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西安科技大学 硕士学位论文 采煤机截割部动力学仿真 姓名周娟利 申请学位级别硕士 专业机械制造及其自动化 指导教师郭卫 20090508 论文题目 专业 研究生 指导老师 采煤机截割部动力学仿真 机械制造及自动化 周娟利 郭卫 摘要 签名 翠雌 瀣名少垒尘 采煤机是综采工作面的主要设备之一，高产高效综采技术的迅速发展，迫切要求采 煤机具有较高的可靠性和良好的动态特性，因此，探索相关的理论体系和研究方法，研 究采煤机的动态特性十分必要。虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术，提供 了一个研究采煤机动态特性的有效途径，本论文将虚拟样机技术引入到采煤机设计中， 通过运动学、动力学仿真分析，为采煤机截割部的设计提供了可靠依据。 本论文在分析采煤机工作过程的基础上，建立了采煤机动力学模型和相应的数学模 型，确定了其基本设计参数和总体参数；在S o l i d W o r k s 软件中建立了采煤机各零部件的 三维实体模型，进行了虚拟装配，建立了完整的采煤机数字化样机；通过对该数字化样 机的三维可视化干涉检查和运动虚拟控制，直观验证了所建模型的正确性将所建虚拟 样机导入到动力学分析软件C O S M O S M o t i o n 中，通过施加不同载荷，以多刚体动力学 理论为基础，进行了运动学、动力学分析，得到截割部的运动学、动力学特性曲线，揭 示了采煤机截割部作业性能及其动力学特性变化规律。 本论文研究工作为采煤机截割部的设计和研究提供一个合理的分析、评价依据，所 得结论不仅对采煤机截割部物理样机的试制和性能评估具有重要的指导意义，而且对其 它复杂机械设备的运动学、动力学分析及虚拟样机的建立具有一定参考价值。 关键词采煤机截割部；虚拟样机S o l i d W o r k s ；C O S M O S M o t i o n ；运动学分析； 动力学分析 研究类型应用研究 S u b j e c t S p e c i a l t y N a m e D y n a m i c sA n a l y s i so fC u t t i n gU n i tf o rS h e a r e r M e c h a n i c a lM a n u f a c t u r i n ga n dA u t o m a t i z a t i o n Z h o uJ u a n l i I n s t r u c t o rG n oW e i s i g n a t u r e Z 血缝J 丛墨△厶 s i g n a t u r e ≤密么2 丝垒‘p A B S T R A C T S h e a r e ri so n eo ft h em a i ne q u i p m e n ti nf u l l ym e c h a n i z e dc o a lm i n i n gf a c e ，h i 曲y i e l da n d e f f i c i e n c yo ff u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y , a l lu r g e n tm q u i r e m e mi s t h a t 矗l e 嬲w i t hh i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o dd y n a m i cp r o p e r t i e s ，t h e r e f o m ，t oe x p l o r er e l a t e d t h e o r e t i c a ls y s t e ma n dr e s e a r c hm e t h o d st os t u d yt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs h e a r e ri s n e c e s s a r y ．