陳洪月，元世浩,?；⒚?，張德生,鐘東虎

(1.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000； 3.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013)

為解決當前巷道綜掘工作面的智能化程度低，掘進效率低下的問題，眾多煤礦企業(yè)開始引進掘錨機等綜掘設備。能否適應井下工況條件成為引進煤礦設備的主要參考因素。研究掘錨機行駛通過性也就是研究履帶車輛地面力學，主要任務是用理論分析和仿真試驗的方法揭示其在不同底板上的行駛特性及底板承載能力，從而達到充分發(fā)揮掘錨機工作能力這一目的，使其更好的服務于煤礦生產(chǎn)。

國內(nèi)外有關車輛通過性的研究中以BEKKER[1]的研究最具有代表性，他系統(tǒng)、全面地總結了20世紀60年代以前支承通過性的研究成果，并且深入、全面闡述了汽車在硬質(zhì)路面上的越障能力。19世紀50年代，BEKKER先后推導出了土壤剪切特性和承壓特性的應力-應變公式，這些公式在之后的幾十年中得到了廣泛的應用。我國對車輛地面力學的研究也發(fā)展于該時期，并陸續(xù)在車輛通過性、水田作業(yè)機械化和土壤值的測試方面展開研究。

進入21世紀之后，隨著計算機技術的進步，車輛地面力學在國內(nèi)外更是取得了飛速發(fā)展。GERHART等[2]利用BEKKER地面力學模型研究了不同尺寸和質(zhì)量的履帶車輛和輪式車輛在不同條件下的行駛特性。美國密西根大學的馬正東等[3]運用超單元法對負重輪-履帶-地面的相互作用的動態(tài)仿真進行了深入研究。日本的YOSHIDA等[4]基于滑轉(zhuǎn)率牽引模型進行了月球車動力學模擬。北京理工大學的韓寶坤等[5]進一步分析了高速履帶車輛平穩(wěn)性能仿真及影響因素。SHILLER等[6]提出一種考慮縱向地面力學模型評價越野車縱向的動態(tài)穩(wěn)定性的方法。北京理工大學的孫逢春等[7]研究了履帶式車輛斜坡轉(zhuǎn)向時的動力學特性。北方車輛研究所的盧進軍等[8]完成了基于RecurDyn的履帶車輛啟動加速過程滑轉(zhuǎn)率仿真與試驗研究。宿月文等[9]進行了履帶機械地面力學建模及牽引性能仿真與試驗。英國的AL-MILLI[10]提出了一種履帶式車輛的動態(tài)分析和軟地面通過性能預測的新模型。LYASKO等[11]提出了一個考慮履帶板滑移-沉陷的預測車輛行駛阻力的方法。

近年來，對于履帶車輛軟路面行駛實時仿真的研究也越來越多。MADSEN等[12]對越野車模型進行了基于物理的車輛/地形相互作用仿真分析。AZIMI等[13]進行了行星車輪的交互模擬和分析。北京理工大學的呂唯唯等[14]深入研究了高加載速率下可變形地面土壤的特性。楊聰彬等[15]研究了高速履帶與軟路面的附著特性。江蘇大學的丁肇等[16]研究了履帶式行走機構壓實作用下土壤應力分布均勻性分析。陸軍工程大學的何健等[17]通過仿真研究了基于改進土壤承壓模型的履帶車輛行駛振動特性。中南大學的戴瑜等[18]針對深海履帶式集礦機進行了多體動力學建模與行走性能仿真分析。

以往研究大多建立動力學模型通過仿真模擬履帶運動過程，或者建立數(shù)學模型通過計算求解目標參數(shù)。而巷道底板作為離散型物質(zhì)，是顆粒和顆粒黏結體的集合，特別是履帶的存在使得履帶—底板的動力學關系更加難以刻畫。通過離散元軟件與多體動力學軟件耦合仿真，可以更為準確的刻畫掘錨機履帶與底板煤和矸石的接觸過程，從而為巷道掘進過程中底板變形與掘錨機動態(tài)分析提供依據(jù)。

