60型扒渣机夹轨装置及其动态特性研究.pdf

中图分类号理1 2 U D C 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 6 0 型扒渣机夹轨装置及其动态特性研究 R e s e a r c ho nt h er a i lc l a m p i n gd e v i c ea n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fm o d e l6 0s l a gr a k i n gm a c h i n e 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 副指导教师 一 一 论文答辩日期型 龙紫照 机械工程 机械设计及理论 机电工程学院 柳波副教授 答辩委员会主席乓瑚L 、3 ／一、 中南大学 二。一四年五月 万方数据 学位论文原创性声明燃 本人郑重声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也 不包含为获得中南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 作者签名蕉堂亟 日期2 盥一年上月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名之业 日期盟年上月工日 翩签名立弘 日期丛年上月卫日 万方数据 中南大学硕士学位论文 摘要 6 0 型扒渣机夹轨装置及其动态特性研究 摘要轮轨式扒渣机作为井下巷道内收集出渣装备，是采矿行业中不 可或缺的设备。夹轨装置对于提高扒渣机作业稳定性、安全性起到至 关重要的作用，本文以6 0 型轮轨式扒渣机为研究对象，针对此类小 型扒渣机的特点，提出一种水平缸式夹轨装置方案来解决扒渣机作业 过程中的安全、稳定性问题。并对作业过程中夹轨装置的工作性能进 行理论、仿真与实验研究。主要完成工作如下 1 、分析了轮轨式扒渣机驻机作业过程中产生滑动的原因，结合 小型轮轨式扒渣机的结构特点提出一种水平缸式夹轨装置防滑的方 案。 2 、通过对驻机作业过程中扒渣机工作装置作业阻力分析、车体 防滑阻力以及夹轨装置夹持力的分析，总结出影响夹轨装置的力源， 结合不同的挖掘工况、夹紧位型及安装位置对夹轨装置受力状态进行 分析，总结得出夹轨装置力列矩阵。 3 、以K E D 法 机构弹性动力学 为依据，建立了夹轨装置的 动力学模型，找出机构固有频率随夹紧位型变化的规律。运用数值积 分法对夹轨装置弹性位移进行求解，得到了夹轨装置的重要节点在不 同挖掘工况、夹紧位型、安装位置下的弹性位移响应，总结出较为合 理的夹紧位型及安装位置，并找出对夹轨装置影响较大的作业工况。 4 、利用多体动力学分析软件A D A M S 对扒渣机及夹轨装置进行 了虚拟样机分析，对夹轨装置的工作性能进行验证，并通过仿真过程 中对关键节点的弹性位移变化的分析，对比验证了数学模型分析的合 理性。运用A D A M S ／V i b r a t i o n 模块对夹轨装置的动态特性进行分析， 并通过仿真分析总结出安装距离与动态特性之间的关系。 5 、以6 0 型轮轨式扒渣机为实验平台，验证了夹轨装置防滑的有 效性。通过试验数据与仿真数据的对比分析验证了虚拟样机仿真方法 的及夹轨装置弹性动力学分析方法的合理性。 图4 8 幅，表2 个，参考文献7 0 篇 关键词轮轨式扒渣机，夹轨装置，弹性动力学，多体动力学分析 Ⅱ 万方数据 中南大学硕士学位论文 A B S T R A C T W h e e l r a i lC r a w l e rL o a d e ra st h e e q u i p m e n to fs l a g g i n g a n d c o l l e c t i n gw i t h i nt h eu n d e r g r o u dt u n n e li si n d i s p e n s a b l ee q u i p m e n ti nt h e m i n i n gi n d u s t r y ．D u et ot h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fm o d e mm i n i n g t e c h n o l o g y a n d r e q u i r e m e n t s o fe n v i r o m e n t a l p r o t e c t i o n ，r e q u i r e d W h e e l - r a i lC r a w l e rL o a d e rl i g h t e ra n ds m a l l e r ．R a i lc l a m pd e v i c ef o r i m p r o v i n gW h e e l r a i lC r a w l e rL o a d e ro p e r a t i n gs t a b i l i t y , s e c u r i t yp l a y sa c r u c i a lr o l e ．B a s e do nt h e6 0 Ⅵm e e l ．r a i lC r a w l e rL o a d e ra st h er e s e a r c h o b j e c t ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fs u c hs m a l ls l a gr a k i n gm a c h i n e ， p u t sf o r w a r das c h e m eo fh o r i z o n t a lc y l i n d e rt y p er a i lc l a m p i n gd e v i c et o s o l v et h ep r o b l e mo fs e c u r i t y , s t a b i l i t yo ft h es l a gm a c h i n eo p e r a t i o n p r o c e s s ．