连续采煤机截割滚筒的运动学分析(1).pdf

第2 4 卷第6 期辽宁工程技术大学学报2 0 0 5 年1 2 月 、厂0 1 ．2 4 N o ．6 J o u m a lo fL i a o n i n gT e c h n i c a lU I l i v e r s i 哪D e c ．2 0 0 5 文章编号1 0 0 8 ．0 5 6 2 2 0 0 5 0 6 ．0 1 O O _ 0 3 连续采煤机截割滚筒的运动学分析 李晓豁1 ，于信伟1 ，一，麻晓红1 ，2 1 ．辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新1 2 3 0 0 0 2 ．黑龙江科技学院机械工程学院黑龙江哈尔滨1 5 0 0 2 7 摘要为了研究连续采煤机的动力学行为，提高采煤机工作机构的设计质量，根据实际工况，分析了连续采煤机截割滚筒的运动 轨迹，建立了采煤机滚筒截齿的轨迹方程、速度方程和加速度方程，通过计算机仿真，分析了滚筒转速、垂直摆动速度对截齿运动参 数的影响，为合理选择截割滚筒的工作参数和提高工作机构的设计质量提供了理论依据。 关键词连续采煤机；截割滚筒；运动分析；仿真 中图分类号T H1 1 3 ．2文献标识码 A 瞄n e n l a t i c sa n a l V s i so fc u t t i n gC l r u m so fac o n t i n u o u sm i n e r L lX i ∞- h ∞l ，Y UX i n ．啪i 心，M AX i a 讪O n g l ，2 1 ．C o l l e g eo fM 佻h a n i c mE 幛n ∞r i 呜，L i ∞n i 呜瞰h n i I c 出U l l i V e 瑙i 饥F u 嫡n1 2 3 0 ∞，C h i n a ；2 ．C 枷e g eo f M ∞h a I l i 姐lE n g i n ∞r i n g ，H e n o n g j i 粕gS c i 蚰倘ca n d 钕h n i c a lI n s t i t u t e ，H a r b i n1 5 0 舵7 ，C h i n a A b S t n c t T os t I l d yd y n a I I l i cc h a r 刁l c t e r 锄di 叫舯V ed e s i g nq u a l 埘o ft l l ec o n 血u o u sI I l i n e rd n l I I l s ，b 硒e do nw o r k c o n d i 吐o no fc o n 吐n u o u sI I l i n e r Ⅱl ep a p e r 锄a l y z e sm o V i n g1 0 c u so f Ⅱl ec u t t i n gd m m s ，蛐de s t a l l i S h e st l l em o V i n g l o c u s ，v e l o c 埘锄da c c e l e r a t i o ne q u a t i o n so fap i c ko n Ⅱl ec u t t i n gd n 珊s ．I t 孤a l y z e s 廿l ee 虢c to ft l l em t a t i o n V e l o c 埘锄d Ⅱl eV e n i c a ls w i n g i n gV e l o c 埘0 ft l l ec u t t i n gd m I I l so n Ⅱl em o V i n gp 黜t e r so ft l l ep i c l 【St t l r o u 曲 c o I n p u t e rs i 舢l a t i o n ，卸d 舀V e s 吐l e Ⅱl e o r e t i c a lb a S i so fc h 0 0 s i n gw o r kp a 咖n e t e r S 锄di m p r o V i n gd e s i g I lq u a l i t yo f t l l ec o n t i n u o u sm i n e r I r u m s ． K e yw O r d s c o n t i n u o u sI n i n e r ； c u t t i n gd m m s ； k i I 圮r I l a 吐c sa I l a l y s e s ；s i m u l a t i o n 引言 连续采煤机主要用于煤巷掘进和房柱式工艺 采煤，是开采“三下”煤、边角煤、不规则煤以及 回收残留煤柱的重要采掘机械。