（机械设计及理论专业论文）横轴式掘进机截割部传动系统动态特性研究.pdf

摘 要 摘要 掘进机截割煤岩时，恶劣的工作环境致使机体产生剧烈的振动，严重地影响 了工作效率和稳定性。掘进机截割部传动系统因此经常受到冲击载荷作用，使截 割部减速组件产生扭转振动。对于满足静强度要求的传动系统而言，振动引起的 动态应力要超出静态工作应力许多，导致一些零部件使用寿命降低，甚至可能在 工作中因冲击而损坏。本文对横轴式掘进机截割部传动系统的动态特性进行了分 析研究，主要包括以下内容： 论文概述了国内外掘进机发展概况，通过查阅文献，引用了截割头单个截齿 和整体受力的计算方法，确定掘进机截割部传动系统的负载。以e b h 一1 2 0 掘进机 为原型，利用传递矩阵法建立了掘进机截割部传动系统的扭转振动模型，使用 m a t l a b 软件编制程序，得出了该传动系统各阶固有频率和前两阶固有频率所对 应的主振型、弹性原件的势能分布率以及模态柔度。 应用a d m a s 软件对掘进机截割部传动系统进行了建模，并分别施加脉冲与 正弦负载对其简化系统进行了动态特性仿真分析，得到各弹性元件的形交图，进 而绘制了各弹性元件的势能曲线，找出了二个势能最大的弹性环节。然后利用 a d m a s 软件的参数化优化设计功能将二个弹性环节的扭转刚度进行了优化，并 利用优化后的数据对上述a d m a s 模型进行了动态分析验证。 经验证，优化后系统中各弹性元件的弹性势能分布比优化前更加均匀，并且 各个弹性环节的弹性势能值有了很大程度的降低。优化的结果对提高掘进机截割 部传动系统的扭转动态特性提供了一定的理论依据。上述分析研究，对掘进机提 高工作效率，对减振改进设计提供了很好的参考。 图 6 4 】 表【2 2 】 参 6 6 】 关键词：横轴式掘进机：截割部；传动系统；传递矩阵；动态仿真；优化 分类号：t h l 3 2 a b s t r a c t t h eh a r dv i b r a t i o nd u r i n gt h er o a d h e a d e rw o r k i n gi m p a c t st h ew o r k i n ge f f i c i e n c y a n dt h es t a b i l i t yv e r ys e r i o u sb e c a u s eo ft h eb a da n dc o m p l e xw o r k i n ge n v i r o n m e n t t h ed r i v es y s t e mo fr o a d h e a d e r sc u t t i n gu n i ti so f t e ni m p a c t e db yi m p u l s i v el o a d , a r o u s i n gt o r s i o n a lv i b r a t i o n f o rt h ee l e m e n t sa r cs a t i s f i e d 诵ms t a t i ct o r q u e ，t h e f t d y n a m i cs t r e s sw i l lb ev e r yb i g g e rt h a nt h es t a t i cs t r e s sb e c a u s eo fv i b r a t i o n r e s u l ti n t h ee l e m e n t se n d u r a n c el i f ei n d u c i n gs h a r p l y e v e nd a m a g et h e ma tw o r k t h ef o r c e o nt h ed y n a m i cp r o p e r t yo fd r i v e s y s t e ma b o u tm a d h e a d e r sc u t t i n gu n i t t h e f o l l o w i n g a r et h em a i nc o n t e n t s ： t h ep a p e rs u m m e r yt h ed e v e l o p m e n to fl o a d h e a d e ra th o m ea n da b r o a d t h e c a l c u l a t i o nm e t h o da b o u tf o r c eo nas i n g l ec u r i n ga n dr o a d h e a d e rh a db e e nf o u n d a c c o r d i n gt h er e c o r d i n gi nr e l a t i o nl i t e r a t u r e i th a sb e e nu s e dt od e t e r m i n et h el o a do f d r i v es y s t e ma b o u tr o a d h e a d e r sc u t t i n gu n i t t