刮板输送机的优化设计.pdf

第 2 8卷第 1 0 期 2 0 0 7年 1 0月煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 J ． 2 8 No ． 1 0 Oc t ． 2 0O7 刮板输送机的优化设计王琳靖远煤业有限公司科研设计院，甘肃白银 7 3 0 9 1 3 摘要针对刮板输送机设计参数诸多的不确定性，传统设计难以满足实际要求的现状，从产品设计方法角度，以电机功率最小和运输性能最佳为目标，建立优化数学模型，利用网格法对刮板输送机进行优化设计，对于改善煤矿设备的使用性能，减少设备维护量，提高设计效率具有重要意义。关键词刮板输送机；改进；优化设计中图分类号T D 6 3 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 7 1 0 ． 0 0 1 9 ． 0 3 Op t i m a z e s De s i g n o f S c r a p e r Co n v e y o r 、 l ANG Li n J i n g y u a n C o a l I n d u s t r y G r o u p C o ．， L t d ．， D e s i g n i n g I n s t i t u t e ，B a i y i n 7 3 0 9 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t A i m a t s c r a p e r c o n v e y o r t o t r a n s p o r t t h e p a r a me t e r ma n y i n d e t e r mi n a t i o n s o f t h e ma c h i n e d e s i g n，the t r a d i t i o n d e s i gn h a r d s a t i s f y t h e p r e s e n t c o n d i t i o n o f a c t u a l r e q u e s t ，f r o m t h e ma c h i n e d e s i gn me tho d，w i th s c r a p e r c o n v e y o r t o t r a n s p o r t t h e ma c h i n e e l e c t r i c al e n g i n e e ri n g p o w e r mi n i mu m and c o n v e y anc e the f u n c t i o n i s t h e b e s t f o r t a r g e t ，b u i l d u p e x c e l l e n t t u r n ma t h e ma t i c s mode l ，ma k e u s e o f t h e m e s h me thod t o s c r a p e r c o n v ． e y o r t o t r a n s p o r t t h e ma c h i n e t o c a r r y o n e x c e l l e n t t u rn t h e d e s i gn ．Ea s y t o l y i n t i me，rai s e t o d e s i gn e f fic i e n c y t o h a v e t h e v e r y i mp o r t an t me an i n g． Ke y wo r d s s c rap e r c o n v e y o r ；t e c h n i q u e i mp r o v e me n t ；o p t i mi z e s d e s i gn 0 前言 0 p 4 4 4 5 腕部的结构设计 1 设计要求手腕部件设置于抓手和小臂之间，它的作用主要是在小臂运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的姿态，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。腕部件具有独立的自由度。手腕运动有绕轴的转动称为回转运动，绕 Y轴的转动称为上下摆动或俯仰；绕轴转动称为左右摆动；有的甚至是沿 Y轴或轴的横向移动。一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求，一些动作较简单的专用机械手，为简化结构，可以不设置腕部，而直接由臂部的运动驱使手部搬运工件。 