采煤机调高系统的虚拟样机仿真.pdf

第2 7 2 0 0 6 卷第 1 2期 月 煤矿 C o a l Mi n e 机械 Ma c h i n e V o l . 2 7 N o . 1 2 D e e . 2 0 0 6 1W 试验 研究 翻文章编号 1 0 0 3 - 0 7 9 4 2 0 0 6 1 2 - 0 0 2 7 - 0 3 采煤机调高系统的虚拟样机仿真‘ 向虎 北京天地玛坷电液控制系统有限公司，北京 1 0 0 0 1 3 摘要建立了采煤机调高机构虚拟样机模型并对其进行运动仿真。建立了调高液压系统虚 拟样机模型并与机械部分藕合构造了调高系统的A D A M S 虚拟样机模型， 通过调高系统的正弦输入 响应， 得出系统的频率响应特性及固有频率， 为采谋机设计中元件选型和参数确定提供了一定参 考。 关键词 中图号 A D A M S ;虚拟样机;调高机构; T D 4 2 1 . 6 动力学分析 文献标志码 A V i r t u a l P r o t o t y p e S i mu l a t i o n o n S h e a r e r R e g u l a t i n g S y s t e m XI ANG Hu B e ij i n g T ia n d i 一 m a r c o E le c t ro 一 h y d r a u l i c C o n tro l S y s te m C o . ， L T D . ， B e ij in g 1 0 0 0 1 3 , C h i n a A b s t r a c t T h e v i r t u a l p r o t o t y p e m o d e l o f s h e a r e r r e g u l a t i n g m e c h a n i c a l i s e s t a b l i s h e d ， a n d i t i s b e i n g s t i m u l a t - e d . T h e v i r t u a l p r o t o t y p e m o d e l o f re g u l a t i n g h y d r a u l i c s y s t e m i s a l s o e s t a b l i s h e d a n d m a d e a n A D A M S v i r t u a l p ro t o t y p e m o d e l o f r e g u l a t i n g s y s t e m w i t h t h e m e c h a n i c a l p a r t . B y t h e s t e p re s p o n s e a n a l y s i s o f r e g u l a t i n g h e i g h t s y s t e m, t h e f r e e f r e q u e n c y o f h y d r a u l i c s y s t e m i s c a l c u l a t e d . I t h a s p ro v i d e d r e f e r e n c e f o r t h e s e l e c t i o n o f p a r a m e t e r a n d c o m p o n e n t i n t h e d e s i g n o f h y d r a u l i c s y s t e m. K e y w o r d s A D A M S ; v i r t u a l p ro t o t y p e ; r e g u l a t i n g h e i g h t m e c h a n i c a l ; d y n a m i c s a n a l y s i s 0 引言 采煤机是综采机械化采煤的主要一设备之一。随 着滚筒采煤机的广泛应用， 滚筒采煤机能否安全可 靠地连续工作已成为人们日益关注的课题。对日产 万吨的综采工作面而言， 停工一日就等于上百万元 的经济损失。由于采煤机的工作环境复杂恶劣， 载 荷变化很大， 一些关键部件在正常工作中往往出现 因过载而损坏的现象。无论是采煤机的机械传动部 件、 液压传动部件、 电器元件， 还是摇臂、 截割滚筒 等， 都因采煤机动载荷的加大而出现故障， 影响采煤 机的工作可靠性。本文针对上述问题， 利用先进的 机械动力学分析软件 A D A M S 建立采煤机调高系统 的虚拟样机模型， 通过施加不同频率的负载力， 得出 了系统的响应， 确定了液压系统的固有频率， 对采煤 机的设计具有一定的参考意义。 