a k ea se b h 一12 0r o a d h e a d e rf o rt h e p r o t o t y p e ，t h et o r s i n a lv i b r a t i o nm o d e lh a v eb e e nb u i l tb yt h et r a n s f e rm a t r i xw a y t h r o u g hp r o g r a m m i n gi nt h em a t l a bs o f h c a r e ，o b t a i n e dt h ee v e r yn a t u r ef r e q u e n c y a n df u n d a m e n t a lm o d e 、i t hw h i c ht h ef i r s tt w on a t u r a lc o i n c i d ea n dp o t e n t i a le n e r g y a t t r i b u t er a t eo f e v e r ye l a s t i cs h a f ta n dm o d a lf l e x i b i l i t y i na d d i t i o n , a n o t h e rm o d e lh a sb e e nb u i l tw i t ha d a m ss o f t w a r e t h r o u g h a p p l i e dt h et o r q u eo fi m p u l s ea n ds i n el o a d i n g ，s i m u l a t e dt h em o d e l ，g e tt h ec u r v eo f e v e r ye l a s t i cs h a f t sd e f o r m a t i o n , t h e nd r a w e dt h ec u r v eo fe v e r ye l a s t i cs h a f t s p o t e n t i a le n e r g y t h r o u g ht h i s ，t w ow e a ke l a s t i cs h a f t sh a v eb e e nf o u n d e dw h i c ht h e i r p o t e n t i a le n e r g yi se x t r a o r d i n a r yb i g g e rt h a no t h e r s t h e n , u t i l i z i n gt h eo p t i m i z a t i o n a l f u n c t i o no ft h ea d a m ss o r w a r c ，ih a v eo p t i m i z e dt h et w oe l a s t i cs h a f t 。st o r s i o n a l s t i f f n e s s ，m a d et h ee v e r ye l a s t i cs h a f t sp o t e n t i a le n e r g ys h a r p l yr e d u c i n ga n dp o t e n t i a l e n e r g y sa t t r i b u t eb e c o m i n gm o r eu n i f o r m t h er e s u l to fr e s e a r c hc a np r o v i d et h et h e o r yf o ri m p r o v i n gt o r s i o n a ld y n a m i c p r o p e r t yo f t h ed r i v es y s t e mo fr o a d h e a d e r sc u t t i n gu n i t a b o v em u t u a l i t ya n a l y s i sa n d r e s e a r c hp r o v i d em e t h o da n dt h e o r yr e f e r e n c ef o ri m p r o v i n gw o r k i n ge f f i c i e n c ya n d d e s i g na n di m p r o v e m e n to fd e c r e a s i n gv i b r a t i o no fr o a d h e a d e r 安徽理工大学硕士学位论文 f i g u r e 【6 4 】t a b l e 【2 2 】r e f e r e n c e 【6 6 】 k e y w o r d s ：t r a n s v e r s er o a d h e a d e nc u t t i n gu n i t ；d r i v es y s t e m ；t r a n s f e rm a t r i x ： d y n a m i cs i m u l a t i o n ；o p t i m i z a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h l3 2 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞邀堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并 表示谢意。 