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太原理工大学 硕士学位论文 基于虚拟样机技术的采煤机动力学仿真 姓名纪玉祥 申请学位级别硕士 专业机械设计与理论 指导教师廉自生 20060501 太原理上人学硕士研究生学位论文 基于虚拟样机技术的采煤机 动力学仿真 摘要 虚拟样机技术 V i r t u a lP r o t o t y p eT e c h n o l o g y 作为现代设计制造领域 的一门新技术，为传统的机械产品设计注入了新的活力，本文对把虚拟 样机技术应用到采煤机牵引系统来进行动力学分析作了初步的研究。 采煤机是一个复杂的机械系统，其主要包括行走部、截割部、及其 附属设备。每个部分负载特性也非常复杂，采用传统的计算方法研究其 动态特性非常困难。本文结合三维建摸软件U G 和机械系统动力学仿真 软A D A M S 对采煤机整机的动态特性进行了仿真研究。 采用U G 软件建立了系统机械结构的几何模型，通过P a r a s o l i d 格式， 将机械结构的几何模型导入到A D A M S 软件中，建立了采煤机系统的虚 拟样机。为了在计算机上真实地再现采煤机的工况，本文首先对采煤机 截割部和牵引部的负载特性进行了分析，得出采煤机截割部的负载特性 是符合随机正态分布的随机函数的结论，为后续仿真中负载的模拟奠定 了基础，同时得出了牵引部的动力学方程。 运用A D A M S 软件对采煤机进行了运动学和动力学分析。由运动学 分析得出了采煤机工作时的位移、速度、加速度曲线；而在动力学分析 中，则施加了阶跃信号、正弦信号、随机信号，研究了采煤机各种激励 状态下的动态特性，包括各铰接点、油缸、及导轨所受到的力及力矩。 论文研究表明创建基于A D A M S 的虚拟样机。在采煤机的结构设 太原理J 二人学硕士研究生学位论文 计中引入虚拟样机技术，可以提高产品设计质量，缩短开发周期，提高 采煤机的自主开发能力，对采煤机的设计，具有一定的参考价值。 关键词采煤机，负载特性，虚拟样机，动态仿真 Ⅱ 太原理上人学硕士研究生学位论文 S I M U L A T I o NA N A L Y S I N Go N S 丑E A R E RB YV I R T U A LP R o T o T Y P E A B S T R A C T A san e wt e c h n o l o g yi nt o d a y ’Sd e s i g na n dm a n u f a c t u r ef i e l d s ，t h e V i r t u a lP r o t o t y p eT e c h n o l o g yb r i n g sn e we n e r g yt ot h et r a d i t i o n a ld e s i g na n d m a n u f a c t u r e ．T h i sp a p e rh a sa t t e m p t e dt ou s et h i st e c h n o l o g yi nt h ed y n a m i c a n a l y s i so fc o m p l i c a t e ds h e a r e r ’Sh a u l a g es y s t e r r u T h es h e a r e ri sac o m p l e xm e c h a n i c a ls y s t e m , I tc o n s i s to f h a u l a g eu n i t 、 c u t t i n gu n i ta n dr e l a t e da p p e n d a g e ．a n dt h ee v e r y t h i n gl o a d sc h a r a c t e r i s t i ci s v e r yc o m p l i c a t e d ，S Oi tb r i n g sm a n yd i f f i c u l t i e st or e s e a r c hd y n a m i cp r o p e r t y w i t ht r a d i t i o n a lc o m p u t a t i o n a lm e t h o d ．