2 结构设计根据上述手腕运动分析和工作要求，腕部设计成 3个自由度动作的结构见图 2 ，由3个回转关节组合而成，组合方式采用 2台步进电机驱动， 1台步进电机 D J 1 通过同步齿形带轮带动一对圆锥齿轮实现手转运动；另 1台步进电机 D J 2通过另一对同步齿形带轮带动腕摆框实现腕摆运动，步进电机 D ．I 3 实现小臂的转动。其中，当腕摆框摆动而手转电动机不转时，联接手部的锥齿轮将会产生一个附加的刮板输送机常由于产品设计参数确定不当或设手转运动，需要在控制上加以修正。 6结语总体设计完成以后，分别对机身、大臂、小臂及腕部等 4个部件 6 个关节进行了结构设计。由机身完成机械手的转动要求，由肩关节完成大臂的摆动要求，由肘关节完成小臂的摆动要求，小臂及腕部组成一个有机的整体，小臂的臂壳是材料为 1 6 Mn的矩形截面的整体式方形管，以足够的强度和刚度承受机械手抓件时的动静载荷，臂壳内装置有 3台步进电机，实现臂转、腕摆及手转的 3个自由度的运动。其中腕部的结构设计是本机械手设计难点，也是攻关的重点，更是亮点。参考文献 [ 1 ] 龚振帮．机器人机械设计 [ M] ．北京电子工业出版社， 1 9 9 5 ． [ 2 ] 周伯英．工业机器人 [ M] ．北京机械工业出版社， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 朱春波．气动关节型机械手 [ J ] ．液压气动与密封，1 9 9 9 ，7 8 6 2 12 4． [ 4 ] 蔡自兴．机器人学 [ M] ．北京清华大学出版社， 2 O 0 O ． [ 5 ] 王天然．机器人[ M] ．北京化学工、 l 出版社．2 0 0 2 ．作者简介周惠明 1 9 5 6 一，江苏宜兴人，高级工程师，研究方向机械设计与制造、化工机械设计，主持开发的化工部九五攻关项目“ 工程塑料离心泵” 获化工部科技进步二等奖、无锡市科技进步二等奖，电话 0 5 1 0 8 8 0 7 1 1 8 0 ，电子信箱 Z h m l 6 1 1 6 3 ． c o in ．一 1 9 一收稿日期 2 0 0 7 - 0 5 ． 2 8 维普资讯 V o 1 ． 2 8 N o ． 1 0 刮板输送机的优化设计王琳第 2 8卷第 l 0期备选型配套不合理而造成电机故障和刮板链故障。而对刮板输送机的结构和参数进行优化设计，能使设备的参数确定和选型配套更为合理。 1 刮板输送机主要参数设计输送机参数设计长度／ m 输送量／ t h 刮板链速度／ m S 中双链规格／ m m 圆环链破断负荷／ t 刮板链问距／ m 电动机型号转速／ r m i n 电压／ V 功率／ k W 1 输送能力 I 2 0 7 0 0 0． 9 3 2 2 6 9 2 ≥ 8 5 1 ． 1 0 4 YS B一 1 6 0 l 4 7 5 1 1 4 0 ／ 6 6 0 2 1 6 0 Q3 6 0 0 F ／ v 7 0 2 ． 3 7 0 0 t ／ h 2 运行阻力计算水平铺设口0 。基本阻力 ①重巨殳 j 功 q w q o 1 8 5 劝 N ； ②空段运行阻力 Wk g 。 1 2 7 9 3 N 。附加阻力 ①转动阻力 W 0 ． 1 W k 1 9 8 2 9 ． 3 N； ②弯曲阻力 0 ． 1 Wz h Wk 1 9 8 2 9 ． 3 N； ③总运行阻力 W o W h Wk 2 3 7 9 5 2 N。 3 电动机功率的校核电动机等效功率 N a K √ j 舭 d 胛瓦 0 ． 6 1 ． 2 、压 _ 5 2 3 3 k W Wk ， 3点为最小张力点。S 4S 3Wz h 1 8 9 5 0 0 N， S I S 一0． 5 Wo7 0 5 2 4 N ④舌 IJ 板链强度验算动张力按最大静张力的 2 0 ％考虑。s ～ S 1 8 9 5 0 0 N，解得 S 一 1 5 7 9 1 7 N，对于双链，安全系 i 43 蛸合要求。 3 ． I I 二，图 1 刮板输送机计算图 5 紧链力计算刮板链张力的大小，直接关系到输送机能否正常工作。张力过大，则加剧链条与链轮的磨损，导致链条和链轮寿命降低；张力过小，则松链和跳链。寺 S l s 2 s 3 s 4 8 6 8 3 5 N T T o 0 g 9 9 6 2 8 N 6 链轮轴的校核电动机功率 P d 1 6 0 k W，转速凡 d 1 4 7 5 r ／ m i n ，传动比 i 3 9 ． 7 3 7 ，轴为 4 5 钢，查得口 8 0 0 M P a 。 7 校核许用切应力传动轴功率 PP 叩 l 4 4 k w 传动轴转速凡13 , d ／ i 3 7 ． 1 1 9 r ／ ra i n 轴的切应力 T 9． 