撇黼始举吼于年上月丑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞塑垄王盔堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阕。本人授权安徽理工大学 可以将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、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师签名： 到私 形矽缉 j 样嗍：7 钥朋 签字日期：夕嘭 年多月纱日 引言 引言 随着社会发展，能源耗费量也在不断增加。中国“富煤、贫油、少气 的能 源禀赋特点，决定“以煤为主 的能源消费结构。煤炭是我国最可靠的一次能源， 其战略地位长期不变。 矿山机械为采矿、冶炼行业提供装备，是国民经济的支柱产业，产品具有多 样化、技术含量高、加工精度高和生产周期长等特点。其中，悬臂式掘进机是矿 山机械的重要组成部分，是部分断面掘进机的主要机型。悬臂式掘进机又称自由 断面掘进机，属于单点截割，按截割头的布置方式不同，分为纵轴式与横轴式两 类。悬臂式掘进机是采矿应用的主要机型。掘进机集开挖、装渣和自动行走于一 身，可大大提高生产效率，因此其工作的稳定性对于保证工作质量和采掘进度十 分重要。 由于掘进机复杂、恶劣的工作环境及煤岩的不同性质，导致掘进机截割部传 动系统经常受到冲击载荷作用，使截割部减速组件产生扭转振动。对于满足静强 度要求的传动系统而言，当振动频率在传动系统的固有频率附近或与其重合时， 传动系统会产生较大的扭转振幅，由此而引起的动态应力要超出静态工作应力许 多，致使一些关键零部件的使用寿命降低，甚至在工作中会因受冲击而损坏。 为了保证掘进机的正常工作，降低其故障率，需要对掘进机进行细致的研究 和分析。论文对掘进机的发展进行阐述，利用传递矩阵法建立了横轴式掘进机截 割部传动系统的扭转振动模型，应用相关仿真软件，对横轴式掘进机截割部传动 系统的振动情况分析、模拟仿真，并进行优化改进，得到相关的数据，对于研究 和改进横轴式掘进机截割部传动系的动态特性具有一定的参考价值。 第l 章绪论 1 i 概述 1 1 1 掘进机简介 l 绪论 巷道掘进机是在地面以下开挖巷道、隧道或者涵洞的一种专用设各，分为全 断面与部分断面掘进机两大类。全断面掘进机主要是用于开凿水工涵洞和隧道， 如：盾构机，也可以用来掘进地下工程的岩石巷道；部分断面掘进机主要广泛应 用于隧道工程、矿业、铁路、煤炭生产等行业i ”。 部分断面掘进机根据工作机构的不同，分为截链式、圆盘铣削式和悬臂式。 其中悬臂式为部分断面掘进机的主要机型，悬臂掘进机又称自由断面掘进机，属 于单点截割。它的优点是：破岩功率相对集中于一点而不是整个断面。因此在同 样驱动功率下，可以截割更为坚硬的岩石；能够实现根据不同矿岩情况有选择地 采掘，掘进速度快，巷道成型好；集开挖、装渣和自动行走于一身，操纵方便， 对复杂地质条件适应性强，如：可以与锚杆、上梁等支护装备配用，还可以实现 掘进与支护的主负联合机械化作业；还具有连续掘进，无爆破振动，对围岩扰动 小，延迟岩石变形，减少超挖，节约衬砌费用，控制地面沉降( 地铁施工中) 等 特点。悬臂式掘进机的截割臂可以上下左右摆动，能截割任意断面形状的隧道， 还可以自行前进、倒退和转向，设备机动性好，而且同全断面掘进机相比造价相 对低廉。 圈1 悬臂式掘进机基本组成结构 f i g t h e k b j cc o o s t m c t i o no f t r a n s v e r s er o a d h e a d e r 构 安徽理t 大学硕士学位论文 悬臂掘进机一般由截割头与悬臂构成的工作机构、蟹爪式装载机构、刮板与 皮带式运输与转载机构、履带行走机构、电机和液压的驱动与控制装置、以及相 应的辅助装置等五大部分组成。通过截割头的旋转和悬臂的上、下、左、右摆动 来实现巷道的成形掘进。悬臂式掘进机结构组成如图l 所示。 悬臂式掘进机按截割头的布置方式不同，分为纵轴式与横轴式。纵轴式截割 头与悬臂同轴布置，截割头的形状为圆锥形或圆柱一圆锥形，横轴式截割头的轴 线与悬臂垂直，截割头形状为双半球形。纵轴式截割头则多用于硬岩掘进，横轴 式截割头一般用于软岩掘进【l j 。表1 为国产典型掘进机性能参数情况。 