（机械制造及其自动化专业论文）煤矿dty型挂缆车自动支撑的研究.pdf

摘要 摘要 随着我国煤矿机械的快速发展，煤矿设备在现代化的采煤生产中发挥着越来 越重要的作用。煤矿设备主要依靠电力驱动，电缆线是必不可少的。在使用电力 方便的同时，从而也带来了电缆线随采煤设备移动收放的问题，而d t y - 5 0 1 2 0 型白行电缆拖挂吊车的研发、使用和推广，很好地解决了此难题。这种设备的研 制成功，更好地促进了井下大量煤矿设备的使用和普及，而自动支撑是其组成部 件之一。 自动支撑是d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车的重要部件，也是连接液压缸和 挂缆车的核心部件。该部件工作性能的好坏直接决定着整个设备运行的平稳性， 可靠性及工作效率。因而要对自动支撑进行有限元分析和强度校核，以保证该设 备的安全和平稳运行。 本文首先，系统的阐述d t y 一5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车的自动支撑部分的工 作原理和零件材料选择以及有限元计算与分析的内容，从结构、合理性等方面进 行分析研究。 其次，在大型三维设计软件s o l i d w o r k s 中建立d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂 吊车自动支撑壳体模型。 然后，利用大型a n s y s 有限元分析软件校核其机构强度和刚度，并对其进行 模态和谐响应分析，避免挂缆车在井下工作时发生较大的振动和滑动，影响井下 设备的正常运行和矿井工人的生命安全。 最后，利用最优化方法对自动支撑壳体进行优化设计，从而尽可能减轻零件 和机器的重量，降低成本，更好地促进自行电缆拖挂吊车的推广和普及。 图4 9表9参5 8 关键词：自动支撑；挂缆车；电缆线；有限元法；最优化方法 分类号：t h 2 2 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o a lm i n i n gm a c h i n e r y ，c o a lm i n i n ge q u i p m e n ti n t h em o d e r n i z a t i o no ft h ep r o d u c t i o ni sp l a y i n ga i li n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l e i ti s e s s e n t i a lf o rc a b l et oc o a lm i n i n ge q u i p m e n tr e l ym a i n l yo nc o a lp o w e r d r i v e n e q u i p m e n t c o n v e n i e n c eo ft h eu s eo fe l e c t r i c i t y ，w h i c ha l s ob r o u g h tt h ep r o b l e mo f t h ec a b l ew i t ht h em o b i l em i n i n ge q u i p m e n tf o rr e t r a c t i o na n dr e l e a s e i ti sr e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n t ，u s ea n dp r o m o t i o no ft h et y p eo fd t y 一5 0 12 0c a b l et r a i l e rc a rc a n b e t t e rs o l v e st h i sp r o b l e m s t h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to ft h i se q u i p m e n tt ob e t t e r p r o m o t et h eu s ea n dp o p u l a r i t yo fu n d e r g r o u n dc o a lm i n i n ge q u i p m e n t h o w e v e r , t h e a u t o m a t i cs u p p o r t e ri so n eo ft h em a i nc o m p o n e n t so ft h ed e v i c e t h ea u t o m a t i cs u p p o r t e ri sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h et y p eo fd t y 一5 0 12 0 c a b l et r a i l e rc a r ，m e a n w h i l ei ti st h ec o r ec o m p o n e n to fh a n g i n gc a b l ec a rc o n n e c t i n g t h eh y d r a u l i cc y l i n d e r t