5 5 1 0 6 P／ n 0． 2d 3 2 ． 7 6 3 MP a l r j 4 5 M P a 8 校核许用弯曲应力 T9 5 5 0 3 7 0 0 0 Nm ， T1 1 8 5 0 0 Nm 而 F ；则 F 2 T 1 l 2 3 3 0 0 N ／ 3 7 8 7 3 。 0 ． 5 7 73 7 o o o 一 5 4 ． 3 M P a E s ] 2 ． 5 ／ s 5 ； 2刮板输送机参数优化一 2 0 维普资讯第 2 8 卷第 1 0 期刮板输送机的优化设计王琳一一．墨． 1 1 优化设计数学模型见图 2 分析实际丁二程问题，建立予系统改进数学模型图 2 机械优化模型过程框图 2 目标函数电机容量 J『 v K丽 V t o “13 1 承载段 q l Vq 0 C O S 卢 qq o s i n卢 q l V q 0 2 回空段 q 0 t ．g I V c o s卢 T - s i n卢 q o 3 FB H B2 4 5 t a n ／ 2 4 大中型刮板输送机采用机头机尾分别驱动，由逐点计算法得 s S。 Wk S 一 S 贝 0 S l ～S 3 1 ． 1 z h 一0 ． 9 k ／ 2 这里以最常出现的第 1 种情况为例进行计算。主动链轮牵引力 S 2 S 3 1 ． 1 z h V ／ k ／ 2 ； S 4 S 3 z h 主动链轮牵引力 I V , o 2 [ S 2 一S 3 0 ． 0 4 S 2 S 4 ] I V , 0 0 ． 1 6 S 3 1 ． 1 4 z h 1 ． 1 4 k 8 输送机驱动功率 N K_aWr o u K 号 0 ． 16 s 1 ． 14 1 ．1 4 K v } 0 ． 1 6 S 3 1 ． 1 4 [ 1 O 0 0 B H B2 4 5 t a n ／ 2 q 0 j 1 ． 1 4 V ／ k } 3 设计变量可取输送机槽深，宽度，刮板链运行速度作为设计变量。令 X[ 。，， ] [ H， B， ] ，则目标函数可化为 F K { 0 ． 1 6 S 3 1 ． 1 4 [ 1 0 0 0 删 2 4 5 t a n ／ 2 q T W q 0 ] ￡ g 1 ． 1 4 K } K A3 } 0 ．1 6 S 3 1 ． 1 4 [ 1 0 0 0 x l 2 2 2 4 5 t a n ／ 2 q T g ／ q 0 ] ￡ g 1 ． 1 4 W } 4 约束条件 ①输送机槽深既要保证物料整体运移的高度，采煤机支架组合的高度，又不能使输送过程中物料抖落，需满足 H H ～，则 g l X H m i 一 l ， g 2 X l ②输送机槽宽必须满足最大宽度要求 0 ． 8 6 ≥B ≥d ～ 0 ． 2 ，亦有 g 3 d 。 0 ． 2 一X 2 ， g 4 2 0 ． 8 6 ③为运移平稳，避免冲击和振动，运移速度应限制在一。即 g 5 一 3 ， g 6 3 一 ④要保证运输量 QK 。 Q ，即 g X K l Q 一 3 6 0 0 a [ B H B2 4 5 t a n ／ 2 j 采用网格法对刮板输送机的主参数进行优化。 5 优化计算结果分析见表 1 表 1 计算结果 ①按传统设计法得到的方案与优化方案接近，可见，传统设计方案合理。 ②若要求运输量相同，最优值 1 6 1 ． 8 5 k W 比原始方案 1 9 0 ． 2 8 k W 下降了 1 4 ． 9 3 ％，选用标准电机功率为 2 1 6 0 k W，这对中型的刮板输送机来说，经济效益也是可观的。若采用了优化方案中各参数值，在其他条件不变的情况下，可提高同一设备的运输能力。 3结语本文采用基于网格理论的优化设计方法，对输送机进行了优化设计与分析，结果表明原设计方案的合理性。使其满足综采工作面要求，可靠地达到设计输送量，保证与相关设备配套适应性，避免了实际生产过程中设备不配套的问题。参考文献 [ 】 ] 程居【 f 』．矿山机械[ M] ．徐州中国矿业大学出版社， 2 0 0 2 ． [ 2 ] 蒋琴仙，等．产品可装配性设计方法和使用技术研究[ J ] ．成组技术与牛产现代化， 2 0 0 0 ． 3 7 5 03 2．作者简介王琳 1 9 7 3 一，女，河北唐山人，机械工程硕士，国家注册安全工程师，机械工程师， 1 9 9 5年毕业于福州大学机械设计及制造专业，主要研究方向机械设计及制造技术，发表学术论文 2篇，现在甘肃省靖远煤业有限公司科研设计院工作，电话 0 9 4 3 3 3 6 5 1 9 5 ，电子信箱 d k w a l i m n s 1 6 3 ． e o m．一 21 一收稿日期 2 0 0 7 0 6 2 5 维普资讯