（机械设计及理论专业论文）xhps型巷道采煤机虚拟样机的建立与仿真分析.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 目前，在一些小型巷道式采煤作业中普遍采用的方法是：首先，在开采面上用凿岩 机开凿许多的爆破孔；然后，在每个爆破孔中填上炸药；最后，进行爆破作业。爆破后 巷道中会产生大量的烟雾和粉尘，这时将通过通风换气设备排出烟雾和粉尘，之后将破 碎的矿石清理运出。因为需要开凿爆破孔、爆破、通风、取煤等一系列操作而不能连续 地进行开采作业，这种传统的作业方式存在着工效较低，安全性较差等问题。 针对现有以炸药为主的采煤工艺中，无直接连续采煤设备的缺陷和不足，在参考了 现行反铲式挖掘机和扒渣机的结构形式后，本文提出了一种结构简单，体积小巧，操作 方便，无需使用炸药，并且集挖掘机优良的挖掘性能和扒渣机高效的扒送和输送功能于 一体的可进行连续采煤作业的巷道式采煤机：x h p s 小型巷道连续式采煤机。这种巷道 采煤机，包括了履带行走装置、输送装置、采扒煤装置和操纵装置等。整机由动力装置 驱动，所述的动力装置为防爆式电动机，整机通过配电装置外接供电。由于本机只需一 至两名工作人员在密闭的驾驶室内操作，其安全性较好；在不断开采和掘进过程中该采 煤机能行走移动，其机械化程度很高，这将使得开采煤块时的效率得到大幅度的提高。 本文首先从) ( h p s 小型巷道连续式采煤机的理论分析入手，分析并确定了该采煤机 总体布置方案、各零部件的结构形式以及一些主要的工作参数。在此基础之上，利用 p r o e 建立了该采煤机的三维虚拟样机。紧接着，在建立了采扒装置作业位姿的数学模 型之后，利用p r o e 和a d a m s 联合仿真技术对该机的采扒装置进行了动态仿真分析， 并得到了该装置末端的运动轨迹及一些主要的工作参数，仿真结果表明了该装置模型尺 寸设计的合理性和正确性，这大大缩短了该采煤机的设计时间。考虑到各液压缸在采扒 装置作业时的重要性，本文在理论上分析了几种情况下各液压缸的受力情况后，利用 a d a m s 建立了该装置的受力仿真模型，通过仿真，我们知道了各液压缸的受力变化情况， 同时定量地得到了各液压缸受力的峰值，这对采煤机液压系统的建立提供了很好的参考。 为了进一步了解采扒装置在作业时，其构件的结构强度是否满足要求，本文以回转块为 例，利用a d 舢s 和a n s y s 联合仿真的形式对回转块进行了有限元结构强度分析，分 析结果表明该零件的结构设计是满足要求的。 关键词：巷道连续式采煤机；虚拟样机；动态仿真；有限元分析 p s 型巷道采煤机虚拟样机的建立与仿真分析 a b s t r a c t o 叮r e m l y ，m e r ei sag e n e r a l l y 啪d e 唱r o u n dc o a lm i n i n gm e t l l o dw m c hi su s o d 洫s o m e s m a l lr o a d w a y s ：f i r s t ，m 锄yb l a s t i n gh o l e sw i l lb ed u ga tt h em i m n gf a c eb y 扰1 1 吨m a c e s e c o n d ，c _ h a 咖gw i t l lt 1 1 ：h n ge x p l o s i v e si nt h eh o l e s f i l l a l l y t l l ee x p l o s i v ew i l lb ed e t o n a t e d a r e r 也eb l a s tw o r k ，al a r g ev o l u m eo fs m o k ea t l dd i nw i l lb ep r o d u c e di nt h em i i l e b e f o r e c l e a r i n gu pt h eb r o k e l lo r e s ，s m o k e 锄dd i ns h o u l db et l l 】r o w no f rb yt h ev e i l t i l a t i o n 锄dg a s c x c h 锄g ee q u i p m e n t b e c a u s et l l e r ea r eas e r i e so f 叩e r a t i o i l si 1 1 c l u d i l l gd i g g 洫gb l a s t i n gh o l e s ， d e t o n a t i l l 舀e x c h a n g i i l gv e n t i l a t i o n 锄dg a s ，o b t a i l 血l gb l o c kc o a l s m e a r l w l l i l e ，c o n t i n u o u s m i r l i n go p e r a t i o nw o n ta p p e a rmm ep r o c e s s m a i l yp r o b l e m se x i s ti i lt h et r a d i t i o n a l o p e r a t