（机械设计及理论专业论文）连续采煤机动力学行为研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本论文首先对连续采煤机的运动学及其受力进行了分析，找出了连续采煤 机产生振动的振源以及产生振动的激励力。在连续采煤机结构基础上，对其受 力进行合理的简化和假设，并建立了力学模型。用l a g r a n g e 方程建立了连续 采煤机的运动微分方程，为了求解简便，采用变量替换的方法将二阶微分方程 组转变为一阶微分方程组进行求解。以1 2 c m l 5 型连续采煤机作为载体，利用 已建立的方程对其振动仿真，同时改变该机型的质量、刚度、运动参数及其载 荷以观察振动变化情况，并且运用类似实验数据证明了模型的正确性。最后， 以连续采煤机振动最小为目标对连续采煤机进行了优化设计。因而该模型对连 续采煤机的设计，尤其是动态设计有一定的指导作用。 关键字：连续采煤机；动力学；仿真：模型；优化。 辽宁工程技术大学颂七学位论文 a b s t r a c t i nt h i ss t u d y , w eh a v ea n a l y z e dt h ek i n e m a t i c sa n dt h es t r e s so ft h e c o n t i n u o u sm i n e r , a n dw eh a v ef o u n do u tt h ef o u n t a i n h e a da n ds t i m u l a t e - f o r c eo f t h ev i b r a t i o ng e n e r a t e db yc o n t i n u o u sm i n e r w eh a v e d o n ear e a s o n a b l e s i m p l i f i c a t i o na n dh y p o t h e s i st ot h es t r e s so fc o n t i n u o u sm i n e rb a s e do ni t so w n s t r u c t u r e ，am e c h a n i c sm o d e lh a sb e e ns e tu p d i f f e r e n t i a le q u a t i o no fc o n t i n u o u s m i n e rh a sb e e ns e tu pb yl a g r a n g ee q u a t i o n ，a n ds e c o n do r d e rd i f f e r e n t i a l e q u a t i o nh a sb e e nt r a n s f o r m e dt of i r s to r d e rd i f f e r e n t i a le q u a t i o nb yt h em e t h o do f v a r i a b l es u b s t i t u t i o nf o re a s yd e r i v a t i o n 1 2 c m l 8t y p ec o n t i n u o u sm i n e rh a sb e e n t a k e nt ob eac a r r i e r , a n dt h ee s t a b l i s h e de q u a t i o nw a su s e dt oe m u l a t et h e v i b r a t i o n ，w ec h a n g e dt h eq u a l i t y , r i g i d i t y , m o v e m e n tp a r a m e t e ra n dt h el o a dt o o b s e r v et h ec h a n g eo ft h ev i b r a t i o n ，w h a t sm o r e ，s i m i l a re x p e r i m e n td a t ah a d p r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h i sm o d e l a tl a s t ，w eo p t i m i z et h ec o n t i n u o u sm i n e rf o rt h e s a k eo ft h em i n i m u mv i b r a t i o n , t h u st h em o d e la r eu s e f u lt ot h ec o n t i n u o u sm i n e r d e s i g ne s p e c i a l l yt od y n a m i cd e s i g n k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sm i n e r ；d y n a m i c s ；s i m u l a t i o n ；m o d e l ；o p t i m i z a t i o n 辽宁工程技木大学预士学位论文 创新点声明 本人声明该学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果： ( 1 ) 本论文提出并建立了种新的连续采煤机力学模型，在此基础上建立的连续采煤机 动力学微分运动方程组的数量大大减小，从而刊于计算机计算： ( 2 ) 在找出了连续采煤机各个部分质量、刚度、截害4 滚筒转速和截割臂摆速对各部位振 动的影响之后，以连续采煤机振动最小作为目标函数对上述参数进行优化设计， 真正做到了指导连续采煤机的设计。 