采煤机的动力学模型及其仿真研究.pdf

目 矿山、‘ , 瀚然馨馨薰撇麟麟粪霸薰 娜麟麟鑫 鬓鑫聋 毅姗豁琳瑟 撇羹 鬓塞恭鑫蒙 论文编号 , 一 阳 抖 一一 缨娜珊鹦弊恻恻释 缨缨嘿 采煤机的动力学模型 使采煤 机的一 些关键 部件在正常工作中常 常出现因过载 而损坏 的现象 。 究其原因 , 主要 是对来煤机的动 态特性研究的不够 , 及其仿真研究 赫翟 滚筒式采煤机产生鬓 振动现象 , 除了在工作鳃 李萍 ’ , 李晓豁刘春生 中国矿业大学机电与信息工程学院 北京 辽宁工程技术大学机械工程学院 “ 黑龙江科技学院机械工程系 为此 , 本文着重对采煤机的振动行为进行分析研究 , 防止其关键部件的损坏与失效 , 以提高采煤机的工作 可靠性 。 对采煤机振动行为的研究 , 主要是对采煤机的实 际工作状况进行运动学分析 , 经过一定的简化与假设 , 建立滚筒式采煤机的刚体动力学模型以及相应的数学 模型然后 , 再利用编制的计算机程序进行模拟与仿 真最后 , 通过理论分析及数据处理 , 将采煤机振动的 模拟结果与实验测得的结果进行比较 , 找出影响采煤 机振动的各种因素 , 为以后采煤机的设计与研究提供 重要的理论依据 。 刃 超进 之凌过 日 过程中经常要遇到不均 匀 、不连续、不规则的不 同性质的煤岩 , 这将引 起采煤机的载荷变化不 均匀以外 , 还由于采煤 机滚筒的安装 精度 不 一 高 , 存在误差 , 阴尸 色入 导致螺旋滚筒翼 “ 飞峨 妙 。 单 在转动过程 中 , 形成的径 向力也将引起 机 器的振动 。 再有 , 螺旋滚 尺 门 异 筒 上的截 齿羹 图采煤机螺旋滚筒的受力分析 特别是端 盘 齿在圆周上 非均 匀分布 , 穿孔一全程带芯纵轧法生产工艺 对瑞典 “ 钻孔法 ”和“ 热穿一热轧法 ”工艺实现了扬 长避短 , 设计了不同于国内外现有技术的独特而先进 的中空钎钢生产新工艺流程 , 即 “ 穿孔一全程带芯纵轧 法 ” 中空钎钢生产工艺 , 其工艺流程及带芯纵轧设备布 置如图所示 。 其主要创新点是 罄徽嫩镶 锡 誊 条 希 淞 肇 豢 娜备 豁 珊缨黔 缴 嘟瑜羹 等方面的技术创新 , 使我国中空钎钢在质量 、 品种 、 生纂 咖珊 珊 馨豁参肇黔肇 珊 帚 珊 姗渺 缪磷 椰哪塔 命咖嘟 缴嫩镶 锄 誊 条 滁 淞 肇 豢 雄姗娜撇撇 恻姆绷︸跟漱揪 姗 产成本方面将跃居国际一流水平 。 前景展望 由于硬质合金整钎和重型钎杆技术含量高 , 具有 棒棒坯定心心心上料料 多多工位中频频频频频频频频频频频频频频频频频频频频频频频频频频 赚赚应加热炉炉炉电阻均热炉炉炉抽顶杆杆杆降档板板板,,, 仕夕币目目 兰兰辊带芯减径径 定定径机定径径径冷床控冷冷 羚 漏撇鬓默珊 巍狠撒 ﹃缨摧黝 蒙 器 ︸ 攫魏撇嫌哪畔麟姗器撇麟瞿 熏 瀚撇撇 黔 ﹃﹃蹂 ︸麒撇漪︸︸豁握 ︸麟撇举翼撇撇瑞琳魏姗 藻 麟 ︸器麟濒澎巍撇 “穿孔一全程带芯纵轧法,’工艺流程 