i o nm o d e ，s u c ha sl o ww o r k i n ge 伍c i e n c ya j l dp 0 0 rs a f e 哆 a i m i l l ga t 廿1 ep r o b l e m s 廿l e r ea r en o tc o n t i n u o u sm i i l i n gd e v i c e s 血t ：h ec o a lm i l l i n g t e c l m 0 1 0 9 yw m c hi sm a i l l l yb a s e do ne x p l o s i v e ，a r e rh a v m gr e f e 盯e dt 0m e s 仃i j c t u r et y p e so f r e v e r s es h o v e l 酏ba 1 1 dc o a l - p i c l 【i n gm a c i l i i l e ，n l i sp a p e rh a sp r o p o s e dac o n t i n u o u sm i i l i l l g m a c l l i n e ，w l l i c hi sn 锄e dx h p sc o n t m u o u sc o a lw i l l 玎i n gm a c l l i i l e i th a st 1 1 ec h 踟a c t e r i s t i c s o fs i m p l ec o n f i g u r a t i o 玛l i t t l ev o l m n e ，n oe x p l o s i v eu s ea n dc o n v 枷e n to p e r a t i o na 1 1 dc a n w o r ki i ls m a l lr o a d w a y s 1 1 1a d d i t i o 玛m i sm a c h i n ew i l li m e 伊a t et l l ee x c e l l e me x c a v a t i n g p e r f o m a n c eo fh y d r a u l i ce x c a v a t o ra n dt h ek g he m c i e n tp i c k 谊ga n d 缸a n s p o r t 近g p e r f o m a n c eo fc o a l - p i c l 【i n gm a c h j l l e t h ec o a lw i r l i l i n gm a c l l i n ei sc o l l s i s t e do fc r a w l e r 仃a v e l 嘶t ，c o n v e y i n g 印p l i a i l c e ，e x c a v a t i i 培a i l dp i c k i n gd e v i c ea | 1 dc o n t r o ld e v i c ee t c t h e w h o l em a c h i i l ei s “v c i lb yp o w e rp l a m ，w l l i c hi se x p l o s i o n - p r o o fm o t o r t h em a c h i n ei s s u p p l i e de x t e m a lp o w e rb yd i s t r i b u t i o ne q u i p m e l l t a so i l l yo n eo rt w oo p e r a t i n gp e r s o l l i l e l c a i l 嘶v en l em a c h i l l ei nt 1 1 ec l o s e dc a b ，i ti sm o r es e c u r e 舢s o ，t l l ec o a lw i 彻血gm a c l l i n ec a n r i d eo n 打e a d si nt l l ep r o c e s so fp r o d u c i l l ga 1 1 dd i g g 洫g ，w h e i lt h ec o a ls e a mi sm i i l e d ，t h e e m c i e n c yw i l lb ep r o m o t e dg r e a t ly a b o v ea l l ，“sp a p e rs 伽弼w 弛也et l l e o r e t i c a la n a l y s i so f 也ec o a lw 洳血gm a c l l i n e ，t h e g e n e r a l 鲫r 觚g e m e n ts c h e m eo ft h em a c l l i n e ，s t m c n l r et y p eo fe v e r yp a na 1 1 ds o m em a i l l w o r k i l l gp a r 觚l e t e r sh a v eb e e na i l a l y z e da n dd e t e m 洫e d ，b