1 调高机构虚拟样机建模与运动仿真 虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动 学和动力学分析， 其核心是利用计算机辅助分析技 术进行机械系统的运动学和动力学分析， 以确定系 统及其构件在任意时刻的位置、 速度和加速度， 同 时， 通过求解代数方程组确定引起系统及其构件运 动所需的作用力和反作用力。 用P r o / E建立调高机构的三维几何模型， 通过 A D A M S 与P ro / E接口M E C H N I S M / P ro将调高三维几 何模型导人A D A M S 中建立其数字模型， 只考虑调高 过程， 忽略传动系统以及滚筒偏心对调高系统的影 响， 给模型添加各种约束和力以满足各运动关系， 主 要有摇臂及液压缸相对于机身的旋转副， 活塞杆与 摇臂间的旋转副以及液压缸体与活塞杆之间的移动 副。给液压缸施加运动约束， 使液压缸以速度函数 s t e p t i m e , 0 . 0 1 0 . 0 ， 0 . 4 ， 0 . 0 3 s t e p t i m e , 1 2 ， 0 , 1 2 . 3 ， 一 0 . 0 3 运动， 测得满足运动时液压缸所需的 液压力曲线如图 1 所示， 曲线显示 1 个初始幅值大 小为7 9 . 5 k N ， 由于速度的升降而产生2 次冲击载 荷， 其大小分别为8 1 . 2 k N , 7 4 . 2 k N 。力在调高过程 中平滑下降， 这是由于液压力相对于旋转点的力臂 变化造成的。 聋 770 5 . 0 1 0 . 0 1 5 . } 时间L a s 图1 液压力变化曲线 F i g . 1 H y d r a u li c f o r c e c u r v e * 煤炭科学研究总院青年创新基金 2 0 0 5 Q N 4 0 2 调高液压系统的虚拟样机建模 2 7 Vo l . 2 7 No . 1 2采煤机调高系统的虚拟样机仿真向虎第 2 7 卷第 1 2 期 液压系统 H y d r a u l i c s 虚拟样机模块是 A D A M S 软件的扩充模块之一， 能够同机械系统模块很好地 祸合， 建立和测试液压系统虚拟样机， 实现在计算机 上对液压系统的动、 静态特性分析仿真。 在 A D A M S中加载 A D A M S / H y d r a u l i c s 模块， 在 A D A M S / H y d r a u l i c 。 环境下建立液压回路， 设置环境 参数， 创建流体、 压力源、 控制阀、 液压锁、 液压缸等， 连接液压回路。建立采煤机调高机构液压系统框图 如图2 所示。各元件具体参数确定如下 D 2p 上、 下腔活塞压力面积 A . A , ” 。。 一 于 d 2 ” ‘ 一 晋 d 2,t 液压缸上、 下腔的瞬态机械体积 V } 1 . 。 一1 A } V , l 一1 . 1i. A , 标况下液压缸上、 下腔液体的初始体积 V u in i V ,;,i P u a V u u P lm id S , , P i. V lu P lu id ,, 了 f p _一, T f P ,. , T ., v “ 。’ 了 f P lo一, T f P s, T s,e V 1‘’ 图2 调高系统液压系统框图 F i g . 2 H y d r a u li c s y s t e m o f s h e a r e r r e g u l a t i n g s y s t e m 油液主要考虑可压缩性和低压非线性以及油液 粘度随温度变化特性， 主要参数有标况下油液密度 为9 0 0 k g / m ， 体积弹性模量为1 9 0 0 M P a ， 空气密度 为1 . 2 k g / m 。 液压泵选为恒压源， 初始压力和压力函数均选 为 1 4 M P a . 方向控制阀 假定 1 阀中体积为零; 2 阀芯 质量忽略不计; 3 液流面积与阀芯位移成正比; 4 双向流量特征相同; 5 当外控制为零时阀芯返回零 位。主要参数有 初始位置为0 ， 阀的开闭时间为 0 . 0 0 5 s ， 各进出口 之间相对泄漏为0 . 0 0 6 ， 全开口时 的流量为0 . 0 6 m / s . 高压溢流阀的调定压力为3 2 M P a . 液压缸有以下假设 计算交接点的力由液压力、 摩擦力和缓冲力组成; 在液压缸两端的弹性衬垫相 同; 液压缸质量不计; 液压缸缸体是柔性体而活塞杆 为刚体， 不考虑活塞杆的变形; 液压缸的运动和加速 不影响内部液体的运动。 