A n dt h r o u g ht h e o r y , s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts t u d yo nt h e f e a s i b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo f r a i lc l a m p i n gd e v i c ed u r i n go p e r a t i o n ． 1 B ya n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo fs l i d i n go nt h ew h e e lr a i lt y p e d r o s s i n gm a c h i n e i nt h em a c h i n ed u r i n go p e r a t i o n ，a n dc o m b i n e dw i t ha s m a l lW h e e l r a i lC r a w l e rL o a d e rs t r u c t u r e ，a n dp u tf o r w a r das e to f h o r i z o n t a lc y l i n d e rt y p er a i lc l a m p i n gd e v i c e ． 2 T h r o u g ht h ea n a l y s i so ff o r c ed e s l a g g i n gm a c h i n ed e v i c ei nt h e p r o c e s so fo p e r a t i o n ，c o m b i n e dw i t ht h ea n a l y s i so fs k i dr e s i s t a n c eb o d y c a np r o v i d er a i l c l a m p i n gd e v i c ea n d c l a m p i n gf o r c ec a l c u l a t i o n ，T h e s y s t e m a t i ca n a l y s i s o ft h er a i l c l a m p i n gd e v i c ei nd i f f e r e n tm i n i n g c o n d i t i o n s ，c l a m p i n gb i tt y p ea n di n s t a l l a t i o nl o c a t i o nu n d e rs t r e s s ，a n d s u m m a r i z ear a i lc l a m p i n gd e v i c el o a dc o l u m nm a t r i x ． 3 B yt h em e t h o do fK E D e l a s t i cd y n a m i c s a st h eb a s i s ，e s t a b l i s h t h e d y n a m i c sm o d e lo f r a i lc l a m p i n gd e v i c e ，g e tt ot h en a t u r a lf r e q u e n c y c h a n g e sw i t h t h ep o s i t i o nt y p eo fl a w ．U s i n gt h en u m e r i c a li n t e g r a l m e t h o di su s e dt os o l v et h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n o fe l a s t i cd y n a m i c sr a i l c l a m p i n gd e v i c e ，c a l c u l a t et h ee l a s t i cd i s p l a c e m e n tr e s p o n s eo fi m p o r t a n t n o d eo far a i lc l a m p i n gd e v i c eu n d e rd i f f e r e n tm i n i n gc o n d i t i o n s ，t h e c l a m p i n gp o s i t i o nt y p ea n di n s t a l l a t i o np o s i t i o n ．A n a l y s i so f ar e a s o n a b l e c l a m p i n gb i tt y p ea n dt h ei n s t a l l a t i o np o s i t i o n ，a n df i n do u tt h em o s t s u i t a b l ea n a l y s i sc o n d i t i o n s ． 4 B yu s i n gt h em u l t i b o d yd y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r eA D A M S o f Ⅲ 万方数据 中南大学硕士学位论文A B S T RA C T v i r t u a lp r o t o t y p ea n a l y s i so f Ⅵm e e l ．r a i lC r a w l e rL o a d e ra n dar a i l c l a m p i n gd e v i c e ，a n dv e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h er a i lc l a m p i n gd e v i c e ， a n dt h r o u g ht h ea n a l y s i so R h ee l a s t i cd i s p l a c e m e n to ft h ek e yn o d e si n s i m u l a t i o n ．