h eq u a l i t yo fp e r f o r m a n c eo ft h ep a r td i r e c t l yd e t e r m i n e st h e s m o o t ho p e r a t i o n ，r e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo ft h ee q u i p m e n t t h u st h ef i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sa n ds t r e n g t hc h e c kf o rt h ea u t o m a t i cs u p p o r t e r ，t oe n s u r et h es a f e t y o ft h e d e v i c ea n ds m o o t hr u n n i n g f i r s to fa l l ，s y s t e m a t i ce x p o s i t i o nw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h ep a r to ft h ea u t o m a t i c s u p p o r t e ro f t h et y p eo fd t y 一5 0 12 0c a b l et r a i l e rc a r ，t h ea n a l y s i so fm a t e r i a ls e l e c t i o n a n dc o n t e n tf o ra n a l y s i so ff i n i t ee l e m e n t ，f r o mt h es t r u c t u r ea n dr a t i o n a lt oo t h e r a s p e c t sf o ri t s e c o n d ，i nt h es o l i d w o r k so ft h el a r g et h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g n s o f t w a r e ， e s t a b l i s h i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fs h e l lf o ra u t o m a t i cs u p p o r t e r t h e n , u s i n gt h ea n s y so ft h el a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et o c h e c kt h es t r e n g t ha n dr i g i d i t yo fi n s t i t u t i o n a l ，a n da n a l y s i so fi t sm o d a la n dh a r m o n i c r e s p o n s e ，w h i l ei ti so p e r a t i o n ，t oa v o i dg r e a t e rv i b r a t i o na n ds l i d i n gf o rh a n g i n gc a b l e c a r , a n dm a i n t a i nt h en o r m a lo p e r a t i o no fe q u i p m e n ta n dt h es a f e t yo fl i v e sf o rw o r k e r s i nt h em i n e f i n a l l y ，m a k eu s eo fo p t i m i z a t i o nm e t h o d st ot h ea u t o m a t i cs u p p o r t e rs h e l lf o rt h e d e s i g no fo p t i m i z e ，t om i n i m i z et h ew e i g h to fp a r t sa n dm a c h i n e r y ，r e d u c ec o s t s ，t o b e t t e rp r o m o t et h ec a b l et r a i l e rc a ra n dp o p u l a r i z a t i o nf o ri t i i 摘要 f i g u r e4 9 t a b l e9r e f e r e n c e5 8 k e y w o r d s ：a u t o m a t i cs u p p o r t e r ；h a n g i n gc a b l ec a r ；c a b l e ； f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；o p t i m i z a t i o nm e t h o d c h i n e s eb o o k s c a t a l o g ：t h 2 2 i i i 引言 己i 害 - j -口 目前，对于煤矿井下绝大部分采矿机械和设备，大都采用电能作为其主要的 动力源。