采煤機動(dòng)態(tài)特性及結構設計論文

　　摘要:隨著(zhù)我國工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，煤炭的開(kāi)采量日益增多，在煤炭開(kāi)采中需要利用一些設備，連續采煤機是一種重要的設備。國產(chǎn)連續采煤機的設計性能較差，質(zhì)量也有待提高，因此不能更好地滿(mǎn)足現場(chǎng)施工的需要，影響了我國連續采煤機的發(fā)展，降低了采煤的效率。本文介紹了連續采煤機的工作原理，并分析了連續采煤機的動(dòng)態(tài)特性，并進(jìn)行結構的優(yōu)化設計。

　　關(guān)鍵詞:連續采煤機;動(dòng)態(tài)特性;結構設計與實(shí)現

　　在煤礦施工中，可以通過(guò)連續采煤設備來(lái)開(kāi)采煤炭，連續采煤機可以對巖石巷道進(jìn)行開(kāi)挖，也可以單獨進(jìn)行采煤，在很多大型的煤礦中被應用，是一種值得推廣的挖煤機械設備。然而，我國國產(chǎn)的連續采煤機由于在技術(shù)上還不完善，投入相對較少，因此，在施工中往往不能適應現場(chǎng)的狀況，就需要對連續采煤機的結構進(jìn)行設計和優(yōu)化。

　　1連續采煤機的結構和運動(dòng)

　　1．1連續采煤機的結構和工作原理連續采煤機可以適用于各種煤層煤礦的開(kāi)采，最大的開(kāi)采高度達到6m，在新開(kāi)采的工藝下，同樣可以利用連續采煤機開(kāi)采邊角煤、呈不規則性狀的煤炭等，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(cháng)壽命。目前我國比較常見(jiàn)的連續采煤機為12CM15－10D連續采煤機，其在技術(shù)上有一些較突出的特征。其截割的寬度可以達到3300mm，生產(chǎn)能力在15t/min～27t/min，在工作時(shí)，可以跨高進(jìn)行操作，最大采高高度為4．6m�？梢猿浞职l(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。連續采煤機的結構可以包括幾個(gè)方面:行走結構、裝運結構、切割結構、安全保護裝置、電氣系統等。其通常具有的結構特點(diǎn)主要包括四個(gè)方面:①可以進(jìn)行多電機驅動(dòng)。通過(guò)多個(gè)電動(dòng)機進(jìn)行驅動(dòng)，分別作用與行走、切割、裝運、冷卻等系統，一般可以采用八個(gè)電機，有利于分工操作，提高施工的效率;②可以采用側式裝載的方法，在挖掘之后可以通過(guò)側式裝載機進(jìn)行裝運，并可以利用刮板機將其轉運到采煤機的機尾處進(jìn)行卸載;③具有履帶行走機構。履帶行走裝置不僅可以順利地通過(guò)，還可以很好地附著(zhù)在土壤上，從而可以增大支撐面積，避免在不規則的道路中發(fā)生傾倒、歪斜的情況;④采煤機的電氣系統。采煤機都配備電氣系統，一般要求保證電氣系統的安全性和可靠性，當主電路發(fā)生漏電、短路的情形時(shí)可以起到很好的隔絕和保護的效果。1．2連續采煤機運動(dòng)學(xué)分析1．2．1行走機構運動(dòng)分析履帶行走機構在對工作面進(jìn)行切割時(shí)保持靜止不動(dòng)，而在掏槽時(shí)則以固定的速度前行，當履帶行走機構向前行走時(shí)，主要經(jīng)過(guò)發(fā)動(dòng)機系統和傳動(dòng)系統，然后傳送到驅動(dòng)輪，可是實(shí)現驅動(dòng)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(jìn)行鋪設，從而推動(dòng)導向輪和支重輪的行走。1．2．2裝載機構的運動(dòng)分析裝載機構的型式可以分為兩種，一是蟹爪式裝載機構。其結構較為簡(jiǎn)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構也較為簡(jiǎn)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�；�于星輪裝載機的優(yōu)勢，在具體的應用中，連續采煤機通常采用的是星輪裝載機。具體的運動(dòng)流程為:在兩臺交流電動(dòng)機的驅動(dòng)作用下，左右兩側的星輪裝載機開(kāi)始工作，兩側的裝載機構分別進(jìn)行驅動(dòng)，更為安全可靠。1．2．3截割機構運動(dòng)分析截割機構的運動(dòng)分為兩個(gè)方面，一是采煤機挖槽的運動(dòng)，二是截割機構的運動(dòng)，這兩個(gè)機構在運動(dòng)時(shí)不相同，掏槽時(shí)連續采煤機一邊行走一邊進(jìn)行截割，但搖臂不擺動(dòng)，而在截割工作面時(shí)，連續采煤機是停止行走的，但搖臂搬動(dòng)截割。

