一种滚筒式采煤机截割部滚筒载荷谱提取方法技术领域
本发明涉及采煤设备技术领域，具体是一种滚筒式采煤机截割部滚筒载荷谱提取
方法。
背景技术
随着工业科学技术的飞速发展，煤矿机械也得到了迅速的发展，尤其是综合机械
化采煤。而在综采工作面中，滚筒采煤机已经成为最重要的机械设备。在整个采煤机功率消
耗中，最主要的是截割部和牵引部，其中又以滚筒的消耗最多。此外，滚筒的受力情况是整
个采煤机正常工作的一个非常重要的指标，其工作状态是否正常将直接影响采煤机的使用
寿命、生产率和能耗。因此，对滚筒的载荷谱进行研究是十分必要的。
作为采煤机与煤岩直接接触的零部件之一，滚筒受到随机载荷的作用，而造成载
荷波动的影响因素很多，采煤机外部情况的影响因素有：节理发育情况、截割工况、截割工
艺、煤岩硬度等；采煤机内部影响因素有：截齿类型、截齿配置分布、滚筒几何尺寸等。目前，
在滚筒载荷研究与生产方面，大多数都是靠经验设计和理论指导，甚至一些采煤机的设计
就是各个部件成比例增加，这是很不科学的。
目前，在煤矿机械方面国内始终与国外的采煤机设计和生产商存在一定的差距，
且国内对于采煤机载荷谱的研究尚不深入，主要集中在煤科院上海分院、中国矿业大学、辽
宁工程技术大学、枣庄煤业集团公司、三一重型装备有限公司等。主要原因是采煤机载荷谱
在井下测量条件有限，存在安全问题，且井下环境复杂，信号成分多，干扰较大。
我国乃至世界的采煤机载荷谱获取主要是通过以下三种方式：经验计算、计算机
模拟、实测。对于这三种方法来说：载荷谱的经验计算广泛用于现在的设计，但存在的问题
较多；载荷谱的计算机模拟在很大程度上可以解决工程的部分实际问题，而且避免了实测
的安全问题和信号干扰问题，但是模拟效果距离真实工况还存在一定的差距；载荷谱的实
测不仅存在安全问题和信号干扰问题，且经济代价较大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种滚筒式采煤机截割部滚筒载荷谱提取
方法。
本发明的技术方案是：
一种滚筒式采煤机截割部滚筒载荷谱提取方法，包括：
获取煤岩岩石样本的煤岩赋存条件；
对煤机截割部滚筒的单个截齿的受力情况进行测试，得到单个截齿平均载荷模
型；
将单个截齿平均载荷模型随机化，建立单个截齿截割载荷随机理论模型；
根据单个截齿截割载荷随机理论模型，将单个截齿的三向截割力进行叠加得到滚
筒式采煤机截割部滚筒载荷谱模型；
根据采煤机滚筒载荷谱模型对滚筒各零部件进行瞬态响应分析，获取滚筒各零部
件各处的载荷谱。
所述煤岩赋存条件包括煤层的单轴瞬时抗压强度、平均截割阻抗、脆性系数以及
外露自由表面影响系数。
所述单个截齿平均载荷模型包括：单个截齿截割煤岩时的平均截割阻力模型、单
个截齿截割煤岩时所受的平均牵引阻力模型、单个截齿截割煤岩时所受的平均侧向力模
型。
所述对滚筒各零部件进行瞬态响应分析的方法如下：
对滚筒式采煤机截割部滚筒的3D模型进行网格划分，得到滚筒的有限元模型；
对滚筒进行瞬态响应分析：将各个截齿上的三向截割力施加在有限元模型中截齿
的齿尖处，约束滚筒与采煤机截割部行星架连接的法兰面，采用完全法对整个滚筒进行瞬
态响应分析，通过求解得到各个时刻滚筒上各零部件的应力云图；
根据瞬态响应分析结果提取滚筒上各点的应力随时间变化的曲线，并通过快速傅
里叶变换得到各点应力的频域变化曲线。
有益效果：
本发明根据单齿截割试验台的实验结果及其在LSDYNA中的仿真结果，确定了单个
截齿平均载荷模型中的煤层赋存条件系数，能更好的模拟单个截齿的平均载荷；根据单个
截齿的平均载荷模型，将单个截齿的截割载荷均值模型随机化，且随机化后的结果与实验
结果对比效果良好，与截齿截割煤岩过程中的真实载荷更为逼近；
将单个截齿的随机载荷模型叠加后可得到滚筒质心处的随机三向力和三向力矩，
可为后续采煤机截割部传动系统的计算、分析、优化设计等提供载荷输入依据；
