截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律分析.pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 文章编号671-251X201808-0046-06 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018030002 截 割 头 载 荷 对 掘 进 机 机 身 徧 向 角 的 影 响 规 律 分 析 宗凯， 符世琛， 李一鸣， 张敏骏， 王鹏江， 王志龙 中国矿业大学北京）机电与信息工程学院， 北 京 100083 摘要 为研究悬臂式掘进机截割过程中截割头载荷对机身偏向角的影响规律， 建立了掘进机机身偏向角 动力学模型， 根据模型求解的输入问题， 提出了一种截割头载荷计算方法， 并通过仿真计算得到截割头载荷 与驱动油缸压力及悬臂截割位置之间的关系。对掘进机截割过程中机身偏向角的变化进行了仿真分析， 得 到了不同工况下和不同悬臂截割位置时截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律 横向截割工况下， 机身 偏向角随截割头载荷的增大而增大， 且在悬臂水平摆角为14时达到最大值； 纵向截割工况下， 机身偏向角 随截割头载荷的增大而减小， 且悬臂垂直摆角越大， 机身偏向角越小。 关键词 煤炭开采％悬臂式掘进机％机身偏向角％截割头载荷％横向截割％纵向截割％动力学模型 中图分类号TD632 文献标志码A 网络出版地址 Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180718. 1748. 007. html Analysis of influence regularity of cutting head load to roadheader,s deviation angle ZONGKai, FU Shichen, LIYiming, ZHANG Minjun, WANG Pengjiang, WANG Zhilong School of Mechanical Electronic and Ination Engineering, China University of Mining and TechnologyBeijing , Beijing 100083, China Abstract In order to obtain influence regularity of cutting head load to deviation angle of boom-type roadheader during cutting process, a dynamical model of roadheaders deviation angle was established. According to problem solved by the model, a calculation of the cutting head load was proposed, and relationship between the cutting head load and pressure of driving cylinders and cutting position of cutting arm was obtained by simulating calculation. The variation of roadheaders deviation angle during cutting process was simulated and analyzed, and influence regularity of the cutting head load to the deviation angle in different cutting conditions and different cutting positions of the cutting arm were obtained In horizontal cutting condition, the deviation angle increases with increasing of the cutting head load , and it reaches to the maximum when the horizontal angle of the cutting arm is 14; in vertical cutting condition, the deviation angle dccreases with increasing of the cutting head load, and the larger vertical angle of the cutting arm is, the smaller the deviation angle is. Keywords coal mining ； boom-type roadheader; deviation angle; cutting head load; horizontal cutting ； vertical cutting ； dynamical model 收稿日期 2018-03-01;修回日期 2018-06-11;责任编辑 张强。 