李偉東，段金紅，李宣東，邵常雄，劉占明，梁志杰，馬學(xué)京，陳洪月，張德生

1華能煤炭技術(shù)研究有限公司 北京 100071

2扎賚諾爾煤業(yè)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古滿洲里 021412

3華亭煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 甘肅平?jīng)?744199

4華能慶陽(yáng)煤電有限責(zé)任公司 甘肅慶陽(yáng) 745002

5華能云南滇東能源有限責(zé)任公司 云南曲靖 655508

6華能煤業(yè)有限公司陜西礦業(yè)分公司 陜西西安 710032

7華能煤業(yè)有限公司 北京 100036

8遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧阜新 123000

9天地科技股份有限公司 北京 100013

履帶由于其高通過(guò)性、高適應(yīng)性等特點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于掘錨機(jī)等礦山工程車輛。掘錨機(jī)質(zhì)量可達(dá)上百噸，雖然履帶式行走機(jī)構(gòu)降低了掘錨機(jī)的平均接地比壓，但巷道施工時(shí)設(shè)備為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，掘錨機(jī)重心位置及接地條件不斷變化，導(dǎo)致掘錨機(jī)接地壓力分布改變，進(jìn)而影響掘錨機(jī)的通過(guò)性和適應(yīng)性，因此需要快速有效預(yù)測(cè)掘錨機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的接地壓力。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者開始借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究履帶車輛的地面力學(xué)問(wèn)題。美國(guó)密西根大學(xué)的馬正東等人[1]為捕獲履帶輪與地形交互的高頻內(nèi)容，且能夠更準(zhǔn)確地描述車輛在崎嶇地形上行駛時(shí)多節(jié)距軌道的力學(xué)特性，運(yùn)用超單元法，對(duì)負(fù)重輪-履帶-地面的動(dòng)態(tài)仿真進(jìn)行了深入研究，提出了一種自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的新型求解方法。貴州大學(xué)的張燕等人[2]針對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中履帶及承重輪位置改變?cè)斐傻拿撦唵?wèn)題，建立了履帶車輛虛擬樣機(jī)模型，利用多體動(dòng)力學(xué)軟件 R ecurDyn 對(duì)履帶車輛高速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真分析。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的郭凱文等人[3]為提升農(nóng)用履帶車輛在丘陵地帶的地質(zhì)適應(yīng)性，對(duì)某小型農(nóng)用履帶車輛在定型農(nóng)業(yè)路況下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真與分析，得到了其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。為了解履帶式礦用挖裝機(jī)承重輪在不同底板上的受載情況，張新等人[4]利用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)履帶式礦用挖裝機(jī)單邊轉(zhuǎn)向作業(yè)進(jìn)行了仿真分析。筆者在上述研究基礎(chǔ)上，采用多軟件協(xié)同仿真技術(shù)，構(gòu)建了掘錨機(jī)行駛動(dòng)力學(xué)模型，分析了掘錨機(jī)工作過(guò)程中履帶與底板間的接地壓力變化情況，研究結(jié)果為掘錨機(jī)工作參數(shù)和履帶結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 DEM-MBD 耦合空間模型

1.1 掘錨機(jī)動(dòng)力學(xué)模型

以山特維克 MB670 型掘錨機(jī)為研究對(duì)象。該掘錨機(jī)采用滑架式掏槽，在機(jī)身不動(dòng)的情況下掏槽深度最大可達(dá) 1 m，實(shí)現(xiàn)了掘、支平行作業(yè)，頂、幫錨桿及錨索支護(hù)全部一次到位，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 履帶式掘錨機(jī)模型Fig.1 Model of tracked bolt miner

1.2 底板顆粒床模型

該型號(hào)掘錨機(jī)適用于平直巷道的掘進(jìn)，因此主要針對(duì)水平煤質(zhì)底板作動(dòng)態(tài)仿真分析。結(jié)合煤層地質(zhì)調(diào)查結(jié)果[5]，在 EDEM 中設(shè)置顆粒床填充底板參數(shù)，如表 1、2 所列。

表1 材料物理及力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of material

2 掘錨機(jī)耦合參數(shù)設(shè)置

2.1 履帶運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置

為模擬掘錨機(jī)前進(jìn)動(dòng)作，設(shè)置鏈輪角速度驅(qū)動(dòng)函數(shù)為 s tep (t ime，0，0，1.5，1.194 3)，即初始時(shí)刻角速度為 0，1.5 s 后鏈輪的角速度增加到 1.194 3 rad/s，換算成履帶線速度為 0.25 m/s，即掘錨機(jī)最大運(yùn)行速度。履帶動(dòng)力學(xué)模型如圖 2 所示。

圖2 履帶動(dòng)力學(xué)模型Fig.2 Dynamic model of track

表2 材料間接觸參數(shù)Tab.2 Material contact parameters

2.2 黏結(jié)參數(shù)設(shè)置

為模擬底板煤巖之間的黏結(jié)狀態(tài)，需要在 EDEM前處理階段選擇 Hertz-Mindlin with bonding 模型，該模型可使煤巖黏結(jié)體承受一定的法向力、切向力和力矩。只有當(dāng)黏結(jié)體受到的外力超過(guò)黏結(jié)鍵強(qiáng)度時(shí)，煤巖顆粒才能恢復(fù)自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。底板黏結(jié)參數(shù)如表 3所列。