a s e do na b o v ea i l a l y s i s ，3 dv i r t u a l p r o t o t y p eo fm ec o a lw i n r l i n gm a c h i i l eh a sb e e i le s t a b l i s h e di i lp r o e a n dt h e 玛a r e rt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm ew o d d n gp o s i t i o na i l dp o s eo ft h ee x c a v a t i n ga n dp i c k i l l gd “i c e h a sb e e i le s t a b l i s h e d ，i t sd ”锄i cs h u l a t i o na n a l y s i sw a sp e o m e db yu s i i l gu m t e d s i m u l a t i o nt e c h l l i q u ew i mp r o e 锄d a d a m s f i n a l l y ，t h et 啊e c t o 巧o ft e 玎：1 1 i n a lb e l o n g i n g t 0m ee q u i p m e i l t 锄ds o m em 抽w o r k i i 唱p 2 u r 锄e t e r sh a l sb e e na b s t a i l l e d t h es i m u l a t i o n r e s u l t sh a v ev 甜f i e d 也ec 0 1 1 r e c 协e s s 锄dr e a s o n a b l e n e s so ft h ee x c a v 础g 觚dp i c k i n g d e v i c e s3 dm o d e l 1 h r o u g ht h j sm e t h o d ，t h ed e s i g nt i m eo ft l l ec o a lw i l m i i l gm a c m n eh a s 西华大学硕士学位论文 b e e nr e d u c e dg r e a t l y ，s e c o n d l y ，枷f i c i a la d j u s n i l e mo fm o s eh y d r a u l i cc y l i l l d e r s s i 鲥f i c 锄c e w h e l lt 1 1 em a d l i n ei sw 幽舀a r e ra n a l y z i l l gs o m es 仃髓g t l ls i m a e o i l so fe v e h y ( 1 r a u l i c c y l i n d e rt l l e o r e t i c a l l y 廿1 es i m u l a t i o nm o d e l 百v e naf o r c eo fn l ee x c a v a t i n ga i i dp i c k i l l g d e v i c eh a sb e e ne s t a b l i s h c d 血a d a m s ，n 啪u g hm es i m u l a t i o 玛也es 仃e s sv 缸啊o fc v e r y h y d r a u l i cc y l i n d e rh a u sb e e na ：b s t a i l l e d ；m e a n w 址l e ，t 1 1 ef o r c ep e a kv a l u e so fe v e r yh y d r a u l i c c y l i l l d e rh a v eb e e na b s t a i l l e d ，w k c hc a i lp r 0 v i d er e f e r 朗c e sf o rb u i l d i i l gu p 也eh y d r a u l i c s y s t e m i i lo r d e rt 0 缸也e rh o ww h e t h e re v e 巧p a r t ss n l l c t u r es 仃c 舡g mc a nm e e tm e r e q u 讯m l e n t s ，w h e nm ee x c a v a t i i l ga n dp i c k 洫gd e v i c ei sw o f k m g ，l i sp 印e rt a k e s 也er o t a r y b l o c ka s 趾e x a n l p l e i t ss 仃u c t u 】阻lf i i l i t ee l 删锄a l y s i sh 嬲b e e i lc 秭e d ；a 1 1 a l y s i sr e s u l t s s h o w e d 廿l a tm ep a n ss 仇j c t u r es 仃e i l g mc a nm e e t 也er e q