泄 夔 姗燃器髓 籍 ︸熊夔︸﹃姗戮撇撇麟一渊︸撰然巡振撇 纂 器一姗叛﹃撇删琳裸 轧管机挡管器辊道前置顶头 芯棒小车定位位置小车回退位置 图 “ 穿孔一全程带芯纵轧法 ”中空钎钢生产工艺及带芯纵轧设备布置示意图 设计了独特的 “ 多工位大功率中频感应加热 ” 和 “斜底式均热电阻炉”, 解决了原工艺棒坯氧化脱 、 热应力大和温度不均的难题 , 可确保坯料均匀加 , 组织应力小 , 表面氧化脱碳层降低 以上 , 内外 达到 一 亿美元 。 我们认为 , 这是新 世纪头年内比较现实的目标 。 参考文献 炉碳热 洲珊撇黔群琳︸淤珊瀚 鬓温差趋近于零 , 使加热工序具有热效率高 、 加热速度 快 、 氧化脱碳少 、生产成本低、 易于自动控制 、无环境污 染等优点 设计了独特的全程带芯纵轧减径 、 成型工艺 , 确保钎钢组织致密 , 尺寸精确 , 内外表面光滑无缺陷 在原有 “ 协中空钎钢六辊一次成型轧机 ” 专 利技术基础上 , 重新设计了 “ 中空钎钢七辊 、八辊、 九辊 夔一次成型轧机 ”, 以及独特的 “ 细长芯棒输控机 ” 。 钎钢编写组 钎钢北京 冶金工业出版社 , 叶凌云 ,冯志勇 凿岩钎杆用 中空钢热穿一热轧法生产工艺 , 东北大学学 报 ,, 张国样长寿命冲击凿岩钎杆科学中国人 , 卯 张国样等 关于加快建设湖北凿岩机具支柱产业的建议科教 经济 发展 世纪与湖北暨武汉教授论坛文集 , 侧】 张国桦高效 、低耗冲击式凿岩钎具 工业炸药发明后困扰世界采掘 工业的百年难题地球科学 , 朋 董鑫业 ,胡 铭 ‘ 瑞典 的访 公可的中空钢生产第十一届全国钎钢钎 具年会论文 , 田 隋凤山 , 刘力 带芯棒轧制提高中空钢 内孔质量第十一届全国钎钢 钎具年会论文 , 朋 口 戛 赢 象 猛篡默瓢篡篡潺默蕊赢赢涵赢咖 鳞枷鲡瑟 巍 鞠漱黔咖聪 矍摹 收稿日期印 一一 川攘 熟霉 鬓 龚黝撇 笋 巍沙熟鳌 姗蘸癫赢蘸翩赫赢黝斌 睿 目办 、‘ , 耀鄂戳纂嘿黔擎缪臀臀蒙粼黝矍 化了系统的数学表达式 。 滚筒乃至采煤机整机的振动 。 截煤时实际载荷的分析 采煤机在实际工作中 , 滚筒所受的外载荷 。、 。、 主要来自个方向 , 其大小与参加截割的截齿 的几何参数磨损情况 、 以及煤的截割阻抗大小等因素 有关川 。 事实上 , 采煤机的螺旋滚筒在截煤过程中 , 由于煤 层的物理机械性能无规则变化和截齿的不均匀分布 , 其载荷的大小和作用点是随机变化的 ‘ , 动力学模型和数学模型的建立 首先对采煤机在截煤时的运行工况和采煤机的结 构进行假设与简化 ”’ , 并考虑在设计 、 制造和安装过程 中由于滚筒存在的偏心质量所产生的离心力 , 在此基 础上 , 建立采煤机截煤时的动力学模型 , 如图所示 。 采煤机的振动模拟及分析 为具体研究采煤机的振动行为 , 以 一 型 采煤机为例 , 将其相应的有关数据代人 姗 的程序中 , 绘制出其在 、 和 二 方向上的振动曲线 , 并 通过改变其中一个参数 , 而其它参数保持不变的方法 , 在同一个坐标系 中对比参数变化后其振动曲线的变化 情况 【,’ 。 