1 掘錨機組成及模型建立

1.1 MB670掘錨機

MB670-1掘錨一體機可實現(xiàn)截割與支護平行作業(yè)，具有廣闊的應用前景。該型掘錨機主要由截割系統(tǒng)、錨桿機系統(tǒng)、支護系統(tǒng)、裝載系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、降塵系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成。其結構如圖1所示。

1.2 掘錨機模型建立

在三維建模軟件SolidWorks中通過各種命令建立掘錨機零件三維模型，將裝配完成后的整機模型保存為x_t格式。

借助動力學仿真軟件RecurDyn中Track/HM工具包，建立如圖2所示高速履帶子系統(tǒng)[19]。履帶子系統(tǒng)包括1個后置驅(qū)動輪、1個前置誘導輪、16個負重輪、8個托帶輪和93個履帶板。

圖2 履帶動力學模型Fig.2 Track dynamic model

參照履帶板零件圖，建立如圖3所示的履帶板模型，表1為履帶板主要參數(shù)。

圖3 履帶板零件與模型Fig.3 Track shoe parts and models

表1 履帶板模型參數(shù)Table 1 Track shoe model parameters mm

將機身模型導入到RecuDyn中并移動到合適位置，重命名為MB670機身，選擇MB670機身為履帶母系統(tǒng)。掘錨機整機模型如圖4所示，表2為掘錨機主要參數(shù)。

圖4 掘錨機模型Fig.4 Bolter miner model

表2 掘錨機主要參數(shù)Table 2 Main parameters of tunneling machine

2 地形對掘錨機通過性能的影響

以國內(nèi)某礦區(qū)5-2煤層為背景，資料顯示該煤層屬特厚煤層，整體賦存較穩(wěn)定，埋藏深度為79.8～202.3 m，煤層橫向傾角β為1°～3°，縱向坡度i為5%～17%(坡度角為α,i=tanα,α為正時，代表上坡,α為負時，代表下坡)。厚度變化幅度相對較小，煤層的兩極厚度為5.85～6.20 m，平均厚度為6.07 m，煤層結構較為簡單[20]，滿足掘錨機運行條件。

2.1 巷道底板模型

RecurDyn中提供了Ground模塊，底板模型采用多個三角形平面單元及其法向方向確定，每塊三角形單元可以記住最大沉陷量、最大壓力、剪應變和剪應力，以計算正壓力和水平摩擦力。根據(jù)5-2煤層地質(zhì)勘探報告[20]，在RecurDyn中建立如圖5所示以O，M為起停點，A，B，C，…，L為不同地形轉(zhuǎn)折節(jié)點的底板模型。并參考5-2煤層煤巖體物理學參數(shù)測定實驗[20]，確定底板特征參數(shù)見表3。

表3 底板接觸參數(shù)Table 3 Floor contact parameters

圖5 底板模型Fig.5 Floor model

2.2 行駛特性分析

根據(jù)仿真結果，標定履帶到達各位置的時刻為T1，離開各位置的時刻為T2，位置與時刻對應關系見表4。按時間先后，同一位置的T1→T2對應掘錨機在兩種地形上運動，相鄰位置的T2→T1對應掘錨機在單一地形上運動。例如:TA1→TA2對應掘錨機從地形OA運動到地形AB，TA2→TB1對應掘錨機在地形AB上運動。

以125 s和216 s為斷點將仿真分為3個階段，見表4。其中125 s是地形DE與地形EF的分界點，216 s是地形HI與地形IJ的分界點。

表4 位置與時間對照Table 4 Location and time comparison

掘錨機行駛時，由于底板在提供推力時發(fā)生剪切變形，故履帶的接地面相對地面有向后的滑動，稱為滑轉(zhuǎn)，為了描述掘錨機的滑轉(zhuǎn)程度，引入履帶滑轉(zhuǎn)率k:

(1)

式中,v為履帶實際速度;V為理論速度，由表2可知理論最大行駛速度為15 m/min，即V為250 mm/s;vj為履帶相對地面的滑轉(zhuǎn)速度。

當車輛滑轉(zhuǎn)時，vj與車輛行駛方向相反;反之，當車輛滑移時，vj與車輛行駛方向相同。

圖6給出了掘錨機理論速度、實際速度和滑轉(zhuǎn)率的變化曲線。根據(jù)圖6(a)，在OE上坡段平均速度隨坡度升高而降低，在EI下坡段平均速度隨坡度減小有所增大。在E點處和I點處速度波動最大，因為兩處坡度分別改變了17%和15%，縱向地形改變導致掘錨機穩(wěn)定性下降。由圖6(b)可知，隨著坡度角增大，滑轉(zhuǎn)率增大，滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象越來越嚴重，掘錨機在5-2煤層穩(wěn)定運行時的最大平均滑轉(zhuǎn)率約為0.214，代表掘錨機耗能比理論多21.4%，因此在井下要盡量避免掘進大坡度巷道。

圖6 速度與滑轉(zhuǎn)率Fig.6 Speed and slip rate curve

掘錨機姿態(tài)可用俯仰角、偏航角和側(cè)滾角描述。如圖7所示，俯仰角是機體繞左右軸線旋轉(zhuǎn)的角度，偏航角是機體繞上下軸線旋轉(zhuǎn)的角度，側(cè)滾角是機體繞前后軸線旋轉(zhuǎn)的角度。

由圖8(a)可知,I點之前掘錨機俯仰角只受坡度影響，坡度增大(減小)時俯仰角增大(減小)，坡度不變時俯仰角為定值，機身最大仰角為9.6°，最大俯角為8.5°。I點之后底板既有坡度角又有傾角，俯仰角不等于坡度角，但符合坡度角大于0°時為仰角，坡度角小于0°時為俯角。圖8(a)中，E和I兩處俯仰角在15 s內(nèi)變化了9.6°和8.5°，姿態(tài)變化大則機身穩(wěn)定性差。由圖8(b)可知，最大俯仰角加速度發(fā)生在E處，其值為0.18 rad/s2，可見掘錨機在E處振動最大，穩(wěn)定性最差。

圖8 俯仰角與角加速度曲線Fig.8 Pitch angle and angular acceleration curve

根據(jù)表4將偏航角、偏移量和側(cè)滾角曲線分為3段，如圖9所示。階段1實際航向與理論方向偏差很小，且時而偏左時而偏右，這是因為OE段整體呈凹形，該類地形可以在航向偏離時通過對兩履帶作用力差減弱甚至改變偏離程度。階段2偏航角基本維持在階段1末時角度，可見EI段凸形底板對偏離程度基本無影響。階段3，由于底板向右傾斜導致掘錨機朝右側(cè)偏移，偏移量增大，圖9(a)顯示在該階段存在2次偏航角減小現(xiàn)象，是I，L兩處凹形底板對掘錨機的糾偏作用造成的。偏移量可看作偏航角在時間上的積累，所以偏移量在階段1最小，只有10 mm左右。由于偏航角固定，在階段2偏移量呈線性增長，該階段掘錨機向前運動19.7 m，偏移量增加57.4 mm，即平均每前進1 m偏移量增加2.9 mm。在階段3偏移量呈幾何增長，掘錨機前進了17.8 m，偏移量增加了371 mm，掘錨機最終偏移量為424 mm。

側(cè)滾角是描述掘錨機傾斜程度的物理量，根據(jù)圖9(c)，在前2階段機身保持水平，階段3受底板右傾影響側(cè)滾角先增大后減小，機身最大傾斜角度為2.6°。

