度和直径是影响弹性缓冲性能的主要参数，而卸荷槽外径和圆弧半径则决定着扭矩轴的过载保护能力 。在扭矩轴参数化设计中，除了要考虑以上关键参数以外，还需要综合考虑扭矩轴的抗疲劳性能、抗冲击性能，并且由于有扭矩轴与截割电机电机轴和传动系统截一轴齿轮之间达成相互连接，所以为保障扭矩轴的正常使用，还需要确保扭矩轴具有一定的强度性能 。综合考虑后，确认扭矩轴主要采用 和 两种材料。参考现有研究成果可知，参数化设计方法相对复杂，并且仅能够针对单一结构扭矩轴进行仿真设计分析。为提高设计效果，具体参数化设计中仅将卸荷槽进行结构参数化处理，再由此实现扭矩轴的参数化设计 。具体参数化设计流程：通过三维模型软件构建扭矩轴三维几何模型；通过 管理器实现 与三维模型软件的数据交互；在三维模型软件中为扭矩轴三维几何模型配置卸荷槽圆弧半径变量；将模型导入到 中，对模型进行参数化设置，设置完成后实施瞬态动力学仿真分析 ；通过调整三维模型软件中扭矩轴卸荷槽圆弧半径变量参数实现不同结构扭矩轴模型构建；构建不同卸荷槽圆弧半径与仿真分析结果最大剪应力函数关系模型，再通过 工具箱对函数关系曲线进行拟合，获取在一定载荷作用下可刚好断裂的扭矩轴参数方案。扭矩轴有限元仿真分析 仿真模型构建根据采煤机截割部扭矩轴现有设计图纸可知，扭矩轴的长度为 ，两端花键长度分别为 、，卸荷槽外直径为 。根据扭矩轴实际情况构建三维几何模型，将两端花键简化为圆柱体，扭矩轴整体设置为实心模型 。在动力传递方面，扭矩轴的一端与截割电机相连，另一端与截割部传动系统中截一轴齿轮相连，截割电机生成驱动力经由扭矩轴带动齿轮实现转动，最后将驱动力传递至截割滚筒上；在负载方面，扭矩轴主要受到两端花键所产生的扭矩、截割电机振动、截割滚筒截割时截割振动、安装位置不对中产生的走向载荷与弯矩等多种因素的影响。不过一般情况下，采煤机截割部均会配置联轴器和限距器，相关设备可一定程度上降低采煤机截割部运行中冲击载荷对扭矩轴所造成的影响，并有效解决扭矩轴因加工工艺所导致的不对中问题，所以以上因素对扭矩轴的影响均相对较小，实际参数化设计与有限元仿真分析过程中可适当忽略相关影响。扭矩轴材料仍然采用 材料，此种材料的最大抗拉强度和最大屈服强度分别为 和 ，一般情况下材料的抗扭强度为最大屈服强度的 倍，则可以获取到此种材料的最大抗扭强度为 ，为保障材料的及时扭断效果，设计中选用最大参数，即将材料的最大抗扭强度设定为 。为模型配置材料属性后，对模型进行网格划分，网格单元尺寸为 ，卸荷槽区域网格尺寸为 ，网格划分后扭矩轴模型如图 所示。静力学仿真分析根据截割电机参数为截割电机侧花键施加固定约束，为传动系统侧花键配置 扭矩，通过仿真分析后获取到仿真分析结果如图 所示。年第 期张泽泰，等：采煤机截割部动力学仿真及实践研究第 卷图 扭矩轴网格划分模型 图 扭矩轴最大剪应力云图 由图 可知，在额定载荷条件下，采煤机截割部扭矩轴所承受的最大剪应力为 ，而材料的最大抗扭强度为 ，确认额定载荷下扭矩轴可正常转动运行。根据现有电机手册可知，采煤机截割电机可输出的最大转矩为 倍额定转矩。为截割电机侧花键施加固定约束，为传动系统侧花键配置 倍额定转矩，即 。具体仿真分析过程与额定载荷条件下仿真分析过程保持一致。通过仿真分析结果可知，在 倍额定载荷条件下，采煤机截割部扭矩轴所承受的最大剪应力为 ，已超过最大抗扭矩强度，说明扭矩轴可在 倍额定载荷条件下实现扭断保护效果。动力学仿真分析考虑到采煤机截割部运行中截割滚筒可能会受到瞬间冲击载荷，此载荷通过传动系统传递至扭矩轴上后，为扭矩轴施加瞬时冲击影响。仿真分析过程中，为能够实现瞬间冲击载荷模拟分析，采用 软件对扭矩轴进行边界条件设置，即在扭矩轴截割电机侧花键设置轴向旋转副，并为旋转副添加 的转速，在传动系统侧花键设置随时间变化扭矩，最大扭矩值为截割电机额定转矩。对扭矩轴进行仿真分析后，获取到扭矩轴在遭受冲击载荷说所产生的最大剪应力为 ，最大剪应力集中在卸荷槽区域。同样，为扭矩轴施加 倍额定载荷。通过仿真分析结果可知，在 倍额定载荷条件下，采煤机截割部扭矩轴所承受的最大剪应力为 ，已超过最大抗扭矩强度，说明扭矩轴可在 倍额定载荷条件下实现扭断保护效果。对比静力学仿真和动力学仿真结果可知，相较于静力学仿真仿真结果，动力学仿真结果相对较大，但总体来说两者差异性较少，可在设计中优先选择静力学仿真结构，如此不仅可以满足扭矩轴过载保护设计要求，还可以避免受力过大而产生的频繁断裂情况。基于此特点，通过 拟合卸荷槽圆弧半径曲线，进而获取到最佳扭矩轴破断卸荷槽半径为 。扭矩轴参数化设计的工程应用实践分析根据参数化设计可知，扭矩轴最佳参数中长度为 ，两端花键长度分别为 、，卸荷槽外直径为 ，卸荷槽半径为 。为验证扭矩轴参数化设计的应用价值，将采用工程应用实践方式来实施参数化设计验证。对某煤矿中现有的采煤机截割部扭矩轴进行优化调整，确保扭矩轴结构与参数化设计中扭矩轴各项参数保持一致，然后将优化后的扭矩轴应用于采煤机截割部，通过采煤机正常生产实践来确认参数化设计的应用效果。通过工程应用可知，采煤机正常工作条件下扭矩轴未出现卸荷槽扭断保护情况，并且在截割滚筒产生冲击载荷时也未发生频繁故障情况。为能够有效模拟采煤机截割过载问题，在保障安全的情况下对采煤机实施过载模拟，进而确认卸荷槽可在采煤机过载时自行断裂，实现过载保护效果。结语综上所述，本文分别采用刚柔耦合动力学模型和机电耦合动力学模型对采煤机截割部进行仿真分析，进而确认机电耦合动力学模型仿真分析结果更符合实际。以此为基础，采用机电耦合动力学模型实施扭矩轴参数化设计和仿真分析，进而获取到最佳参数化设计，将参数化设计应用于工程实践确认可满足扭矩轴基本要求，确认参数化设计具有较强可行性，因而可在后续采煤机截割部扭矩轴设计中进行参考应用。同时，通过研究也证明机电耦合动力学模型更适用于采煤机截割部动力学仿真分析，所以在后续设计中也可以适当应用该模型。参考文献（）：于志宏 采煤机截割部齿轮传动系统的非线性动力学分析与探讨 煤矿机械，（）：，（）：（下转第 页）年第 期娄杰，等：采动影响下全煤回采巷道围岩稳定性模拟研究第 卷 邵卫华 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