表1 国产几种典型悬臂掘进机性能参数1 2 1 t a b l e ls o m et y p i c a lk i n d sr o a d h e a d e ri no u rc o u n t r y 型号e l 一9 0e b z 一7 5e l m b - 7 5口d - 1 3 2 a口d - 16 0 h n 巷道掘进面( m 2 ) 8 2 24 7 1 67 - 1 48 2 48 2 4 截割煤岩硬( m p ) 6 06 05 06 0 8 08 0 1 0 0 截割头类型纵轴式横轴式纵轴式纵轴式纵轴式 最大掘进高度( 砌 3 83 83 64 54 2 最大掘进宽度( 砌 5 35 65 05 76 6 截割头功率( 砌 9 07 57 51 3 21 6 0 外形尺寸 8 7 2 8 2 07 7 x 1 6 x 1 6 5 7 9 1 7 1 7 9 3 x 2 4 x 1 51 0 3 2 7 x 1 5 ( 长、宽、高。胁 适用掘进坡( d e g ) 1 61 61 21 61 6 装机功率( 肭 1 4 5 81 5 01 2 02 4 23 1 4 质量( t ) 3 7 23 52 1 54 35 0 悬臂掘进机的掘进断面取决于悬臂的长度和摆角度。掘进断面一般为 6 2 0 m 2 最大可达3 5m 2 。现已经成功用于掘进硬度较高的煤和半煤岩巷道， 国外的一些重型悬臂掘进机可掘进到f = 8 1 0 的中硬岩巷道。 悬臂式掘进机的应用，大大加快了巷道掘进速度，改善了掘进工作面的作业 与劳动条件。掘进机的使用是建设高产、高效的机械化矿井，实现煤矿生产过程 采掘综合机械化的重大发展。因此，目前世界各主要产煤国家都在大力发展和推 广应用悬臂掘进机。 4 第1 章绪论 1 1 2 国内悬臂式掘进机的发展概况 我国悬臂式掘进机的发展主要经历了以下三个阶段【j j ： 第一阶段：6 0 年代初期到7 0 年代末，这一阶段主要是以引进国外掘进机为 主，也定型生产了几种机型，在引进的同时进行消化、吸收，为我国悬臂式掘进 机的第二阶段的发展打下了良好的技术基础。这一阶段掘进机的主要特点是：使 用范围越来越广，切割能力逐步提高，有切割夹岩和过断层的能力。 第二阶段：7 0 年代末到8 0 年代末，这一阶段，我国与国外合作生产了几种 悬臂式掘进机并逐步地实现国产化，其中典型代表是与奥地利、日本合作生产的 a m 5 0 型及$ 1 0 0 型，其后，我国自行设计制造了几种悬臂式掘进机，其典型代表 是e m a - 3 0 型及e b j 一1 0 0 型。这一阶段掘进机的特点是：可靠性较高，已能适应 我国煤巷掘进的需要；半煤岩巷的掘进技术已经达到相当的水平；出现了重型机。 第三阶段：由8 0 年代末至今，重型机型大批出现，悬臂式掘进机的设计与制 造水平已相当先进，可以根据矿井生产的不同要求实现部分个性化设计，这一阶 段的代表机型相当多，主要有e b j 型、e l 型及e b h 型。这一阶段悬臂式掘进机 的特点是：设计水平和可靠性大幅提高，功能更加完善，功率更大，一些高新技 术己用于机组的自动化控制，并逐步开始发展全岩巷道的掘进机。 经过三个阶段的发展，我国悬臂式掘进机的设计、生产、使用进入了一个较 高的水平，数量已居国际前列，有些机型的生产设计水平已达国际先进水平。虽 然我国设计制造水平已经取得了很大进步，但是在设计和制造，引进改造过中也 暴露出了很多缺点。我国掘进机的发展仍然存在产品设计水平偏低，技术引进缺 少创新等不足。 1 1 3国外掘进设备及技术发展概测掣7 】 在煤炭工业的发展过程中，人们首先解决的是地下矿物的运输和提升机械。 随着回采工作面的综合机械化和采煤设备的发展，回采工作面的机械化水平也大 大提高，加快了工作面的推进速度。相比之下，采掘巷道的掘进速度与机械化水 平却远远落后于回采工作面的推进速度，往往采掘失调，最终影响采掘工作效率。 这就促使巷道掘进方法和设备的加速研究。从上世纪五十年代末开始，各国投入 了大量精力，进行掘进机技术的开发与研制工作。研制并成功应用掘进机的先驱 当属匈牙利和前苏联，其中，首先应用成功的机型有匈牙利的f 5 型和前苏联的 兀足一2 m 型掘进机。此后各国竞相引进，并在此基础上研制自己的机型。英国在 5 安徽理工人学硕十学位论文 引进兀k 一3 型掘进机的基础上生产了m k z 型掘进机，日本在引进英国和前苏联 掘进机的基础上改进研制了m r h 系列，其他国家如德、美、法等国也均研制了 自己的机型。其中大部分机型为悬臂式部分断面巷道掘进机，少数为全断面巷道 掘进机，由于悬臂式掘进机的突出特点，己成为当今部分断面掘进机的基本机型。 2 0 世纪七十年代初，美国人采用高压细射流技术，作为悬臂式掘进机的辅助 切割，即在使用尖锐的截割刀具的同时，充分利用高压细射流的撞击、侵蚀效应、 高压锲作用等特点，来达到提高破岩能力的目的。但由于其元件研制的难度极大， 费用十分昂贵，对高压水增压系统元件要求也很高，限制了这项技术的发展和推 广使用。 国外掘进机设备发展迅速，半煤岩巷道掘进机已普遍推广，随着开采深度的 加大及薄煤层开采的需要，切割煤岩的硬度及半煤岩巷道掘进量的增长，新型掘 进机被广泛研制，半煤岩巷道掘进机适用机型重量约4 5 9 0 t ，切割岩石抗压强度 不大于8 0 m p a ，但是6 0 t 以下的掘进机工作时，振动剧烈，影响生产。因此，悬 臂式掘进机的主要机型以6 0 , - , 7 0 t 重的机型为主。 