由于煤矿井下环境恶劣，巷道空间小，而且供电所用电缆线粗大，笨重。 移动起来要消耗大量的人力，效率低下。为此，研发了d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖 挂吊车，克服了以上不足，大大提高了劳动生产率，促进了许多重要煤矿机械的 发展和广泛使用。 考虑煤矿井下环境等诸多因素的影响，需要对d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂 吊车进行必要的强度和刚度校核，确保该设备在井下安全，可靠的运行，以确保 井下的煤矿开采安全有效运行和人身安全。由此确立煤矿d t y 型挂缆车自动支撑 的研究课题。 本文作为“煤矿d t y 型挂缆车自动支撑的研究”的课题，通过运用三维建模 软件s o l i d w o r k s 建立挂缆车自动支撑壳体三维实体模型，然后导入大型a n s y s 有限元分析软件中进行有限元分析。通过设定合理的载荷、约束和模型参数，并 进行动、静态特性分析，以及模态和谐响应分析等。然后根据有限元分析的数据 进行参数和材料优化，进一步进行强度和刚度校核，使其在安全使用系数范围内。 最后利用优化理论进行结构优化，使得d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车更好的 推广和普及，促进安全生产。 安徽理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，能源和资源的需求量 迅速增加。为实现“全面建设小康社会“的目标，到2 0 2 0 年国家对煤炭的总需求 量将达到2 2 亿到3 2 亿吨。煤炭作为我国主要的能源之一，对我国经济的可持续 发展具有极为重要的作用u q l 。 采、装、运，支为煤炭生产的四大环节，煤炭生产过程中极为重要的一环就 是矿井运输。运输系统的优劣直接决定了煤矿生产的效率和企业的效益。因此运 输系统被形象的比喻为“运输是动脉，提升是咽喉h 吖。 矿井运输按其工作的性质和重要程度可分为主要运输和辅助运输。主要运输 就是主要针对井下煤及煤炭矿物的运输。对设备、材料、矸石、人员等具有服务 性质的运输称为辅助运输。随着煤矿高产集约化技术的发展，辅助运输也显得更 为重要。由于材料和设备多，运输地点不集中，上下班人员要在最短时间内送达 工作地，这都离不开辅助运输的巨大作用。另外，矸石的运出和开采设备的运进 也要靠辅助运输来完成。可靠、安全、高效的运输技术和设备己成为矿井生产的 重要标志8 川。 由于煤矿井下工作条件的特殊性和环境恶劣等多种因素的影响，运输设备结 构要紧凑，尺寸尽可能小。因为井下巷道空间小，井下运输路线多，交叉相连， 设备类型多。随着煤矿开采面的不断向前推进，其运输设备要方便的移动，采煤 设备要便于安装和拆卸。又因为井下粉尘较多，周围环境中可能存在瓦斯等易燃 易爆气体，所用的设备要具有防爆阻燃、防腐蚀和防尘等功能护删。 我国电力公司的大力发展和核电站的开发使用的同时，各种各样的用电设备 和电器层出不穷，也使得工业用电的领域越来越广，且用电方便、价格便宜且便 于控制。绝大部分煤矿开采设备和机械基本上都是采用电力作为主要的动力源。 设备通过电缆线与电源相连，因煤矿井下设备工作的特殊性，所有和设备相连的 电缆线要有较好的绝缘性能和疲劳寿命。故采煤设备的电缆线显得粗大、笨重， 给采煤设备的频繁向前运动带来不便。耗费大量人力，劳动生产率较低。基于目 前此种情况，通过大量实际调研和证实，有必要开发一种设备来解决目前矿井所 出现的实际问题。经过对大量资料的学习和现场的研究，研发出一种便于操作、 简单、方便、便于维修的辅助运输设备，这就是“d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊 车 。该设备的研发给矿井生产带来了极大方便，降低了工人的劳动强度，提高了 2 第1 章绪论 煤矿设备的开采效率。因为煤矿井下环境及不稳定情况的因素很多，为确保设备 的稳定运行和安全可靠，则采用有限元法对该设备的自动支撑等关键部件和零件 进行结构分析并校核其机械强度、刚度、安全性和可靠行，以满足使用要求u 卜2 3 。 有限乖分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物体或系统。在这种方法 中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型。 这些独立的点的数量是有限的，因此被称为有限元u 1 。通过有限元分析法来校 核d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车，从而防止强度和刚度不足，或者安全系数 过大，造成不必要的物质浪费和成本的虚高。同时也为本课题的研究提供了可靠 的理论基础。 1 2 国内外煤矿电缆吊车的研究现状 自综合机械化采煤以来，运输机、采煤机、掘进机和液压支架等设备蓬勃发 展。在大力发展采煤设备的同时，其运输系统也不能忽视。煤矿运输和提升是煤 矿生产的重要环节，其辅助运输的先进与否，直接关系到矿井现代化建设和煤矿 的生产效率。