采煤机截割部刚柔耦合动力学及扭矩轴模态分析

魏大栋

（山西科兴能源发展有限公司， 山西 高平 048400）

引言

采煤机为综采工作面的关键设备，目前主要以滚筒式采煤机为主，其主要组成部分截割部与煤层直接接触，承担煤层的截割和落煤任务。在实际生产中，由于工作面煤岩体的结构复杂且含矸层的厚度不一致导致采煤机在截割过程中所承受的载荷变化较大。实现对采煤机的过载保护是延长其零部件使用寿命，保证工作面煤层开采率的关键。采煤机扭矩轴的扭断值是保护设备零部件安全性的关键参数，其设置合理能够降低设备维修成本，提高生产效率[1]。本文将在截割部刚柔耦合动力学和扭矩模态仿真的基础上，为扭矩轴扭断值的设定提供支撑。

1 采煤机截割部机电耦合动力学分析

截割部为采煤机的关键部件，电机为截割部直接提供动力的装置。三相异步交流电动机其本身具有一定的机械特性。目前，在以往针对截割电机耦合动力学研究中并未考虑电机固有的机械特性，导致其与实际生产的差距较大。本节将基于MATLAB 和ADAMS联合建立采煤机截割部电机的机电联合模型，系统地完成采煤机截割部机电联合仿真。

1.1 采煤机截割部机电联合仿真模型

截割部为采煤机的重要部件，包括滚筒、齿轮传动系统和截割电机。从理论上讲，采煤机截割部电机的功率为采煤机总装机功率的90%、采煤机截割部滚筒上螺旋叶片和截齿主要承担煤层的落煤和装煤任务；摇臂内的齿轮轮系承担调节传动比、支撑滚筒的的作用；截割电机为截割部提供动力[2]。

基于UG 三维建模软件并结合采煤机截割部及摇臂内部直齿齿轮传动轮系和行星齿轮传动轮系的结构参数建立采煤机截割部虚拟样机模型；基于MATLAB 软件并结合采煤机截割电机的主要参数建立截割电机的驱动模型，本文所研究截割电机的具体型号为YBCS-1000，该电机额定功率为1 000 kW，额定电压为3 300 V。

将上述建立的截割部虚拟样机模型和三相异步电动机的启动模型同时导入ADAMS 软件中生成采煤机截割部机电联合仿真模型。

1.2 采煤机截割部机电联合仿真结果分析

结合图1 中所建立的采煤机截割部机电联合仿真模型，将采煤机截割部截割含矸煤岩石滚筒所承受的合力施加于机电联合仿真模型中，对由此造成的截割部电机负载转矩和输出转速等因素的变化进行仿真分析。

图1 采煤机截割部机电联合仿真模型

根据前人研究成果将滚筒截割煤岩时滚筒所承受的牵引、截割以及侧向的阻力和阻力矩施加于机电联合仿真模型中，具体施加于采煤机截割部滚筒的质心处[3]。

设定本次仿真时间为9 s，仿真步长设定为0.01 s，截割电机的输出转速为1 480 r/min。由于本次煤岩截割煤岩和截割部机电联合仿真不同步，为保证仿真结果的准确性需要通过多次迭代进行仿真，具体迭代过程如图2 所示。

图2 机电联合仿真迭代流程

通过迭代仿真分析可知，第七次迭代后的数据准确性较好。第七次和第一次迭代仿真数据下采煤机截割部滚筒的受力情况和和截割速度的仿真结果如图3 所示。

图3 采煤机截割部机电耦合动力学仿真结果

图3 所示的仿真结果考虑了采煤机截割部电机的机械特性，当采煤机截割部滚筒受到冲击载荷时，对应截割部电机的转速会下降，此时截割部电机的输出力矩增加。

2 采煤机截割部刚柔耦合动力学及扭矩轴模态分析

上文中所研究的采煤机截割部机电联合仿真将作为截割部刚柔耦合动力学和扭矩轴模态仿真的基础。在上述基础上分别建立采煤机扭矩轴柔性体模型和刚柔耦合模型。

2.1 模型的建立

将UG 所搭建的扭矩轴的三维模型导入有限元分析软件中，在完成单元类型、材料属性等设置后对有限元模型进行网格划分，并根据情况划分出刚性区域[4]。将设置完毕的扭矩轴模型导入ADAMS 软件中与采煤机截割部虚拟样机模型装配形成采煤机刚柔耦合虚拟样机模型，如图4 所示。

图4 采煤机截割部刚柔耦合模型

2.2 仿真结果分析

基于图4 的刚柔耦合仿真模型，重点对采煤机截割部电机负载转矩、扭矩轴模态进行仿真分析。本次仿真设定时间为3 s，仿真步长为0.01 s，仿真状态分别为未装配扭矩轴和所装配扭矩轴所承受载荷为额定载荷、2 倍额定载荷和5 倍额定载荷，仿真结果具体阐述并分析如下：

2.2.1 截割部电机负载转矩分析

采煤机截割部不同安装扭矩轴以及安装扭矩轴对应不同载荷下截割部电机的负载转矩仿真结果如表1 所示。

表1 采煤机截割部电机负载转矩对比

如表1 所示，采煤机截割部安装扭矩轴对应电机所承受的负载均略小于未安装扭矩轴的情况。说明安装扭矩轴后可降低截割电机的负载转矩[5]。同时，安装扭矩轴后截割部电机负载转矩的方差比未安装扭矩轴截割部电机负载转矩的方差小的多；说明安装扭矩轴电机负载转矩的波动减小。

2.2.2 扭矩轴模态分析

通过上述分析可知，截割部安装扭矩轴对改善截割部电机的负载转矩具有明显的效果。可见扭矩轴的结构参数对于保证截割部的稳定运行具有重要意义。本节将对扭矩轴模态分析，为后续优化扭矩轴提供支撑。

扭矩轴在不同负载下对应的模态频率仿真结果如表2 所示。

表2 不同负载下扭矩轴模态频率仿真结果 Hz

扭矩轴在不同频率下对应的变形位置和变形量仿真结果如表3 所示。

表3 不同频率下扭矩轴变形位置及变形量仿真结果

如表3 所示，在不同载荷下扭矩轴的固有频率和振型相近；而且在相类似情况下扭矩轴的变形位置相同，变形量差距较小。

3 结论

采煤机为综采工作面关键设备，截割部承担煤层截割和落煤任务。本文重点对采煤机截割部机电耦合动力学仿真和扭矩模态仿真，并总结如下：

1）考虑采煤机截割部电机的机械特性，当采煤机截割部滚筒受到冲击载荷时，对应截割部电机的转速会下降，此时截割部电机的输出力矩增加。

2）安装扭矩轴后可降低截割电机的负载转矩，安装扭矩轴后电机负载转矩的波动减小。

3）在不同载荷下扭矩轴的固有频率和振型相近；而且在相类似情况下扭矩轴的变形位置相同，变形量差距较小。