随着制造技术的发展，机器的可靠性也越来越高，从材料质量到零部件加工 精度都严格控制，加上专业的加工协作，有效地保证了主机制造质量。同时掘进 机设计趋于简化机械结构，尽量减少传动系统、机械连接系统及液压系统的串联 机构，大量采取模块化嵌装式结构。因此，新型掘进机不仅结构简化，而且可靠 性大大提高。 国外新型掘进机均配备有完善的工况监测和故障诊断系统。因此，可及时发 现故障，快速排除故障，节约了时间。同时随着机电一体化技术的发展，现在的 掘进机自动化程度越来越高，大大提高了生产率，有的提高幅度达3 0 左右。电 感系统的使用，不仅可保证切割机构的负载平稳，避免由于人工操作不当引起的 尖峰负荷，而且有效的保障了机器的使用寿命限1 0 l 。 1 2 课题的提出 1 2 1悬臂式掘进机截割部的负载 悬臂式掘进机截割部的负载主要来源于截割头在截割煤岩过程中所产生的截 割阻力、扭矩以及其他动载荷等。由于煤岩机械性质的特殊性，截齿在截割过程 中受到较大的动载，且具有随机性，因而用解析法计算截齿受力有很大困难。目 前主要用实验和数理统计方法得到经验公式来解决这个问题【l l - 1 7 1 。 6 第1 章绪论 1 各方向分力的计算方法 由分析截割头的运动可知，截割头截割过程主要是纵向进给过程，水平摆动 过程和垂直摆动过程，无论截割头处于何种工况，其受力情况均相似，均受截割 阻力厶、进给阻力厶及侧向阻力乞部分或全部作用造成的载荷。 1 ) 截割阻力：易 截齿在圆周方向受到煤岩阻力，根据有关资料，对处于截割区域内的第f 个 位置所受截齿阻力为： 按磨钝的截截齿计算： 订= p k k l k 2 k 3 ( o 2 5 + o 0 18 t f 吩1 ) + o 1 f 】 ( 1 1 ) 按锐齿计算： 只订= 只k l k 2 k 3 ( o 2 5 + o 0 18 t f h f l ) ( 1 - 2 ) 2 ) 进给阻力：名 对于截齿，当截割头在第i 个位置时，作用在一个齿上的进给阻力为： e 订= 只【0 8 k 2 k 3 ( o 2 5 + 0 o 18 t f h 订) + o 2 5 f 】 ( 1 3 ) 3 ) 侧向阻力：匕 对于截齿，当截割头在第f 个位置时，作用在一个截齿上的侧向阻力为： = e z i l ( 南+ c ，) 争 ( 1 川 c 十门 _ r 式中： 巴l 截割头在第f 个位置时，作用在一个截齿上的截割阻力； 订截割头在第f 个位置时，作用在一个截齿上的侧向阻力； 疋媒岩的接触强度指标，按表2 选取； 表2 煤岩普氏硬度系数与接触强度的关系1 s l t a b l e 2t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nl 弛q l o t l $ p u s h e l h a r d n e s sc o e f f i c i e n ta n d c o l l t a c tc o n t i g u i t ys t r e n g t h 岩石的普氏硬度系数 3 45678 p k | m 匕 2 3 0 3 5 04 9 06 5 08 0 0l o o o k 截齿形式的影响系数，按不同的截齿取值； k l = 1 5 对于镐形截齿( 回转式) ； k 。= 1 0 对于径向截齿( 非回转) ； k ：截齿的几何形状影响系数，按下式计算 7 安徽理工人学硕士学位论文 k 2 = k a k b k 。 ( 对于镐形截齿) k ：= k d k ( 对于径向截齿) 式中： k 。硬质合金刀头形状的影响系数，按表3 计算； 表3 硬质合金刀头形状的影响系数 t a b l e 3t h ee f f e c tc o e f f i c i e n ta b o u tt h es h a p eo fh a r d e na l l o yp o c k e t k n i f e ( 1 5 ) ( 1 6 ) 硬质合金刀头形状 系数k 。 圆锥形 1 o 双圆锥形 1 1 角锥形 0 9 5 蚝刀杆头形状影响系数，按表4 计算； 表4 刀头形状影响系数 t a l b e 4t h ee f f e c tc o e f f i c i e n ta b o u tt h es h a p eo fp o c k e t k n i f e 硬质合金刀头形状系数吒 圆锥形 1 o 角锥形 0 8 疋硬质合金刀头直径的影响系数按表5 确定； 表5 硬质合金刀头直径影响系数 t a b l e 5t h ee f f e c tc o e f f i c i e n ta b o u tt h ed i a m e t e ro fh a r d e na l l o yp o c k e t i ( n i f e 硬质合金刀头直径( r a m ) 91 21 41 6 系数疋 1 01 1 l1 2 61 4 0 k d 截齿截割刃宽度的影响系数，按下式计算： k d = 0 9 2 + 0 0 1 b ( 1 - 7 ) 式中： b 截割齿截割刃宽度，m m ： k 。截齿前面影响系数，按不同形状取值： k 。