尽我所知，目前国内外文献未见报道。 辽宁工程技术大学硬士学位论文 1 引言 1 1 综述 连续采煤机从出现至今，在短壁机械化开采方面逐渐显出优势，尤其在 开采小块段、不规则块段、工作面准备巷道以及回采残留煤、边角煤和“三 下”煤方面，连续采煤机及其配套设备的使用成为提高矿井综合效益不可缺 少的手段”。 1 2 连续采煤机在国外的发展和使用情况 2 0 世纪4 0 年代末，美国利诺斯公司首先在装煤机机身上安装了一个可摆 动的落煤截割头，实现了割煤、落煤和装煤工序的机械化连续作业，这就形 成了连续采煤机的雏形。此后l o 年，美国各大煤炭制造公司不断对这种机器 进行改造、完善，并逐渐向英国、德国、南非、澳大利亚等世界主要产煤大 国出口性能较好的连续采煤机。6 0 年代后期，研制出重型截割滚筒和链式传 动的截割头，用于截割含夹矸的硬煤，这种连续采煤机在美国、澳大利亚和 南非等国的采掘设备中占有一定的比重“1 。7 0 年代末，顶板支护工艺的发展 为连续采煤机的使用创造了极为有利的条件，使生产连续采煤机的制造公司 投入更多的精力进行开发和研制。从8 0 年代开始，随着开采工艺的发展和开 采条件的提高，连续采煤机不断向大功率、多功能、系列化和自动化方向发 展，使其适用性和智能性增强，逐渐成为先进产煤大国的主要采煤设备。 经历5 0 余年的发展，第三代滚筒式连续采煤机，集破煤、落煤、装运、 行走、电液系统及辅助装置为一体，达到了很高的制造水平，其中美国j o y 机械制造公司( j o ym a n u f a c t u r i n gc o m p a n y ) 的1 2 c m l 5 、1 2 c m 2 7 、1 4 c m 及 1 7 c m 系列产品代表了当前屋际先进水平。2 0 世纪9 0 年代初期，塔姆洛克奥 钢联研制出了集安全、环保和人类工程学于一体的a b m 2 0 型带有锚杆机的连 续采煤机。2 0 0 0 年j o y 公司开发的新型连续采煤机加大了机器的质量和功率， 改进了技术特性，使其强度增加，同时提高了运行速度，降低了吨煤成本。 这种采煤机带有故障诊断装置并且具有标准的部件结构，有助于在生产过程 中使停工事故降到最低程度。2 0 0 3 年美国菲尔奇公司又开发了一种f5 2 5 型 连续采煤机锚杆机，集采、掘、落、装、行、钻眼和支护等功能于一体，使 连续采煤机的应用有了重大突破。连续采煤机经过5 0 多年的研究与改进，已 形成了比较完善的采煤方法体系。 辽宁工程技术大学硬上学位论文 由于连续采煤机具有运转灵活、搬运快、投资小等优点，他在美国澳大利 亚、加拿大、南非等国家使用相当广泛，并取得了良好的经济效益。3 。 1 3 连续采煤机在我国的使用和应用前景 我国从7 0 年代末开始从国外引进连续采煤机，8 0 年代初在山西、陕西、 山东，黑龙江等省一些煤矿实验，探索使用连续采煤机房柱式开采法，有些 矿井取得了成功经验。有些煤矿效果不甚理想，一年后便停止使用。使用最 成功的是大同矿务局大斗煤矿局。该矿1 9 8 2 年6 月将2 台乔伊1 2 c m 一1 l 型连 续采煤机投入2 # 煤层3 1 3 盘区进行煤巷掘进，截止1 9 8 5 年底掘出煤巷3 5 1 4 2 m ， 最高月进尺2 1 8 7 m ，创当时全国最好水平，最高工效1 4 3 m 工。1 9 8 4 年5 月 开始将连续采煤机用于回采，1 9 8 5 年产煤3 5 0 k t 。 此外，鸡西、西山、开漆、枣庄、峰峰等矿务局也相继从美国5 家公司引 进了各种中厚和薄煤层连续采煤机。至今，我国大约引进了3 0 于台连续采 煤机，主要型号有1 2 c m - 1 1 、1 0 3 6 r m 、m k 一2 2 、o n m s 一3 0 8 0 、l n 8 0 0 、l n 2 6 5 。从 引进设备的整体使用效果来看，虽然取得了一些宝贵的经验，但总的效果不 十分理想，许多矿井引进几年后，由于各种原因相继停止使用，包括使用效 果最好的大同矿务局。 4 国内外的研究情况 我国从7 0 年代末开始从国外引进连续采煤机，到目前为止，连续采煤机 的使用日益增多，但目前我国各研究机构和煤机制造企业还没有开发、研制 成功连续采煤机，更没有成套国产化的连续采煤机供煤矿使用。 由于连续采煤机出现的比较赡，而且连续采煤机在很大程度上是掘进机 与滚筒式采煤机的整合，所以无论是国内还是国外，对连续采煤机的研究都 比较少。即使有研究也往往局限在结构上，强度上往往只从静力学角度考虑， 同时人们对他的研究重点一般放在截割部，主要是截割滚筒参数优化，截割 滚筒运动和受力分析、截割滚筒受力载荷谱分析等。而在连续采煤机的整机 动力学行为研究方面却很少，其中有一位硕士研究生写过关于连续采煤机整 机动力学研究方面的论文。在其论文中比较全面的研究分析了连续采煤机的 动力学问题，而且最终也用实验从定性和定量上验证了自己建立的模型的正 确性，其论文有很高的理论性和实用性h 1 。