V i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi s an e wt e c h n o l o g yi n t h ef i e l do fd e s i g na n d m a n u f a c t u r e ，p r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a y t os t u d yo fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs h e a r e r , t h i sa r t i c l e w i l lb et h ei n t r o d u c t i o no fv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt ot h eH e a r e rd e s i g n ，t h r o u g ht h e k i n e m a t i c s ，d y n a m i c ss i m u l a t i o n , p r o v i d e sar e l i a b l eb a s i sf o rt h es h e a r e rc u t t i n gd e s i g n ． T h i si s s u eb a s e do na n a l y s i so ft h ew o r kp r o c e s so fS h e a r e r , s e tu pad y n a m i cm o d e lo f S h e a r e ra n dt h ec o r r e s p o n d i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lt od e t e r m i n ei t sb a s i cd e s i g np a r a m e t e r s a n dt h e o v e r a l lp a r a m e t e r s ；a tS o l i d W o r k ss o f t w a r eS h e a r e ra l ls e tu pat h r e e - d i m e n s i o n a l p a r t ss o l i dm o d e l ，av i r t u a la s s e m b l y , s e tu pac o m p l e t ed i g i t a lp m t o t y p es h e a r e r ；t h r o u g ht h e f i g u r eo fap r o t o t y p et h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o na n di n t e r f e r e n c ec h e c k i n ge x e r c i s e v i r t u a lc o n t r o l ，v i s u a lv e r i f i c a t i o no ft h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l ；V i r t u a lp r o t o t y p ew i l lb e b u i l ti n t ot h em e d i u mC O S M O S M o t i o nd y n a m i c sa n a l y s i ss o f t w a r e ，t h r o u g ht h ei m p o s i t i o n o fd i f f e r e n tl o a d st om u l t i - r i g i d - b o d yd y n a m i c st h e o r ya st h eb a s i sf o rt h ek i n e m a t i c s ， d y n a m i c sa n a l y s i s ，h a sb e e nc u t t i n gu n i tk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，r e v e a l e d t h eD e p a r t m e n to fs h e a r e rc u t t i n go p e r a t i n gp e r f o r m a n c ea n di t sd y n a m