= l 截齿前面为平面； k 。= 0 9 5截齿前面为椭圆形或锲形； k ，截割角口的影响系数，按下表6 计算； 8 第1 章绪论 表6 截割角口影响系数 t a b l e 6t h ee f f e c tc o e f f i c i e n ta b o u tt h ea n g l eo fc u t t i n g 口 系数墨( d e g ) 6 07 08 09 01 0 0 镐形截齿 o 6 50 6 90 8 71 01 2 5 截齿样式 径向截齿 0 6 2 0 7 4 o 8 61 o1 2 ，第f 个截齿的截距( m m ) 即该截齿所在的截线( 第f 条截线) 与相邻 截线( 第i + 1 条截线) 之间的距离。 鬼截割头在第f 个位置时，截齿截割煤岩的切削厚度( m m ) 按下式计算： 红= ( o 9 5 ks i i l ( 仍) + o 0 5 ) ( 1 8 ) 式中： 仍截齿位置角； k 截齿的最大切削厚度( m m ) ： h “：1000vh(1-9)m“= n m ! 式中： 截割头上截齿纵向进给速度，r e r a i n ； m 同一截线上安装截齿数； 刀截割头转速： f 磨钝截齿端面在截割平面上的投影面积朋朋2 可以近似为： f = 1 0 2 0 镐形齿： f = 3 0 4 0 径向齿； h 切削厚度； t 切削宽度； c 。截齿排列方式系数： q = 1 4 顺序式； q = 1 0 交叉式； c ，截齿排列方式系数： c ，= 0 3 顺序式； c ，= 0 2 交叉式； g 截齿排列方式系数： 仉= 0 1 5 顺序式； 9 安徽理工人学硕十学位论文 g = 0 1 交叉式。 2 参与截割的截齿及总体合力的计算方法 由于截割头工作时其截割断面呈月牙形，因此，与煤岩接触范围内的截齿才 能参与截割，按极限情况截齿在0 。1 8 0 。范围内参与截割，在1 8 0 。3 6 0 。范围内 不参与截割。考虑到位置确定中，当原来处于仍= 3 6 0 。的截齿，在截割头转动一 周时，其转动增加3 6 0 。，截齿是否参与截割的判别方法为： 参与截割的截齿位置角：0 。仍 1 8 0 。或3 6 0 。仍 5 4 0 。； 不参与截割的截齿位置角：1 8 0 。仍 3 6 0 。或5 4 0 。s 仍 7 2 0 。 截齿位置角的一般表达式： 纯= l + 纯( 1 1 0 ) 式中： 驴。f 号截齿在截割头上的角度坐标： 缈。- k 时刻截割头转过的角度( 某个截齿相对于中心转轴的角位移) 。 在截割头转动中，处于不同位置角仍的截齿，其切削厚度h 是变化的，即仍不 同，h 不同，相应各截齿的载荷也不同。在截割阻力与推进阻力的计算式中仍是 一个变量。因此在截割头负荷的计算过程中，可以按上式计算出截割头每转动一 定角度，截齿相应位置角。在判断该截齿是否参与截割后，即可利用前述各式计 算出截割头转动一周范围内的相应载荷及变化规律。截割头所受合力情况如图2 所示。 截割头在x 方向所受合力： e = ( 巴c o s 慨) + 最s i n ( 仍) ) ( 1 - 1 1 ) 截割头在y 方向所受合力： b = ( 巴s i n ( 仍) 一只c o s 觇) ) ( 1 - 1 2 ) 截割头在z 方向所受合力： r z = 巴 ( 1 1 3 ) 截割头所受阻力距： 尺p = ，r ( 1 - 1 4 ) 式中： 单个截齿截割阻力； 最单个截齿进给阻力； 圪单个截齿侧向阻力； 1 0 第1 章绪论 尺，单个截齿齿尖半径； 缈，单个截齿位置角。 z r、 r z 、 一l ， 一| x 图2 截割头整体受力示意图 f i 9 2f o r c ea n a l y z ed i a g r a mo ft h er o a d h e a d e r 1 2 2 悬臂式掘进机截割部所受到的冲击和振动 由于掘进机工作对象的煤岩是非均质，呈各向异性，其煤层的机械物理性能 随机变化，以及因截割系统的弹性变形和非线性摩擦引起的传动速度变化，使得 掘进机在工作过程中负载的变化十分剧烈，且具有很强的随机性。负载的剧烈变 化将给电动机和机械传动系统造成严重的威胁，甚至引起破坏性事故。掘进机在 工作过程中的振动，不仅导致截割工况恶化、破坏截割性能，还引起截齿、机器 各部的零件和系统的元、器件损坏，使机器失效。掘进机沿截割方向的动力学行 为会引起机器行走速度不均匀、传动机构载荷波动，严重地影响掘进机行走和截 割过程的稳定性以及工作的安全性。而掘进机沿工作面推进方向上的振动将导致 安徽理工大学硕士学位论文 机器横向偏移，严重影响截割的稳定性和工作的安全性。 截割部是掘进机直接截割煤( 岩) 的部分，其消耗的功率约占整个掘进机功 率的6 5 以上。当截割头在旋转截煤时，由于煤岩的不同性质、以及截割头上的 截齿不连续的对煤岩的冲击会引起截割臂及机身的振动，从而会引起截割部负载 的不均匀变化，对截割部传动系统造成冲击。 由于掘进机的工作环境非常复杂、恶劣，在掘进过程中，散落的煤块对掘进 机的移动和调整机器的空间位置等都将增加掘进机的冲击与负载，从而引起掘进 机截割部的传动力矩不能被均匀吸收，对截割部的传动系统造成冲击。