截割滚筒是采煤机 上的重要部件之一，采煤机的大部分功率都消耗在 截割滚筒上。截割下来的煤炭品质、采煤机工作的 稳定性和可靠性，不但与煤岩的理化性质、包裹体 的分布形式和截割机构的几何形式有关，而且还与 滚筒的运动参数有关【l ’2 】。因此，对截割滚筒进行运 动分析是设计连续采煤机工作机构的重要基础。 1 连续采煤机滚筒的运动‘3 】 连续采煤机工作方式不同于普通双滚筒或单滚 筒采煤机。截割煤壁前，机器向工作面行走，抬起 截割悬臂待截割头进入工作面顶部到规定截深后， 机器停止行走，截割悬臂自上而下摆动，截割到底 板平面后，机器向后退一个截深，将底板修整平滑， 完成一次工作循环。在每一个工作循环里，滚筒完 成的截割运动有水平移动、绕自身轴线的转动以及 绕悬臂铰接点的摆动。以截割悬臂与采煤机机身的 铰接点为原点、以水平前进方向为z 轴、以铅直方 向 ，轴建立坐标系，滚筒割煤时的运动形式如图l 。 ．】￡．． I，，，，，，，概 ￡J 蝌一 F i g ．1m o v e m e n to fc u t t i n gd m mm o v i n go fc ∞t i n u o u sr n i n e r 截齿运动的理论模型 2 ．1 截齿的运动轨迹吲 滚筒运动形式的复杂性决定了截齿运动形式 收稿日期2 0 0 5 0 3 2 4 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 9 7 7 4 0 3 3 ；辽宁省教育重大基础研究基金资助项目 2 0 2 1 8 2 0 5 3 作者简介李晓豁 1 9 5 3 ． ，男，辽宁锦州人，教授，主要从事机械c A D 及仿真方面的研究，E - m a i l l i 】【i ∞h u o 1 6 3 ．c o m 。本文编校焦丽 万方数据 第6 期李晓豁等连续采煤机截割滚筒的运动学分析 9 0 l 的复杂性。设孙弘为滚筒上第f 个截齿的坐标， 机器水平移动的速度为矿，滚筒的角速度为∞1 ，截 割悬臂长度L ，摆动角速度为∞2 ，最大摆角为痧， 截深为曰。设胁册为截齿水平移动时的初始坐标， 悬臂滚筒水平移动时截齿运动轨迹方程为 I 而 而 尺c o s q f w 1 I 咒 y o R s i n q f 设，菇为截齿摆动时的初始坐标，悬臂滚筒垂 直摆动时截齿运动轨迹方程为 f 五 靠 足c o s 锡f L c o s ％‘ 2 I 咒 ％’ 尺s i n 劬， ￡s i nc 呸， 2 ．2 截齿的速度模型 对任意时刻截齿水平运动的轨迹方程求一阶 导数，得速度方程 J 毫 一脚s i n q H y 3 【夕i 尺q c o s 劬f 则截齿水平移动时的速度大小为 晦 √．譬 费 √R 2 砰 y 2 2 R qs i n q r 4 对任意时刻截齿摆动的轨迹方程 2 求一阶导数 得速度方程 J 毫 一嘲s i n q 卜蛾s i n 锡‘ 5 【虫 聃c o s q f 娩c o s 锡‘ 则截齿摆动时的速度大小为 ‰ 厢 归耳西币丽瓦否面F 丽 6 ’ 速度的方向为 t a I l 毫，虫 ％ ‘7 2 ．3 截齿的加速度模型 l 0 ．5 董 0 ／ ．o 童 ／ ．1 0 l 洳2 34 a 滚筒水平移动时截齿轨迹 对任意时刻截齿水平运动的轨迹求二阶导数 得加速度方程 J 葺 一R 砰c o s q ‘ 8 【翦 一尺奸s i n q ‘ 则截齿水平移动的加速度大小为 坼 √ 贸 尺砰 9 对任意时刻截齿摆动的轨迹求二阶导数得加速度 方程 J 薯一尺砰c o s 璐卜磁c o s ％f 1 0 l 兜 一R 砰s i n 唧一磁s i n 伤‘ 则截齿摆动的加速度大小为 口I 栏 厢 肛可玎虿砑函两忑而 1 1 加速度的方向为 t a I l 枞 ％ 1 2 3 截齿运动仿真实例与分析 以进口某型连续采煤机为例，对滚筒的截齿进 行仿真分析。采煤机截割部基本参数为胎0 ．7 6 2 m 。l 两．z M m 。 3 ．1 截齿的运动轨迹仿真【4 ’5 】 图2 为滚筒上截齿运动的仿真轨迹，其中取 ∞l 3 ．6 6r ／f 试n ，。2 0 ．7 7 6r ，Ⅱl i n ，v 4I I l ／I n i n 。从图 中可知，滚筒水平移动时截齿的轨迹为水平螺旋 线，悬臂摆动时截齿运动轨迹为摆动螺旋线。通过 对截齿运动轨迹的描绘，可以确定截齿之间的相对 位置关系，为截齿排列、绘制截齿切屑图和计算每 个截齿的截割路程提供了理论依据。 