i c sc h a n g e ． T h er e s e a r c hw o r ko ft h ec u t t i n gd e p a r t m e n to fs h e a r e rt op r o v i d ear e a s o n a b l ea n a l y s i s a n de v a l u a t i o nb a s i s ，t h ec o n c l u s i o n sn o to n l yo nt h es h e a r e rc u t t i n gt h eD e p a r t m e n to f p h y s i c a lp r o t o t y p ea n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no ft h et r i a lo fg r e a tg u i d i n gs i g n i f i c a n c e ，b u t a l s of o ro t h e rc o m p l e xm e c h a n i c a le q u i p m e n tk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n a l y s i sa n dv i r t u a l p r o t o t y p i n gm u s th a v es e tu pt h er e f e r e n c ev a l u e ． K e yw o r d s s h e a r e rc u t t i n gu n i t v i r t u a lp r o t o t y p e S o l i d W o r k sC O S M O S M o t i o n k i n e m a t i cs i m u l a t i o n d y n a m i cs i m u l a t i o n T h e s i s A p p l i c a t i o ns t u d y 妻料技夫学 学位论文独创性说明 本人郑重声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究T 作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文【| I 不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者张J 椭划吼加舻J 。 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单．位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位嬲⋯，确内指⋯签纱t Ⅻq 年S 其} 日E 1 1 绪论 1 ．1 选题背景及研究意义 l 绪论 进入2 0 世纪9 0 年代后，随着煤炭生产逐渐向集约化方向发展，减轻体力劳动、提 高安全性，达到高产量、高效率、低消耗成为煤炭行业发展的目标。 采煤机直接用于煤炭的地下开采，是煤炭生产中主要的机械设备之一，是一个集机 械、电气和液压为一体的大型复杂系统。随着煤炭工业的发展，采煤机的功能越来越多， 其自身的结构、组成也随之日益复杂，由于长期工作于地下，其工作环境恶劣，很容 易出现故障，而一旦故障出现，将会导致整个采煤工作的中断，造成巨大的经济损失。 因此，采煤机的设计至关重要。传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案 论证，然后进行产品设计，在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行验证。 有时这些试验甚至是破坏性的，当通过实验发现缺陷后，再回头修改设计，重新试验⋯⋯ 周而复始，才能达到所要的目的。这一过程相当冗长，尤其对于结构复杂的机器，甚至 极有可能很难试出它的先天缺陷，并且样机制造增加了成本，从而大大制约了产品的更 新速度，无法做到快速而高效的适应现代市场的要求。 利用计算机科学和技术，建立被仿真的系统的模型，对采煤机定性和定量的仿真， 可以在虚拟条件下对采煤机的承载能力、各零部件之间的相互作用进行动态分析，它具 有高效、安全、受环境条件的约束较少、可只通过改变仿真系统里的时间比例尺、设计 参数等达到预期性能的优点，能够作为分析、设计、运行、评价复杂系统的重要工具。 