另外由于 制造误差和齿轮的磨损而引起齿轮不完全啮合也会对传动系统造成一定的冲击和 振动。 上述的这些冲击和振动对掘进机截割部传动系统构成了极大的威胁，致使掘 进机截割部传动系统的一些关键部件在正常工作中可能出现因过载而损坏的现 象。而目前在掘进机的设计中对截割部传动系统的设计多采用类比法。对轴类零 部件的设计一般都是在其满足静扭矩的情况下将其尺寸适当加大来提高其使用寿 命。但是当传动系统发生振动时，如果激振频率与系统的某阶固有频率重合或接 近时，零部件所受到的动态扭矩远远大于原先设计的强度。从而导致这些零部件 的使用寿命大大降低，使得系统的可靠性大幅下降。 1 3 研究掘进机截割部传动系统动态特性的意义 随着科学技术的不断发展，机械工业的日新月异，机械的运转速度越来越快， 从而对机械产品的动态性能提出了愈来愈高的要求。各种机械在工作过程中所产 生的振动使它们的动态性能严重恶化，从而大大影响其原有精度、工作效率和使 用寿命。 掘进机是一种在较差的环境下移动工作、结构又非常复杂的综合机组，随着 科学技术水平的提高和掘进机的推广应用，人们对其工作性能的要求越来越高。 掘进机在破碎、装载、运输矿岩的过程中产生的振动已成为人们日益关注的重要 问题。由于掘进机复杂、恶劣的工作环境及煤岩的不同性质，导致掘进机截割部 传动系统经常受到冲击载荷作用，使截割部减速组件产生扭转振动。对于满足静 强度要求的传动系统而言，当振动频率在传动系统的固有频率附近或与其重合时， 传动系统会产生较大的扭转振幅，由此而引起的动态应力要超出静态工作应力许 多，致使一些关键部件在工作中可能因受冲击而出现损坏。因此对其传动系统的 动态特性进行优化十分必要。 1 2 第1 章绪论 掘进机工作时机体本身产生激烈的振动，它不但会伤害操作人员的身心健康， 而且在截割较硬的岩石工作情况下，会引起机器壳体和驱动电机轴的振动造成机 械过度疲劳、电器设备误动作和损坏、截齿破损和破坏以及电机崩溃、掘进机空 间不稳定等现象，为了提高掘进效率尽量减少上述情况的发生研究掘进机截割部 传动系统的振动情况有很大的实际意义。据调查，在工作过程中因机器在空间的 位置不够稳定造成的停机达2 6 ，因电机崩溃造成的停机占2 0 。这些都严重降 低了机器的生产效率和经济效益。 为使这种机械设备安全可靠地工作，其结构系统必须具有良好的静、动态适 应特性。因此，必须对掘进机进行动态研究，以满足其机械动态特性和低振动的 要求。掘进机机械振动的扰动源主要有以下几个方面： 1 1 掘进机工作运动过程的执行机构主要的动力学扰动源。 2 ) 齿轮和链传动的传动装置和系统的任意一种运动学不完善造成运动不均 匀，而形成加速度、动载荷普遍的扰动源。 3 ) 煤岩性质不稳定。 4 ) 巷道底板纵断面的不平度。 一般认为，在水平巷道工作时，掘进机能够有效的切割岩层，但切割单轴压 缩强度在2 0 - - 4 0 m p a 煤岩时，机体本身激烈振动，它不但损害操作人员的身心健 康，而且在截割较硬岩石的工作情况下，会引起机器壳体和驱动电机轴的振动， 造成机械过度疲劳、电器设备误动作和损坏、截齿的破损和破坏以及电机崩溃、 掘进机的空间位置不稳定等现象【1 9 1 。 切割功率大、工作平稳、部件结构简单紧凑、是掘进机工作的特点，但它又 必须满足可靠性的要求，以保证切割效率。深入研究截割臂减速器的动态特性是 原淮南煤矿机械厂e b h 一1 2 0 型掘进机研究所关注的重要问题。多级齿轮传动是减 速器中普遍采用的一种传动形式，具有高速比和高效率的特点，其中单支齿轮传 动系统是最为普遍的形式，因此研究掘进机截割部传动系统的动态特性将为掘进 机减速器的系统分析和设计提供很大的贡献【2 0 l 。 通过对掘进机截割部传动系统的运动参数、截割部可能受的外载荷情况以及 掘进机整机受力和动态特性的分析研究可以进一步提高掘进机减震设计，改善和 优化掘进机截割部传动系统的动态特性。对提高掘进机切割性能、岩矿的适应性、 工作性能、整机寿命和改善工作环境以及工作效率具有重要意义。优化的结果对 提高掘进机截割部传动系统的扭转动态特性提供了一定的理论依据，从而达到节 约有限的开发资金和宝贵的时间，提高设计质量和速度。 1 3 - 安徽理工大学硕士学位论文 1 4 论文主要研究的内容 以e b h - 1 2 0 掘进机为原型，进行下述内容的研究： 1 研究和分析掘进机截割部的负载、掘进机所受到的冲击和振动，建立截割 部传动系统轴系传递矩阵算法，对悬臂式掘进机截割部进行受力分析。 2 应用c a d 软件进行实体建模，利用a d a m s 软件进行掘进机截割部传动 系统的动力学仿真，研究截割部传动系统的仿真模型，对悬臂式掘进机进行虚拟 样机设计分析它的振动情况。 3 在集中参数模型的基础上，利用传统的传递矩阵法建立悬臂式掘进机截割 部传动系统的扭转振动模型。按照在系统做简谐振动时动能、势能不变的原则， 将一系列的传动件分别折合成无弹性的惯性元件和无质量的弹性元件，并将它们 全部折合到系统的输出端，建立系统的总传递矩阵。通过两端自由的边界条件并 利用软件编制程序，计算该传动系统的各阶固有频率及前两阶固有频率所对应的 主振型、弹性原件的势能分布率及模态柔度。