v e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e la n a l y s i s ． U s i n gt h eA D A M S ／V i b r a t i o nm o d u l ec a r r i e so nt h ea n a l y s i st ot h e e l a s t i cd y n a m i c sm o d e lo fr a i l c l a m p i n gd e v i c e ，f o u n db yi n c r e a s i n g t h e i n s t a l l a t i o nd i s t a n c et or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h ev i b r a t i o nr e g u l a r i t y ．． 5 1 1 1 et y p e6 0w h e e lt y p ed r o s s i n gm a c h i n ea st h ee x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，v e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h er a i lc l a m p i n gd e v i c es l i p ．T h r o u g h t h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft e s td a t aa n dt h es i m u l a t i o nd a t at ov e r i f yt h e c o r r e c t n e s so ft h ev i r t u a lp r o t o t y p es i m u l a t i o nr e s u l t s ，w h i c hp r o v e s t h a t r a i lc l a m p i n gd e v i c e ，e l a s t i cd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e li sc o r r e c t ． S h o wt h a tt h i sm e t h o dC a nb eu s e dt oa n a l y s i so f Ⅵm e e l ．r a i lC r a w l e r L o a d e rr a i lc l a m p i n gd e v i c ed y n a m i c s ． K e y w o r d s W h e e l r a i lC r a w l e rL o a d e r R a i lc l a m p i n gd e v i c e ；E l a s t i c d y n a m i c s ；M u l t ib o d yd y n a m i c sa n a l y s i s C l a s s i f i c a t i o n 卫H 1 2 I V 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。I I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．V 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 扒渣机的概述及发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 扒渣机的概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 ．2 扒渣机发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 轮轨式扒渣机概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．4 现行扒渣机夹轨装置分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．5 机构动力学的研究理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 1 ．5 ．1 机构动力学研究的主要因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．5 ．2 夹轨装置的动力特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．5 ．3K E D 法 机构弹性动力学 国内外研究现状分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．6 本研究的意义与主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．6 ．1 本研究的重要意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．6 ．2 本研究的主要内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 扒渣机夹轨装置设计及力学模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 产生滑动的原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 夹轨装置设计方案的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 ．1 夹轨装置防滑策略的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．2 水平缸式夹轨装置特点分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 作业过程中夹轨装置受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．3 ．