3 地質(zhì)對掘錨機通過性能的影響

地質(zhì)勘探顯示5-2煤層底部有2層夾矸，厚度分別為20和50 mm，巖性為泥巖[20]。由于掘錨機質(zhì)量過大容易造成底板破碎變形，而底板變形也帶來了履帶行駛時前后的晃動、左右的搖擺和上下的顛簸，導致掘錨機振動，對于在狹窄巷道作業(yè)的掘錨機來說，這種振動無疑是不利的。除此之外，底板變形還會破壞底板-支柱-頂板在工作面垂直方向形成的穩(wěn)定力學系統(tǒng)。因此有必要研究底板應力-應變和掘錨機在變形底板上運行情況。

3.1 顆粒底板模型

根據(jù)5-2煤層煤巖體物理學參數(shù)測定實驗[20]，取煤、煤(含水)、矸石和鋼的物理參數(shù)見表5，接觸參數(shù)見表6。煤顆粒半徑設為20 mm，矸石顆粒半徑設為15 mm，接觸半徑取顆粒實際半徑的1.2倍，則煤的接觸半徑為24 mm，矸石的接觸半徑為18 mm。

表5 材料物理參數(shù)Table 5 Material physical parameters

表6 材料接觸參數(shù)Table 6 Material contact parameters

選擇接觸模型為Hertz-Mindlin with bonding，在煤間、含水煤間、煤與矸石及矸石間形成黏結鍵，若鍵被破壞則顆?；謴蛷椥越佑|模型自由運動。圖10為多次填充得到的全煤、含水煤、含30 mm矸石和含60 mm矸石4類煤層底板。

圖10 底板模型Fig.10 Floor model

參照煤巖體物理學參數(shù)測定實驗[20]，依據(jù)毛君等[21]在煤層傾角對滾筒工作性能影響的仿真研究中黏結參數(shù)的設定方法，取煤層黏結參數(shù)見表7。層理間黏結參數(shù)相差0.2倍，上層硬度小于下層。由于水進入圍巖體節(jié)理裂隙內(nèi)部形成水壓作用，圍巖體的裂隙擴展發(fā)育，最終導致了圍巖體介質(zhì)的承載強度降低[22]，取含水煤層的黏結參數(shù)為自然煤層的0.5倍。

表7 煤粒黏結參數(shù)Table 7 Coal binding parameters

3.2 耦合仿真簡介

RecurDyn具有與粒子求解器共同仿真的能力。RecurDyn與顆粒求解器EDEM聯(lián)合仿真時，可以準確地分析履帶與土壤的相互作用模型。以下是執(zhí)行協(xié)同仿真的步驟[19]:

(1)在RecurDyn中創(chuàng)建掘錨機模型;

(2)從掘錨機模型中創(chuàng)建履帶部分wall文件;

術后產(chǎn)生尿潴留的危險因素主要有年齡、術中補液量、手術時間、≥11.25 mg麻醉藥量及術后鎮(zhèn)痛等，見表2。

(3)從RecurDyn導出wall文件;

(4)在EDEM中建立底板模型;

(5)將wall文件導入到EDEM中，并調(diào)整到適當位置，耦合模型如圖11所示;

(6)點擊EDEM中Start Coupling Server選項，準備進行協(xié)同仿真;

(7)在RecurDyn中運行協(xié)同仿真;

(8)在RecurDyn和EDEM中進行后處理分析。

3.3 地質(zhì)對爬坡性能的影響

根據(jù)MB670型掘錨機在煤巷快速掘進中的應用[23]，掘錨機的縱向適應坡度角為18°，但在井下不同地質(zhì)條件下掘錨機的爬坡性能會有所差異。將掘錨機模型移動到顆粒底板中間位置，通過改變重力加速度在x和y方向上的分量來模擬不同爬坡角度。掘錨機在坡面上由靜止加速到最大速度，若仿真結束時的實際速度大于0則稱掘錨機能適應該坡度，反之則不適應。

