采煤機動態(tài)特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計論文
摘要:隨著我國工業(yè)化進程的推進，煤炭的開采量日益增多，在煤炭開采中需要利用一些設(shè)備，連續(xù)采煤機是一種重要的設(shè)備。國產(chǎn)連續(xù)采煤機的設(shè)計性能較差，質(zhì)量也有待提高，因此不能更好地滿足現(xiàn)場施工的需要，影響了我國連續(xù)采煤機的發(fā)展，降低了采煤的效率。本文介紹了連續(xù)采煤機的工作原理，并分析了連續(xù)采煤機的動態(tài)特性，并進行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。
關(guān)鍵詞:連續(xù)采煤機;動態(tài)特性;結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)
在煤礦施工中，可以通過連續(xù)采煤設(shè)備來開采煤炭，連續(xù)采煤機可以對巖石巷道進行開挖，也可以單獨進行采煤，在很多大型的煤礦中被應(yīng)用，是一種值得推廣的挖煤機械設(shè)備。然而，我國國產(chǎn)的連續(xù)采煤機由于在技術(shù)上還不完善，投入相對較少，因此，在施工中往往不能適應(yīng)現(xiàn)場的狀況，就需要對連續(xù)采煤機的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計和優(yōu)化。
1連續(xù)采煤機的結(jié)構(gòu)和運動
1．1連續(xù)采煤機的結(jié)構(gòu)和工作原理連續(xù)采煤機可以適用于各種煤層煤礦的開采，最大的開采高度達(dá)到6m，在新開采的工藝下，同樣可以利用連續(xù)采煤機開采邊角煤、呈不規(guī)則性狀的煤炭等，有利于增加煤炭的產(chǎn)量，也有利于提高礦井的使用率，延長壽命。目前我國比較常見的連續(xù)采煤機為12CM15－10D連續(xù)采煤機，其在技術(shù)上有一些較突出的特征。其截割的寬度可以達(dá)到3300mm，生產(chǎn)能力在15t/min～27t/min，在工作時，可以跨高進行操作，最大采高高度為4．6m。可以充分發(fā)揮其截割優(yōu)勢和采高優(yōu)勢，增大采煤的效率和采煤量。連續(xù)采煤機的結(jié)構(gòu)可以包括幾個方面:行走結(jié)構(gòu)、裝運結(jié)構(gòu)、切割結(jié)構(gòu)、安全保護裝置、電氣系統(tǒng)等。其通常具有的結(jié)構(gòu)特點主要包括四個方面:①可以進行多電機驅(qū)動。通過多個電動機進行驅(qū)動，分別作用與行走、切割、裝運、冷卻等系統(tǒng)，一般可以采用八個電機，有利于分工操作，提高施工的效率;②可以采用側(cè)式裝載的方法，在挖掘之后可以通過側(cè)式裝載機進行裝運，并可以利用刮板機將其轉(zhuǎn)運到采煤機的機尾處進行卸載;③具有履帶行走機構(gòu)。履帶行走裝置不僅可以順利地通過，還可以很好地附著在土壤上，從而可以增大支撐面積，避免在不規(guī)則的道路中發(fā)生傾倒、歪斜的情況;④采煤機的電氣系統(tǒng)。采煤機都配備電氣系統(tǒng)，一般要求保證電氣系統(tǒng)的安全性和可靠性，當(dāng)主電路發(fā)生漏電、短路的情形時可以起到很好的隔絕和保護的效果。1．2連續(xù)采煤機運動學(xué)分析1．2．1行走機構(gòu)運動分析履帶行走機構(gòu)在對工作面進行切割時保持靜止不動，而在掏槽時則以固定的速度前行，當(dāng)履帶行走機構(gòu)向前行走時，主要經(jīng)過發(fā)動機系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)，然后傳送到驅(qū)動輪，可是實現(xiàn)驅(qū)動輪上的輪齒和履帶齒的嚙合，從而將履帶卷起，并由后方向前方進行鋪設(shè)，從而推動導(dǎo)向輪和支重輪的行走。1．2．2裝載機構(gòu)的運動分析裝載機構(gòu)的型式可以分為兩種，一是蟹爪式裝載機構(gòu)。其結(jié)構(gòu)較為簡單，裝載的效率較高，但受到裝載能力的限制，裝載量小。二是星輪式裝載機，星輪式裝載機的機械結(jié)構(gòu)也較為簡單，可靠性強，其裝載寬度也比蟹爪式裝載機大，因此其裝載能力大，裝載量大。基于星輪裝載機的優(yōu)勢，在具體的應(yīng)用中，連續(xù)采煤機通常采用的是星輪裝載機。具體的運動流程為:在兩臺交流電動機的驅(qū)動作用下，左右兩側(cè)的星輪裝載機開始工作，兩側(cè)的裝載機構(gòu)分別進行驅(qū)動，更為安全可靠。1．2．3截割機構(gòu)運動分析截割機構(gòu)的運動分為兩個方面，一是采煤機挖槽的運動，二是截割機構(gòu)的運動，這兩個機構(gòu)在運動時不相同，掏槽時連續(xù)采煤機一邊行走一邊進行截割，但搖臂不擺動，而在截割工作面時，連續(xù)采煤機是停止行走的，但搖臂搬動截割。