u i r e m e n tf 0 rt 1 1 ed e v i c eb e i i l g w o f k i n g k e yw o r d s ：c 0 n t i n u o u sc o a lw i i u 】血gm a c h i i l e i nr o a d w a y ；v i r n l a l p r o t o t y p e ； d ) ，n 锄i c a ls i r n u l a t i o n ；f 越t ee 1 e m e n ta n a l y s i s 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 当今社会，尽管石油、天然气的消费正在迅速地增加，但煤炭在我国一次能源消费 中仍占了五成以上的比例1 。同时，我国煤炭生产集中度也不高，生产规模偏小，其中 小型煤矿的产煤量在全国原煤开采量中占有相当的比重心儿引。然而，大部分的小煤矿开 采工艺十分落后，资源的开采效率很低，安全条件差，开采人员伤亡事故多发“吲。以上 种种问题的存在不但制约着小煤矿自身的发展，而且会影响地方经济的有序发展。 我国1 3 m 以下薄煤层储量约占全国煤炭总储量的2 0 ，8 5 以上的矿区都赋存有薄 煤层吲哺1 。现阶段，国内薄煤层大多采用开凿爆破孔，然后在孔洞中装填炸药进行爆破 开采的方法或是人工下到矿井中使用一些小型的开采装置( 如截煤机) 进行开采的方法， 这样的一些开采方式劳动强度大、安全性差、开采效率低、效益差，许多矿区大量弃薄 煤层，但其产量也占了全国煤炭总产量的6 7 ，资源浪费严重。分析其开采效率和效 益低的根本原凶在于薄煤层开采工作空间往往狭窄，采煤、装煤、运煤及设备安装操作 困难，且很难实现机械化、自动化、连续化的开采目标睁1 3 ，。 在当今科技经济发展的新形势和地方小煤矿自身发展的需求下，立足于煤炭开采技 术的前沿，立足于中国煤炭发展战略所必要的技术储备，立足于煤炭工业工程实际问题 的解决，淘汰落后的生产技术和生产设备，开发小型煤矿机械化、半机械化开采技术和 装备，改进小型煤矿的采煤方法和开采工艺，从而提高采煤工作面的单位产量和工作效 率，这些都是摆在我们面前急待解决的问题，我们应当马上行动起来n 制。 为了改进薄煤层小型煤矿的开采工艺，提高采煤效率及工作人员作业时的安全性， 同时降低开采人员的劳动强度，全球有很多的高校和企业中的专家、学者及工程技术人 员等在这些方面正在做着努力地探索和改进，并且在某些方面已经取得了不小的成绩， 其中有一些设备已经进入到了产品化生产的过程。 本研究课题得到了西华大学研究生创新基金项目：连续式巷道用微型采矿机 ( n o y 嘞2 0 1 1 5 7 ) 的支持。 1 2国内外地下无爆破采煤机械的发展状况 无爆破采煤方法又称连续采煤方法n 副，是一种不用凿岩爆破的形式崩落煤层的方法， 它常常是利用诸如切割、冲击碎裂、胀裂等方法来达到崩落矿石的采煤方法。相比于爆 破式的采煤方法6 m 3 ，无爆破式采煤法具有以下一些优点： 一p s 型巷道采煤机虚拟样机的建立与仿真分析 ( 1 ) 由于采用了机械采煤，人工的参与时间大大压缩，这大大减轻了工人的劳动强 度，并且给工人提供了更加安全可靠的工作环境。 ( 2 ) 它能进行连续采煤，落煤、装煤、运煤往往是一体化、一条龙操作，这样大大 提高了劳动生产效率。 ( 3 ) 它避免了因爆炸而产生的有毒有害气体，使井下作业空气质量得以很好地改善， 并减少了通风时间及所需的通风费用。 ( 4 ) 它可以实现大规模、高强度的集中强化开采，降低煤矿的开采成本，提高开采 的经济效益。 1 2 1国外地下无爆破连续采煤机械的发展状况 国外地下无爆破连续采煤机械的发展比较早，相关技术发展得也比较成熟，最早出 现连续采煤机的时间可以追溯到1 9 4 8 年，美国j o y 煤机公司推出了第一台用于进行连 续化采煤的机械3 j c m 型连续采煤机n 引。通过这么多年的发展，现在已经拥有 1 2 c m l 5 、1 2 c m l 8 、1 2 c m 2 7 等各种型号的用于不同厚度煤层的采煤机，而且大部分的 机型能够实现遥控控制，自动化水平也比较高。除了美国j o y 公司外，像德国的d b t 公司、艾柯夫公司、英国安德森公司、日本的三井三池公司等从上世纪8 0 年代开始， 便通过积极采用新技术、不断加速更新和改进着连续式采煤机的技术性能和结构，并且 都推出了自己研制的连续采煤机系列引。 在采煤机自动操纵技术、工况检测及故障诊断、远程通讯和集中控制等方面，国外 许多企业在技术上已经发展得比较成熟了。以实现采煤机自动调高的相关技术为例，美、 英、德等国在这个方面进行了很多的研究。为了保证采煤机在自动运行过程中能准确地 区分出煤层和岩层的界面，到现在为止，已经得到了近2 0 种煤岩分界机理，其中一部 分已经出现在了实际生产中，比如，雷达探测、记忆智能程控、振动频谱分析等幅训。 西华大学硕士学位论文 图1 1 j o y 公司1 4 c m l 5 型连续采煤机 f i g 1 1 1 4 c m l 5c o n t m o u sc o a lw i n n i n g 脚c h i n eo f j o yc o m p a n y 1 2 2 国内地下无爆破连续采煤机械的发展状况 针对地下无爆破连续式采煤技术突破及相关装备研制的问题，我国从“七五”期间 开始，就在着手进行相关的科技攻关的工作，发展到现在也有二十多年的时间了乜。