通过对滚筒进行瞬态响应分析，可获取滚筒零部件上各处的应力随时间和频率
(快速傅里叶变换后)变化的曲线，即滚筒的载荷谱，这对于滚筒本身的设计和使用都具有
理论性指导意义。
附图说明
图1是螺旋滚筒示意图，1-筒毂，2-端盘，3-螺旋叶片，4-齿座，5-截齿；
图2是本发明具体实施方式采用的单齿截割试验台示意图，6-截齿合金头，7-z轴
力传感器，8-截割深度调整机构，9-设备支柱，10-岩石及夹具，11-往复平台，12-底座；
图3是本发明具体实施方式的计算结果与单齿截割试验台的试验结果对比；
图4是本发明具体实施方式的截割载荷随截割深度变化曲线与试验结果对比；
图5是本发明具体实施方式LSDYNA模块截齿截割煤岩时应力云图；
图6是本发明具体实施方式傅里叶级数法拟合单齿截割试验台的随机截割载荷
谱；
图7是本发明具体实施方式瑞利分布模拟单齿截割试验台的随机载荷谱；
图8是本发明具体实施方式时域Gamma分布模拟单齿截割试验台的随机载荷谱；
图9是本发明具体实施方式频域Gamma分布模拟单齿截割试验台的随机载荷谱；
图10是本发明具体实施方式截割滚筒受力简图；
图11是本发明具体实施方式前滚筒三向随机力；
图12是本发明具体实施方式前滚筒三向随机力矩；
图13是本发明具体实施方式截齿截割阻力载荷计算值与实验值随时间变化对比
情况，(a)是截割阻力载荷计算值随时间变化曲线，(b)是实验值随时间变化曲线；
图14是本发明具体实施方式截齿侧向力载荷计算值与实验值随时间变化对比情
况，(a)是截齿侧向力载荷计算值随时间变化曲线，(b)是实验值随时间变化曲线；
图15是本发明具体实施方式截齿力矩计算值与实验值随时间变化情况比较，(a)
是截齿力矩计算值随时间变化曲线，(b)是实验值随时间变化曲线；
图16是本发明具体实施方式截齿排布图；
图17是本发明具体实施方式螺旋滚筒有限元模型；
图18是本发明具体实施方式螺旋滚筒加载示意图；
图19是本发明具体实施方式螺旋滚筒关键节点位置示意图；
图20是本发明具体实施方式各关键节点处应力随时间变化曲线，(a)节点3318应
力变化曲线，(b)节点3322应力变化曲线，(c)节点3504应力变化曲线，(d)节点51906应力变
化曲线，(e)节点54996应力变化曲线，(f)节点51699应力变化曲线，(g)节点51743应力变化
曲线，(h)节点9189应力变化曲线，(i)节点9280应力变化曲线，(j)节点5814应力变化曲线；
图21是本发明具体实施方式节点3318应力随频率变化曲线；
图22是本发明具体实施方式0.03s时螺旋滚筒应力云图；
图23是本发明具体实施方式0.03s时端盘应力云图；
图24是本发明具体实施方式0.03s时叶片应力云图；
图25是本发明具体实施方式0.03s时齿座应力云图；
图26是本发明具体实施方式0.03s时截齿应力云图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
一种滚筒式采煤机截割部滚筒载荷谱提取方法，包括：
步骤1、根据实际煤岩工况获取煤岩岩石样本的煤岩赋存条件；煤岩赋存条件包括
煤层的单轴瞬时抗压强度、平均截割阻抗、脆性系数以及外露自由表面影响系数。
步骤2、对煤机截割部滚筒的单个截齿的受力情况进行测试，得到单个截齿平均载
荷模型；单个截齿平均载荷模型包括：单个截齿截割煤岩时的平均截割阻力模型、单个截齿
截割煤岩时所受的平均牵引阻力模型、单个截齿截割煤岩时所受的平均侧向力模型；
滚筒式采煤机工作过程中，由截割部电机通过截割部传动系统带动螺旋滚筒转
动，随着螺旋滚筒的转动，滚筒上的截齿开始截割煤岩。而螺旋滚筒作为滚筒式采煤机截割
煤岩过程中直接作用于煤岩的部件，其结构如图1所示。螺旋滚筒主要由筒毂1、端盘2、螺旋
叶片3、齿座4和截齿5五部分组成。要提取采煤机截割煤岩时滚筒处的载荷谱，首先要对单