A p p l y i n gA D A M Sa n dU Gs o f t w a r e t oa n a l y s et h ed y n a m i c sp r o p e r t yo fs h e a r e r ． A p p l y i n gU Gs o f t w a r et ob u i l dt h eg e o m e t r i c a lm o d e lo fs y s t e m ’S m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ．W ei m p o r tt h eg e o m e t r i c a lm o d e lo fm e c h a n i c a l s t r u c t u r ei n t oA D A M St ob u i l daV i r t u a lP r o t o t y p em o d e lo fs h e a r e r ．A tt h e f i r s tp a r t ，i no r d e rt om a k et h es i m u l a t i o nm o r ea p p r o x i m a t et ot h er e a l c o n d i t i o n ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so nt h el o a do ft h eh a u l a g eu n i to ft h es h e a r e r a n dt h el o a do ft h ec u t t i n gu n i to ft h es h e a r e r , w eg e tt h el o a dp r o p e r t yo f s h e a r e r ’Sc u t t i n gu n i ta n dd r a wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h el o a dc a nb ee q u i v a l e n t t oar a n d o mf u n c t i o nw h i c ha c c o r d sw i t han o r m a ld i s t r i b u t i o n ． A p p l y i n gA D A M St o f i n i s ht h em o d a la n a l y s i so fs h e a r e Lc o n t e n t s I I I 太原理j 二人学硕士研究生学位论文 i n c l u d ek i n e m a t i c sc h a r a c t e ra n dd y n a m i c sc h a r a c t e r ．A c c o r d i n gt ok i n e m a t i c s w eg e tr e s p o n s ed i s p l a c e m e n tc u r v e 、v e l o c i t yC H I V e 、a c c e l e r a t e dc u r v eo f s h e a r e r ．