大力发展辅助运输系统，能增加工作面产量，提高工时利用率，节 省人力并降低工人劳动强度，减少设备搬运时间，提高设备利用率等比4 四。 目前，国内外的辅助运输设备大致归纳为单轨吊、齿轨卡轨车、齿轨车、胶 套轮车和无轨胶轮车等几种类型h 副。国外辅助运输设备的制造和研发比中国早， 技术也比较成熟。随着防爆柴油机的发展和使用，1 9 5 9 年英国矿井开始使用柴油 机胶轮车，6 0 年代初，英国克莱顿公司研发出胶套轮车，当时被称为“马驹 车。 7 0 年代初美国煤矿井也使用这种胶套轮车，作为主要的辅助运输工具。1 9 7 7 年英 国汉斯莱特公司研制出由6 6 k w 防爆柴油机驱动的齿轨车。到7 0 年代末，德国和 英国研制出了卡轨车。如德国沙尔夫公司生产的“双轨8 0 0 型卡轨车，在坡 度为2 9 。的轨道上，可承载3 0 吨的支架进行运输。随着我国煤炭工业的发展， 在学习总结国外先进技术和经验的基础上，为适应我国国情，国内科研人员已研 制出k c y - 6 9 0 0 和f - 1 两种系列的钢丝绳牵引卡轨车吲引。 近年来，我国煤矿机械行业通过对德国米亚格( m i a g ) 防爆叉车公司生产的 “e g l 2 0 2 5 2 吨电动防爆叉车”，德国j c p - 8 6 0 0 型胶套轮齿轨卡轨车使用的 “m w m d 9 1 6 6 防爆柴油机”，美国康明斯公司生产的“6 b t 防爆柴油机”等产品和 技术的引进，并与国外著名公司和企业合作，吸收了国外一些先进技术和经验， 取长补短，通过对产品的改型、改进等措施，加快了我国煤矿机械产品的更新换 代，极大地提高了煤矿开采效率。在采煤过程中，随着煤矿综采面不断地向前推 3 安徽理工人学硕士学位论文 进，在保障采煤设备工作可靠的同时，又要使与采煤设备相连的电缆线和乳化液 管能够长久的安全使用，以保证煤矿井下电缆线的安全移动。当今我国煤矿井下 电缆线粗大笨重，巷道空间小、条件恶劣等特殊情况，尽可能地用机器替代人力 劳动，以降低劳动强度，提高工作效率。为此，国内研发出了许多用于煤矿井下 电缆拖运的辅助设备。如中国专利号为z l 2 0 0 6 7 7 4 6 2 4 的井巷电缆拖运装置，南京 石诚井巷装备有限责任公司生产的“d g y 一6 0 型电缆拖挂单轨吊 ，淮南市矿用电 子技术研究所生产的“k y t l 0 0 1 4 型矿用液压电缆拖运车 ，潞安王庄矿自制电 缆拖挂单轨吊等许多辅助运输设备瞄卜“。 借鉴国外先进的技术和经验，促进了我国煤矿机械行业突飞猛进的向前发展， 带动了许多新兴产业的发展，促进了我国的经济发展和人民生活水平的极大提高。 随着我国人口的日益增长以及人们对于资源和能源的需求不断增强，煤矿开采量 供不应求。尽管我国的煤矿设备和机械较以前有较大的提高和改进，但与国外先 进国家相比，我国煤矿机械总体上水平不高，且存在许多不足之处。主要表现为 煤矿机械过于笨拙，体积庞大，鲁棒性、灵活性和机构适应性差等诸多缺点和问 题。因此，国内外煤矿机械的计划方案和结构设计都在朝着智能化，柔性制造， 计算机辅助设计和制造，计算机仿真和模拟，虚拟制造等方向发展，以适应当今 激烈竞争的社会。在煤矿机械设计过程中注重理论与实践相结合，机械结构的人 性化设计，产品的更新和节能环保，产品的可回收和可循环利用等。根据具体的 环境情况，及时调整产品的发展方向，以满足不同企业和行业的发展需求和推广 普及。 随着采煤机械化的不断提高和井下采煤设备的大量使用，井下采煤设备的电 能输送基本上都是通过电缆线传送的。由于采煤设备在截割煤层不断向前推进的 过程中，电缆线要随着采煤设备不断地向前运动。如何让电缆线随着采煤设备而 安全可靠的不断运动，则是困扰人们的一大难题。目前解决这一问题主有三条途 径：第一、采用防爆柴油机。使用防爆柴油机，可以减少电缆的使用甚至可以不 用。第二、将电机所需的电源装置放置在采煤机上。这样可以避免电缆的频繁移 动。第三、安装电缆收放小车。电缆线能够根据采煤设备的运动而进行一定距离 的灵活运动u 。虽然目前国内防爆柴油机已经较为成熟，但是由于结构尺寸过于 庞大，用于井下采煤设备显然不太合适。随着煤矿井下开采量的逐年增加，而电 源装置过于笨重，安放不便。最重要的是它发出的电量远远满足不了采煤设备的 需要。因此电缆收放装置的研发能够为解决这一难题提供了可行的条件。 本课题是在对煤矿井下多次的调研和实践的基础上提出的，通过对 4 第1 苹绪论 d t y - 5 0 1 2 0 型白行电缆拖挂吊车自动支撑的壳体进行有限元分析和计算，以校核 其机械强度和刚度。使其在安全系数的范围内，满足使用要求。保证井下设备能 够安全，可靠的运行，提高采煤设备的工作效率。 1 3自行电缆拖挂吊车的总体介绍 1 3 1自行电缆拖挂吊车的结构和工作原理 1 自行电缆拖挂吊车的结构 自行电缆拖挂吊车的轨道是工字钢，通过钢丝绳将工字钢悬吊在巷道的支架 上、锚杆上、预埋链上或者是砌碹梁上并固定。自行电缆拖挂吊车的运输就是将 电缆线、乳化液管等材料通过放置在挂缆车上，并和挂缆车一起由连续行走自动 液压推进器牵引在轨道上运行的运输设备。通常将自行电缆拖挂吊车安装在运输 巷道的上煤帮侧顶板上，如果皮带机位置变化了，也可安装在运输巷道的下煤帮 侧顶板上。该设备的主要结构由导轨、挂缆车、连接杆、自动支撑、液压缸、连 续行走自动液压推进器、链条、制动器、承载滑轮机构等部分组成，如图1 所示。 