表3 顆粒黏結(jié)參數(shù)Tab.3 Grain bonding parameters

3 仿真結(jié)果分析

3.1 底板受力變形

底板應(yīng)力分布如圖 3 所示。由圖 3 可知，底板應(yīng)力在履帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并不是均勻分布的。其中，縱向方面，應(yīng)力在履帶前端和中后位置下方較大，這是由于底板首次接觸履帶時(shí)受力變形，此時(shí)變形量最大，因此前端處底板應(yīng)力較大，且向前進(jìn)方向延伸；橫向方面，應(yīng)力大小隨深度逐漸降低，且向履帶兩側(cè)擴(kuò)散，遠(yuǎn)離履帶對(duì)稱平面的應(yīng)力越小。

圖3 底板應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution of bottom plate

根據(jù)底板變形特點(diǎn)可將底板破壞分為 3 類。當(dāng)履帶下方底板發(fā)生較大壓縮變形，車輛無(wú)明顯滑動(dòng)，履帶接地周圍土體無(wú)明顯堆土?xí)r的破壞稱為沖剪破壞；當(dāng)?shù)装迤扑?，履帶兩?cè)產(chǎn)生裙帶現(xiàn)象，觸土位置產(chǎn)生明顯壅土?xí)r，此時(shí)底板發(fā)生整體剪切破壞；若履帶作用導(dǎo)致底板內(nèi)部產(chǎn)生破壞，底板內(nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致表面有隆起現(xiàn)象，此時(shí)巷道底板發(fā)生局部剪切破壞。局部剪切破壞程度介于沖剪破壞和整體剪切破壞之間，如圖 3 所示。觀察底板變形情況可以看出，底板部分表面隆起高度最高為 10 mm，履帶下的底板在履帶擠壓下沉陷，最大沉陷深度約為 20 mm。

3.2 履帶接地壓力

從上述分析可知，履帶接地壓力并不是均勻分布的。為獲得行走時(shí)不同位置履帶的壓力值范圍，可由監(jiān)測(cè)同一履帶板運(yùn)動(dòng)到不同位置處的壓力大小實(shí)現(xiàn)。選取圖 4 中 4 個(gè)不同位置處的履帶板為分析對(duì)象，其中 48、49 號(hào)履帶板在仿真時(shí)依次經(jīng)過(guò) 1～ 8 號(hào)承重輪，31、32 號(hào)履帶板經(jīng)過(guò) 9～ 16 號(hào)承重輪。

圖4 檢測(cè)位置示意Fig.4 Sketch of testing positions

圖5 所示為履帶板在不同接地位置處的壓力曲線，結(jié)合履帶運(yùn)動(dòng)過(guò)程，接地履帶板在繞轉(zhuǎn)到 1 號(hào)承重輪下方時(shí)，壓力由 0 迅速增加至 20 kN，如圖 5(a)中 0～ 2 s 間曲線變化所示。之后，履帶板離開 1 號(hào)承重輪，履帶垂直壓力降低，并在到達(dá) 2 號(hào)承重輪時(shí)再度升高，之后履帶板壓力值呈波浪狀循環(huán)往復(fù)，直到離開最后一個(gè)承重輪后壓力再次降為 0，如圖 5(b) 所示。圖 5(b) 中初始時(shí)刻壓力波動(dòng)是由掘錨機(jī)下落撞擊底板時(shí)的振動(dòng)造成的，故壓力數(shù)據(jù)應(yīng)在穩(wěn)定后讀取。根據(jù)圖 5 壓力峰值可知，履帶接地壓力整體呈現(xiàn)中間高兩頭低的特點(diǎn)，履帶最大接地壓力為 27 kN，但由于 1 號(hào)承重輪的壓土作用，該位置履帶板接地壓力較大，壓力值接近 20 kN。2 號(hào)和 16 號(hào)承重輪下方履帶板受壓最小，底板應(yīng)力也最低，接地壓力約為 10 kN。

圖5 履帶接地壓力Fig.5 Grounding pressure of track

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立山特維克 MB670 型履帶式掘錨機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，分析了掘錨機(jī)平地運(yùn)動(dòng)時(shí)的底板應(yīng)力分布、底板變形和履帶對(duì)地壓力特點(diǎn)。通過(guò)分析，得出掘錨機(jī)行走時(shí)底板壓力呈不均勻性分布，底板在履帶反復(fù)擠壓下發(fā)生局部剪切破壞，其中，履帶前方發(fā)生隆起，履帶下方產(chǎn)生沉陷。受承重輪分布影響，掘錨機(jī)對(duì)地壓力呈現(xiàn)多峰值非均勻性分布，具體表現(xiàn)為承重輪下方履帶板接地壓力大，承重輪間履帶板接地壓力小，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中山特維克 MB670 型掘錨機(jī)最大接地壓力為 27 kN。