初始角度設為18°，若結果為適應則坡度增加，反之則減小，坡度間隔為2°，直到相鄰兩組數(shù)據(jù)反向則取兩者中間值為最后一組變量。表8給出了掘錨機對不同坡度、底板的適應性情況。

根據(jù)表8數(shù)據(jù)可得4種地質(zhì)下速度與坡度角關系如圖12所示。

表8 坡度、底板適應性情況Table 8 Adaptability of slope and floor

由圖12可以預測掘錨機在全煤層的爬坡角度略高于19°，含水煤層的爬坡角度略低于19°，在含30 mm矸石煤層的爬坡角度約為19.5°，在含60 mm矸石煤層的爬坡角度為17°。這是由于薄矸石層在履帶擠壓下易破碎，含30 mm矸石煤層上的矸石在破碎后增大了底板的粗糙程度，因此爬坡性能增強，而60 mm矸石煤層上的矸石厚度大于矸石直徑導致底板摩擦力在矸石顆粒的碰撞中消減，因此爬坡性能降低。所以底板表面保留少量矸石可以提高掘錨機的行駛性能。同時根據(jù)圖12中折線斜率可以得出當滾動摩擦因數(shù)增大后，含水煤層上掘錨機速度受坡度的影響降低。

3.4 接地比壓與底板變形

接地比壓是掘錨機行駛通過性的一個重要參數(shù)，受重心位置、履帶板參數(shù)、接地長度和承重輪個數(shù)及分布影響，接地比壓并不是均勻分布的。圖13給出了4種底板上掘錨機各承重輪壓力分布情況。

圖13 掘錨機壓力分布Fig.13 Pressure distribution of bolter miner

由圖13可知，受履帶張緊力和模型重心靠前影響，1號承重輪受力最大，16號承重輪壓力次之，2～5號承重輪受地質(zhì)影響較大，6～9號較小，10～15號居中，因此1號和16號承重輪容易因承載過大發(fā)生變形、斷裂，2～5號承重輪容易發(fā)生疲勞損壞。

將履帶接地段從前往后分為15段，每段履帶接地比壓由式(2)計算，得到各位置接地比壓如圖14所示。

圖14 履帶接地比壓Fig.14 Ground pressure of track

(2)

式中,Fi為第i個承重輪所受壓力；Pi為兩承重輪下方履帶板的平均接地比壓；A為單側(cè)履帶接地面積，即履帶板寬度與接地長度的積。

4種地質(zhì)條件下掘錨機的平均接地比壓均處于26～27 N/cm2內(nèi)，小于理論值28 N/cm2，這是由于取各承重輪壓力為仿真過程中的平均值，與實際情況有所差距，誤差在5%左右，因此數(shù)據(jù)具有較高的可信度。由圖14可知，履帶前后端接地比壓遠大于其他位置，其中以前端處接地比壓最大，約為其他位置的1.2～1.8倍。除含30 mm矸石煤層上履帶前段接地比壓大于后段外，其他3類底板皆為后段大于前段，其中以含60 mm矸石煤層上最為明顯，由此可見少量矸石可降低重心位置對比壓分布的影響。

圖15以顏色劃分顆粒位置，綠色為顆粒初始位置，紅色表示位置升高，藍色表示位置降低?？梢钥闯龊?0 mm矸石底板形變量最大，含30 mm矸石底板變形較小，全煤和含水煤層底板無明顯變形。

圖15 顆粒位移云圖Fig.15 Particle displacement cloud

底板變形程度可通過顆粒移動速度加以區(qū)分，速度越大則代表底板變形越嚴重。以變形最大的含60 mm矸石煤層為例，圖16給出了底板在縱向和橫向上的變形?？梢钥闯?，底板在受到履帶擠壓時發(fā)生約30 mm沉陷，同時履帶前端產(chǎn)生推土效應，大部分矸石被抬高堆積在履帶前方，其余部分被擠壓到履帶底部和履帶兩側(cè)，形成履帶軌跡，堆積高度約50 mm，形狀和位置如圖16所示。若以20 mm/s為最大變形速度，則底板變形深度為150 mm，最大形變由履帶前端擠壓造成。