由于液压缸内部压力变化△ P引起液压缸内表 面径向位移变化 IL. D , 全 P 。 D o D P 2 E ’ D ; 一D 言 19 其中， 液压缸外径 出液压缸的有效面积 ， 。。 二 D P 2 u ’ 晋 D 。 二 D P 2 s , A p P 一 P e ， 得 〔 卜 A ppE D o D PD o - D P ， ， “’ 其中， p f p , T 为 液 体的 状态方 程。 液压缸上、 下腔液体的密度 V . s m 11 0 一 V A fl u la}u V IS T P A I 一 可P n 0as lr 液压缸上、 下腔的压力 P u f A . ， T P I .f t A I ， T 计算出液压力 F P p l A , 一 P u A u P e A rl P e A N 液压缸各参数 连接长度1 , / m 1 . 4 4 8 7 最大伸长量 l m - / m 1 . 5 最小伸长量 1 . ;. / m 0 . 8 5 活塞直径D P / m 0 . 2 B 腔活塞杆直径d 别 m 0 . 1 A腔活塞杆直径 d ,,/ m 0 . 0 B 腔初始压力P 耐k P a 1 0 0 . 0 A腔初始压力P 创 k P a 1 0 0 0 . 0 壁厚 S / m 0 . 0 1 杨氏模量 E / k P a 2 . 1 E 0 8 泊松比19 0 . 3 3 调高系统动力学仿真 当 方向 控制阀开度以函数s t e p t i m e , 0 . 0 , 0 . 0 , 0 . 3 , 1 s t e p t i m e , 6 , 0 . 0 , 6 . 3 ， 一1 变化时， 滚筒达 到调整高度， 液压力变化曲线如图3 所示， 初始时刻 力为7 9 k N ， 由于阀的开闭引起系统的2 次冲击， 载 荷分别为8 1 . 8 k N和6 7 . 8 k N 。与调高机构运动仿 真基本一致。 28 第 27 卷第 12 期采煤机调高系统的虚拟样机仿真向虎Vo l . 2 7 No . 1 2 ，‘峨r浦茸1llL走0.l 肪毗汽70.旅 2兴/气气司工层 图 3 F i g . 3 时间1 /s 液压力变化曲线 H y dra uli c for c e c urv e I〕l干ll]ll1 之]「甲丁 阮 月一 一「到 {} }一 }} 斗 一 1{一 俩一 } 一一l1l1一l一 一仁 一 _」 L_ 」『一 l ]〕 匕 一j‘ - ].二一 尸 ，‘.〕 「一 一一一 们 反 〕 二 7 1 \ ‘ 琦-「 又 「 叉 「 不、白尸2 卜之} 卜 . 州I于J__」[ 一之〕一】.二〕一〕.] l」 } ， _ {巨 三 阵砰二 「 二票 户 砰干 卜干 叮 1 ，厂 ， 厂， } 「 「 厂了 厂下 厂节厂 下 厂 二 「 二} 一{ 卜 一} 一瓦 二 哥 【弃 蒸 时 七 」 l111}ll}1 l l1[11 了二二 赢嘟灿耐扒 户八 八脚廊八 八 ‘ 翩 振 祠几了 n1 _1 二二一 l1r.叭 1 ，，l1一 1 1 二 二L _} ，工 _. ’ 1 ’. l l 姆曰甲医压曰阵民片巨巨巨巨巨 厂{} {{ { - { 一} 卜{} - } 一 } 一 溯溯明期 2渭让宕 芯 互5么0二5段0 B 于通 ， 犷 5 1 尸 钾 一J 一一 . 工一L __ 1L 一 一二 1_ 二 走 一 一三. .，.二 .二 厂一下 r 1，二砖.， 七 1厂 ， {二。 1 1 . 1-ll上1石 月 1 -l _L_ _ L一_1_ 三仁二二 F厂 阵 万 而 斤玉 H比 F 砰 千行万 曰门 几 献勺 d斤 弓 一肠刁 巨三巨三 网 呵 程 } 姗 脚 呱跟 绷 } {勺 怪 功队 五 n 厂曰 111川J] .一 ]互 一一刁 们尸甘 丫 曰.l 1 严 ’ { ， 1 引} 一 } 一 【 1 二L 一一『二 口1lT;〕.二 r re 二口 L 一三[. 巨目 目 军 除 巨 巨 阵 阵 阵 巨 巨 巨目 i 万 { 厂 二 巨丁七1 「 丁1 一 下 「二 「 一 巨 厅 厂下 厂 一「 一 } }{ ， 内 叭 { 刁万 n ， 八 」1 硕 不确再 二R 丽l厨 日脉万 瓜 兀以 标几翻 1「 二 } 1 尹， ’厂 ， 1 ， ， 甘”尸洲， 丫 1 1 梦 ， 珊】叮 翻户n r V I ’ ，’ 盯1 } }}1}1 一一 一 }}}厂一} }{} l}}}}}}} ’「 一 l} }} 一 } l }}}} }}} }1} 山 二1 亘二 二 }1 }}}} }厂 一 「 下 默 “ 艺 ， 行{一严 n一ll厂一r esr- 一，r 一叶 res 一l 丁 -. 