图1d t y 一5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车 卜导轨( 工字钢) ；2 一挂缆车；3 一连接杆； 4 一自动支撑；5 一推进液压缸； 6 一连续行走自动液压推进器；7 一电缆；8 一链条；9 一手动操纵阀：1 0 一钢丝绳 f i g 1 d t y 一5 0 12 0c a b l et r a i l e rc a r l r a i l ( h - s h a p e ds t e e l ) ；2 - h a n g i n gc a b l ec a r ；3 一c o n n e c t i n gr o d ；4 - a u t o m a t i cs u p p o r t e r ；5 一 t h r u s th y d r a u l i cc y l i n d e r ；6 - c o n t i n u o u sa u t o m a t i ch y d r a u l i cp r o p e l l e rw a l k ；7 一c a b l e s ；8 一 c h a i n ；9 一m a n u a lc o n t r o lv a l v e ；10 - w i r er o p e 2 自行电缆拖挂吊车的工作原理和适用条件 5 安徽理工大学硕士学位论文 1 )自行电缆拖挂吊车的工作原理 该设备的主要动力是由液压系统提供，所用高压乳化液由现场乳化液泵注入 整个系统。经过减压阀使油缸压力降到工作压力来驱动与油缸相连的连接杆，通 过连接杆的伸缩推动左、右自动支撑的前进和后退。因为自动支撑的连接杆又与 挂缆车相连，从而带动小车的前进和后退，也就将装载在小车上的电缆线和乳化 液管一起移动。由于井下工作环境恶劣，巷道高低不平，为防止端部挂缆车的滑 动脱落，通过安装制动器来阻止挂缆车滑动。另外，自动支撑由于载荷和自重等 各方面原因，在运动时与工字钢发生摩擦，为减少和避免自动支撑的磨损，在自 动支撑上部装有承载滑轮机构，可以大大减少自动支撑的磨损。 2 )自行电缆拖挂吊车的适用条件 a 自行电缆拖挂吊车主要在吊挂在巷道顶板上的工字钢上的轨道上运行，不 受巷道内的堆积物及底板变形的影响，但要有可靠的吊挂装置。若采用锚杆吊挂 时，每个吊轨点采用8 0 k n 牛以上的锚固力进行锚固，以确保安全。 b 自行电缆拖挂吊车可在水平巷道与倾斜巷道中运行，在倾斜巷道中，倾斜 坡度可达到1 5 。到4 5 。之间。 c 自行电缆拖挂吊车具有机动灵活的特点，可以实现正、反两个方向的运动， 能够满足不同工作面的需要。 d 自行电缆拖挂吊车不需要专门的动力源，以作业面上的乳化液泵站作为动 力源，乳化液防爆阻燃不污染环境。 e 自行电缆拖挂吊车需要有满足运输条件的巷道坡度和巷道断面；可靠的轨 道吊挂和巷道支护；合理的巷道布置和辅助设施等。 1 3 2自行电缆拖挂吊车主要技术参数 自行电缆拖挂吊车的主要技术参数如表1 所示： 6 第1 章绪论 表l 主要技术参数 t a b l e1m a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 长( m ) 1 0 0 宽( m ) 0 6 高( m ) 0 5 液压装置推进力( k n ) 5 0 1 2 0 使用( 工作) 压力( m p a ) 1 5 3 5 液压缸行程( m )0 5 ；0 6 ；0 7 ；0 8 最大制动力( k n ) 1 2 0 拖揽运行速度( m s )0 2 ；0 3 ；0 4 ；0 5 1 3 3自行电缆拖挂吊车结构特点 自行电缆拖挂吊车的结构与南京石诚井巷装备有限责任公司生产的“d g y - 6 0 型电缆拖挂单轨吊”最大的不同在于它的运动主要是利用综采面现有乳化液泵站 为动力源、以液压驱动方式，由连续行走自动液压推进器提供移动动力。而且所 用刹车力小，对导轨强度要求不高。特别在多电缆、大倾角的斜巷中，对挂缆车 能很好的制动，对导轨磨损和变形小。所用的液压工作介质为乳化液，能够很好 的防爆阻燃，安全性好等优点。 1 4 液压系统介绍 液压传动就是通过封闭系统中压力液体来实现能量的转换和传递。自行电缆 拖挂吊车的动力部分主要是液压系统，液压系统所需要的高压乳化液是由现场的 乳化液泵站提供，经过减压阀使压力下降到2 0 m p a ，适合设备所需要的压力。通 过操纵换向阀手柄使换向阀芯向左或向右工作时，推动液压缸活塞向右或向左伸 缩。单向阀和节流阀的作用是使液压缸活塞伸进与收缩的速度保持一致，液压系 统原理图如图2 所示。 7 - 安徽理工大学硕士学位论文 现场乳化液泵站 图2 液压系统原理图 1 液压缸；2 单向阀；3 节流阀：4 压力表；5 手动换向阀；6 减压阀 f i g 2h y d r a u l i cs y s t e md i a g r a m 1 - h y d r a u l i cc y l i n d e r ；2 - o n e w a yv a l v e ；3 一t h r o t t l ev a l v e ；4 一p r e s s u r eg a u g e ；5 - m a n u a ld i r e c t i o n a l c o n t r o lv a l v e ；6 一p r e s s u r er e d u c i n gv a l v e 单作用液压缸的活塞杆伸出时，只有一个方向靠液压力推动，回程则靠自身 重力或外部载荷将活塞杆推回。