1 作业过程中工作装置受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．3 ．2 车体防滑阻力以及夹紧力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 不同工况下夹轨装置受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．4 ．1 纵向作业工况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．4 ．2 工作装置最大摆角挖掘工况分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．4 ．3 夹轨装置力学模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 夹轨装置弹性动力学模型建立及动态特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 V 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 3 ．1 夹轨装置夹持失效原因分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．2 机构有限元方法建模分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 夹轨装置的系统弹性动力学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．3 ．1 梁单元位型函数的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 ．2 系统运动微分方程的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．3 ．3 系统坐标系与单元坐标系之间的联系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 ．4 系统的运动微分方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 运动微分方程的数值分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．5 夹轨装置弹性动力学分析及弹性位移求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．5 ．1 夹轨装置弹性动力学模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．5 ．2 求解机构固有频率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．5 ．3 不同夹紧位型下夹轨装置弹性位移响应求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 3 ．5 ．4 工作装置不同作业状态下夹轨装置弹性位移响应求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 3 ．5 ．5 不同安装位置下夹轨装置弹性位移响应求解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 夹轨装置的虚拟样机仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．1 夹轨装置虚拟样机建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．1 ．1 A D A M S 中模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 ．1 ．2 模型参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 7 4 ．2 仿真计算及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 ．2 ．1 夹轨装置运动轨迹仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 ．2 ．2 夹轨装置防滑效果仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 4 ．2 ．3 关键节点位移变化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 4 ．3 夹轨装置的A D A M S ／V i b r a t i o n 仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．3 ．1 A D A M S ／V i b r a t i o n 软件介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．3 ．2 夹轨装置刚柔混合体建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．3 ．3 A D A M S ／V i b r a t i o n 参数设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．3 ．4 弹性夹轨装置的振动仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 5 夹轨装置防滑效果及弹性振动响应规律的实验验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 5 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．2 实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．3 实验条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 5 ．3 ．