3.5 地質(zhì)條件對行駛特性的影響

圖17給出了掘錨機在4類底板上的速度與加速度曲線。由圖17(a)可以得出，當煤層上方留有30 mm矸石時，速度波動較全煤底板下降50%，當矸石層厚度增加到60 mm時，前期速度波動為全煤時的3倍，后期與30 mm矸石底板一致，含水煤層上的速度變化與含30 mm矸石煤層一致。加速度規(guī)律與速度相似，根據(jù)圖17(b)可以得出掘錨機在全煤底板上振動逐漸增大，最大加速度為570 mm/s2，在60 mm矸石底板上，掘錨機前期振動較大，在含水煤層和含30 mm矸石煤層上加速度整體較小，機身振動也較弱。

圖17 x方向速度和加速度曲線Fig.17 Speed and acceleration curves in x direction

從圖18(a)可以看出，掘錨機沉陷深度隨著含矸量的增加而增加，含水煤層底板變形略大于全煤底板。履帶在全煤層沉陷深度為13 mm，在含水煤層為15 mm，在含30 mm矸石煤層上沉陷深度為17 mm，在含60 mm矸石煤層上沉陷深度為33 mm。圖18(b)中加速度在初始時刻最大，之后降低到0刻度線附近，并且含矸越多加速度值下降的越快，含60 mm矸石底板上振動時間最短。

圖18 y方向質(zhì)心沉陷和加速度曲線Fig.18 Centroid subsidence and acceleration curves in y direction

由于填充底板表面較平整，可以排除地形對左右履帶的影響。10 s內(nèi)掘錨機在全煤層、含水煤層和含60 mm矸石煤層上的偏移量不超過7 mm，而在含30 mm矸石煤層上的偏移量為17 mm。這是因為矸石層較薄時，由于各位置矸石層厚度有大有小，因此與履帶接觸的矸石可與矸石接觸也可與下層煤塊直接接觸，導致履帶摩擦力不同，從而出現(xiàn)左右履帶運動不一致的現(xiàn)象。圖19(a)顯示在含30 mm矸石底板上，掘錨機右側(cè)履帶牽引力略大于左側(cè)。而對于全煤層、含水煤層和矸石層厚的底板來說，左右履帶接地情況基本一致，因此偏移量小，機身橫向振動也較小。

圖19 z方向偏移量和加速度曲線Fig.19 Lateral offset and acceleration curves in z direction

4 結 論

(1)掘錨機在模擬5-2煤層底板上的速度波動與機身振動主要來自縱向地形變化，穩(wěn)定地形上的振動遠小于變化的地形，坡度越大時，掘錨機速度越小，滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象越嚴重，耗能增加,5-2煤層底板上掘錨機的最大平均滑轉(zhuǎn)率為0.214。

(2)偏航角和側(cè)滾角對地形變化有相似的反應，都主要受橫向地形的影響，在地形傾斜時兩者角度增大。研究發(fā)現(xiàn)地形呈凹形時能夠有效改善掘錨機偏離程度。

(3)掘錨機在4種底板上的最大爬坡角度分別為:全煤層略高于19°、含水煤層略低于19°、含30 mm矸石煤層約為19.5°，含60 mm矸石煤層為17°。

(4)接地比壓主要與掘錨機自身參數(shù)有關，4種底板上的平均接地比壓均在26～27 N/cm2，但含矸量會影響履帶壓力分布和機身穩(wěn)定性，含矸量越多接地比壓分布越不均勻，底板變形量也越大。含矸量少時掘錨機在橫向上的偏移量和振動較大。