从而大大降低了设计成本，提高了设计速度及可靠性。 实践表明采煤机最常见和最频繁的工作是由其工作装置完成。而且随着工程机械机 器人化的研究发展，采煤机的自动化也逐渐成为各国的研究重点，尤其是局部自动化。 在这方面的研究中多数工作集中在对采煤机的工作装置进行控制。目前采煤机向着多电 动机横向布置，尤其是电牵引几乎都是采用多电机横向布置，其特点是实现了真正的模 块化设计，由于每个部件都由单独的电动机驱动，避免了元部件之间的机械连接和元部 件间的动力传动。 从而，在进行截割部传动系统动态响应特性分析时，可忽略其他模块对该部件性能 影响，将截割部截割电机、齿轮传动系及工作机构视为一独立而完整的动态系统，建立 相应的动力模型，利用计算机数字仿真技术，能在一个系统的设计阶段预见其未来运行 的近似结果。 西安科技大学硕士学位论文 本课题研究的目的就是以西安煤矿机械厂大型采煤机为设计背景，建立一个采煤机 的虚拟样机，通过对虚拟样机进行控制和对其进行真实工况下的仿真，研究采煤机截割 部的动力学特性。同时为采煤机截割部提供一套高效、可行、直观的设计思路。 1 ．2 国内外发展现状及研究趋势 1 ．2 ．1 国外电牵引采煤机发展概况 2 0 世纪7 0 年代，美国J O Y 公司研制成功了1 L S 多电机横向布置直流电牵引采煤机， 此后又陆续研制了2 L S ．6 L S 等型多电机横向布置电牵引采煤机。7 L S 5 采煤机总功率 1 9 4 0k W ，牵引速度3 0 m ／m i n ，采用J O YU l t r a t r a c 2 0 0 0 型强力销轨无链牵引系统，加大 销轨节距和宽度，并采用锻造销排，装备了与6 L S 5 型通用的J N A 机载计算机信息中心， 具有人机通讯界面、故障诊断图形显示和储存、无线电遥控、牵引控制和保护等功能I z J 。 德国E i c k h o f f 公司于1 9 7 6 年研制成功直流电牵引采煤机，并基本停止了液压牵引 采煤机的研发，此后又陆续开发了多种形式电牵引采煤机。2 0 世纪9 0 年代开发的S L 系列横向布置交流电牵引采煤机，将截割电机布置在摇臂上。其中S L 5 0 0 型电牵引采煤 机装机功率达1 8 1 5k W ，最大牵引力8 6 9k N ；S L 3 0 0 型电牵引采煤机总装机功率1 1 3 8 k W ，采用双变频器一拖一系统，最大牵引速度达3 6 ．7m ／m i n S L l 0 0 0 型采煤机装机功 率达2 6 0 0k W ，牵引力1 0 0 3 k N 。控制系统具有交互式人机对话、设备状态监测与故障 预报、在线控制、数据传输等功能。 英国l o n g ．A i r d o x 公司于1 9 8 4 年研制成功第1 台将截割电机布置在摇臂上的多电机 横向布置的E l e c t r a 5 5 V 型直流电牵引采煤机，在此基础上又开发出功率更大的 E l e c t r a l 0 0 0 型直流电牵引采煤机。2 0 世纪9 0 年代，在E l e c t r a 系列机型基础上，进一步 加大功率，改进控制系统，开发了E L 系列交流电牵引采煤机，主要机型有E L 6 0 0 、 E L l 0 0 0 、E L 2 0 0 0 、E L 3 0 0 0 型。在E L 系列机型上装置的I m p a c t 集成保护及监控系统具 有负荷控制、机器监控、采煤机自动定位、自动调高、区域控制‘智能化安全联锁、随 机故障诊断和数据传输等功能。日本三井三池制作所1 9 8 7 年后陆续研制成功多种截割 电机纵向布置的M C L E ．D R 系列交流电牵引采煤机，近几年又开发了截割电机横向布置 的多电机交流电牵引采煤机。采煤机装有微机工况监测及故障诊断系统，可数字显示牵 引速度、滚筒位置、留顶底煤厚度、电机负载及各处温度，具有无线遥控装置，并可加 装红外线发射器操纵液压支架。表l 为国外代表性电牵引采煤机主要技术参刿2 1 。 2 1 绪论 1 ．2 ．2 国内电牵引采煤机发展概况 我国电牵引采煤机在消化吸收国外引进采煤机技术的基础上，通过二次开发拥有了 许多具有自主知识产权的换代产品，在我国煤矿综合机械化采煤工作面，国产采煤机已 经占据主导地位，完全采用国产装备的高产高效工作面不断涌现。