虽 然，相较于国外连续采煤机械的发展历程，我国连续采煤机械的研制尚处于起步阶段， 在相关的技术突破和设备研制等很多方面与国外顶尖的水平还有一定的距离。但是，这 些年来通过对国外相关先进技术的引进与吸收，同时加上中国众多的企业和高校里的学 者和工程技术人员不间断地探索和钻研，我国地下连续式采煤机技术取得了很大的进步， 其中有一些研究成果也已经转化成了相对比较成熟的产品心2 1 。 从上世纪8 0 年代开始，我国就在不断地从国外引进技术相对比较先进的一些连续采 煤设备并进行试挖掘。比如，山西大同市姜家湾煤矿引进了j o y l 2 m 一9 b 型连续采煤机， 最高月产量能达到2 5 万吨左右n 8 1 。近些年来，随着国家、相关企业和高校对连续采煤技 术的重视及投入加上这些年来的技术储备，我国已研制出了众多用于巷道中连续采煤的 设备，石家庄煤矿机械有限责任公司、三一重装、太原重装、太原煤科院等均推出了一 些能够进行连续采煤的产品晗朝。 但是，在一些关键技术和元件方面现阶段还没有完全实现国产化。就以实现自动调 高的技术为例，国产的采煤机中能实现自动调高功能的屈指可数，能够将此技术运用到 实际中的几乎就没有。实现这一目标的关键在于控制策略的确定和位置定位传感器的研 制，在这方面我国同国际领先水平还存在着很大的差距乜0 1 。 、豢暨一 x h p s 型巷道采煤机虚拟样机的建立与仿真分析 图1 2三一公司m l 3 4 0 型连续采煤机 f i g 1 2 m l 3 4 0c o n 缅u o u sc o a l 诵n n i n gm h i n eo fs 锄yc o m p 蚰y 1 3地下无爆破连续采煤机械未来的发展趋势 进入2 1 世纪后，随着人们对煤炭资源需求的不断增加，地面上及地下浅层的煤炭储 备已经远远不能满足人们的需要，采煤环境已经越来越深入地下拉4 蚓；传统的采煤方法 在作业过程中又存在着低效率开采、工作人员安全得不到保证等缺点盥7 1 。这对现阶段的 采煤技术和工艺提出了更高的要求。 通过近几十年的发展，地下采煤技术也取得了长足的进步，采煤装备的机械化过程 在全球很多地方的煤矿开采中得以应用，这大大地提高了采煤的效率，而且采煤装备也 正在朝着无轨化和液压化的方向在发展着嗍。 2 1 世纪的煤矿开采，需要引入一种全新的开采观念，借助计算机等邻域的最新发展 成果，构建一种基于数字化和智能化的全新的煤矿开采模式，以最终实现无人直接参与 的采煤过程的高度现代化。上世纪九十年代初，由矿山、研究机构和设备制造商组成的 “芬兰矿山自动化研究小组”制定了一份名为“智能矿山”的五年技术发展计划。该计 划的主要目的就是在改善作业环境和保障工作人员的安全性的前提下，为了提高开采效 率、降低开采成本，通过引入一些诸如实时远程操控技术、作业设备机器人化技术、在 线故障监测技术等，构建一套高度现代化的智能采矿系统啪1 。 1 4 本文研究的主要内容 本文将会对p s 型巷道采煤机机械系统进行设计，并且建立该采煤机机械系统的 啊 西华大学硕士学位论文 三维模型；将在理论上分析该采煤机采扒装置末端的运动轨迹以及典型工况下各液压缸 的受力情况之后，动态仿真其作业过程；将会对回转块进行有限元结构分析，详细的研 究内容如下： ( 1 ) 在对反铲挖掘机和扒渣机功能和结构进行了充分地认识和研究后，结合到具体 的采煤作业环境，需要确定p s 型巷道采煤机机械系统的具体组成、各零部件的结 构型式以及一些主要的工作参数，最后会在p r o e 中建立该采煤机机械系统的三维模 型； ( 2 ) 运用矩阵法建立采扒装置末端作业位姿的数学模型，并且在m a t l a b 里的 s i i n u l i i l l ( 模块中对建立好的数学模型进行仿真分析。接着会在p r o e 的m e c h a n i s m 模 块中对采扒装置的三维模型进行动态仿真分析，从得到的该装置末端运动轨迹以及一些 重要的工作参数中分析该采扒装置的结构设计是否合理。最后，将通过对两种仿真方法 得出的结果的对比，验证这两种方法在分析问题时的正确性如何； ( 3 ) 首先将会从理论上分析在四种情况下采扒装置各液压缸的受力情况，然后通过 p r o e 和a d a m s 的联合仿真的方式获得在工作装置作业过程中各液压缸受力变化的 曲线，并且将定量地知道各液压缸受力的峰值是多少； ( 4 ) 将会对回转块进行基于a d a m s 和a n s y s 的联合仿真分析，建立该零件的有 限元分析模型，最终会获得该零件在各铰点综合受力最大时的应力和应变云图，通过分 析得到的仿真结果，将会知道该零件结构强度能否满足该采煤机在典型工况下作业的要 求。 ) m p s 型巷道采煤机虚拟样机的建立与仿真分析 2 采煤机的总体设计 系统方案的总体设计啪1 是p s 型采煤机设计的一个重要的环节，该环节对p s 型采煤机的性能起着决定性的影响。根据p s 型巷道采煤机的用途、作业特点、使 用要求以及生产情况等，为了保证预定的主要性能指标能够顺利地得以实现，我们合理 地确定了整机各零部件的具体结构型式；初步确定了该机一些重要的性能参数和尺寸参 数；进行了合理的整机总体布置。 