分析其计算结果，找出该悬臂式掘 进机截割部传动系统的薄弱环节。 4 利用集中参数的原则，应用软件对悬臂式掘进机截割部传动系统进行建模， 用只有一个转动自由度的圆盘替代惯性元件，用扭簧替代弹性元件，并通过施加 模拟的电机驱动转矩，施加脉冲负载、正弦负载对悬臂式掘进机截割部传动系统 进行动态特性仿真分析，通过对各弹性元件的势能绘制曲线，找出势能最大的一 些弹性环节。 5 利用软件的参数化优化设计功能对这些势能最大的弹性环节的扭转刚度进 行优化，并利用优化后的数据对上述模型进行动态分析验证。并与原始数据进行 对比分析。 1 4 - 第2 章掘进机截割部传动系统扭转振动模型的建立 2 掘进机截割部传动系统扭转振动模型的建立 2 1 轴系传递矩阵法1 2 1 1 在研究分析机械振动的几种方法中，基本上是在系统的质量矩阵、刚度矩阵 形成之后进行的。这些方法适应性广，有着广泛的应用。但若系统自由度很大时， 运算的工作量是非常大的。工程中，有些结构是由很多单元一环连一环地结合而 成的，呈一种链状结构的形式，如连续梁、汽轮发电机转轴、发动机曲轴等，这 些结构可以离散化成轴上带有集中质量的横向振动系统，或轴上带有圆盘的扭转 振动系统、对这种系统进行振动分析时，可以采甩另一种很有效的计算方法一传 递矩阵法。用传递矩阵法进行振动分析时。只需要对一些阶次很低的传递矩阵进 行连续的矩阵乘法运算，在数值求解时，只需计算低阶次的传递矩阵和行列式值， 这就大大节省了计算工作量，不管离散化后的系统有多少自由度，也不管系统有 没有中间支座，传递矩阵的阶次都不受到影响。传递矩阵的阶数只决定于组成结 构的单元性质。描写单元振动的微分方程式的阶数，就是传递矩阵的阶数，梁单 元弯曲振动微分方程式为四阶，轴单元扭转振动微分方程式为二阶，则相应的传 递矩阵也为四阶或二阶。本文所研究的是轴系的扭转振动，故只介绍轴系的传递 矩阵法。 在计算传动系统的扭转振动时，常利用传递矩阵法，并根据传动链的特点， 常将只有串联传动件的传动链简化为单支当量扭振系统，将具有平行分支传动的 传动链简化为分支当量扭振系统。由于本文所研究的传动系统只有串连传动件， 故只介绍单支当量扭振系统的计算及分析方法。 2 1 1 单支当量扭振系统传递矩阵的建模理论 如图3 ( a ) 所示的只有一条传动路线，由串联传动件组成的传动链可按以下方 法步骤转换成图3 ( b ) 的单支当量扭振系统来进行计算。 1 5 - 安徽理工大学硕十学位论文 a ) b ) 图3 单支当量扭振系统 f i 9 3t h ee q u i v a l e n ts y s t e mo fs i n g l eb r a n c h 1 计算每一轴段的扭转刚度和转动惯量，将各轴段的转动惯量集中到该轴两 端的零件上，使各轴段简化为无质量的弹性轴段。弹性轴段的扭转刚度应与实际 轴段相等。转动惯量一般可平均分配到轴段两端。 2 计算和轴一起转动的各零件的转动惯量和扭转刚度，并将它们简化为刚性 圆盘和弹性轴段。 经过以上两个步骤后，可以将实际传动链简化为一系列的弹性轴段和无弹性 的刚性圆盘组成的轴盘系统。 3 将所有不在同一条轴线上的弹性轴段和刚性圆盘转换到同一个轴线上，构 成单一轴线的当量轴盘系统。如图3 ( b ) 所示。当量系统的各元件的参数，根据转 换前后系统动能和势能不变的原则进行计算。 如图3 所示，将如图3 ( a ) 的传动系统向轴转换，得到如图3 ( b ) 所示的当量 系统。以驰、缈：、( - 0 3 分别表示轴i 、轴、轴的角速度。根据转换前后系统动 能不便的原则，可以得出： 昙“+ j ：+ 7 3 + j 。b ；：寻d ：+ ，：b ? + 寻d ；+ 以b ；+ 导亿+ j ：k ( 2 - 1 ) 设从轴i 到轴i i 的传动比为：亏，i i 轴到轴的传动比为j 2 3 ，则有： 1 6 第2 章掘进机截割部传动系统扭转振动模型的建立 毛，：堕，q ：导：名：堕，吃= 导( 2 - 2 )铴5 i q 2 j 1 1 3 ：。蔷吃2 _ 三1 2 1 3q呸 将上式代入式( 2 1 ) ，比较等式两边，得出当量系统各刚性圆盘的转动惯量为： 以= 毒，以= 专+ 丢，以= 晏1 2 3 + z ，以= 以( 2 - 3 ) 根据转换前后系统势能不变的原则有： 昙k 魄一爿) 2 + 七：似一识) 2 + e 似一以) 2 】： 昙k 。仇一死) 2 + 七：仇一九) 2 + 屯纸一九) 2 】( 2 - 4 ) 以矽表示刚性圆盘的转角，各圆盘的转角以上下标加以区分。按传动比定义 可得- v y u 关系： 石：刍，么：粤，无：粤，么= 死，以：叁，两：九( 2 - 5 ) 将式( 2 - 5 ) 代入式( 2 - 4 ) 。比较等式两边，得当量系统各弹性轴段的扭转刚度为： 毛= 鲁，乞= 专，毛= 毛( 2 - 6 ) 由上述公式可以看出：将第r 轴上的刚性圆盘以或弹性轴端t 折算到第s 轴 上，折算后对应的转动惯量以和扭转刚度屯为： 以= 考，屯= 等 ( 2 7 ) 式中： t 为第r 轴到第s 轴的传动比。由此可将一个多轴线的轴盘系统转换为一个 单一轴线的当量