1 9 9 1 年，煤炭科学研 究总院上海分院与波兰合作，在国内率先研制成功我国第l 台采用交流变频调速技术的 薄煤层爬底板采煤机，接着又先后研制成功了截割电机纵向布置的交流电牵引采煤机、 截割电机横向布置的适用于中厚和较薄煤层的交流电牵引采煤机。上海分院研制的M G 系列电牵引采煤机已形成九大系列共几十个品种。太原矿山机器厂与上海分院合作，将 A M 5 0 0 液压牵引采煤机改造成M G 3 7 5 ／8 3 0 ．W D 型交流电牵引采煤机后，又自主研制成 功了M G T Y 4 0 0 ／9 0 0 ．3 3 D 型和M G 7 5 0 ／1 8 0 0 ．3 ．3 D 型机载交流变频调速链轨式电牵引采 煤机，现正在国家“十一五”科技支撑计划资助下研发装机总功率达25 0 0k W 、最大采高 6 ．0m 、年产1 0 0 0 万t 的交流电牵引采煤机；鸡西煤机厂与上海分院合作将M G 2 x 3 0 0 ．W 型液压牵引采煤机改造成M G 3 0 0 ／3 6 0 ．W D 型交流电牵引采煤机后，又开发了M G 2 0 0 ／4 6 3 型、M G 4 0 0 ／9 8 5 型交流电牵引采煤机；辽源煤机厂与邢台矿业集团合作研制成功我国首 台应用电磁转差离合器调速技术的M G 6 6 8 ．W D 型电牵引采煤机；无锡采煤机厂与中纺机 3 西安科技大学硕士学位论文 电研究所合作研制成功国内首台应用开关磁阻电机调速技术的M G 2 0 0 ／5 0 0 ．C D 型电牵 引采煤机。表2 为国内具有代表性机型的采煤机主要技术参数t 2 ] 。 表2国内典型机型的采煤机主要技术参数 1 ．2 ．3 技术特点与发展趋势 1 装机功率增大、性能参数提高 ①单台截割电机功率多在4 0 0k W 以上。多数采煤机单台截割电机功率己达6 0 0k W 以上，E L 3 0 0 0 采煤机单台截割电机功率达9 0 0k W ，S L l 0 0 0 采煤机的单台截割电机功 率高达1 0 0 0k W ，太原矿山机器集团也正在研发单台截割电机功率1 0 0 0k W 的新型大功 率采煤机【3 J 。 ②牵引功率多在8 0k W 以上，最大已达3 0 0 k W 。 ③总装机功率超过1 0 0 0k W ，如7 L S 5 达1 9 4 0k W ，E L 3 0 0 0 总装机功率达2 0 0 0 k W ， S L l 0 0 0 总装机功率更高达2 6 0 0k W 。 ④牵引速度、牵引力大幅提高。牵引速度1 5 ～2 5m ／m i n ，牵引力5 0 0k N 以上。最大 牵引速度6 0 m ／m i n E L 3 0 0 0 ，最大牵引力已达1 0 0 0k N 以上 E L 3 0 0 0 、S L l 0 0 0 、西安煤 矿机械厂生产M G 9 0 0 ／2 2 1 0 、鸡西煤矿机械厂生产的M G 8 0 0 ／2 0 4 0 ，太原矿山机械集团 有限公司即将推出牵引力l1 2 5 k N 的采煤机。 ⑤截割功率增大，支架实现随机支护，滚筒截深加大。1 0 a 前，截深大多是6 3 0 - 7 0 0 m n l ，现普遍采用截深1 0 0 0 ～1 2 0 0r a l n ，别已达到1 5 0 0n u n 截深。 ⑥采煤机可靠性和开机率提高。国外采煤机大修周期2 a ，出煤量4 0 0 ～6 0 0 万t ，要 求采煤机出煤量3 0 0 - 4 0 0 万t 而不大修，差距较大。 2 中高压供电 随着采煤机装机功率大幅度提高，工作面不断加长，整个工作面容量超过5 0 0 0 k W ， 4 1 绪论 工作面长度达到3 0 0 m 。为减少输电线路损耗，提高供电质量和电机性能，普遍采用中 高压供电。主要供电等级有2 3 0 0 V 、3 3 0 0 V 、4 1 6 0 V 、5 0 0 0 V 等。 3 监控保护系统智能化 现代电牵引采煤机均配备有智能化监控、监测和保护系统，可以实现交互式人机对 话、无线电遥控、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、自动调高等多种功能，以保证采煤机维护量最小，利用率最高，并可实现与液压 支架、工作面输送机的信息交互和联动控制等功能。如安德森公司E L 系列机型上装置 I m p a c t 集成保护与监控系统，E i c h h o f f 公司的E i c h h o f f 数据汇集技术系统，J O Y 公司 6 L S 型电牵引采煤机的J N A 网络信息中心等。 