T h r o u g ht h ed y n a m i c sa n a l y s i s ，A d o p t i n gd i f f e r e n ts i g n a l s t e p s i g n a l 、s i n es i g n a l 、r a n d o ms i g n a l t oa n a l y s et h ed y n a m i c sp r o p e r t yo f s h e a r e r ’Sr a n g i n ga r m ＼r a ma n c h o ra n d c a t e r p i l l a rt r a c ，i n c l u d i n gt h ef o r c eO n e a c h j o i n tp o i n ta n dd y n a m i cr e s p o n s ec a l v eo f r a n g i n ga r l n ． T h ep a p e rm a n i f e s t st h a t ，b yb u i l de f f i c i e n tv i r t u a l p r o t o t y p e ．T h e a p p l i c a t i o no fV i r t u a lP r o t o t y p eT e c h n o l o g yi nt h es h e a r e rs t r u c t u r ed e s i g n C a ni n c r e a s eq u a l i t yo fp r o d u c td e s i g n ，s h o r t e np e r i o do fs h e a r e rd e s i g n ．I t w o u l db eu s e da sr e f e r e n c ei nt h es h e a r e rd e s i g n ． K A YW O R D S s h e a r e r , l o a dc h a r a c t e r i s t i c ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，d y n a m i c s i m u l a t i O a n I V 太原理上人学硕士研究生学位论文 1 ．1 课题的提出 第一章绪论 新产品的研发涉及诸如机械运动学与动力学、人机工程学、美学等多个相关的学 科，而传统的设计方法又无法使各学科理论的实现达到最优。一种新设备的研发，按 照传统的设计模式通常要经过设计、样机试制、工业性试验、改进定型和批量生产几 个步骤。由于这种基于物理样机的设计研发模式的致命缺陷 成本高、周期长 ，往往 使物理样机反复性试验不够充分，加上设计人员通常不愿为修改局部而给整机带来不 可预知的结果，这就使机械产品造型、结构和功能严重老化，从而在市场上缺乏竞争 能力。这种基于样机制造、试验的设计方法增加了新产品的研发周期和成本．产品结 构越复杂，这种人力、物力、财力的浪费越严重，从而严重制约了产品质量的提高。 虚拟样机技术的出现和逐渐成熟，为解决这些问题提供了强有力的工具和手段【l 】。 1 ．1 ．1 虚拟样机技术在交流电牵引采煤机中的引入 然而同其它产品一样，交流电牵引采煤机的研发存在一个设计、改进、定型的过 程。面对技术的不断进步，如何尽快地完善，在这一行业市场中立于不败之地 面对 这一系列问题，基于物理样机的传统研发模式显得力不从心，而虚拟样机技术的引入， 提供了一个很好的解决手段【2 】。 1 ．1 ．2 采煤机械发展与现状 目前国内外使用的采煤机械主要是可调高的双滚筒采煤机，这种经过改进的滚筒 采煤机，可追溯到长壁截煤机，是早期用于煤层底部掏槽的采煤机械。最早的滚筒采 煤机是在截煤机的基础上，将减速箱部分改成允许安装一根水平轴和截割滚筒而演变 成的。这种滚筒采煤机与可弯曲输送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。早期的 滚筒采煤机主要存在2 个问题，①截煤滚筒的安装高度不能在使用中调整 即所谓的 固定滚筒 ，对煤层厚度及变化适应性差；②截煤滚筒的装煤效果不佳 即所谓的圆形 滚筒1 ，限制了采煤机生产率的提高．2 0 世纪6 0 年代，英国、德国、法国和前苏联等 先后对采煤机的截割滚筒作出2 项改进。一是截煤滚筒可以在使用中调整其高度，完 全解决对煤层赋存条件的适应性；二是把圆形滚筒改进成螺旋叶片式截煤滚筒，极大 太原理上人学硕士研究生学位论文 地提高了装煤效果。这2 项改进使滚筒式采煤机成为现代化采煤机械的基础。