而双作用液压缸的活塞杆的伸缩均靠液压力动作 来完成。根据实际需要，本设备采用的液压缸是双作用液压缸，用于实现两个方 向的运动。 1 5 挂缆车介绍 挂缆车主要用来吊挂和支撑电缆线和液压管，在整个设备中具有重要的作用， 所有电缆线和液压管的移动和运动都是在挂缆车上进行。挂缆车与工字钢通过滚 轮相连接，并依靠滚轮在工字钢上的运动来带动挂缆车的运动，从而带动许多电 缆线和液压管的运动。 1 挂缆车的结构组成 挂缆车主要是由钢板冲压，然后进行焊接而成。该挂缆车有3 个挡板，其中 内挡板上有5 个螺栓孔和滚轮相联接，以便与滚轮一道移动，中挡板便于分开粗 细电缆线和直径大小不同的乳化液管。外挡板用于挡住电缆线，防止电缆线在移 8 第1 章绪 论 动过程中悬垂下来与带式输送机上的输送带发生干涉，底板用来放置电缆线和乳 化液管。因此，一般情况下外挡板要比中挡板高。通过s o l i d w o r k s 软件建立模型 后，经过适当简化，忽略了一些对挂缆车模型影响不大的孔和倒角等，其模型如 图3 所示。 图3 挂缆车三维实体模型 1 内挡板；2 中挡板；3 夕 挡板：4 底板 f i g 3 t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo fc a b l ec a l h a n g i n g 1 i n n e rb a f f l e ；2 - m i db a f f l e ；3 一o u t e rb a f f l e ；4 一f l o o r 2 挂缆车的安装 导轨安装完毕后，可将挂缆车按顺序从导轨的一端插入，倾斜巷道可从导轨 的高端插入，多辆挂缆车插入时要加设阻挡，慢速滑行，以免失控下滑伤人。如 图4 所示为d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车挂缆车安装顺序方框图。挂缆车安 装完成后，用l o 米的长链条将各个挂缆车连接起来，挂缆车之间的连接距离约为 2 米左右。安装后的挂缆车在导轨上须运行平稳自如，不得有卡阻现象。 圆圆区五蒌垂司e 卸砖难圈 挂缆车x 2 辆 拉杆 推进装置 拉杆 = ：区叵医三墨回匝丑匠f 雹墨匍一 挂缆车x 2 8 辆 拉杆刹车装置拉杆 图4自行电缆拖挂吊车挂缆车安装顺序方框图 f i g 4 i n s t a l l a t i o ns e q u e n c el i n k e dt ot h eb l o c kd i a g r a mo fh a n g i n gc a b l ec a ro fs e l f - t r a i l e rc r a n e c a b l e 1 6 工字钢介绍 自行电缆拖挂吊车的轨道主要采用的是普通轨工字钢，工字钢其截面为工字 一9 安徽理工大学硕士学位论文 型的长条形钢材，以腰高( h ) 腿宽( b ) 腰厚( t ) 的毫米数来划分规格，如 图5 所示。与其它轨道相比，它的翼板厚而宽，承载能力和耐磨性能要好，运行 阻力小，且对长度方向的平直性和截面误差没有严格的要求。工字钢三维图如图 6 所示。 图5 工字钢 1 腰高；2 。腰厚；3 腿宽 f i g 5h s h a p e ds t e e l 1 w a i s th i g h ；2 - w a i s tt h i c k ；3 l e g sw i d e 图6 工字钢模型 f i g 6 m o d e lo fh - s h a p e ds t e e l 通常将d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车的工字钢安装在运输巷道的上煤帮 侧顶板上，如皮带机的安装位置有变化，也可以安装在运输巷道的下煤帮侧侧顶 板上。工字钢通过钢丝绳与顶棚连接。在倾斜巷道中，通过调节钢丝绳的长度， 使工字钢安装尽量水平，以降低d t y - 5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车的下滑力，工 字钢连接和安装如图7 所示。 1 0 第1 章绪论 23 l 图7 工字钢连接及安装 1 内立板；2 - 夕p 立板；3 工字钢；4 内挡板； 5 六角螺母；6 六角螺栓；7 - 夕p 挡板 f i g 7h - s h a p e ds t e e lc o n n e c t i o na n di n s t a l l a t i o n 1 - w i t h i nt h ee s t a b l i s h e db o a r d ；2 一o u t s i d et h ee s t a b l i s h e db o a r d ；3 - h s h a p e ds t e e l ；4 一i n s i d et h e b e z e l ；5 - h e x a g o nn u t s ；6 - h e xb o l t s ；7 - o u t e rb a f f l e 1 7 课题研究内容 通过有限元分析法对d t y 一5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车的自动支撑进行有限元 分析和计算。