4 电牵引系统向交流调速发展 早期的电牵引采煤机大多采用直流调速系统。日本2 0 世纪8 0 年代中期研制成功第 1 台交流电牵引采煤机，交流调速系统以其技术先进、可靠性高、维护管理简单、价格 低廉等优点，被迅速推广应用。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。目前，交流电牵引已经取代直流电牵引。早期的交流牵引均 采用一个变频器拖动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。如今主流交流电牵引采煤机均采用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已经成为 电牵引技术发展的又一特点。 5 总体结构趋向模块化及多电机横向布置 横向布置方式可使各部件由单独电机驱动，机械传动系统彼此独立，可模块化设计， 结构简单，装拆方便。美国从1 L S 开始将截割电机横向布置在摇臂上，至今沿用。英国 从E l e c t r a 5 5 0 开始，采用电机横向布置。德国于2 0 世纪9 0 年代开发了横向布置的S L 系列电牵引采煤机。目前国内外的电牵引采煤机几乎都采用了横向布置方式。 6 无链牵引向齿轮．齿轨式演变 随着牵引力的不断增大，销轮．齿轨式无链牵引已经淘汰，齿轮．链轨式无链牵引也 已使用不多，现在采煤机无链牵引正逐步趋向于采用齿轮．齿轨式无链牵引，这是一种 从齿轮．销轨式演变而来的无链牵引结构，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 增加至1 7 5m i l l 。 1 ．2 ．4 国内电牵引采煤机研究方向 国内电牵引采煤机代表机型在总体参数和性能方面已接近国外先进水平。但一些关 键部件及其总体性能、功能、适应范围等方面还有待进一步完善和提高。尤其是在线工 况监测、故障诊断及预报、信号传输与采煤机自动控制、传感器等智能化技术与国外相 比还有较大的差距。因而国内电牵引采煤机的智能化程度低，设备可靠性、安全性和可 5 西安科技大学硕士学位论文 维护性较差，今后国内电牵引采煤机的主要研究方向如下【3 J 1 进一步完善和提高交流变频调速牵引系统的可靠性。重点是完善和提高系统装置 的抗振、散热和防潮等性能。 2 研究可靠的微机电气控制系统。重点是提高采煤机电控系统抗干扰、抗热效应的能力。 3 开发或增强电控系统的监控功能。重点是研究故障诊断与专家系统、工况监测、 显示与信息传输系统、工作面采煤机自动运行控制系统、自适应变频电路的漏电检测与 保护技术、摇臂自动调高系统等。 4 开发可四象限运行的矿用交流变频调速装置，使采煤机能适应较大倾角煤层开采 的需要。 5 开发装机功率更大、采高更高的采煤机，提高煤炭产量及回采率。 6 加强提高采煤机开机率和可靠性的研究。 7 电器元件小型化的研究。由于装机功率增大，电动机、变压器、变频器等设备的 体积也相应增大，为满足整机结构布置紧凑的要求，必须研究设备小型化的技术途径。 1 ．3 本课题研究的主要内容 本论文是以西安煤机厂大型采煤机为研究对象。针对煤矿井下环境复杂性，利用虚 拟样机对复杂机械产品开发的诸多益处，尝试将不同软件环境下的并行工作集成在采煤 机上，进行采煤机虚拟样机的实现方法和技术研究，达到采煤机系统性能优良性，适应 井下环境的要求，并对采煤机进行全面的运动学、动力学仿真分析。 1 建立采煤机截割部动力学数学模型，确定基本参数。为后期虚拟样机分析提供可 靠理论依据。 2 通过S o l i d W o r k s 软件对采煤机各零部件进行参数化建模，并进行虚拟装配，建 立数字化样机。 3 在C O S M O S M o t i o n 环境中对虚拟样机进行控制，进行三维可视化干涉检查，达 到直观观察空间运动状况并进行运动学分析。 4 分析C O S M O S M o t i o n 环境下采煤机的虚拟样机多刚体运动学和动力学特性曲 线；重点对采煤机截割部进行运动学和动力学特性分析，对其进行相应处理，比较不同 极限载荷下的情况，揭示采煤机截割部作业性能以及其动力学特性变化规律。 1 ．4 本课题的主要研究方法及手段 1 ．4 ．1 对于工作装置的设计方面国内外研究的情况 1 图解设计法它是被最早采用的设计方法，是将工作装置的连杆机构看成由斗杆 机构和缸杆机构两部分组成。其关键是确定摇臂在动臂上的铰接点位置和斗油缸在机架 6 1 绪论 上的位置。