　　2．1連續采煤機的震動(dòng)模型連續采煤機是一個(gè)復雜的系統，由多個(gè)運動(dòng)、轉動(dòng)和擺動(dòng)的零部件組成，在工作時(shí)，由于環(huán)境多變，其工作狀態(tài)也多變，連續采煤機的動(dòng)力學(xué)模型是由無(wú)限個(gè)動(dòng)力學(xué)的系統組成。因此，在設計時(shí)可以將其簡(jiǎn)化如下:①煤壁單軸壓縮的強度保持不變;②連續采煤機各個(gè)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(gè)部分的連接處的元件視為無(wú)質(zhì)量;④底板不產(chǎn)生震動(dòng)，視為平整，也沒(méi)有變形。將系統簡(jiǎn)化，則系統的組成部分可以分為三個(gè)部分:滾筒、搖臂和機體，這三個(gè)部分的質(zhì)量都匯集在質(zhì)心上。2．2震動(dòng)來(lái)源震動(dòng)的來(lái)源眾多，其中主要包括四個(gè)方面:一是工作荷載引起的波動(dòng);二是旋轉質(zhì)量的不平衡;三是往復質(zhì)量的不平衡，四是由于設計的安裝或者故障引發(fā)的震動(dòng)，本文主要探討第一個(gè)和第二個(gè)方面的振動(dòng)。2．2．1工作荷載引起的波動(dòng)在對煤巖進(jìn)行截割時(shí)，不同的煤巖介質(zhì)會(huì )施加不同的作用力，從而引起單個(gè)截齒承受力度的變化，突然變動(dòng)的作用力可能導致截齒的磨損，甚至會(huì )發(fā)生截斷的情況。因此，如果連續采煤機在已經(jīng)遲鈍或者截斷的狀態(tài)下工作，則截割時(shí)就會(huì )大量損耗機械能量，增加了采煤的成本。在截割的過(guò)程中，每個(gè)截齒所承受的力度具有不確定性，因此導致滾筒上的荷載量出現較大的波動(dòng)，從而使機器產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)，影響了連續采煤機工作中的穩定性，縮短了各個(gè)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截割滾筒旋轉質(zhì)量的不平衡滾筒在安裝的過(guò)程中或多或少都會(huì )存在一些偏差，同時(shí)，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(xiàn)不能實(shí)現重合，會(huì )產(chǎn)生離心力，慣性離心力大小和旋轉不平衡質(zhì)量、偏心距和角速度的平方成正比例關(guān)系。2．3連續采煤機的振動(dòng)控制連續采煤機工作的過(guò)程中，產(chǎn)生的振動(dòng)會(huì )對設備的工作精度和準度產(chǎn)生影響，特別是當截齒瞬間的切割深度沒(méi)有達到標準的要求時(shí)，則會(huì )進(jìn)一步使截齒磨損，甚至破壞結構的內部，同時(shí)，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。因此連續采煤機的振動(dòng)對機械的使用壽命有著(zhù)重大的影響，還會(huì )降低采煤的工作效率，因此對連續采煤機進(jìn)行振動(dòng)的測試和提出解決的方法具有重要的意義。振動(dòng)控制可以分為兩種:一是振動(dòng)的被動(dòng)控制，二是振動(dòng)的主動(dòng)控制。振動(dòng)的被動(dòng)控制結構相對不靈活，不能及時(shí)反饋。在振動(dòng)的主動(dòng)控制中，做功機構需要消耗大量的能量，能量主要由能源進(jìn)行補充，通�？梢苑譃殚_(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制，目前主要利用閉環(huán)控制。振動(dòng)的主動(dòng)控制的方法可以分為三種:第一，及時(shí)調整諧振點(diǎn)來(lái)防止振動(dòng)。要根據振動(dòng)系統響應的大小來(lái)調整結構參數，從而可以有效地改變諧振點(diǎn)，防止共振;第二，對其施加反方向的作用力，從而達到減震效果;第三，將阻尼的大小進(jìn)行調整，來(lái)吸收振動(dòng)產(chǎn)生的能量，從而達到隔振的效果。

　　3連續采煤機結構動(dòng)態(tài)優(yōu)化設計

　　3．1建立有限元模型3．1．1物理模型進(jìn)入Pro/E，在標準的模式下建立一個(gè)三維模型，進(jìn)行合理的推測和駕駛，將實(shí)體轉化成對應的物理模型，簡(jiǎn)化的假定是每個(gè)物體的材料具有同向性，且內部沒(méi)有缺陷。3．1．2數學(xué)模型數學(xué)模型是在物理模型的基礎上得來(lái)的，可以進(jìn)行適當的假設，假定各種材料是線(xiàn)性的，平板大而薄，在簡(jiǎn)化后可以通過(guò)偏微分來(lái)對其進(jìn)行描述。3．1．3建立有限元模型有限元模型是在數學(xué)模型的基礎上，也就是將偏微分方程離散為代數方程，從而進(jìn)行解答。3．2靈敏度設計建立有限元模型主要是為了進(jìn)行優(yōu)化設計，按照一定的約束目標，從而可以找到設計目標的假定值。在設計中，參數較多，因此每個(gè)具體的參數對目標的影響也不同，因此在進(jìn)行優(yōu)化設計時(shí)，可以忽略掉一些次要的設計參數，通過(guò)靈敏度的設計來(lái)選擇重要的參數，找到最優(yōu)的設計結果。截割臂的主要參數可以如圖1所示，OA與AC的夾角為2°，OA和AC之間長(cháng)度，截割臂的橫截面積，還有截割油缸和截割臂之間連接點(diǎn)的位置。

　　4結語(yǔ)

　　我國煤炭開(kāi)采量日益增多，在施工中利用連續采煤機是必不可少的，連續采煤機的行走機構、裝載機構和截割機構各有其自身動(dòng)力學(xué)原理，在采煤機的運行中發(fā)揮著(zhù)重要的作用�？梢酝ㄟ^(guò)建立物理、數學(xué)和有限元模型的方法來(lái)對設計進(jìn)行優(yōu)化，減少連續采煤機的振動(dòng)，提高整體性能，并推動(dòng)連續采煤機不斷進(jìn)行改進(jìn)，提高采煤水平。

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