在滚筒 采煤机发展的同时，还研制出用刨削方式落煤的刨煤机、以钻削方式落煤的钻削式采 煤机，以及螺旋钻式采煤机。现代滚筒采煤机均为可调高摇臂滚筒采煤机，其发展是 从有链到无链；由机械牵引到液压牵引再到电牵引；由单机纵向布置驱动到多机横向 布置驱动；由单滚筒到双滚筒，且向大功率、遥控、遥测、智能化发展，其性能日臻 完善，生产率和可靠性进一步提高，工况自动监测、故障诊断以及计算机数据处理和 数显等先进的监控技术已在采煤机上得到应用[ 3 1 。 牵引方式向电牵引方向发展。传统的液压牵引采煤机在国外仍然在生产和使用 中，但已不占主导地位，由于电牵引采煤机的诸多优点，国外目前新开发的采煤机， 特别是功率采煤机基本上都是采用电牵引方式。装机总功率不断增大。为适应煤矿生 产实现高产高效，国外采煤机的功率在不断提高，电机截割功率通常在4 0 0 k W 以上， 最新报道已达8 5 0 k W 。牵引电机功率均在4 0 k W 以上，大的甚至达到1 2 5 k W 。总装 机功率通常超过1 0 0 0 k W ，如E L 3 0 0 0 型采煤机总装机功率高达2 0 0 0 k W ，7 L S 5 型采 煤机达1 9 4 0 k W 。牵引速度、牵引力也大幅提高，且前大功率电牵引采煤机的牵引速 度普遍达到1 5 ～2 5 m ／m i n ，最大牵引速度达5 0 m ／m i n ，牵引力高达1 0 0 0 k N 。牵引 速度的加快，支架随机支护的实现，使工作面顶板空顶时间缩短，为加大支架步距和 滚筒截深创造了条件。采用大截深滚筒已成为提高采煤机生产能力的重要途径，目前 普遍采用的截深为1 0 0 0 ～1 2 0 0 m m ，个别已达1 5 0 0 m m ． 3 元部件可靠性大幅提高。 为提高采煤机的可靠性，减少故障率，采煤机齿轮的设计寿命已提高到2 0 0 0 h 以上， 轴承的寿命提高到3 0 0 0 h 以上，并且还有进一步提高的趋势。液压泵和液压马达的寿 命已达1 0 0 0 0 h 。电牵引方式趋向交流变频调速。电牵引采煤机的牵引方式按牵引电 机的类型可分为直流牵引和交流牵引，由于交流变频调速电牵引系统具有技术先进可 靠、维护管理简单、价格低廉等特点，近几年发展很快。2 0 世纪9 0 年代中后期研制 的大功率电牵引采煤机均采用交流变频调速牵引系统。交流牵引正逐步替代直流牵 引，成为今后电牵引采煤机的发展方向。早期的交流电牵引均采用1 个变频器拖动2 台牵引电机，变频器对电机的性能参数难以准确检测，控制和保护功能无法完全发挥。 德国在开发S L 3 0 0 时，采用2 个变频器分别拖动2 台牵引电机的牵引系统，使牵引 的控制和保护性能更加完善。这种一拖一的牵引系统也正被逐步采用，成为电牵引技 2 太原理上人学硕士研究生学位论文 术发展的又一个特点。 5 无链牵引向齿轮一齿轨式演变。随着牵引力不断增大，销 轮一齿轨式无链牵引已近淘汰，齿轮一链轨式无链牵引已使用不多，正逐步趋向于采 用齿轮一齿轨式无链牵引。这是一种从齿轮一销轨式演变而末的无链牵引结构，圆柱 销被齿轨所取代，焊接结构改成了整体精密铸造或锻造，宽度增大，节距由1 2 5 m m 增加到1 7 5 m m 。 6 普遍采用中、高压供电。由于装机功率大幅度提高以及工作面的 不断加长 达到3 0 0 m ，整个工作面供电容量超过5 0 0 0 k W 。为了减少输电线路损耗， 保证供电质量和电机性能，新研制的大功率电引采煤机几乎都采用中、高压供电。主 要供电等级有2 3 0 0 ，3 3 0 0 ，4 1 6 0 ，5 0 0 0 V 等。 7 监控保护系统的智能化。新型的电 牵引采煤机具有建立在微处理机基础上的智能监控、监测和保护系统，可实现交互式 人机对话、远近控制、无线电随机遥控、工况监测及状态显示、数据采集存储及传输、 故障诊断及预警、自动控制等多种功能，以保证采煤机具有最低的维修量和最高的利 用率；并可实现采煤机滚筒沿工作面煤层自动调节采高等控制功能。 新设计的滚筒采煤机几乎都采用多电机横向布置；取消底托架；各大部件间采用 液压螺栓、哑铃销、偏心锁紧螺母等联接，以构成采煤机的机身，左、右摇臂通过销 轴铰接在机身的两端。大力开发电牵引采煤机。