但是这种方案比较费事，设计工作需要一定的类比试凑，因此这种方法又称 为“类比试凑法”。 2 解析法它是根据平移性、卸载性、动力性的要求作出连杆机构的近似特征曲 线，并根据近似特征曲线确定一组杆件方程组。然后再根据已知数据和杆件方程组计算 其它杆件的长度。这种设计显然减少了盲目性，设计质量和效率比做图法来说进了一步。 3 优化设计方法它是以数学规划为理论基础，以计算机为工具，来寻找工作装置 的最优参数。优化设计方法不像图解法那样把约束条件都表示在图纸上，而是将约束条 件都用方程边界条件编成计算机程序，通过计算机计算得出结果。这种方法原理简单、 实用性广。 总之，这些方法都是基于二维平面上进行的。对于工作装置干涉问题、运动学、动 力学等问题不可能很快的表现出来。 近年来随着计算机仿真技术的发展，出现了基于虚拟样机技术的工作装置设计。利 用计算机仿真机技术不但可以研究工作装置的运动学、动力学特性，而且还可对其进行 优化设计。 1 ．4 ．2 虚拟样机技术简述 虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等己得到广泛的应用，从汽 车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人 机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面【引。所涉及的产品从庞大的卡车到 照相机的快门，从上天的火箭到轮船的锚链。在各个领域里，针对各种产品，虚拟样机 技术都为用户节约了开支、时间并提供了满意的设计方案。目前，虚拟样机技术己在我 国得到了应用与推广，主要在汽车、航天航空、武器制造、机械工程等。从目前我国的 情况来看，虚拟样机技术主要在汽车制造业和武器装备制造业中应用较为广泛，但是也 只停留在初步应用阶段。在其他的行业应用较少，主要是在专业研究机构和高校研究机 构中应用。可见我国对于虚拟样机技术的应用领域和技术水平还很低，但是却有很大的 提升空间【4 J 。 波音公司设计的7 7 7 型客机是世界上首架以无纸化设计出的飞机，它的设计成功标 志着虚拟制造从理论转向实用【5 j 。美国航空航天局 N A S A 的喷气推进实验室 J P L 成功地实现了火星探测器“探路者号”在火星上的软着路，J P L 工程师利用虚拟样机技术 仿真研究飞船火星登陆的不同阶段【7 】。世界上最大的工程机械制造商卡特皮勒公司采用 虚拟样机技术进行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及分析，均取得了巨大的经济效益。 目前市场上支持虚拟样机技术的软件技术已相当成熟。比较有影响并且占据了市场 7 0 ％的软件产品是美国S o l i d W o r k s 公司生产的S o l i d W o r k s 软件。它是世界上应用最广 泛、最具有权威性的机械动力学仿真分析软件。它通过用户交互式图形界面，利用其零 7 西安科技大学硕士学位论文 件库、运动约束库、力库等模块能方便地建立复杂机械系统的动力学仿真模型，集成其 它系统仿真模型后，能建立机、电、液一体化的虚拟样机。能自动计算输出机械系统部 件的运动位移、速度、加速度和反作用力。可以用于预测机械系统的性能、运动范围、 碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷，支持同大多数C A D 、F E A 及控制设 计软件包之间双向通讯。同时，美国S o l i d W o r k s 公司生产的S o l i d W o r k s 软件，是一套 由设计到生产全面覆盖的机械自动化软件。它提出的单一数据库、参数化、基于特征、 全相关的概念改变了机械C A D ／C A E ／C A M 的传统观念，且完全内嵌于S o l i d W o r k s 的动 力学分析软件C O S M O S M o t i o n 被传统动力学分析软件A D A M S 支持，已成为当今世界 机械C A D ／C A E ／C A M 领域的新标准。 1 ．4 ．3 计算机仿真技术简述 所谓计算机仿真，就是在实体尚不存在、或者不易在实体上进行实验的情况下，先 通过对考察对象进行建模，用数学方程式表达出其物理特性；然后编制计算机程序，并 通过计算机运算出考察对象在系统参数、内外环境条件改变的情况下，其主要参数如何 变化，从而达到全面了解和掌握考察对象特性的目的I J 。 