2．1連續(xù)采煤機的震動模型連續(xù)采煤機是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，由多個運動、轉(zhuǎn)動和擺動的零部件組成，在工作時，由于環(huán)境多變，其工作狀態(tài)也多變，連續(xù)采煤機的動力學(xué)模型是由無限個動力學(xué)的系統(tǒng)組成。因此，在設(shè)計時可以將其簡化如下:①煤壁單軸壓縮的強度保持不變;②連續(xù)采煤機各個部分的質(zhì)量均勻分布，零部件的質(zhì)量都匯集在質(zhì)心上;③每個部分的連接處的元件視為無質(zhì)量;④底板不產(chǎn)生震動，視為平整，也沒有變形。將系統(tǒng)簡化，則系統(tǒng)的組成部分可以分為三個部分:滾筒、搖臂和機體，這三個部分的質(zhì)量都匯集在質(zhì)心上。2．2震動來源震動的來源眾多，其中主要包括四個方面:一是工作荷載引起的波動;二是旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡;三是往復(fù)質(zhì)量的不平衡，四是由于設(shè)計的安裝或者故障引發(fā)的震動，本文主要探討第一個和第二個方面的振動。2．2．1工作荷載引起的波動在對煤巖進行截割時，不同的煤巖介質(zhì)會施加不同的作用力，從而引起單個截齒承受力度的變化，突然變動的作用力可能導(dǎo)致截齒的磨損，甚至?xí)l(fā)生截斷的情況。因此，如果連續(xù)采煤機在已經(jīng)遲鈍或者截斷的狀態(tài)下工作，則截割時就會大量損耗機械能量，增加了采煤的成本。在截割的過程中，每個截齒所承受的力度具有不確定性，因此導(dǎo)致滾筒上的荷載量出現(xiàn)較大的波動，從而使機器產(chǎn)生劇烈的波動，影響了連續(xù)采煤機工作中的穩(wěn)定性，縮短了各個零部件的使用壽命，增加了運行、維修的成本，可能產(chǎn)生安全隱患。2．2．2截割滾筒旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的不平衡滾筒在安裝的過程中或多或少都會存在一些偏差，同時，葉片和截齒在滾筒圓周上不是均勻分布的狀態(tài)，因此截割滾筒的中心和軸線不能實現(xiàn)重合，會產(chǎn)生離心力，慣性離心力大小和旋轉(zhuǎn)不平衡質(zhì)量、偏心距和角速度的平方成正比例關(guān)系。2．3連續(xù)采煤機的振動控制連續(xù)采煤機工作的過程中，產(chǎn)生的振動會對設(shè)備的工作精度和準(zhǔn)度產(chǎn)生影響，特別是當(dāng)截齒瞬間的切割深度沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的要求時，則會進一步使截齒磨損，甚至破壞結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，同時，還可能使機械的零部件產(chǎn)生位移，從而影響機械的.正常工作。因此連續(xù)采煤機的振動對機械的使用壽命有著重大的影響，還會降低采煤的工作效率，因此對連續(xù)采煤機進行振動的測試和提出解決的方法具有重要的意義。振動控制可以分為兩種:一是振動的被動控制，二是振動的主動控制。振動的被動控制結(jié)構(gòu)相對不靈活，不能及時反饋。在振動的主動控制中，做功機構(gòu)需要消耗大量的能量，能量主要由能源進行補充，通常可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，目前主要利用閉環(huán)控制。振動的主動控制的方法可以分為三種:第一，及時調(diào)整諧振點來防止振動。要根據(jù)振動系統(tǒng)響應(yīng)的大小來調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而可以有效地改變諧振點，防止共振;第二，對其施加反方向的作用力，從而達(dá)到減震效果;第三，將阻尼的大小進行調(diào)整，來吸收振動產(chǎn)生的能量，從而達(dá)到隔振的效果。
3連續(xù)采煤機結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計
3．1建立有限元模型3．1．1物理模型進入Pro/E，在標(biāo)準(zhǔn)的模式下建立一個三維模型，進行合理的推測和駕駛，將實體轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的物理模型，簡化的假定是每個物體的材料具有同向性，且內(nèi)部沒有缺陷。3．1．2數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型是在物理模型的基礎(chǔ)上得來的，可以進行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，假定各種材料是線性的，平板大而薄，在簡化后可以通過偏微分來對其進行描述。3．1．3建立有限元模型有限元模型是在數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，也就是將偏微分方程離散為代數(shù)方程，從而進行解答。3．2靈敏度設(shè)計建立有限元模型主要是為了進行優(yōu)化設(shè)計，按照一定的約束目標(biāo)，從而可以找到設(shè)計目標(biāo)的假定值。在設(shè)計中，參數(shù)較多，因此每個具體的參數(shù)對目標(biāo)的影響也不同，因此在進行優(yōu)化設(shè)計時，可以忽略掉一些次要的設(shè)計參數(shù)，通過靈敏度的設(shè)計來選擇重要的參數(shù)，找到最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。截割臂的主要參數(shù)可以如圖1所示，OA與AC的夾角為2°，OA和AC之間長度，截割臂的橫截面積，還有截割油缸和截割臂之間連接點的位置。
4結(jié)語
我國煤炭開采量日益增多，在施工中利用連續(xù)采煤機是必不可少的，連續(xù)采煤機的行走機構(gòu)、裝載機構(gòu)和截割機構(gòu)各有其自身動力學(xué)原理，在采煤機的運行中發(fā)揮著重要的作用。可以通過建立物理、數(shù)學(xué)和有限元模型的方法來對設(shè)計進行優(yōu)化，減少連續(xù)采煤機的振動，提高整體性能，并推動連續(xù)采煤機不斷進行改進，提高采煤水平。
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