装机功率1 0 0 0 k W 以下的电牵引采煤 机已逐步走向成熟，且形成系列，装机功率1 8 0 0 k W 电牵引采煤机在研制中。目前国 内使用的交流电牵引采煤机的电牵引调速系统主要有3 种即交流变频调速系统、电 磁转差离合器调速系统和开关磁阻电机调速系统 简称s v , o 。在这3 种交流电牵引 调速系统中交流变频调速技术在采煤机的应用已逐步走向成熟并具有发展潜力；电 磁转差离合器调速技术本身比较成熟但是在采煤机的应用存在低速性能等问题。从目 前来看，交流变频调速技术和S R D 技术应该是未来采煤机应用的主要方向。f 3 我国 经济型综采和高档普采的主要机型为M G 2 0 0 ，目前在册近千台，该机型由于功率偏 小、过断层能力差、结构上的局限性等，而需要改进以至换代。为此，近年来进行 了M G 2 0 0 采煤机的换代设计。现己完成的M G l 5 0 ／3 7 5 w 型及M G l 6 0 ／3 7 5 w 采煤 机均可作为M G 2 0 0 的换代产品，使用中已取得良好效果。该换代产品在配套尺寸不 变的情况下，将装机功率由2 0 0 k W 提高到3 7 5 k W ，其结构更为简单，即3 个电机横 向布置，1 5 0 1 6 0 k W 的左、右截割电机分别布置在左、右摇臂内，两段或三段式机 身通过液压螺栓联为一体，左、右截割部通过销轴铰接在左、右牵引行走箱上，其生 3 太原理上人学硕士研究生学位论文 产效率、截割能力大大提高，使用更为方便。 4 特殊机型采煤机的发展与应用。如 天地科技股份有限公司上海分公司开发的M G 2 5 0 ／3 0 0 ．N W D 型电牵引短壁采煤机， 可用于急倾斜特厚煤层水平分层放顶煤开采“三下一上”采煤；煤柱和边角煤回收； 短壁工作面双巷或单巷开采长壁面开机窝；煤巷掘进等。再如，新汶矿业集团从乌克 兰引进螺旋钻式采煤机已成功用于各种难采煤层．1 台螺旋钻机仅需3 ～4 人在工作 面回采巷道内操作．月产6 0 0 0 t 以上，实现了真正的无人工作面安全生产． 目前，有关部门的科研人员正在从事着采煤机技术领域的多项科研课题的研究， 例如适应有夹矸煤层的半煤岩采煤机的研制增大块煤率的滚筒无级调速研究；液 压牵引采煤机和无线遥控技术的应用研究；电牵引采煤机水介质调高及高压喷雾灭尘 系统研究，包括利用工作面的乳化液作为传动介质的调高系统研究；特殊条件下开采 的采煤设备研究。如螺旋钻式采煤机的开发；故障诊断、工况监测、显示及自动控制 和自动调高系统的研究；大功率电牵引采煤机 1 0 0 0 k W 以上 的研制等。相信通过这 些内容的研究，将使我国采煤机械的性能更为完善，适应范围更广，效率更高，从而 使我国采煤机械的技术达到国际先进水平陋册埘】。 1 。2 本课题研究意义及主要内容 本课题以国产M G 3 0 0 ／6 8 0 ．W D 型交流电牵引采煤机为对象研究虚拟样机技术在 产品开发中的实际应用。研究的主要工作有 1 ．对采煤机的结构和工作原理作一个全面的分析，提出一个合理的简化模型。 2 ．使用U G 设计软件完成采煤机的三维实体造型； 3 ．使用美国M S C 公司的A D A M S 软件对采煤机进行动态仿真和运动学、动力学 分析； 4 ．根据第 2 步分析结果对M G 3 0 0 ／6 8 0 - W D 型交流电牵引采煤机进行结构和力学 分析。 4 太原理上人学硕士研究生学位论文 第二章采煤机的结构及其工作原理 2 ．1 采煤机的主要组成 采煤机是机械化采煤作业的主要设备，其功能主要是落煤和装煤。现以双滚筒采 煤机为例，说明其组成。它主要是由电动机、牵引部、截割部和附属装置等组成。电 动机是滚筒采煤机的动力部件，通过输出轴和齿轮传动分别驱动两个截割部和牵引 部。采煤机的电动机都是防爆的，而且通常都是采用定子水冷，以缩小电动机的尺寸。 牵引部通过其主动链轮与固定在工作面输送机两端的牵引链相啮合，使采煤机沿工作 面移动，因此，牵引部是采煤机的行走机构。左、右截割部截割电动机的动力经摇臂 齿轮减速箱后传给滚筒，驱动滚筒旋转。滚筒是采煤机落煤和装煤的工作机构，滚筒 上焊有端盘及螺旋叶片，其上装有截齿。