2 1 采煤机设计时需遵循的基本原则 在设计p s 型采煤机时，我们充分考虑了以下的一些设计人员应遵守的基本原则： 1 满足该机型的使用要求，通过总体设计、各总成部件的选型与设计，以及其合 理的组合、匹配和布置，保证在使用条件下能够有效地实现所预期的主要功能，即：该 机型能在地下小型巷道中实现行走、采煤、输送煤的过程一体化，从而达到连续采煤作 业的要求。 2 满足经济性要求，在设计、制造上要求成本低，生产周期短：在使用上，要求 生产率高、效率高、燃料和辅助材料消耗少、操作方便、维护费用低等。 为提高本机型设计及使用的经济性，我们采取的主要措施有： ( 1 ) 尽量选用了“标准化、通用化、系列化”的零部件，从而达到简化设计、保证 质量、降低成本的要求。如底盘设计时，四轮一带的选择、油缸的选择、破碎锤的选择 等。 ( 2 ) 设计该机型时考虑了结合部位拆装方便，易损件修理方便的情况，如由于破碎 锤和铲斗会经常拆装作业，其与斗杆结合部，我们采用了能够方便拆装的销钉一插销的 结构形式。 ( 3 ) 采用适当的防护和润滑装置、可靠耐用的密封装置，以延长机器的工作寿命及 降低维护费用，防止漏油等无意义的损耗。 ( 4 ) 设置了集中润滑系统、故障自动报警系统和机器状态的自动化检验设备，以及 时显示机器的使用状况，减少停机保养、检查的时间及防止零部件的损伤。 3 满足安全作业及劳动保护的要求 ( 1 ) 考虑到该采煤机的工作环境为：环境恶劣的地下小煤矿巷道，此种工作环境中 常常会有瓦斯气体等易燃易爆的气体，而且通风性很差，由此，我们选择防爆电机作为 该采煤机的动力装置，以保证井下操作人员的生命安全。 6 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 机器中易于造成危害操作人员的部位，均应加装安全防护设施。驾驶室应有良 好的视野，以保证安全施工，顶部设计成可以加装落石防护装置的结构。 ( 3 ) 改善操纵技术的性能，适当减少操纵手柄数目，并使其集中于适宜位置，各操 纵手柄、按钮、踏板等装置的设计及布置应当符合人们的习惯。即符合人体工程学的要 求，以减少操作者的体力及脑力消耗。 4 满足机器的结构性能的要求 该采煤机由于是长期在地下的多粉尘的小巷道中工作，工作环境比较恶劣，经常会 有动载、冲击、振动等复杂载荷同时出现。为此，我们应该选择合理的结构方案，通过 一定的分析计算，确定机器具有足够的强度、刚度、稳定性和抗振等能力。 2 2 采煤机的主要组成及工作原理 x h p s 型巷道采煤机是一种将电动机转子旋转时产生的动能转换为液压系统的液压 能，然后将液压能转化为各运动机构的机械能，最终达到对外做功目的的一种机电液一 体化的工程机械。它主要由动力系统、机械系统、液压系统和操纵系统四大系统组成， 其中机械系统包括了履带行走装置、挖掘和扒送煤装置、输送装置等，通过这四大系统 的集成以及工作人员在驾驶室中的操纵驾驶便可以使得采煤机在巷道内实现行走、采煤、 运煤过程的一体化，从而达到连续不间断采煤的目的。其简明结构示意图如图2 1 所示。 图2 1炳p s 型巷道采煤机的简明结构示意图 f i g 2 1 b r i e fs n l l c t u r ed r a w i n go fm ex h p sc o a lw i 仰i n gm a c l l i n e 卜采扒装置2 一平台支撑架3 一可活动斜板装置4 一履带式行走装置 5 一驾驶室6 一油箱7 一防爆电机8 一液压主泵9 一平台1 0 一输送装置 x h p s 型巷道采煤机虚拟样机的建立与仿真分析 采煤机工作时，首先通过履带式行走装置4 到达适合的位置并停车做好制动措施， 同时放下可活动斜板装置3 ，使其前端触地，紧接着操作采扒装置1 开始进行采煤作业， 采煤过程中：若是煤层比较薄而且比较松软，这时可以直接用铲斗进行采煤；若是煤层 较厚而且比较坚硬难以用铲斗直接采掘时，我们换下铲斗，并换上液压破碎锤进行采掘。 采掘后落下的煤块，利用带铲斗的采扒装置1 经由可活动斜板装置3 将其扒送到输送装 置1 0 上，最后通过输送装置1 0 将采掘到的煤块输送到采煤机后方的矿车中并由矿车将 其运送出去。 2 3采煤机系统组成及各零部件结构型式的选择 2 3 1 动力系统 考虑到采煤机的工作环境为地下半封闭式的小型巷道之中，如果是采用柴油机或是 汽油机等通过燃料的燃烧而产生动力的原动机作为其动力源，由于燃油燃烧时会产生大 量的废气，而且工作空间又狭小且较封闭，这时废气将很难排出矿井，这样就会使得原 本就不是很好的工作环境变得更加恶劣，而且排出的废气中含有大量的有毒气体成分， 如果长期在这样恶劣的工作环境中工作，工作人员将会由于大量地吸入了这种气体，而 对自身的身体产生有害的影响。其次，考虑到在开采煤矿的过程中将会产生大量的瓦斯 气体，这些瓦斯气体一旦遇到了小小的火星便会燃烧起来，再加上工作空间的狭小，将 会发生瓦斯爆炸、粉尘与瓦斯混合爆炸等重大的灾害性事故。 在综合考虑了以上的因素后，这里我们选用防爆型的电动机口妇b 2 1 作为该采煤机的动 力源型式。