图2 截齿的运动轨迹仿真 F i g ．2 s i m u l a t i o no fap i c kI ∞V i n gl o c u s 万方数据 辽宁工程技术大学学报第2 4 卷 f 粤 皇 ≤ 4 3 ．5 ‘／ △‘乒掣二 3 ；仁气．． 。t 乏6 6 ，V M 嗽搬澎Ⅻ球一 u ， 5 2 4 ．汹 0 1 0 2 0 3 0 4 0 f 学 吕 ≤ 4 f f s t f s a 滚筒水平移动时截齿速度仿真 b 悬臂垂直摆动时截齿速度仿真 图3 截齿运动速度仿真 F i g ．3v e l o c i t ys i m u l a t i 衄o fap i c k f ，s 驰 a 滚筒水平移动时截齿加速度仿真 b 悬臂垂直摆动时截齿加速度仿真 图4 截齿加速度仿真 F i g ．4a c c e l e m t i o ns i m u l a t i o no f ap i c k 3 ．2 截齿的速度和加速度仿真【6 J 截齿速度取决于截割部的传动比、滚筒直径、 转速以及悬臂的摆动速度，对采煤机的功率消耗、 装煤效果、煤的块度和粉尘大小等有着直接影响， 是设计截割部的一项重要参数。图3 为滚筒水平移‘ 动和悬臂垂直摆动时的截齿速度仿真图。造成水平 截割时速度变化的原因是滚筒存在水平进给运动， 由于悬臂垂直摆动截割时滚筒也在转动，造成截齿 到悬臂回转中心的距离呈周期性变化，从而引起摆 动速度呈周期性变化。由图4 ，悬臂摆动截割时加 速度在小范围内变化，其随着滚筒转速和悬臂摆速 的增大而增大，但悬臂摆速对加速度的变化起主要 ’ 作用。随着加速度的增大，滚筒上单个截齿所受的 截割阻力增大，加速了截齿的磨损，缩短了截齿的 使用寿命。因此，在生产中可以采取增大摆速、降 低转速的方式来控制单个截齿上的载荷，同时提高 切削厚度，以获得较好的经济效益。 4 结论 影响滚筒截齿运动的因素很多，对于确定的采 煤机来说，滚筒的转速和悬臂的摆速是影响截齿运 动速度和加速度的主要因素。适当增大滚筒转速和 悬臂摆速，有利于提高采煤机的生产效率。但滚筒 转速过高，又将使煤的块度减小，影响煤炭品质。 较大的悬臂摆速有利于增大切削厚度，提高煤的块 度，但摆速过大将增大单齿载荷，加剧截齿磨损， 又将降低经济效益。因此，生产中应综合考虑截齿 运动对各项生产指标的影响，选择出最佳的滚筒头 转速和悬臂摆动速度。 通过建立的滚筒截齿的运动轨迹方程、速度和 加速度方程及其计算机仿真，揭示出连续采煤机截 割滚筒运动参数对截割过程的影响规律，对于提高 滚筒的截割效率、探讨截齿的磨损状况以及设计和 评价滚筒的结构与性能提供了科学的手段和有效 的方法。 参考文献 [ 1 】E3 保晋．采煤机破煤理论【M 】．王庆康，门迎春译．北京煤炭工业出 版社，1 9 9 2 ． 【2 】AB ．多库金．采煤机参数选择f M 】．北京煤炭工业出版社，1 9 7 9 ． 【3 】李晓豁．掘进机截割头设计与研究【M 】．北京中国华侨出版社，1 9 9 7 ． 【4 】李晓豁．纵向截割头摆动截割时的运动学仿真f J 】．煤矿机 电，2 0 0 0 ， 4 7 9 ． 【5 】李晓豁，隗金文，刘利．横向截割头摆动截割时切屑图的模拟研究【J 】． 辽宁工程技术大学学报，2 0 0 2 ，2 l 1 7 6 7 8 ． 【6 】李晓豁，田晶，黄艳．横轴式截割头截割过程的运动学仿真【J 】．黑龙江 科技学院学报，2 0 0 l ，1 l 1 1 7 ．2 0 ． 万方数据 连续采煤机截割滚筒的运动学分析连续采煤机截割滚筒的运动学分析 作者李晓豁， 于信伟， 麻晓红， LI Xiao-huo， YU Xin-wei， MA Xiao-hong 作者单位李晓豁,LI Xiao-huo辽宁工程技术大学,机械工程学院,辽宁,阜新,123000， 于信伟,麻晓 红,YU Xin-wei,MA Xiao-hong辽宁工程技术大学,机械工程学院,辽宁,阜新,123000;黑龙江 科技学院,机械工程学院,黑龙江,哈尔滨,150027 刊名 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 英文刊名JOURNAL OF LIAONING TECHNICAL UNIVERSITYNATURAL SCIENCE EDITION 年，卷期2005，246 引用次数8次 参考文献6条参考文献6条 1.ЕЭ保晋.王庆康.门迎春 采煤机破煤理论 1992 2.АБ 多库金 采煤机参数选择 1979 3.李晓豁 掘进机截割头设计与研究 1997 4.