1 实验平台概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 V I 万方数据 中南大学硕士学位论文 目录 5 ．3 ．2 实验检测设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．4 实验步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 5 ．4 ．1 实验系统安装⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5 ．4 ．2 实验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．5 实验结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 5 ．5 ．1 夹轨装置防滑效果试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．5 ．2 夹轨装置关键节点弹性位移试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 5 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 6 全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 6 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 3 攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 V Ⅱ 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究背景 扒渣机作为井下巷道内收集出渣装备，是采矿行业中不可或缺的设备。由于 现代采矿业技术不断发展以及对环境保护方面要求的提高，对于扒渣机提出了轻 量化、小型化的要求。在满足作业要求的同时，如何保证扒渣机的工作稳定性安 全性是一个值得关注的问题。本文所研究的6 0 型扒渣机属于轨道行走，由于轨 道面与行走轮之间摩擦阻力小，会导致设备在作业过程中因较大的外界作用力影 响而产生滑动。因此，安装夹轨装置能有效的防止此类现象的发生。而现有的大 型轮轨式扒渣机多采用压杆式夹轨装置，此装置对于设备底盘空间要求较大，针 对小型扒渣机底盘空间有限的情况，此类方案并不可行，因此设计一类水平缸式 夹轨装置能有效满足工作性能以及底盘空间的要求。同时，夹轨装置在作业过程 中受到来自外界的振动或者冲击的影响，很可能在长期外界激励力的影响下致使 构件磨损进而出现松夹、夹持精确性降低等情况导致夹持失效。因此，有必要对 夹轨装置进行弹性动力学分析，找出该机构的固有频率以及在相应外界影响下的 动力学响应特性，能有效的分析出可能失效的原因，并对结构、安装位型以及安 装位置进行调整以及优化提供有效参考，从而避免因夹持失效所造成的安全事故 的发生。 1 ．2 扒渣机的概述及发展状况 1 ．2 ．1 扒渣机的概述 扒渣机又名隧道挖装机、挖斗装载机，集行走、挖掘、采集、输送、装车、 场地整平六种功能于一体，是现如今铁路、公路、矿业、水利水电等隧道岩巷施 工过程中不可或缺的施工设备。扒渣机的出现，解决了狭窄巷道内大型机械设备 无法施工的难题，在隧道、矿洞、巷道、斜井斜巷、涵洞的施工过程中发挥着重 要的作用。这种全机械化的隧道出渣方式替代了以往低速、高风险、高成本的 半机械化隧道出渣方式，有效的提高了施工的速度、安全性并降低了施工成本。 扒渣机可从以下几个方面进行分类装载能力、动力系统、走行结构、刮板 驱动形式以及爬坡能力。 从装载能力的方面出发，主要以扒渣机单位时间内挖装运矿石体积为重要参 考。其中大型扒渣机的装载能力为每小时装载渣石料3 0 0 个立方以上，在单位时 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 间装载能力为1 2 0 到3 0 0 立方之间的为中型扒渣机，而小型扒渣机的单位时间装 载量为1 2 0 立方以下。本文所研究的6 0 型扒渣机属于小型扒渣机。 从动力系统的角度出发，可将扒渣机分为电动型、内燃型以及内燃一电动混 合动力三种主要类型。其中内燃型扒渣机的主要优点在于其机动性能较好，而在 瓦斯等较危险环境下的施工，采用具备隔爆功能电机的电动型扒渣机更为安全可 靠，因此，在小型巷道施工中内燃型因其动力性能的优点被广泛使用，而对于小 型扒渣机以及施工环境较危险的巷道中作业的扒渣机多采用电动型的动力形式。 内燃一电动混合动力综合性能优越，在中型及大型扒渣机上通常采用这类动力系 统，而此类动力系统也适合各种工况。 现下市面上存在的扒渣机从行走结构方式的角度出发主要有轮式、履带式、 轨轮式以及履带一轨轮式四大类型。在大、中型扒渣机中由于对作业能力要求高， 采用履带行走结构能提高设备的稳定性，小型扒渣机多采用轮胎行走结构，而针 对部分铺设有运输轨道的巷道，轨轮式行走结构的扒渣机为首选。同时，针对长 距离的大型隧道施工，大型扒渣机通常会在履带行走的基础上加装轨道行走结构 方便设备的行走。 另外一种区分扒渣机类型的方式是根据输送方式进行区分，扒渣机的主要输 送方式有皮带输送以及刮板输送两种，而其中刮板输送的驱动形式有单链一单驱 动以及双链一双驱动两类。驱动方式的选择依据的是扒渣机的装载能力，通常情 况下小型扒渣机多采用单链一单驱动形式，大中型扒渣机由于装载量大需采用 双链一双驱动形式。 爬坡能力也是对扒渣机类型进行区分的一项重要指标，主要有普通型以及大 坡度型两类。普通型主要针对巷道较平缓坡度不大的施工环境，小型扒渣机多维 普通型。而大坡度施工环境要求设备具备一定爬坡能力，因此大坡度型的扒渣机 主要为动力充沛的大型扒渣机。 1 ．2 ．2 扒渣机发展状况 1 扒渣机的国外发展状况 国外扒渣机的研制与使用起步较早，相较于挖掘机、装载机等常用工程机械， 由于扒渣机的主要用途在于隧道出渣，单一的工作性能导致在国外生产厂家相对 较少。主要生产扒渣机的厂家有美国的特雷克斯 T E R E X 集团公司下属的 S C H A E F F 工业集团以及日本凯姆科一夏夫公司两家企业，而从市场占有量、设 备性能等多方面综合比较下，前者的优势明显。