并对其进行静态特性分析、动态特性分析及模态分析和谐响应分析， 以达到自动支撑能够在矿井下安全、可靠工作的目的。研究内容如下： 1 系统地阐述挂缆车的自动支撑部分的工作原理和零件材料选择以及有限 元计算与分析的内容，从结构简化，合理性等方面进行研究。 2 在三维设计软件s o l i d w o r k s 中建立挂缆车自动支撑壳体模型，借助a n s y s 数据接口，将模型导入a n s y s 中，转化为有限元模型，然后进行载荷加载和约束。 3 利用a n s y s 有限元分析软件对自动支撑进行加载求解，并校核其机构强度 和刚度，对其模态和谐响应进行分析，避免挂缆车在井下工作时发生较大振动和 滑动，影响矿井正常工作和矿井工人生命安全。 4 利用最优化方法对自动支撑壳体进行优化设计，从而尽可能减轻零件和机 器的重量，降低成本，促进自行电缆拖挂吊车的推广和普及。 、- j 一土 安徽理工大学硕士学位论文 1 8 本章小结 本章简单介绍了国内外电缆拖挂吊车的研究背景，研究现状。然后，具体介 绍了d t y 一5 0 1 2 0 型自行电缆拖挂吊车的各个组成部分的功能，并对液压系统、挂 缆车和工字钢作了简单的介绍。最后，介绍了本课题所研究的内容和采用的研究 方法等。 1 2 第2 章自行电缆拖挂吊车自动支撑的工作原理 第2 章自行电缆拖挂吊车自动支撑的工作原理 2 1 自行电缆拖挂吊车自动支撑部件分析 自动支撑部件是该设备的核心部件之一，集前进、后退、停止、制动及连接 液压缸和挂缆车等功能于一体。该设备运行的快慢直接决定了整个设备的运行效 率，因此有必要对它进行分析和介绍。以下是对其各个组成部分及零件简单介绍 如下。 2 1 1 自动支撑壳体 自动支撑是连接液压缸和轨道之间必不可少的零件之一，挂缆车的运动也由 该零件带动。可实现前进，后退和制动等功能。其自动支撑壳体材料为4 5 号钢、 经过热处理和调质处理，具有较强的刚度、硬度和耐磨性，是连接液压缸和挂缆 车之间的重要部件，其性能和质量的优劣直接决定了整个设备的运行效率和寿命。 自动支撑壳体模型和装配图如下图8 、图9 所示。 图8 自动支撑壳体模型 f i g 8 t h es h e l lm o d e lf o ra u t o m a t i cs u p p o r t e r 2 1 2 自动支撑的结构组成 图9 自动支撑装配三维图 f i g 9 t h et h r e e - d i m e n s i o n a lp i c t u r eo f a s s e m b l yo ft h ea u t o m a t i cs u p p o r t e r 自动支撑是由滚轮、手柄、承载滑轮架、滚柱、端盖、v 形块、锲形块、弹 簧、螺栓等零件组成，其结构简图如图1 0 - 一图1 5 所示。 1 3 安徽理工人学硕士学位论文 1 滚轮 滚轮与工字钢相接触的外圆面是一个圆锥面，是根据工字钢的特殊斜面轨道 而设计的，用来在工字钢轨道上行走并承载一定载荷的电缆线和乳化液管的重量。 因此，滚轮的外圆面要耐磨，有一定的强度和刚度。 2 手柄 手柄是用来操作和控制自动支撑行走的方向和起制动作用的。手柄的上端被 设计成斜尖形状，下端是旋钮。将手柄下拉，通过旋转手柄1 8 0 。可以改变手柄 上端与滚柱相接触的斜面方向，从而改变整个机构的运动方向。将手柄向上推动， 通过滚柱与工字钢牢牢地锲紧，起到制动和自锁功能。 3 承载滑轮架 承载滑轮架是用钢板焊接起来的架子，装在滚轮上并通过螺栓与自动支撑相 联接。由于电缆线粗大笨重，装在挂缆车上受力较大，因此摩擦力增大，对工字 钢和自动支撑将造成一定的磨损和破坏。所以通过调整承载滑轮架板上的螺栓来 减小自动支撑与工字钢之间的摩擦，效果显著。 4 滚柱 滚柱是安装在手柄和工字钢之间的锲形空间中，通过操作手柄使滚柱上下运 动，起到换向和制动的目的。 5 端盖 端盖主要用来固定手柄和支撑弹簧的作用，它是用螺钉固定于自动支撑壳体 的底部。 6 v 形块 v 形块主要用于放置滚柱，并且手柄的上端穿过v 形块，便于形成锲形空间， 是自动支撑换向和制动的主要零件。 7 锲形块 由于工字钢的轨道是一个斜面，而自动支撑与工字钢相接触的槽孔是一个平 面，为了使自动支撑与工字钢更好的接触，需放置锲形块，使与工字钢相接触的 工作面是一个水平面，便于自动支撑平稳快速的运行与停止。 - 1 4 第2 章 自行电缆拖挂吊车自动支撑的工作原理 图l o 滚轮 f i g 1 0 w h e e l 图1 2 锲形块 f i g 1 2f i g u r e - s h a p e db l o c k 图1 4v 形块 图1 1 手柄 f i g 1 1 h a n d l e 图1 3 滚柱 f i g 1 3 r o l l e r 图1 5 端盖 f i g 14v s h a p e db l o c kf i g 15 c o v e r 自动支撑上表面与承载滑轮机构用螺栓相联接，承载滑轮机构上面的两个滚 一1 5 安徽理工人学硕士学位论文 轮在工字钢上运动，用以减少自动支撑的重量及与工字钢之间的摩擦。自动支撑 下面是手柄，用以改变自动支撑的运动方向。以满足煤矿井下换向的需要，提高 设备的运行效率。 2 1 3 连续行走自动液压推进器 连续行走自动液压推进器主要由推进液压缸、自动支撑、连接杆、手动操纵 阀等组成，以推进液压缸作为主要的动力源，如第一章图1 虚线部分所示。