这里仅给出改变采煤机前滚筒的偏心距 。, 和 改变滚筒转速 。 对采煤机机身振动影响 的模拟曲线 , 分别如图和图所示 。 图中的曲线 、、 分别对应 于前滚筒的偏心距为 、 。,、, 时 , 采煤机机身在铅 垂方向的振动变化曲线图中的曲线 、、 分别对应 于滚筒转速 。 为 。 、 。 、 。 时 , 采煤机机身在铅 垂方向的振动变化曲线 。 城城城城城城城城城 峡峡峡峡峡 片厄 偏心距涵 涵 言言 已已已 掣 。塔 喜喜 厦厦厦厦 一一 一一 图前滚筒偏心距 。, 对机身振动的影响 图采煤机振动的动力学模型 利用拉格朗日方程推导出采煤机截煤时的运动微 分方程 。 当假设滚筒所受的三向外载荷的频率与滚筒 的频率相同时 , 即 一 。、。 。二 叭得采煤机在 二 向 、 向和 二 向的运动微分方程分别为 式中 鬓 釜,万 一云 ,二一, 。 沪 万‘ 一万一 。 牙 。 万 一二 。 牙 一 牙 肠 十 无 二一二 十 勺 一 少少 一 少 一 夕少 一 少 无 犷 一犷二 夕夕少 一 少 工 夕 一 少 无 了 一了 无 了 一少 王,无 一牙 无 二一二 二 王写 一 牙无 一二 对笼 。 无 。 万 一 毖 。 苏 一 牙 无 二 一二一 , 丫 , 尺云 丫 。, 嘴 二 田 二田 。 。 一 成 。。 旋 留 。 一一 昌昌 华 甲 料 ‘ 。。。 鹭鹭 ’’’ 黑黑 一 一一 图滚筒转速 旬 对机身振动的影响 采煤机振动的实测分析 实验是在某煤矿的采煤工作面上进行的 。 由于采 煤机受工作条件的限制 , 在实际工作中进行采煤机的 振动测试是极为困难的 , 因此 , 本实验采用人工手动测 试的方法 ’ 。取两种不同的牵引速度, 分别侧得采煤机 机身在铅垂方向的振动曲线 , 如图所示 。 魏 美 溺邵拱操砚鲜黝 嚣 ﹃ 装 麒 骡 翰 磐 翻游珊 器 麟一姗姗 ︺狱潞摄巍姗姗撇姗潞弱舞﹃嘟缎摊燃洲 麟 姗鹅姗姗燃裂一 夔 洲麟一然魏裁 ﹄徽 ︸料赘现撇︸麟热 ︸︸﹄姗 臻 黝撇撇缪撒撇徽姗 ︸洲娜粼撇麟娜潍鹅滩一︸粉娜擞然滋瀚瀚 ﹃娜 怨然翼 麟 了 田,。, 、 切‘ 又一可铆 “ 以“ 气,五, 采煤机振动微分方程的求解 入 八 一 之百乍一在 时时 二 为便于软件的计算 , 利用动力学 系统的状态空间分析法将采煤机振动的二阶微分方程 图采煤机牵引速度为 刀 和 时机身的振动实测曲线 结果的可实用性 。 由此 可见 , 实 测结果与 理论分析 的采煤机 机身振动 的模拟曲 线基本吻 合 , 验证 了理论模 型及仿真 馨 用两个一阶微分方程组来代替 〔,’ 。 