螺旋叶片将截齿割下的煤装到刮板送机中。 为提高螺旋滚筒的装煤效果，滚筒一侧装有弧形挡煤板，它可以根据不同的采煤方来 回翻转1 8 0 。底托架是固定和承托整台采煤机的底架，通过其下部四个滑靴将采机骑 在板输送机的槽帮上，其中采空区侧两个滑靴套在输送机的导向管上，以保证采煤机 的可靠导向。底托架内的调高油缸可使摇臂连同滚筒升降，以调节采煤机的调高。调 斜油缸用于调整采煤机的纵向倾斜度，以适应煤层沿走向起伏不平时的截割要求。电 气控制元件装中间箱，用于采煤机的各种电器控制和保护。 此外，为降低电动机和牵引部的温度并提供内外喷雾降尘用水，采煤机设有专门 的供水系统。采煤机的电缆和水管夹持在拖缆装置内，并由采煤机拉动在工作面输送 机的电缆槽中卷起或展开。 2 ．1 ．1 采煤机的行走部 采煤机牵引部担负着移动采煤机，使工作机构连续落煤或调动机器的任务。牵引 部包括牵引机构及传动装置两部分。牵引机构是直接移动机器的装置，有链牵引和无 链牵引两种类型。传动装置用来驱动牵引机构并实现牵引速度的调节。传动装置有机 械传动、液压传动和电传动等类型，分别称为机械牵引、液压牵引和电牵引【 9 1 。 1 、牵引机构 无链牵引的优缺点 5 太原理上人学硕士研究生学位论文 无链牵引机构具有以下优点； 1 ．采煤机移动平稳，振动小，降低了故障率，延长了机器使用寿命； 2 ．可采用多牵引，使牵引力提高到4 0 0 ～6 0 0 k N “ 以适应在大倾角 最大达5 4 0 条件 下工作“旦应有可靠的制动器 ； 3 ．可实现工作面多台采煤机同时工作，以提高产量； 4 ．消除了断链事故，增大了安全性。 无链牵引的缺点是对输送机的弯曲和起伏不平要求高，输送机的弯曲段较长 约 1 5 m ，对煤层地质条件、变化的适应性差；此外．无链牵引机构使机道宽度增加约 1 0 0 n l m ，加长了支架的控顶距离。 因采煤机向大功率、重型化和大倾角的方向发展以后，链牵引机构己不能满足需 要，因此从7 0 年代开始，链牵引己逐渐减少，无链牵引得到了很大的发展。无链牵 引机构取消了固定在工作面两端的牵引链，以采煤机牵引部的驱动轮或再经中间轮与 铺设在输送机槽帮上的齿轨相啮合，从而使采煤机沿工作面移动，无链牵引的结构型 式很多，齿轮一销轨型无链牵引机构是比较常用的一种，这种是以采煤机牵引部的驱 动齿轮经中间齿轨轮与铺设在输送机圆柱销排式齿轨 即销轨 相啮合使采煤机移动。 驱动轮的齿形为圆弧曲线，中间轮则为摆线齿轮。销轨由圆柱销 直径为5 5 m m 与两 侧厚钢板焊成节段 销子节距1 2 5 m m ，每节销轨长度是输送机中部槽长度的一半 7 5 0 m m ．销轨接口与溜槽接口相互错开。当相邻溜梢的偏转角为口时，相邻齿轨的 偏转角只响a ／2 ，以保证齿轮销轨的啮合。M G 3 0 0 ／6 8 0 - W D 型交流电牵引采煤 机型采煤机采用两个这种牵引机构。 2 、传动装置 牵引部传动装置的功用是将采煤机电动机的动力传到主动链轮或驱动轮并事先 调速，现有牵引部传动装置按传动形式可分为三类机械牵引、液压牵引和电牵引。 牵引传动箱有两个，分别装在底托架两端的采空区侧，牵引传动箱中的电机将动力分 别通过齿轮传给二级齿轮减速器，最后由行星架输出，传给行走箱内的驱动滚轮Z 1 。， z l 。与行走轮Z l 相啮合，而Z l 又与固定在输送机采空区侧槽榜上的齿条啮合而是使 采煤机沿工作面全长移动。其牵引部传动系统图如下图所示【8 l 。 6 太原理上人学硕士研究生学位论文 图2 - 1行走部的传动原理图 F i g u r e 2 1D r i v i n ga x i o sf r a m eo ft r a c t i o n 2 ．1 ．2 采煤机的截割部 截割部是采煤机直接落煤、装煤的部分，其消耗的功率约占整个采煤机功率的 8 0 ％9 0 ％。落煤部分包括工作机构及其传动装置，工作机构是指滚筒和安装在滚筒上 的截齿，而传动装置是指固定减速箱、摇臂齿轮箱，有时还包括滚筒内的传动装置。 截齿和螺旋滚筒 1 、截齿 截齿是采煤机直接落煤的刀具，截齿的几何形状和质量直接影响采煤机的工况、 能耗、生产率和吨煤成本．对截齿的要求是强度高、耐磨、几何形状合理、固定牢靠。 