贾好来.王振民 开关磁阻电动机起动方式与起动转矩分析[期刊论文]-煤矿机电 20004 5.李晓豁.隗金文.刘利 横向截割头摆动截割时切屑图的模拟研究[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报自然科学版 20021 6.李晓豁.田晶.黄艳 横轴式截割头截割过程的运动学仿真[期刊论文]-黑龙江科技学院学报 20011 相似文献5条相似文献5条 1.期刊论文 李晓豁.杨丽华.LI Xiaohuo.YANG Lihua 基于PRO/E的连续采煤机滚筒的参数化设计 -黑龙江科技学院 学报2007,176 依据连续采煤机截割滚筒整体结构和装配关系,利用Pro/Engineer强大的参数化造型技术及其提供的二次开发模块Pro/Toolkit,建立了连续采煤机截 割滚筒参数化设计系统.该设计可避免产品设计过程中不必要的重复性工作,提高了设计的质量、水平以及工作效率,为深入开展连续采煤机截割滚筒的仿 真研究奠定了基础. 2.期刊论文 麻晓红.MA Xiao-hong 连续采煤机滚筒切屑图的可视化设计 -煤矿机械2008,296 以截割理论为基础,通过对影响截齿切屑图形状的各项因素的分析,建立了连续采煤机滚筒切屑图的数学模型.基于VB6.0软件,开发了连续采煤机滚筒 的计算机辅助设计系统,通过改变不同的参数,得出不同条件下的切屑图,以检验滚筒结构设计的合理性,为提高连续采煤机滚筒的设计效率提供了有效的 手段. 3.期刊论文 于信伟.麻晓红.李晓豁.YU Xinwei.MA Xiaohong.LI Xiaohuo 基于遗传算法的连续采煤机滚筒参数优 化设计 -辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2008,275 为设计优质高效的截割滚筒,根据连续采煤机滚筒的结构特点和工作状况,建立了以煤炭生产综合经济效益为总目标函数,以截割比能耗、载荷波动系 数、煤岩块度和生产效率为分目标函数的多目标、多变量、多约束的滚筒优化模型,采用生物进化思想,基于遗传算法对在不同截割阻抗下的滚筒结构参 数和运动参数进行优化,得出不同截割条件下连续采煤机滚筒的最佳运动参数和结构参数.该优化结果可用于指导煤炭企业生产,使其获得良好的经济效益 . 4.期刊论文 李晓豁.葛怀挺.LI Xiao-huo.GE Huai-ting 连续采煤机截齿随机载荷的数学模型 -中国工程机械学报 2006,43 截齿的载荷是确定连续采煤机截割工况和研究其截割性能的依据,根据对连续采煤机截割滚筒结构特殊性和工作条件复杂性的分析,通过假设单个截 齿平均载荷与随机载荷的关系、截齿的受力分布类型以及硬质包裹体的接触概率,利用叠加原理,建立了在复杂煤层截割时,连续采煤机上处于截割断面不 同位置的截齿的随机载荷的数学模型. 5.期刊论文 李掌印 奥钢联掘锚一体机在中国煤矿的应用 -中国煤炭2005,319 为了适应煤矿长壁开采工艺的需要,加快巷道掘进速度,实现掘进、锚护同步进行,奥钢联采矿设备公司专门设计并生产了锚掘一体化快速掘进机 ABM20.它是上个世纪90年代投入市场的,具有连续采煤机的宽截割滚筒,还具有其独特截割和装载设计性能. 引证文献8条引证文献8条 1.于信伟.麻晓红.李晓豁 基于遗传算法的连续采煤机滚筒参数优化设计[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报（自然 科学版） 20085 2.李晓豁.左胜甲 振动式掘进机截割机构工况参数的建模与仿真[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报（自然科学版 ） 20084 3.侯林 基于PID的连续采煤机截割牵引反馈控制[期刊论文]-煤矿机电 200804 4.李晓豁.麻晓红 连续采煤机切屑图可视化研究[期刊论文]-煤矿机电 200804 5.麻晓红.于信伟 基于相似理论的连续采煤机滚筒参数设计[期刊论文]-黑龙江科技学院学报 200802 6.李晓豁.杨丽华 基于PRO/E的连续采煤机滚筒的参数化设计[期刊论文]-黑龙江科技学院学报 200706 7.李晓豁.张定堂 连续采煤机截割臂分布质量法的动力学建模[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 200701 8.李晓豁.白新宇 连续采煤机截齿瞬时切屑厚度的算法[期刊论文]-辽宁工程技术大学学报 200605 本文链接 下载时间2010年3月18日