这样 , 不仅使求解容 夔 易得多 , 而且一阶微分方程组可以用矩阵方程表示 , 简 漏 蕉 豁 结论 袭缓熬瀑桑篡舞魏姗绘瀚姗撇摹 窦 暮 落姗麟嚣然继羲 蒙葵沸舞绒撇魏黝翼 献 麟珊麟鬓 粼 斌姚藤霎 赢护羚撇憾耀 姗姗癫赫赢赢撇姗撇癫硼 薰鹅粉置 参黔馨熊雹 目办机‘ 髯蘸纂篆摹粼姗姗撇撇撇姿瀚袭 潺彝夔鑫翟攀签鬓爵撇翩黔撇姗蟾貂藻麟撇撇髓肇黔 熬黝腮耀豁珊黝澳 姗撇愁群奏窦 羹鬓缈姗熟辑夔鬓彝嚣鲜鳞裸鑫 篡麟撼袋纂羹翩粼缪耀 矿井下的环境与地面完全不同 , 受到了作业空间断现象 。 所以 , 应用断裂韧性来评定材质好坏显得尤黄 和地质条件等方面诸多因素的制约 。 采掘机械的 齿轮是其核心零件 , 命长 短的关键因 素 。 目前 , 我国齿轮 的制造工艺和技术 虽有了很大的进步 和发展 , 采掘机械 齿轮的制造精度已 提高到了 一 级 , 但齿轮的寿命约为 国外先进国家齿轮 寿命的一半 。 现在 是决定其综合性能优劣和工作寿 重要 。 对于煤矿采掘机械齿轮而言 , 因为它一般都处 严酷的冲击和交变应力状态工作 , 因而不仅要有很 论文编号 ,,一 印 一一 黝翼然︸缪豁姗教群滩撇 ︸矍攫毓 鬓 翻黔 ﹄ 翟藻 漏漏藻︸珊泌巍剔撰 ︸ 煤矿并下采掘机械齿轮选材 及其综合性能的探讨 的综合 机械性能 , 更需要有很高的耐 疲劳冲击能力 。 戴志哗 谋炭科学研究总院太原分院 山西太原 洲沁 采掘 机械的 齿轮 用钢 煤矿采掘机械 齿轮用钢与一般机 国际上知名的齿轮减速器制造公司 , 其齿轮设计寿命 甚至是无限的 , 这说明我国齿轮的制造水平要达到国 际先进水平仍任重道远 。 因此 , 采掘机械齿轮的选材及 其综合性能必须达到更高的水平 , 才能满足采掘机械 的实际需要 。 爆 ︸黝蘸激渊 纂 撇黯姗薰赫硼粼秘郡影缚既粼赣姗黝雄碾翼缪粥继︸撇潞撇﹄撇锄熬撰撇撇麟 采掘机械齿轮材质选用基础 煤矿来掘机械齿轮用钢 , 一般都是多元合金结构 钢 。 由于齿轮的工作任务繁重 、 冲击载荷大 、 过载能力 要求高 , 因而 , 它对钢中 的 、、、、、、 元素 及杂质 如 、、、 卜 、 等的质量分数应有严格的 要求 , 以保证齿轮用钢的综合机械性能 。 值得指出的 是 , 对特别重要的齿轮 , 先进的工业国家规已采用了真 空脱氧冶炼 一 脱氧钢或电渣重熔法重熔 钢 的技术 , 进一步净化钢中的杂质 , 使氧的质量分数 械齿轮用钢的分类相同有调质及表面淬火钢 、 渗碳钢 和氮化钢三大类 , 最常用钢见表 。 调质及表面淬火钢 煤矿采掘机械使用的调质及表面淬火钢 , 主要是 强度较高的 中碳合金结构钢 , 只能用于载荷不太繁重 的工况 , 精度要求在级左右 。 因为使用这种钢一般都 篡降至 一“ 以下 , 这可使齿轮的疲劳寿命提高 一淇焦⋯ ⋯、 器甜粼撇撇撒樱撒黔︸翼巍 ︸撇戮珊纂姗渊麟撇︸︸姗撇 懈摧塑燕 姗渊黝器黑︸撇滩 沸魏黯群摧鬃罄﹄魏撇潍瀚暴燕撇裁 撇撇 麟魏蘸夔撇群 倍 , 极限载荷提高巧 一 。 过去人们对齿轮材质的选用 , 只将强度。 、 屈服点 。 。 