截齿齿身常用3 0 ～3 5 C r M n S i ，3 0 ～3 5 S i ‰V 或4 0 0 r 钢制作，并经调质处理，齿头部镶 嵌碳化铬硬质合金。滚筒采煤机用的截齿，有扁截齿和镐形截齿两种。 扁截齿即刀形截齿，它是沿滚筒径向安装在螺旋叶片和端盘的齿座中的，故又称 为径向截齿。为提高耐磨性能，截齿头部镶嵌有硬质合金。扁截刀形截齿可截割不同 硬度和韧性的煤，适应性较好。 1 太原理上人学硕士研究生学位论文 镐形截齿分为圆锥形截齿和带刃扁截齿。镐形截齿基本上是沿滚筒切向安装的， 故又称切向截齿．镐形截齿落煤时主要靠齿尖的尖劈作用楔入煤体而将其碎落，故适 用脆性及裂隙多的煤层。圆锥形截齿的齿尖是由硬质合金做成的，齿身头部也堆焊一 层硬质合金，增加了耐磨性．这种齿形状简单，制造容易，从原理上讲，截煤时截齿 可绕轴线自转而自动磨钝。 ～ 。 2 、螺旋滚筒 螺旋滚筒由螺旋叶片、端盘、齿座、喷嘴及筒壳等部分组成。螺旋叶片用来将截 落的煤推向输送机。端盘紧贴煤壁工作，以切出新的整齐的煤壁，为防止端盘与煤壁相 碰，端盘边缘的截齿向煤壁侧倾斜，端盘上截齿截出的宽度为8 0 到1 2 0 r a m ．齿座的孔 中安装截齿。叶片上两齿座间布置有内喷雾喷嘴，内喷雾水则由喷雾泵通过供水系统 引入滚筒并通向喷嘴。筒壳与滚筒轴连接。螺旋滚筒的参数有结构参数和工作参数两 种。结构参数包括滚筒直径、宽度、螺旋叶片的旋向和头数；工作参数指滚筒的转速 和转动方向。螺旋滚筒有三个直径，即滚筒直径D 、螺旋叶片外缘直径见及筒壳直径 见。其中滚筒直径是指滚筒上截齿齿尖处的直径，滚筒直径尺寸已成系列，可根据所采 煤层厚度选择。筒壳直径琅越小，螺旋叶片的运煤空间越大，有利于装煤，通常D 。与域 之比值为O ．4 加．6 。滚筒宽度B 是滚筒边缘到端盘最外侧截齿齿尖的距离。也即采煤机 的理论截深。目前采煤机的截深从O ．6 ～1 ．O m 有多种，其中以0 ．6 m 用得最多。滚筒 的螺旋叶片有左旋和右旋之分，为向输送机推运煤，滚筒的旋转方向必须与滚筒的螺 旋方向相一致，对逆时针向旋转 站在采空区侧看滚筒 的滚筒，叶片应为左旋；顺时针 向旋转的滚筒，叶片应为右旋，即应符合通常所说的”左转左旋，右转右旋”规律。滚筒 上螺旋叶片的头数一般为2 4 头，以双头用得最多，3 、4 头只用于直径较大的滚筒 或用于开采硬煤。 采煤机在往返采煤的过程中，滚筒的转向不能改变，为此出现两种不同的情况； 截齿截割方向与碎煤下落方向相同时，称为顺转；截齿截割方向与碎煤下落方向相反 时，称为逆转。 双滚筒采煤机的滚筒转向如图所示。当滚筒直径较大时，两个滚筒的转向一般采 用前顺后逆，这种方式装煤效果好，滚筒不向司机甩煤。当滚筒直径较小时滚筒转向 8 太原理上人学硕士研究生学位论文 采用前逆后顺，这时不经摇臂下面装煤，有利于提高装煤效率。单滚筒采煤机一般在 左工作面用右螺旋滚筒，而在右工作面用左螺旋滚筒。滚筒的转速，若采煤机滚筒以 转速n 旋转，同时以牵引速度匕向前推进，截凶切下的煤屑呈月牙形，其厚度从O ～h 。。 变化，而且 1 0 0 v 嚏。 旦 2 1 r H ‘n 式中，u ⋯一⋯牵引速度，m ／m i r a n ⋯⋯滚筒转速，r ／m i r a m ⋯同一截线 定义见后 上的截齿数。 由上式可见，当r a 一定时，煤屑厚度与牵引速度成正比，而与滚筒转速成反比， 即滚筒转速愈高，煤的块度愈小，并造成煤尘飞扬。所以，滚筒转速一般限制在3 0 ～ 5 0 r ／r n j m 薄煤层时一般为 6 0 ～1 0 0 r ／r a i n ，相应的截齿速度 即滚筒截割齿尖切 向速度 一般为3 ～5 r ／m i n 。螺旋滚筒上截齿的合理排列，可以降低截煤能耗，提高 块煤率以及使滚筒受力平稳，振动小。截齿的排列取决于煤的性质和滚筒直径等。截 齿的排列情况可用截齿配置图 图2 ．1 来表示。截齿配置图就是滚筒截齿齿尖所在圆 柱面的展开图，图中水平线为不同截齿的空间轨迹展开线，称为截线；相邻截线间的 距离称为截距。由于端盘贴煤壁工作，煤的压张程度差，工作条件恶劣，故端盘部分 截齿的截距要比螺旋叶片部分的截距小，而且越贴近煤壁，截距越小。