防爆电机在工作时，首先通过一条长电缆从煤矿井外接入三相交流电源，电 机在运行过程中，由于其好的密封效果以及高的防护等级( 一般防爆电机的防护等级都 在d 5 5 以上) ，将不会产生电火花并且全程隔爆，而且还不会产生废气污染工作环境。 2 3 2 机械系统 采煤机的机械系统部分是完成采煤机各项基本动作的直接执行者，其主要的组成部 分包括行走装置、采扒装置以及输送装置，它们的详细介绍及结构型式的选定如下： 1 行走装置 行走装置兼有整台采煤机的支撑和行走两大功能，一般工程机械的行走装置按结构 可以分为履带式和轮胎式两大类儿圳。 其中，履带式行走装置有如下的特点：驱动力大( 通常每条履带的驱动力可以达到 机重的3 5 4 5 ) ，接地比压小( 一般为4 0 1 5 0 k p a ) ，因而具有越野性能优良、稳定性 西华大学硕士学位论文 好、爬坡能力较大( 一般可达到5 0 - 8 0 ) ，同时其转弯半径小，操作灵活。但是，履 带式行走装置工作时，行走速度低，行走和转向时功率消耗大，零件磨损快，不适宜长 距离行驶。 和履带式行走装置比较起来，轮胎式行走装置的特点在于，行驶速度快、机动性好， 行驶过程中轮胎不会损坏路面，适宜于长距离行驶。但是，其接地比压大，爬坡能力不 足，在挖掘作业时还需要使用专门的支腿支撑，以确保机器工作时的稳定性和安全性。 考虑到采煤机的具体工作环境为井下，首先，其地面往往是湿软且高低不平的，采 煤机在这样的地面行走时应该具有良好的通过性能和爬坡性能；其次，其工作空间狭小， 采煤机在作业过程中或是退出巷道时，应该有很好的转向功能；第三，考虑到采煤机工 作时的稳定性，其行走装置应该具有较大的支撑面积和较小的接地比压；第四，考虑到 采煤机在井下工作时，由于空间所限，其行走速度将不会很快。 综合考虑了以上几点因素后，这里我们采用履带式行走装置作为该采煤机的行走装 置。它将采用液压传动，每条履带各自有驱动的液压马达及减速装置，由于两个液压马 达可以独立操纵，因此，采煤机的左、右履带除了可以同步前进、后退或是一条履带驱 动、一条履带停止的转弯外，还可以两条履带反方向驱动，使采煤机实现就地转向，提 高了灵活性。 2 采扒装置 采扒装置是采煤机实现采煤功能的核心装置，它有两个主要的功能：其一，利用带 铲斗或是破碎锤的工作机构将煤矿从采煤工作面上采落下来；其二，利用带铲斗的工作 机构将采落后堆积在地面上的煤块扒送到输送装置上。该采煤机在工作时，其工作机构 的前端，即铲斗或液压破碎锤末端需要到达竖直工作断面上的每一个点。参照液压挖掘 机的工作装置，这里我们选用反铲工作装置b 5 3 作为该采煤机的工作装置形式，然而挖掘 机工作装置的左右摆动是靠其回转平台转动时产生的整体带动的形式实现的，考虑到该 采煤机的工作空间比较狭小，如果我们也给该采煤机设计一个回转平台是不太现实的， 不妨换一个思路考虑，我们可以让其采扒装置可以进行独立的左右摆动。为了实现这个 目的，我们在其动臂和采煤机平台连接处设计了一种回转块+ 销轴的结构，并配以油缸 实现其左右转动的目的。其简明结构示意图如图2 2 所示。 p s 型巷道采煤机虚拟样机的建立与仿真分析 图2 2采扒装置简明结构示意图 f i g 2 2 b r i e fs n u c m l ed r a w i n go ft 1 1 ee x c a v a t i n g 锄dp i c k i n gd e 啊c e 卜动臂2 一动臂油缸3 一斗杆油缸4 一斗杆5 一铲斗( 液压破碎锤) 油缸6 一摇杆 7 一连杆8 一铲斗( 或液压破碎锤) 9 一左右摆动油缸1 0 一回转块 该采扒装置的构造特点是各构件之间全部采用铰接的方式进行连接，并通过改变各 液压缸行程来实现采煤和扒送已采落煤块过程中的各种动作。动臂1 的下铰点与回转块 1 0 铰接，并以动臂油缸2 来支撑动臂，通过改变动臂油缸的行程即可改变动臂倾角，从 而实现动臂的升降。斗杆4 铰接于动臂的前端，斗杆与动臂的相对转动靠斗杆油缸3 的 伸缩动作实现。铲斗( 或液压破碎锤) 8 则铰接于斗杆4 的前端，通过铲斗( 液压破碎 锤) 油缸的伸缩动作实现其绕斗杆铰点的转动。为了增大铲斗或液压破碎锤的转角，铲 斗( 液压破碎锤) 液压缸一般通过连杆机构( 即连杆7 和摇杆8 ) 与铲斗或液压破碎锤 连接。回转块1 0 通过一根销轴铰接于采煤机平台上，并通过两个左右摆动油缸9 的伸 缩配合动作实现其左右转动的目的，从而带动整个采扒装置实现左右摆动的功能。 西华大学硕士学位论文 3 输送装置 输送装置m 3 是该采煤机上一种靠摩擦驱动以连续方式运输煤块的装置，该装置在采 扒装置将煤采落并扒送到其运送工作面上后，负责将采集到的煤块连续不断地输送到采 煤机后方的收集矿车之中。它一般是由机架、输送皮带、皮带辊筒、张紧装置、驱动 装置等组成。它可以用于水平运输或倾斜运输。其工作过程可以被描述为：当驱动 装置开始启动后，通过滚筒与输送带的摩擦作业，将驱动力传递给输送带，根据输 送带为粘弹性体这一特性，输送带将在其粘弹性性质和阻力作用下，一点点地将速 度和驱动力传播到整条输送带上，随着输送机的慢慢启动，输送带的张力将会从静 止状态下的张力变化到稳定运行下的张力。张力的变化又会导致整条输送带发生变 形，这一变形量将会被拉紧装置和输送带的扰度变化吸收。最终带动输送带上的煤 块运动，以达到输送煤块的目的。 