基金项目 国家重点基础研究发展计划“ 7 3 计划） 项目（ 2014CB046300。 作者筒介 宗凯（ 1E91 男 ， 山西朔州人， 博士研究生， 主要研究方向为矿山机电基础理论及其智能控制， E-mail〇 iigkaiwdl991163. com。 引用格式 宗凯， 符世琛， 李一鸣， 等. 截割头载荷对掘进机机身偏向角的影响规律分析工矿自动化， 2018,448 46-51. ZONG KaiFU ShichenLI Yiminget al. Analysis of influence regularity of cutting head load to roadheaders deviation angle[J]. Industry and Mine Automation,2018,448 ； 46-51. 2 0 1 8 年 第 8 期家 凯 等 截 割 头 载 荷 对 掘 进 机 机 身 偏 向 角 的 影 响 规 律 分 析 .引言 煤炭是我国的主体能源， 目前我国煤炭开采深 度不断加大， 部分煤矿开采深度已突破1 000 m， 开 也 大 ， 而 其最重要、 难度最 大的生 [12]。深部煤层 险系数大， 因 ， 综掘工 人化技术的研究极为重要） ]。 煤矿巷 过程中， 悬臂式 机所截割 煤岩的普氏系 不断变 ， 并且具有 随 机性， 所以， 掘进机截 荷也 杂多变的[ 4 5]。 这种复杂多变的载荷会使 机在截割过程中产生 机身偏向角， 并且机身偏向角会随着载荷的变化而 不断变化。机身偏向角 生及变化会严重影响掘 进机 向 [6]， 使截 出现偏差， 降低巷道 成形 与精度[;]。研究掘进机截割过程中机身 偏向角变 律 ， 对巷道成形质 、 机器人化 动截 实现乃至最 人 工作面的实 有着极为重 意义。 近年来， 针对悬臂式掘进机的动力学行为已有 一定的研究。李晓豁等[8] 横轴式 机动力 ， 研究 机 工 作 过 程 中 的 振 动 特 性 。 魏晓华等[9] 轴式 机截割系统动力 E ， 研究了工作状态下截 速 矩的变化及 其影响因素。毛君等[ 1 0 ] 机截割臂动力 方程 于 ADAMS的刚柔耦合 ， 研究了刚 柔 耦 合 工 装 置 的 动 力 学 特 性 。范小红等[11]立 了单个截齿、 截 荷及整机动力 ， 研究 机 工 作 过 程 中 机 振 动 特 性 。 世琛等[1213]基于超宽带测距技术 激光测 角技术 机机身位姿检测方法。 文献大 机 工作机构动力 学特性和机身位姿检测的研究， 而对截 受 f 况 下 机 身 位 姿 变 化 规 律 的 研 究 很 少 。本文以 EBZ160 机为研究对象， 机机身 偏向角动力 ， 仿真分 截 荷对掘进 机机 偏向 角 影响 律 。 1掘进机机身偏向角动力学模型 掘进机机体与底板地面之间的刚度用K 表示， 阻尼用C 表示。设 截 割 头 质 量 为 rn1， 悬臂质量为 ， 机体质量（ 包 机构） 为肌3。截 荷 用三向力 述 ， 即水平方向、、竖直方向及垂直于 煤 方向 力 。 机的机体重心为原点， 建立三维直角坐 标 系 OXYZ， 对掘进机进行整机受力分析， 横向、 纵 向截割工况力 分别如图1 和 图 2 所示。X 轴 为水平方向， Y 轴为垂直于煤壁方向， Z 轴为竖直 方向 。 图 1横向截割工 况 力学模型 Fig. 1 Mechanical model in horizontal cutting condition 图 2 向 截 工 力 Fig. 2 Mechanical model in vertical cutting condition 图 1 中， 为机身偏向角； 7 为悬臂相对于机体 的水平摆角；为截 荷 平方向的分力； R y为截 荷 直于煤壁方向的分力；为 底板地 用于履带部 平 方 向 的 摩 擦 力 。 图 2 中， A为悬臂相对于机体的垂直摆角； R z 为截 荷在竖直方向的分力；为底板地 用于 带部 直于煤壁方向的摩擦力； N 为底板地 机 力 。 动力 方程[14]， 掘进机机身偏向角动 力 如下 Jz〇 C6 K6 Me 1 式 中 为 机 体 绕 Z 轴的转动惯量;2 为机体对应 于 ） 矩 。 EBZ160型掘进机为例， 根据相关结构尺寸 参数可得截割头载荷R x对应于机身偏向角）的力 矩为 2X 0. 85cos 6 8 3. 95cos /cos RX 2 底板地面作用于履带部的最大静摩擦力对应于 机身偏向角6 的力矩为 Mf 0. 735 f[Rz 8 m1 8 m2 8 m3 g] 3 式中1为履带与底板地 摩擦系数[15]， 在 普通底板条件下， f 0. 5g为重力加速度。 机体对应于6 的转矩为 48 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 将式4代入式（ 1， 得到掘进机机身偏向角动 力 J z〇 8 〇 8 K 0 Mx Mf Jz 8 〇d 8 Kd 0. 85*xcos 3. 95cos /cos *x * 0. 735f [*z 8 m 8 m 8 g* Mx Mf “ 2截割头载荷计算 由式（ 5可知， 要对掘进机机身偏向角动力学模 ， 必须先得到截 荷作为初始输入 量 。 机截割过程中， 截 荷复杂多变， 因 此 ， 直 截 荷 大 ， 个别研 究人员获得 荷谱也极其复杂 律 ， 很 ； 理 ， 无法有效利用。 ， 本文提出了 截 荷计算方法。 2. 1 横向截割时的截割头载荷计算方法 掘进机悬臂固连于回 ， 由对称布置的水 平回转油缸驱动。油缸杆与回 ， 油缸筒与 架相连。工作时， 一侧油缸伸长， 另一侧油缸同 缩短， 协同作用推动回 动 ， 带动悬臂绕其回 中心水平摆动。横向截 维 图 如 图 3 所 示 ， 回 回转中心为O 点 ； 右侧油缸杆与回 铰接点 为 A 点 ， 油缸筒与 架铰接点为B 点 ； 左侧油缸 筒与 架铰接点为C 点 ， 油缸杆与回 铰接点 为 D 点 ； 截 受 力 点 为 *点 ； 回 回转半径为 OA OD r ， OB OC 6 OR 4 ，4 1 〇 M , 时 的 Simulink仿真模型 Fig. 8 Simulink simulation model when Mx M f 3.2 初始条件设定 EBZ160型掘进机悬臂在水平方向的最大摆角 为左右 各 28， 竖直向 最大倾角为38， 向下的 最 大 倾 角 为 24。因此， 在 横 向截割工况下， 选择 0 ， ％ 14和％28三种截割位置； 在纵向截割工 况下， 选 择 一 24， 0 和 38三种截割位置， 在回转油缸与升降油缸压力为5〜21 MPa范围内， 机身偏向角I仿真初始参数见表1[16]。 表 1仿真初始参数 Table 1 Initial parameters of simulation Jz/kg m2K / N m一 1 }C/N s m一 1 } 1. 05X1051X104 10 3.3 仿真结果分析 横向与 向2 截 工 下 机机 偏 / 机身偏向角w o 一 o 〇 一 to to y\ o * 〇 o 齑冱油 /。 函1 2癸及鄹塑參及逾覉鄹塑 腾郐苕蠊 SW逾滑冷毋到 Fig. 12 Variation surface of the deviation angle relative to the cutting head load and vertical swing angle of the cutting arm in vertical cutting condition m 參哥參哥 * 0 ; a xmil40kNig,tat fe s 8钟 钟 _燋 燋 _疏冲，滑冷丧忽 疏冲，滑冷丧 忽* 1 . 2 7 1 0 kN, f 爾匄阱浬爾匄阱浬 8.2 。。册函。。册函 10匄杏，胀郵塑沪 匄杏，胀郵塑沪 _郢 郢 1 滑戽，羅鱗滑戽，羅鱗 1 兴卡葩兴卡葩 7疏 疏 ;1 參哥參哥 _露 露 燋随燋随 疏 疏 卸氯 卸氯 //*714 。。 浬娜 浬娜 11。册 。册 函函 一一匄杏郵塑一一匄杏郵塑HT\*m 鲰鲰i w_w ffi Bma/K 滑冷丧滑冷丧 0 . 2 5 710 k N,娜卸氯,娜卸氯 7JNM 0 , K娜 娜 f {sM2.6{a* n siw_w ffi 參哥參哥 s/hM〇〇 s a z ftM, 洚蜂澍画洚蜂澍画 忽忽* 5 0〜110 k N。。1參哥參哥 羅郵塑沪■郢 羅郵塑沪■郢 sit M mit M ,N* W 兴卡葩逾兴卡葩逾 14 。。阱浬娜阱浬娜 11; 擎哥郵鱗擎哥郵鱗 |1171 參哥參哥 羅郵塑沪■郢羅郵塑沪■郢 S 疏疏 f ms/K_iw_w ffi ls f , m參哥參哥 /K 2 郵塑沪郵塑沪■郢槲齑瓏半孫爸宵郢槲齑瓏半孫爸宵 .回雜爸宵 回雜爸宵 m 滑冷湾嘛奋 滑冷湾嘛奋 瞄菸 瞄菸 F gs ,il 漆簦回雜菩半孫爸漆簦回雜菩半孫爸 盡及逾羅|沪腾茚滑冷毋雜盡及逾羅|沪腾茚滑冷毋雜 Fig. 9 Variation curve of the deviation angle relative to the cutting head load in horizontal cutting condition 齑亙油齑亙油 /3 - 函函 loassaHis _7JC 卡葩逾滑冷毋到卡葩逾滑冷毋到 Fig. 1〇 〇 Variation surface of the deviation angle relative to the cutting head load and horizontal swing angle of the cutting arm in horizontal cutting condition 函一一癸及IH04;參及逾覉鄹|沪腾郐滑冷毋雜 Fig. 11 Variation curve of the deviation angle relative to the cutting head load in vertical cutting condition 册函册函 9匄杏，懿哥郵塑 匄杏，懿哥郵塑 HT\*miw7JC 书书 葩逾碎葩逾碎 W, 胀郵塑胀郵塑 _ a x/h -H 40kNBaitta 5〇 hII 2 0 1 8 漱 4 4 _ 2 0 18 年 第 8 期宗 凯 等 截 割 头 载 荷 对 掘 进 机 机 身 偏 向 角 的 影 响 规 律 分 析 51 程中掘进方向的纠偏， 从而提高掘进工作效率与巷 道成形质量。 参 考 文 献 （ References 1 *李 力 ， 魏 伟 ， 唐汝琪. 基 于 改 进 S 变换的煤岩界面超声 反 射 信 号 处 理 [ R ] . 煤 炭 学 报 ， 2015, 0 1 1 2579-2586. 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