计算机仿真是一项具有浓郁的时代气息的新技术。它在现代科研、工程设计、商战 决策、国防建设，以及众多的领域中都有着广泛的应用【9 J 。在现代科研领域，科技发展 突飞猛进，新兴学科、交叉学科、边缘学科异军突起。由此引发出的新观点、新思想、 新问题层出不穷。怎样证明这些新观点的正确性并验证其可实验性，怎样解决前沿科学 中的一些关键性难题，这些都可借助计算机仿真来验证或取得突破。 当科学工作者面对一个亟待解决的科技问题时，现有的解决方案是否符合实际，由 此是否会产生新的问题怎样把握相关的各种复杂因素。有了计算机仿真可以带来极大 的方便，它使科技人员从前期科研阶段那些纷繁复杂的实验设备中解脱出来，既节省人 力物力，又提高工作效率，因此，计算机仿真已成为现代极其重要的科研手段。 在工程设计中，对于事关国计民生的重大项目，概念设计、方案设计、施工设计和 现场调试运行，这四个环节是十分关键的【l l 】。如何对项目实施可行性论证，如何寻求最 佳设计方案，怎样进行高质量高效益最经济的最优施工，在对工程进行现场调试时，又 怎样事先对工程运行中的特性有一个总体的全面的了解，以便为实际操作提供解决问题 的有效方法。对于解决这一系列重大问题，计算机仿真有着极其独特的重要作用，具有 其它手段无法比拟的显著优势。 近年来，由于问题域的扩展和仿真支持技术的发展，系统仿真方法学致力于更自然 地抽取事物的属性特征，寻求使模型研究者更自然地参与仿真活动的方法等。在这些探 索的推动下，面向对象仿真、定性仿真、智能仿真、分布交互仿真、可视化仿真、多媒 体仿真、虚拟现实仿已成为了计算机仿真技术的新研究热点【l 。 8 1 绪论 m 总之，计算机仿真技术以其旺盛的生命力， 改变着人们的思维方式、工作方式、生活方式， 9 呈现在当今社会的各个领域。它深刻地 带来了良好的社会效益和经济效益。 西安科技大学硕士学位论文 2 建立采煤机的刚体动力学模型和数学模型 采煤机是一个移动工作的机械设备，其结构、工作的过程和对象以及作业环境都非 常复杂，有些关系和参数也不容易确定。因此，在必要的假设与简化的条件下，建立采 煤机工作时的刚体动力学模型和数学模型，可以为采煤机动力学的分析研究奠定一定基 础。 2 ．1 采煤机简述 采煤机有不同的分类方法。按工作机构型式可分为滚筒式、钻削式和链式采煤机； 按牵引方式可分为链牵引与无链牵引采煤机；按牵引部位置可分为内牵引与外牵引； 按牵引部动力可分为机械牵引、液压牵引与电牵引；按工作机构位置可分为额面式与 侧面式；还可以按层厚、倾角来进行分来。本课题中我们主要研究国内外应用最广泛 的滚筒采煤机，以双滚筒采煤机为例，其结构如图2 ．1 所示。 图2 ．1 采煤机结构简图 1 ．截割部；2 ．负载托架3 ．牵引部；4 ．电控箱；5 ．电动机箱；6 一液压单元 截割部l 主要由滚筒和摇臂组成，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。负载托架2 用来固定和承托截割部。牵引部3 使通 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，是 采煤机的行走机构。电控箱4 是内部装有各种电控元件，用于采煤机的各种电气控制和 保护。电动机箱5 是采煤机的动力部分，它通过两端输出轴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，而且通常都采用定子水冷，以缩小电动机的尺寸。液 1 0 2 建立采煤机的刚体动力学模型和数学模型 [ ] i i iiI I ●■■一 压单元6 用来调整采集机的高度及斜度，以适应煤层沿走向起伏不平时的截割要求。 本课题主要研究双滚筒采煤机，双滚筒采煤机工作时，前滚筒割顶部煤，后滚筒割 底部煤。采煤机沿工作面牵引一次，可以进一刀；返回时，可又进一刀，即采煤机往返 一次进二刀，即双向采煤法。为了使滚筒落下的煤能装入刮板输送机，滚筒上螺旋叶片 的螺旋方向必须与滚筒旋转方向相适应；对顺时针旋转的滚筒，螺旋叶片方向必须右旋； 逆时针旋转的滚筒，其螺旋叶片方向必须左旋。或者形象地归结为“左转左旋，右转右 旋”，即人站在采空区侧从上面看滚筒，截齿向左的用左旋滚筒，向右的用右旋滚筒。 按机械化程度的不同，机械化采煤工作面可分为普通机械化采煤工作面和综合机械 化采煤工作面，简称为综采工作面。普采工作面通常采用单滚筒采煤机，综采工作