连续 行走自动液压推进器布置在两个挂缆车之间，为挂缆车提供动力，挂缆车和连续 行走自动液压推进器都悬挂在导轨下面，通过连续行走自动液压推进器带动挂缆 车来回行走。电缆线和液压管悬挂在挂缆车上，通过挂缆车的运动带动电缆线的 连续移动。 2 1 4 承载滑轮机构 承载滑轮机构装在自动支撑上，通过四个滚轮与工字钢进行滚动接触。自动 支撑由于承受自身重力和其它摩擦力的作用，且与工字钢之间的摩擦力较大。为 了减少摩擦力，设计承载滑轮机构如图1 6 所示。承载滑轮机构安装在自动支撑上 部。滚轮沿工字钢滚动，通过旋转压紧螺栓1 调整滚轮承载量，可减少和避免自 动支撑运动时的磨损。滑轮架板是通过钢板焊接而成，结构简单。 图1 6 承载滑轮机构 1 螺栓；2 螺母；3 压紧钢板；4 滑轮架板；5 - 开1 2 1 销；6 垫片；7 滚轮；8 一销轴 f i g 16b o d yo fb e a r i n gp u l l e y l b o l t ；2 n u t s ；3 一p r e s s e ds t e e l ；4 w h e e lf r a m ep l a t e ；5 - c o t t e rp i n ；6 g a s k e t ；7 一r o l l e r ；8 - p i n 一1 6 - 第2 章自行电缆拖挂吊车自动支撑的工作原理 2 1 5 制动器 制动器主要用来防止端部挂缆车在倾斜的斜面上或者在重力的作用下自行脱 落。为安全起见，需要在挂缆车端部安装制动器。因此，当挂缆车移动时，只需 将手柄拉出，挂缆车则与自动支撑在液压缸的推力作用下一起移动；当不需要挂 缆车移动时，手柄在弹簧的作用下复位，将挂缆车紧紧的锁住。制动器简图如图 1 7 所示。 图1 7 制动器 f i g 1 7 b r a k e 2 2 自行电缆拖挂吊车自动支撑的工作原理介绍 自行电缆拖挂吊车结构主要由导轨、挂缆车、连接杆、自动支撑、液压缸、 连续行走自动液压推进器、链条、制动器、承载滑轮机构等组成。整个设备是通 过液压泵和液压控制系统回路驱动，由连续行走自动液压推进器带动挂缆车的前 进与后退。连续行走自动液压推进器由左、右自动支撑和推进液压缸组成。推进 液压缸布置在左、右自动支撑之间，通过连接杆与挂缆车相连接。而自动支撑主 要由滚轮、手柄、承载滑轮架、滚柱、端盖、v 形块、锲形块、螺栓等零件组成， 其自动支撑装配图如图1 8 所示。而挂缆车之间是通过链条相连，通过液压缸伸缩 来带动自动支撑的行走，挂缆车在链条的拉力作用下，一起牵引向前运动。在挂 缆车的终端装有制动器，当挂缆车移动时，将制动器的手柄拉出即可与挂缆车一 起移动，当移动到合适位置不需要运动时，再将手柄复位即可。防止挂缆车在大 倾角的巷道中自由滑动脱落。 自动支撑工作原理：由于锲形空间中的销轴在滚柱的压力下使得销轴向下运 动，滚柱则回到锲形中心，使得自动支撑与工字钢之间处于松开状态，则自动支 1 7 安徽理工大学硕士学位论文 撑在液压缸的推力下自由向前运动。当挂缆车需要向前运动时，将手动操纵阀打 开，左自动支撑固定不动，液压缸推动右自动支撑前进，当改变操纵阀方向时， 液压缸收缩，右自动支撑不动，左自动支撑被液压缸拉着向前运动。如此循环整 个机构便可以在推进液压缸的带动下循环向前运动。这就是自动支撑工作原理的 过程。 当需要向相反方向运动时，只需将手柄反转1 8 0 。时，便形成另一个与运动 方向相反的锲形空间，同理便朝着相反方向运动，运动原理过程与上述类似。当 不需要运动时，将手动操纵阀关闭则销轴在弹簧弹力的作用下将滚柱与导轨牢牢 的顶住，防止挂缆车自由滑动脱落。 导轨 螺栓 自动支撑壳体 滚柱 锲彤空间 销轴 弹簧 手柄 图1 8 自动支撑装配图 f i g 18 t h ea s s e m b l yd r a w i n g so fa u t o m a t i cs u p p o r t e r 2 3 自动支撑元件材料的选择 根据经验并通过查阅相关的机械工程手册g b t 6 9 9 - 1 9 8 8 ，得出4 0 、4 5 、 5 0 、6 0 号钢的抗拉强度、屈服点的相关参数以及材料的主要特性和适用范围，如 表2 所示。根据煤矿井下的特殊环境，要求所用设备尽可能耐磨，耐腐蚀并具有 较好的综合机械性能，且具有一定的强度和刚度。通过对以上四种机械材料的反 复研究考虑，结合自行电缆拖挂吊车的实际受力情况，选择4 5 号钢则较为合适， 综合机械性能良好，切削加工性好，价格合理。 1 8 第2 章自行电缆拖挂吊车自动支撑的工作原理 表2 常用机械工程材料性能一览表 t a b l e2al i s to fp r o p e r t i e so fc o m m o n l yu s e dm e c h a n i c a le n g i n e e r i n gm a t e r i a l s 抗拉强度 屈服点 型号( t 3 rb )( 仃s ) 主要特性应用举例 m p am p a 强度较高，可切削性好，冷变 适用于制造曲轴心 形能力中等，焊接性差，无回火脆 轴、传动轴、活塞杆、连 4 05 7 03 3 5 性，淬透性低，易生水淬裂纹，多 杆、链轮、齿轮等。作焊 在调质或正火态使用，两者综合性接件时需要先预热，焊接 能相近，表面淬