端盘上的截距 都是靠调整齿座倾角获得，向煤壁的倾角用“ ”号，向采空区侧用“一”号表示。 由图可见，端盘部分的截齿较密，每条截线上的截齿数一般为m ’ 小 2 ～3 个 m 为叶片部分每条截线上的截齿数 。 叶片部分截距一般为t 3 2 ～6 5 ，小值适用于硬煤。图中为二头螺旋叶片。 3 、截割部传动装置 截割部传动装置的功用是将电动机的动力传递到滚筒上，以满足滚筒工作的需 要．同时，传动装置还应适应滚筒调高的要求，使滚筒保持适当的工作高度。由于截 割消耗采煤机总功率的8 0 ％～9 0 ％，因此要求截割部传动装置具有高的强度、刚度 和可靠性，良好的润滑密封、散热条件和高的传动效率。对于单滚筒采煤机，还应使 传动装置能适应左、右工作面采煤的要求。 9 太原理上人学硕士研究生学位论文 图2 - 2采煤机截齿配置 F i g u r e 2 - 2 C u t t e rc o l l o c a t i o no fs h e a r e r 1 传动方式 采煤机截割部都采用齿轮传动，常见的传动方式有以下几种 ①电动机一固定减速箱一摇臂一滚筒 图2 3 a 。这种传动方式的特点是传动简 单，摇臂从固定减速箱端部伸出，支承可靠，强度和刚度好。但摇臂下降的最低位置 受输送机限制，故卧底量较小。D 一1 5 0 、B M 1 0 0 型采煤机均采用这种传动方式。 ②电动机一固定减速箱一摇臂行星齿轮传动一滚筒 图2 3 b 。这种方式在滚 筒内装歼；星传动，故前几级传动比减小，简化了传动系统，．但筒壳尺寸却增大了， 故这种传动方式适用于中厚煤层采煤机，如在M L S 一7 0 、M Y 然后将Matlab下的控制器调入到采煤机虚拟样机中,实现机械系统和控 制系统的联合仿真;通过ADAMS与MATLAB间的交互式仿真,结合ADAMS三维可视化处理,使采煤机在虚拟环境下作仿真运动分析,从而获得采煤机在空载和有 负载存在的情况下的动力学特性. 3.会议论文 王煜明.孙景荣.李云罡 电牵引采煤机用高转差率牵引电动机的特性分析 2000 高转差率牵引电动机是解决销轨式采煤机用变频器过载、过流问题的办法之一，该文从电动机的基本原理出发，通过将电磁场的问题归结为电路问 题进行分析，求出适合于采煤机电牵引负载特性的高转差率电动机的电磁参数。采用新的结构，克服因提高电动机转差率而引起电动机温升严重的问题 ，通过关键工艺的改进，保证电动机的性能。 4.学位论文 刘楷安 采煤机截割部虚拟样机及其动态特性仿真研究 2005 虚拟样机技术VirtualPrototypeTechnology作为现代设计制造领域的一门新技术，为传统的机械产品设计注入了新的活力。 采煤机截割部 是一个复杂的多体系统，其负载特性非常复杂，采用传统的计算方法研究其动态特性非常困难。本文结合机械系统动力学仿真软ADAMS和有限元分析软件 ANSYS对采煤机截割部动态特性进行了仿真研究。 采用UG软件建立了系统机械结构的几何模型，通过Parasolid格式，将机械结构的几何模型导入 到ADAMS软件中，建立了采煤机截割部系统的虚拟样机模型。根据仿真的需要，研究了柔性体的生成方法，选择使用ADAMS软件成了采煤机截割部摇臂的 柔性化模型，最终建立了含柔性摇臂的虚拟样机模型。 运用ADAMS软件对摇臂进行了模态分析，提取了摇臂的自由模态、约束模态的振型和固有频 率。施加了阶跃信号、正弦信号、随机信号，研究了截割部摇臂各种状态下的动态特性，包括各铰接点的力，以及摇臂的位移、速度、加速度曲线。最 后，提取了有限元分析的载荷。 使用ANSYS软件建立了摇臂的有限元模型，施加ADAMS软件提取的载荷，对摇臂进行了静力学分析和模态分析。通 过静力学分析，校核了采煤机摇臂的强度。比较了ADAMS和ANSYS软件模态分析的结果，分析了造成差别原因，从而验证了AMAMS软件分析结果的正确性。 论文研究表明通过创建柔性体，能够提高仿真精度，建立更高效的虚拟样机。在采煤机的结构设计中引入虚拟样机技术，可以提高产品设计质量 ，缩短开发周期，提高采煤机的自主开发能力，对采煤机的设计，具有一定的参考价值。 本文链接 下载时间2010年3月18日