个截齿截割煤岩过程受力情况进行分析，得到单个截齿平均载荷模型；单个截齿平均载荷
模型包括：单个截齿截割煤岩时的平均截割阻力模型、单个截齿截割煤岩时所受的平均牵
引阻力模型、单个截齿截割煤岩时所受的平均侧向力模型。
(1)单个截齿截割煤岩时的平均截割阻力模型：
式中：为单个截齿截割煤岩时的平均截割阻力，f′为抗截割阻力系数值，取值范
围是0.38～0.42(截割厚度越大，抗截割阻力系数值取值越大)
为煤层非压酥区的平均截割阻抗，N/mm；
bp为截齿工作部分宽度，bp＝d/2，d为截齿直径，对于标准截齿，bp＝2cm；其他截
齿，bp＝1～3cm；
hi为截割厚度；
为脆性系数，脆性取1，粘性取0.85；
ti为在所建立截割制度条件下的截割宽度；
当hi≥1cm时，ti＝(1.25hi+bp+1.25)KW；
当hi＜1cm时，ti＝(7.35hi/(hi+1.3)+0.4hi+bp-1)KW；
KW为考虑煤炭脆性程度影响的系数，
韧性煤B＜2.1，脆性煤2.1＜B＜3.5，极脆性煤B＞3.5。
kz为外露自由表面影响系数，当截齿工作宽度bp＝10～15mm，截线距由20mm增加到
35mm时，kz由0.68减小到0.52；当bp＝20～30mm时，kz由0.74减小到0.58；
kφ为截齿前刃面形状影响系数，前刃面为平面时，kφ＝1；前刃面为椭圆时，kφ＝
0.9～0.95；镐形齿kφ取0.85～0.9；
表1截割角对单位耗能影响系数ky
kc为截齿排列方式的影响系数，顺序式排列取1，棋盘式(交叉排列)时取1.25或
1.2；
koT为矿压影响系数，取0.7；
β为截齿相对于牵引方向的安装角度；
Sα为单个截齿磨钝面积，即截齿磨钝表面在截割平面上的投影，镐形齿磨钝面积
取15～20mm2；
k0o为应力状态容量系数，它等于平均接触应力与煤炭单向瞬时抗压强度的比值，
按实验得k0o的取值为0.8～1.5，小值适用于脆性程度大的煤炭，也可按下列公式确定：
k0o＝0.8+[(0.25～0.35)/Sα] (2)
RcΨ为煤层的单轴瞬时抗压强度。
ky为截割角对单位能耗的影响系数，取值见表1。
(2)单个截齿截割煤岩时所受的平均牵引阻力模型：
式中，Y为单个截齿截割煤岩时所受的平均牵引阻力，Kq为作用在锋利截齿上的牵
引阻力与截割阻力的比值。对滚筒式采煤机来说一般取0.5～0.7；切削厚度大，煤的脆性程
度高时取较小的值。
(3)单个截齿截割煤岩时所受的平均侧向力模型：
截齿在截割过程中由于受截割断面形状、刀具形状及被破碎材料的均匀性等影
响，作用在截齿两侧的力存在差值，该值记为截齿的平均侧向力，它与煤体性质、切削方式、
截齿的几何形状和磨钝程度有关，可以表示为截割阻力、截割厚度和截割宽度的函数：
截齿顺序式排列时，单个截齿截割煤岩时所受的平均侧向力模型是：
截齿棋盘式排列时，单个截齿截割煤岩时所受的平均侧向力模型是：
本实施方式中单个截齿平均载荷模型内各系数取值见表1：
表1单个截齿平均载荷模型内各系数取值
为了验证本发明提出的单个截齿平均载荷模型的正确性，将公式(1)的计算结果
与如图2所示的单齿截割试验台的试验结果进行对比。对比结果如图3所示，两者的相对误
差如表2所示。结果表明，本发明提出的单个截齿平均载荷模型与试验结果相比最大相对误
差为8.32％，在允许范围内，单个截齿平均载荷模型具有一定的可信度。
由公式(1)～(5)可知，随着截割深度的增加，单齿截割力是逐渐增大的。当截割深
度变化时，单个截齿平均载荷模型的计算结果与单齿截割试验台的试验结果对比如图4所
示，可见本发明提供的单个截齿平均载荷模型与试验结果吻合较好。
表2理论模型与试验结果相对误差
如图2所示的单齿截割试验台是一种小尺寸单齿实验装置，整个实验装置坐落于
底座12上，截齿合金头6与截割深度调整机构8固定在设备支柱9上。实验过程中，将岩石及
夹具10固定在往复平台11上，通过截割深度调整机构8调整好截割深度后，往复平台11带动