一r一 份 r 升 一r 一 腼 Il1_ 干llll仁一一卜一一广一 一1 - 卿 卿丽州 姗卿厕 i 丽 姆 阿 洲 卿 网 阵 牡 厂 心 胃 ;‘ 0_ 4 正弦输入响应 滚筒截煤时载荷变化是随机变化的， 但这些变 化都可看作存在一定的周期性， 为分析问题方便， 若 忽略外载荷中幅值波动较小的部分， 则满足简谐振 动的规律。故用频率分别为。 。 、 Q， 、 和。 。 的简谐振 动来模拟外载荷的变化， 据频谱分析的结果可看出， 滚筒所受的三向外载荷的基频与滚筒旋转的频率基 本相同， 这样研究系统对不同频率的正弦信号响应 是很有必要的。 当 输人力为 2 0 0 、 s t e p t im e ， 0 ， 0 ， 0 . 0 5 ， 1 2 0 ， s i n 。， t i m e ， 。分别为 1 0 ， 6 0 ， 9 0 ， 1 1 0 ， 1 6 0 时， 液 压缸长度和力的变化曲线如图4 所示。 由上述仿真曲线得出， 对于正弦输人， 当输人正 弦波的频率为 0 一10 H z 时， 输出波形没明显变化， 在10一14 H z 波动幅值呈上升趋势， 14 H z 以上， 输 出波动幅值明显下降， 说明调高液压系统对高频信 号的过滤， 高频信号衰减很大。液压系统的固有频 率为14H z ， 当干扰输人的频率在固有频率附近时响 应将被放大， 系统有可能振荡而不稳定。 参考文献 【 1 〕 向虎. 采煤机调高系统虚拟样机研究【 n] . 太原 太原理工大学， 2 X只 . 〔 2 ] 廉自 生， 刘混举， 李文英. 采煤机虚拟原型技术探讨【 J 〕 . 矿山机 械， 1 9 9 8 1 1 1 6 一 1 8 . 〔 3 〕 向虎， 廉自生. 虚拟样机技术在采煤机滚筒调高系统中的应用 [ J ] . 煤矿机械， 2 以 又， 2 5 5 1 04一 1 0 5 . 〔 4 〕 李萍. 采煤机的动力学模型及其仿真研究【 D] . 阜新 辽宁工程技 术大学， 2 以 刃 〔 5 ] 李萍， 刘春生， 等. 采煤机调高机构的动力学分析【 J]. 黑龙江矿业 学院学报， 2 X 刃 1 0 18一 20. 嘿 几之0己530人 时衍 1 乙5 作者简介向虎 1 979 一 ， 甘肃高台人， 硕士， 太原理工大学毕 业， 主要研究领域机械设计、 制造及自动化， 煤矿机电液系统， C A D/ C A E， Tel 0 1 0一8 426 3 洲 】 一5 8 ，E一m aj l X h u 7 1 3 1 2 6 . c o m. 加咖蒯溯划润 ZJ、丈灵 图 4 Rg . 4 液压力变化曲线 H y d r a ulicfor c ec u r v e收稿日期 2 以 拓一 0 8 一 50 MGZ O O / 5 0 0一WD、 MG 2 5 0 / 6 0 0一WD 采 火 展 利 1 出 厂 公 平 宝 义 意 见口 M GZoo乃00一 w D 、 M G250/600一 w D采煤机是由三一重型装备有限公司开发的首台采煤机产品。其主要技术参数 装机功 率5 X 6 X k w 截割 2 x 2 X 2 5 0 、 牵引 2 x 4 0 、 油泵电机 2 0 ， 采高范围1 . 6 一 3 . om ， 机面高度 1 2 5 0 m m ， 牵引中心距5 3 3 5 m m ， 机重3 l t ， 滚筒直径 1 6 00 1 4 00、 1 5 00 m m ， 滚筒截深6 3 0 8 3 0 m m ， 最大卧底量3 2 0 m m ， 牵引力5 5 0 一 3 2 0 k N ， 供电电压1 1 4 0 V 。现样机已经试制完成， 并通过了工厂整机性能检测。评委会经过充分讨论， 形成出厂评议意见如下 lM GZoo巧00一 WD 、 M G250/600一 wD采煤机样机达到了设计任务书的要求; 2 M G 2 00乃00一 wD 、 M G25 0/日 x 〕 一 w D采煤机借鉴了国内外成熟机型 的技术特点， 多电机横向布置， 便于维修; 整体弯摇臂结构， 装煤效果好、 卧底量大; 主参数选择合理， 具有较好的适应性; 3变 频器首次采用了硅油橡胶减振系统， 可靠性高; 4 整机所有轴承、 关键密封件、 液压泵、 液压阀组、 水路系统及主要电气元件均 采用进口名牌产品， 提高了系统的可靠性 5行走部结构合理， 维护方便。 建议 1适当提高整机重量， 提高硬质煤条件下的稳定性; 2进一步完善内喷雾结构， 达到更好的内喷雾效果。 2 9