案例分享 | 用 Adams—EDEM 集成仿真法优化采煤机的滚筒设计

螺旋滚筒在煤炭采掘机中的优化设计与性能仿真研究报告


摘要

煤炭采掘机中的螺旋滚筒作为其核心工作机构，直接影响着设备的整体性能与效率。本研究聚焦于螺旋滚筒在复杂煤层条件下的优化设计，目的在于提升装备在非线性、强耦合冲击载荷下的可靠性，以及大幅提高采煤机的运行效率和安全性。本研究通过结合计算辅助工程（CAE）模型与离散元仿真分析软件（EDM）的刚柔耦合，以及改进的粒子群优化算法，对螺旋滚筒及其对采煤机性能的影响进行了深入分析与优化设计。

1. 引言

螺旋滚筒作为煤炭采掘机械的关键组件，其结构与参数设计将直接影响煤炭的高效破煤、运煤效能，以及整机的可靠性。本研究旨在通过仿真分析与优化，解决在复杂煤层条件下螺旋滚筒面临的非线性和强耦合冲击载荷问题，提升其整体性能。

2. 设计与仿真模型




2.1 螺旋滚筒的刚柔耦合建模

采煤机在真实工作环境中，前滚筒相对于后滚筒承受更大的负载，因此，本研究将前截割截面作为优化的主要区域。基于契诃夫的破煤理论及项目特定的载荷仿真程序，螺旋滚筒的截深设置为800 mm，滚筒的转速设定为58 r/min，牵引速度设定为10 m/min。

2.2 仿真与验证

研究团队使用Pro/Engineer（Creo）建立采煤机的三维模型，并导入至全球领先的多体动力学软件MSC Adams进行仿真分析。螺旋滚筒及行星架作为柔件体被替换进 Adams 模型中的相应刚体结构，并添加约束条件、接触点及虚拟样机驱动力。图3展示了经刚柔结合后采煤机的虚拟样机模型。

3. 仿真结果与分析


3.1 应力分布与安全系数评估

应力分布：仿真结果显示，螺旋滚筒的最大应力值为 779.946 MPa，计算得出的安全系数为 1.635。最大应力点位于第12条剖面线的第24个齿上。

行星架性能：行星架的最大应力值为 347.17 MPa，安全系数为 1.872，最大应力点位于行星轴的孔洞处。

3.2 采煤性能评估

通过EDEM软件预测采煤机的煤炭装载性能，并采用赫兹迈耶接触模型进行仿真。设置所需的材料参数与滚筒与煤面之间的接触参数。根据滚筒样品与模型的开采情况，形成了图9所示的煤炭颗粒设备模型。导入CAD模型后（图10），采煤机与煤块的集成模型被创建。

装煤率评估：

仿真表明，在正常操作条件下，成功装载的煤炭颗粒数为9,476个，未成功装载的煤炭颗粒数为5,964个，装载成功率为61.37%。实际使用MG400/951WD采煤机的实物试验结果中，装载率超过60%。

4. 设计优化

通过改进螺旋滚筒的稳健设计，研究团队对其模式进行了优化设计，进行了新的螺旋滚筒模式中性文件的计算，并将其导入至MSC Adams进行分析。结果表明，优化后螺旋滚筒的最大应力为735.841 MPa，较原设计降低了5.65%；行星架应力则降低4.34%。优化设计的核心在于减少截煤阻力，有效降低了关键组件的负载。

5. 结论与展望