岩石开始往复运动，从而达到截齿截割岩石的效果，截割过程中截齿的截割阻力通过z轴传
感器7测试，传送给采集装置。
为进一步对单个截齿平均载荷模型进行验证，对本发明的单个截齿平均载荷模型
进行LSDYNA显式动力学仿真验证，LSDYNA模块截齿截割煤岩时应力云图如图5所示。
表3理论模型与仿真结果均值相对误差
在仿真过程中可以提取出截齿的截割阻力和牵引阻力，与本发明提出的均值载荷
模型计算值进行对比的相对误差如表3所示，最大相对误差为8.15％，在允许范围内。该仿
真过程进一步验证了式(1)～(4)的截割载荷均值模型的正确性。
步骤3、将单个截齿平均载荷模型随机化，建立单个截齿截割载荷随机理论模型；
实际井下开采过程中通常会由于煤岩矿压而导致截割载荷的随机突变性，考虑截
煤过程中各煤块单元连续随机的崩落，以及硬质包裹体和夹石层在煤层中随机分布导致截
割阻力的变化，在单个截齿平均载荷模型的基础上，将载荷的随机突变过程视作随机过程，
分别用时域Gamma分布、频域Gamma分布、瑞利分布、傅里叶级数四种方法进行载荷谱模拟，
均能得到截割过程及煤岩层随机的随机载荷谱。
1.傅里叶级数：
拟合公式：
式中，Z为单个截齿随机截割阻力；
各系数取值为时，可
得到单齿实验台的截割载荷波动模型即单齿截割实验台的随机载荷谱，如图6所示。
2.瑞利分布：
假设单个截齿的平均载荷与随机载荷的均值相等，在均值一定的情况下，可以通
过特定的分布确定单个截齿的随机载荷值。单个截齿的截割阻力与牵引阻力密切相关，互
相关系数rzy＝0.67～0.85；截割阻力和侧向力相关系数rzx＝0.078～0.271，可见它们不相
关。这里采用单参数的瑞利分布来模拟单个截齿截割的随机载荷。
瑞利随机过程可用两个同样的独立正态随机过程来决定，随机系数k的表达式为：
式中，ξ1(t)，ξ2(t)为均值为0、标准差为1的两个独立的标准正态随机过程。
根据叠加原理，可确定单个截齿截割煤岩时的随机截割阻力模型为
Z[n]＝(σzkz[n]+Zav)/cosθ (7)
式中：n为截齿载荷的模拟点数，n＝1，2，3，…；
σz为瑞利分布下截割阻力的均方差；
θ为截齿安装轴线与截割回转平面的夹角，(°)；
kz[n]为截割阻力随机系数；
η1[n]，η2[n]为均值为0，标准差为1的独
立正态随机数序列，ρ1[n]为(0，1)区间上均匀分布随机数序列。
单个截齿截割煤岩时的随机牵引阻力模型为
Y[n]＝(σyky[n]+Yav)/cosθ (8)
式中：σy为Gamma分布下截割阻力的均方差，σy＝0.23Yav-400；ky[n]为牵引阻力随
机系数，η3[n]为均值为0、标准差为1的独立正态随机数序列。
单个截齿截割煤岩时的随机侧向力模型为
X[n]＝(σxkx[n]+Xav)/cosθ (9)
式中：σx为正态分布下侧向力的均方差，σx＝0.5Xav；kx[n]为侧向力随机系数，
η4[n]为均值为0、标准差为1的独立正态随
机数序列；ρ2[n]为(0，1)区间上均匀分布随机数序列。
通过采用单参数瑞利分布近似Gamma分布的方法模拟单齿截割试验台的随机载荷
谱如图7所示。
3.时域Gamma分布：
研究结果表明，单个截齿上的截割阻力和牵引阻力一般服从Gamma分布，作用于截
齿上的侧向力服从正态分布。建立单个截齿截割煤岩时的随机截割阻力模型：
Z＝Zav+Acos(Φ) (10)
式中，Zav为截割力的均值，Φ为服从Gamma分布的随机变量，A为截割力波动幅值。
用该模型计算的截割力与试验结果对比如图8所示。
4.频域Gamma分布：
采用频域伽马分布随机数学模型，在频域上将单个截齿上的截割阻力随机化，建
立截割阻力的随机数学模型：
Z(ω)＝Zav(ω)+Acos(Φ) (11)
式中，Zav为截割力的均值，Φ为服从Gamma分布的随机变量，A为截割力波动幅值。
用该模型计算的截割力与试验结果对比如图9所示。