日本凯姆科一夏夫公司也是在引 进了S C H A E F F 工业集团的扒渣机生产技术后才逐渐发展起来的。S C H A E F F 工 业集团由来自德国的隧道设备制造商S C H A E F F 、英国的平向掘进机制造公司以 万方数据 中南大学硕士学位论文 l 绪论 及来自瑞士的咨询分销商I T C 共同组成。该集团公司主要生产的扒渣机型号有 I T C l l 2 、I T C l 2 0 、I T C 3 1 2 、I T C 3 2 0 等。其中应用最为广泛的是I T C 3 1 2 系列【l j ， 此系列包括I T C 31 2 H 1 、I T C 3 1 2 H 3 、I T C 3 1 2 H 6 、I T C 31 2 S L 四类型号。日本凯姆 科一夏夫公司生产的扒渣机型号主要有K L ．4 1 以及K L ．2 0 E S 两款。其中K L ．2 0 E S 因于1 9 9 5 年在9 ．4 米长的米花岭铁路隧道施工期间与门架式液压凿岩台车及其 他设备配合作业，单月内成洞5 1 5 ．9 m ，成为我国铁路单线隧道建设新纪录而名 声大噪。但由于种种原因导致现在该型号扒渣机已停产。 2 扒渣机的国内发展状况 我国于8 0 年代开始进行隧道出渣装置的研制与生产，其中多以中小机型以 及单动力为主，最开始的隧道出渣机械适用的是立爪式装载机。其工作原理是通 过装载机的左右两个立爪将爆破后的土石渣扒取到链板输送机上，并向设备后部 输送，卸入自卸车中。其工作装置作业时，通过小臂油缸来实现拔取动作，大臂 油缸完成工作装置的升降。而后，人们将两个立爪换成了挖掘力更大、效率更高 的反铲装置，这就是现在主流的扒渣机类型。同时，我国借鉴国外先进技术并结 合我国国情的基础上自行研制了多种类型的扒渣机【2 】。在这一领域内，北京建筑 机械厂、福建建筑机械厂、山东广饶液压机械厂以及柳州工程机械集团公司等都 是早期生产扒渣机的几个主要厂家，但由于各种因素的影响，现在这些厂家多数 已经停止生产这类设备。近几年中，生产扒渣机的主要厂家有南昌凯马、贵阳力 特以及河北冀川实业总公司，其中南昌凯马根据铁道部科技发展计划设计生产了 L W L ．2 6 0 型扒渣机，石家庄铁道学院与中国人民解放军第六四一一工厂 河北 冀川实业总公司 根据铁道部科技研究开发计划课题共同开发出W Z 3 3 0 型扒渣 机【3 】，同时国内其他厂家如江西蓝翔、山东骏成以及洛阳一拖研制的东方红 W Z 3 0 0 与铁一局建工机械有限公司生产的J G M W Z 3 4 0 ．I 型扒渣机等。总体来说， 在扒渣机行业领域内，国内的设计生产水平尚可，但无论是那种型号的扒渣机 在动力系统等许多细节方面与国外的一流公司仍存在不小的差距，我们的生产设 计水平还有待进一步提高。 1 ．3 轮轨式扒渣机概述 轮轨式扒渣机主要用于安装有轨道的巷道、隧洞中适用。是一种用于连续装 载块状固体料 如石渣、煤炭 的理想设备。轮轨式扒渣机包含液压行走，挖掘 采集、输送、装车、清底五种功能。其中液压行走功能是通过液压马达、减速机、 传动轴再到减速机驱动车轮，液压马达具有前行、后退、自动刹车三种功能挖掘 采集功能由前部工作装置完成，输送装车功能由输送机系统完成，输送架可动过 变幅油缸进行调整。轮轨式扒渣机主要分为平巷与斜井两大类。平巷使用的扒渣 万方数据 中南大学硕士学位论文1 绪论 机中间输送部分多采用单链条传动，而斜井使用的扒渣机中间输送部分多为双链 条传动。轮轨式扒渣机的优点在于能独立在轨道面上行走，受巷道路基影响较小， 缺点同样来自于轨道，由于只能在轨道面上行走，其行走轨迹固定，一旦轨道出 现问题，机器将无法正常作业，同时轨道面与轮轨间受所使用材料的影响，粘附 力小，容易出现相对滑动。现在，在铺有轨道的巷道中，多采用轮轨式扒渣机， 平巷中一般可通过扒渣机自身的液压行走系统来移动设备，在斜井中，由于之前 提到的缺陷影响，通常用绞车通过钢丝绳连接扒渣机后部将车身下放，但在驻机 作业过程中，无论是平巷或者斜井都需要使用夹轨装置将扒渣机卡在轨道上。以 弥补自身防滑阻力的不足，提高设备的工作稳定性。因此，最为辅助设备稳定作 业的装置，夹轨装置在保证扒渣机安全高效的作业过程中起到了至关重要的作 用。图1 - 1 为轮轨式扒渣机现场作业图。 图1 - 1 轮轨式扒渣机现场作业图 1 ．4 现行扒渣机夹轨装置分析 夹轨装置作为轮轨式扒渣机系统总成中的一个部分，夹轨装置主要功能是为 车体提供一种不受车体自重约束的制动力的装置。在现下大型的轮轨式扒渣机中 所采用的多为竖直缸式夹轨装置实现对轨道的夹紧，此类夹轨装置主要由以下几 部分组成夹轨千斤顶、连杆、夹钳座、夹钳和箱体。此类装置通过竖直油缸的 伸缩，驱动连杆以及钳臂实现对轨道的夹紧。该类型夹轨装置对于车辆底盘竖直 空间要求高，对于大型轮轨式扒渣机由于底盘空间足够，因此适合安装此类夹轨 装置。但针对本研究中的小型扒渣机如6 0 型轮轨式扒渣机，由于车体总尺寸的 限制，没有足够的底盘空间进行竖直缸式夹轨装置的安装。针对此类问题，本文 提出一种新型的水平缸式夹轨装置，以解决了底盘空间不足的问题。确定水平缸 式夹轨装置方案后，还需要对装置的整体动力学性能进行分析研究才能最终确定 该装置是否能满足工况要求。图卜2 为竖直缸式夹轨装置示意图 4 万方数据 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．5 机构动力学的研究理论 图卜2 竖直缸式 1 ．5 ．1 机构动力学研究的主要因素分析 机械系统动力学常常归结于对机构的动力学响应进行研刭4 。7 j 。 动力学研究通常需要考虑的因素包括系统模型的质量、运动部件的惯性力、 构件的转动惯量以及它们之间连接方式的精确度，除此之外弹性问题【8 。13 1 、摩擦 问题【1 4 也6 】、运动副间隙口7 1 以及各类型的阻尼【2 8 ‘3 3 】也是必须要考虑的因素。因为 考虑问题的全面性，在适当的处理好相关因素的前提下，动力学研究能较真实的 反映系统的动态特性。但是，也正是由于动力学研究涉及面比较广，也导致其中 存在许多较复杂的难点，如机构的振动【3 4 ‘3 7 1 、动态不平衡【3 7 1 等因素。处理这些 复杂因素恰当与否，也直接关系到系统模型研究的过程的难易程度以及运行的动 态性能和安全性。 1 ．5 ．2 夹轨装置的动力特性分析 夹轨装置由销轴将驱动油缸、钳身、钳口以及支架四部分以铰接的方式连接 组