输送机常用的机架组合结构形式一般为水平型、倾斜型、l 型、倒l 型、z 型 等，如图2 3 所示。 ( a ) 水平型 心飞n ( b ) 倾斜型( c ) l 型( d ) 倒l 型( e ) z 型 图2 3输送机机架组合形式 f i g 2 3 c o m b i n a t i o no f t h ec o n v e y o r sf h m e 该采煤机在设计其输送装置时，需考虑到以下几点因素： ( 1 ) 输送机进料段上面与平台底面之间应该留有足够允许煤块通过的高度，且采煤 机因为是在小型巷道中工作，其结构应该布置紧凑： ( 2 ) 输送机进料段要与采煤机前端的可转动斜板装置相配合，使得扒入斜板的煤块 能够顺利被扒送到输送带上； ( 3 ) 输送机卸料段离进料段应该有一定的垂直距离，以保证卸料段离地面的距离大 于采煤机后方收集矿车的高度； ( 4 ) 输送机卸料段应该相比于采煤机底盘车架后端更加往后突出一点，以便于输送 后的煤块能够尽可能多地掉落到采煤机后方的收集矿车中。 在综合考虑了以上几点因素后，这里我们选择z 型组合形式作为该采煤机输送装置 p s 型巷道采煤机虚拟样机的建立与仿真分析 机架的组合形式。此组合形式由两段水平段和一段倾斜段组成，其中两段水平段分别对 应进料段和卸料段，如此结构形式，不仅使得整个采煤机的结构更加紧凑以适应狭小的 井下工作空间，而且能够使得该采煤机与其后方的收集矿车能够更加协调地配合工作， 从而大大提高了出煤率。 带式输送机系统的驱动种类较多，根据传动原理和结构特点的不同，将现有的驱动 装置分成变频调速、液力耦合器传动、直流电动机调速、液体粘性离合器传动、液压马 达驱动、交流电动机软启动和差动变频无极调速等7 类n 7 儿3 8 1 。考虑到煤矿井下作业的安 全性以及借用已有的采煤机液压系统，这里我们选择液压马达驱动作为该输送机构的动 力驱动形式。 液压马达驱动系统是由防爆电机驱动液压泵，产生具有一定压力的液压油驱动连接 在输送机滚筒上的液压马达来驱动带式输送机。由于液压系统在任何流量下都能保持其 工作时液压油的压力，其输出扭矩将不会被运转速度影响到。而且可使油压升高至高于 正常工作压力，可无时间限制地维持其高输出扭矩。又由于工作时产生的冲击载荷可以 被液压油吸收，从而大大减少了对输送装置各部件的冲击。当液压马达停转时，主驱动 电机也不需要停机，而是只需简单地将油泵调至零位，此特性就可以允许驱动系统频繁 启停。同时，液压马达驱动还可以进行无极调速并且稳定可靠地维持低速运行：具有很 好的过载保护以及工作可靠性等优点；其系统布置也比一般的驱动系统简单，且其启动、 调速、制动等动作可以集中于驾驶室中进行操纵，这对于要求布置紧凑、结构小巧以及 操纵方便的该采煤机来说是很适合的。 2 - 3 3 液压系统 该采煤机的液压系统是根据采煤机采扒装置、行走装置和输送装置等各装置的传动 要求将各种液压元件用管路有机地连接起来组成的一个组合体。它的功能是，以液压油 为工作介质，利用液压泵将发动机转动时所产生的机械能转变为液压能并进行传送，同 时通过控制系统来使油缸和液压马达等将液压能重新转变为机械能，从而实现采煤机的 各种动作。该液压系统主要是由五个部分组成的，即动力元件、执行元件、控制元件、 辅助元件和液压油。其中，动力元件是指该液压系统中的油泵，它可以给整个液压系统 提供所需的动力。执行元件是指液压马达和液压缸，他们能将液压系统的液压能转返为 采煤机作业时所需的机械能，以驱动相应的机构作直线往复运动或是回转运动。控制元 件是指各种液压阀，它在液压系统中能够控制并调节液体的流量、压力和方向。辅助元 件包括了油箱、滤油器、油管、油位油温计、压力表等。液压油则是液压系统中传递能 量的工作介质蚰】 4 1 】。 西华大学硕士学位论文 该采煤机的动作较复杂，机构需要经常启动、换向、制动，负载变化大，冲击和振 动频繁，而且其施工工作环境又为狭小且多粉尘的煤矿井下，因此，该采煤机的液压系 统在设计时应该根据其工作特点和环境特点满足以下几点要求： ( 1 ) 要保证采煤机的动臂、斗杆、铲斗( 液压破碎锤) 可以各自单独动作，同时也 可以互相配合实现复合动作。 ( 2 ) 要保证采扒装置的动作和回转块的回转动作既能单独进行，又能作复合运动， 以提高采煤机的采煤效率。 ( 3 ) 采煤机的左、右履带应能分别驱动，使采煤机行走方便、转向灵活，并且可以 原地转向，以提高采煤机的灵活性。 ( 4 ) 要保证采煤机的一切过程可逆，且可以进行无极变速。 ( 5 ) 要保证采煤机工作安全可靠，且各执行元件( 液压缸、液压马达等) 有良好的 过载保护性能，输送装置和行走装置应该有可靠的制动和限速的能力。 按液压泵的特性，工程机械可采用的液压系统大致可分为定量系统、变量系统和定 量、变量复合系统等三种类型。其中，定量系统中，流量不会发生改变，即流量不会随 负载而发生变化，发动机功率只能按最大负载压力和作业速度来确定，为获得不同的作 业速度，通常依靠多路阀来进行节流调节，其结果是发热量大，功率浪费严重。变量系 统中，是通过容积变量来实现无极调速的，液压泵的工作压力是随外载荷的变化而变化 的，并且液压泵在调速范围之内始终保持恒功率的工作特性，这样便使得发动机功率在 液压泵调节范围之内可以得到充分的利用n 引。 根