或屈服强度 二 、 伸长率 古 、 断面收缩率少及冲击 韧性值 、 或冲击功项指标的配合是否良好 , 作 为衡量其综合机械性能优劣的唯一标准 。 但随着科学 技术和工业生产的高度发展 , 只按照上述 项传统的 指标及其配合来衡量其综合性能的优劣 , 现在看来是 不够全面也不够客观 。 这是因为绝大多数齿轮绝 不是一次性大能量冲击而破断的 , 而是在几百万次小 能量的反复冲击下形成内部裂纹 , 尔后逐渐扩展破坏 的材料中常会存在冶金上的缺陷 , 因而在加工或 使用过程中逐渐发展形成宏观的裂纹而引起低应力脆 磨性和高的接触强度 。 较硬的心部用以支撑轮齿的硬 化层 , 具有很好的抗冲击韧性 。 这种渗碳钢及其热处理 工艺在煤矿采掘机械中使用的最为普遍 。 氮化钢 这种类型的钢主要是专用高级氮化钢和适合于进 行氮化处理 、 含 、、 元素的高级中碳合金结构 钢 。 这种类型的钢在氮化前应进行预热处理 调质 处理 , 这对充分发挥氮化层的特性 、 综合力学性能以及 改善氮化后齿轮的变形有明显的效果 。 但是 , 采用氮化处理的这种类型的钢存在两个问 题一是设计要求偏高 , 一般不易达到氮化层的厚度 。 这是因为左右的氮化时间只能达到 一 , 氮化层的厚度如要达到 以上 , 氮化时间要长达 采煤机的结构 、形状、 尺寸大小 、材料选择、截 齿布置 、工作参数、加工与安装精度, 以及煤岩性质等 , 都对其动力学行为有影响 , 只有合理地确定采煤机的 设计参数 , 才能减少采煤机的振动 , 保证其工作性能和 使用寿命 。 应用计算机仿真研究采煤机的振动行为 , 是经 济而有效的方法 。它虽不如实测法准确, 但可客观地反 映采煤机的振动情况 , 所得结论可用于指导采煤机的 实验证明 , 采煤机的牵引速度对其振动的频 率 振幅的大小都有影响 , 本文在理论分析时 , 假设牵羹 引速度是不变的 。 对于不同 的牵引速度及波动率 、不 同魏 群撇瀚鉴瓣纂鹭豁 羹 撇 夔轰 数 鬓 爵鬓黔霎暴 ︸ 随机载荷的理论分析 , 是进一步研究的课题 。 参考 文献 李 学 萍采煤机的动力学模型及其仿真研究阜新 辽宁工程技术大 , 砚旧 陈政国煤炭切削原理与工作机构设计哈尔滨 哈尔滨工业出版社 , 徐业宜机械系统动力学北京机械工业出版社 , 卯 李晓豁 , 杨国华采煤机机身振动的检测与分析煤矿机械 , 姆 〕 比 翅 力 此 枷 曰妇哪‘ 七沈 〕 血 心 , 口 收稿日期 么刃 一一 裁遴 濒黝缨 攀 彝撇绷服︸ 翼 燃姗姗麟︸ 鬓 撇跳 ︸麟撇 楼 一撇粥︸攘挑 馨 ︸蒸姗撇洲黑瀚撇姗燃︸黝拂麒柳 薰 设计 虽然采取的实验方法简易 , 但就现实情况而 言 , 不能不说是一种有效的实验手段 。 一 型采 煤机的实测曲线与模拟振动曲线基本相符 , 表明所建 立的动力学模型和数学模型是基本正确的 。 以此模型与程序软件作为基础 , 可进一步深人 研讨采煤机的振动行为 。 撇翻娜撇姗姗然黝濒娜弊缈静蘸翱斜 姗鲡俪家 氯 护黝瓣恻鱼 跪翼 蒸催骥葬珊魏髓 掣夔