步骤4、根据单个截齿截割载荷随机理论模型，将单个截齿的三向截割力进行叠加
得到滚筒式采煤机截割部滚筒载荷谱模型；
通过式(1)～(11)可以得到单个截齿截割煤岩时的三向力(如图10所示)：
Rzi＝±Xi (14)
式中，ω为滚筒的角速度，为在t时刻，第i个截线上的工作截齿在滚筒圆周方向
的角度；当截齿为顺序排列时，第i个截齿位于叶片上时，Rzi为负，位于端盘上时，Rzi为正。
有了单个截齿的随机载荷，截割滚筒的随机载荷就可由单齿的随机载荷叠加得
到。截割滚筒受力示意图如图10所示。以螺旋滚筒为例，第i个截齿所受到的截割阻力、牵引
阻力和侧向力分别为Zi、Yi、Xi，而Rx、Ry、Rz分别表示滚筒所有参加截割的截齿受力沿x、y、z
坐标轴的分力之和即滚筒的三向随机力：
在t时刻，滚筒受到的随机三向力矩为：
式中，Li为滚筒截线到滚筒质心的距离；D为滚筒直径；为第i个截齿的作用点到
滚筒轴心连线与水平面的夹角。
(15)～(20)即采煤机滚筒载荷谱模型。
本实施方式采用综采工作面实验系统：由国家能源煤矿采掘机械装备研发实验中
心提供，包括MG500/1180型采煤机、SGZ1000/1050型刮板输送机和液压支架的全套测试装
备的实验平台，可以对滚筒上截齿受力以及与滚筒相连的传动轴的扭矩进行测量。通过式
(15)～(20)计算的随机三向力和随机三向力矩如图11～12所示。
此外，通过式(1)～(14)计算的单个截齿截割三向力与实验结果对比见图13～15
所示，计算结果有较好一致性，进一步验证了本发明提供的采煤机截割载荷谱模型的可行
性。
步骤5、根据采煤机滚筒载荷谱模型对滚筒各零部件进行瞬态响应分析，获取滚筒
各零部件各处的载荷谱。
为提取螺旋滚筒上各零部件的载荷谱，需要对螺旋滚筒进行瞬态响应分析，螺旋
滚筒的设计参数如表4所示，螺旋滚筒上的截齿排布如图16所示。
表4螺旋滚筒设计参数
对滚筒各零部件进行瞬态响应分析的方法如下：
步骤5-1、对滚筒式采煤机截割部滚筒的3D模型进行网格划分，得到滚筒的有限元
模型；
在solidworks软件中绘制螺旋滚筒的3D模型，将该3D模型上的螺栓孔进行简化后
导入到ANSYS有限元分析软件中，并采用Solid185实体单元进行网格划分，得到滚筒的有限
元模型如图17所示，有限元模型共有100951个节点，430549个单元。
步骤5-2、对滚筒进行瞬态响应分析：将各个截齿上的三向截割力施加在有限元模
型中截齿的齿尖处，约束滚筒与采煤机截割部行星架连接的法兰面，采用完全法对整个滚
筒进行瞬态响应分析，通过求解得到各个时刻滚筒上各零部件的应力云图；
当滚筒工作转速为46r/min，牵引速度为3.5m/min时，根据式(1)～(10)可以计算
出滚筒上各截齿的三向力。将各个截齿上的三向力施加在有限元模型中截齿的齿尖处，约
束滚筒与采煤机截割部行星架连接的法兰面(如图18所示)，采用完全法对整个滚筒进行瞬
态响应分析，得到螺旋滚筒(如图22所示)、端盘(如图23所示)、叶片(如图24所示)、齿座(如
图25所示)、截齿(如图26所示)的应力云图。
对于螺旋滚筒受力最大的部位为截齿，而由于分析过程中对截齿齿尖加载了集中
力载荷，所以齿尖处的应力结果较大，故截齿的应力结果应以LSDYNA的仿真结果为主。而对
于螺旋滚筒的其他零部件，齿座、端盘与齿座连接处、叶片与齿座连接处以及端盘上的大孔
边缘为受力较大的薄弱部位。对于上述薄弱部位选取关键节点如图19所示，从瞬态响应分
析结果中，可以提取各节点的应力随时间变化的曲线如图20所示。
步骤5-3、根据瞬态响应分析结果提取滚筒上各点的应力随时间变化的曲线，并通
过快速傅里叶变换得到各点应力的频域变化曲线。由图20(a)～(j)可知，端盘上节点3318
(截齿与端盘连接处)的应力最大，对该节点的应力时程曲线进行快速傅里叶变换，得到该
节点处应力的频域变化曲线如图21所示。