本文贝【j 在其基础上建立了更完善、 更准确的力学模型，求解方程更加容易，同时以振动最小作为目标对连续采 煤机进行了优化设计 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 连续采煤机动力学研究的目的和意义 连续采煤机工作在煤或半煤岩条件下，集截、装、运、行、锚多功能于 体。截割时工作机构呈悬臂状态，滚筒受力复杂，截割载荷变化大，容易 引起机器较大的振动，降低了机器传动件和连接件的使用寿命，影响了机器 的工作可靠性，增加了维修工作量和吨煤成本；另外，这种大型机器的损坏 很少是强度方面的，很多都是由于振动引起的失效哺1 。因此，从连续采煤机 的整体角度考虑动力学问题就显得尤为重要，本课题的研究方向最终定位为 “连续采煤机动力学行为研究”。 该论文研究的目的主要有三个：找出连续采煤机振动的主要振源及其 大小，并求出连续采煤机特殊点的振动情况；通过计算机模拟在改变各个 部位参数( 结构参数、运行参数、质量、弹性模量和阻尼系数等) 情况下各 个特殊点的振动变化情况；以振动最小作为目标优化这些参数，以达到真 正的知道连续采煤机设计。 找到了振源便可以采用隔振、消振和减振的办法防止或者减小振源对其 他零部件的影响，以降低整机的故障率。另外根据结构参数、运行参数、质 量、弹性模量和阻尼系数等对整机振动的影响优化结构参数和运行参数、合 理选择各个部件的质量及其质量分布，合理选择零部件的材料属性等来指导 连续采煤机的设计，使得整机成本最小，效率更高、稳定性更好。 1 6 连续采煤机动力学研究的内容 该论文主要包括如下几方面内容： h 首先是连续采煤机动力学研究的准备工作，主要是研究连续采煤机产 生振动的原因，这其中包括连续采煤机的运动及其受力，确定运动形 式及其受力大小是确定连续采煤机振动特性及其大小的基础。 其次在合理假设条件下对连续采煤机振动模型进行简化，并根据此力 学模型运用l a g r a n g e 方程建立相应的动力学微分方程，采用降阶的 策略求解此二阶微分方程组。这部分是本文的主要理论部分。 然后根据建立的求解的结果和某一机型的连续采煤机进行振动模拟、 分析及实验验证，这里主要包括三方面的内容：模拟连续采煤机 上各个特殊点在现有参数下的振动特性；改变这些参数对特殊点 振动特性的影响； 利用他人的类似实验验证模型的正确性。这部分 是论文的研究结果。 凹以振动最小作为目标函数，在边界条件的可行域内对连续采煤机的质 量、刚度、截割滚筒转速和截割臂摆动角速度进行优化设计。 辽宁t 程技术大学硬士学位论文 2 连续采煤机动力学研究基础 动力学将运动系统的运动行为与受力情形之关系连结起来，达成预测与 控制的目的。一个动力学问题应包含“运动学分析( k i n e m a t i c s ) ”与“力动学 ( k i n e t i c s ) ”两部分n 1 。运动学以数学的几何语言表示运动系统的运动方式与 运动量，是一个数学问题；力动学则是从经典力学的基础上研究系统的受力。 可以说没有运动就没有振动，没有力也没有振动。了解系统的运动和受力有 助于研究系统振动的性质和外部激励力的大小和来源。另外，研究连续采煤 机的结构也是力学模型简化的基础。 2 1 连续采煤机结构 连续采煤机在功能和结构上与横轴式掘进机在很大程度上是相似的，它一 般为矮长型的，收复后( 截割臂不扬起) 的结构高度一般为1 5 所左右，很少 超过2 埘，前后方向较长，一般为l o - 1 2 m ，宽度在2 5 5 m 范围内( 见图 2 一1 ) 。连续采煤机的结构较为复杂，有一套可靠的履带行走系统，以保证整 机的快速调遣和慢速切入；有一套完善的截割机构，完成对煤壁的截割动作， 它是连续采煤机的核心；有一套纵贯整机的装运系统，完成集煤、运煤和给 后配套( 如梭车) 装煤的全部工作；有一套复杂的液压系统，提供整机的液压 动力源；有一套能力齐全的电控系统，提供启动、停车、紧急停车、遥控、 照明和故障检测等功能，这是构成连续采煤机的五大系统。此外，连续采煤 机上还装有灭尘系统、集尘系统和锚杆打眼安装机等”“1 。 图2 - 1d b t 公司生产的2 5 m i 连续采煤机结构 辽宁工程技术丈学硕士学位论文 1 截割滚筒，2 装载机构，3 截割臂，4 截割部减速机及升降油缸，5 除尘装置，6 液压泵站及其驱动电机，7 控制系统，8 履带行走机构，9 输 送机，l o 输送机升降油缸，1 1 输送机水平摆动油缸。 2 2 连续采煤机运动分析 连续采煤机的运动主要包括工作状态下( 截割煤层) 的运动和非工作状 态下( 行走) 的运动，这里主要分析连续采煤机在工作状态下的运动。 2 2 1 连续采煤机滚筒的运动过程 如图2 2 所示，其中坐标原点取开始截割时截割臂与机体连接的铰点，则 连续采煤机在截割煤层的运动主要是分为以下三个过程“”： ( 1 ) 首先是连续采煤机前进和截割臂向上摆动使滚筒运动到开始截割煤 的位置，其中上摆的高度由煤层的厚度决定，而且煤层厚度也决定 了截割臂的初始截割角。在此位置截割臂停止摆动，采煤机以速 度v 前进，达到预定的截割深度日后停止前进，其中截割深度约等 于滚筒的半径r 。 ( 2 ) 当水平运动达到截割深度的时候，连续采煤机的截割臂便在液压缸 的作用下下摆实现截煤，当运动到水平基面上停止摆动。 ( 3 ) 因为此时的新截割的水平基面是不平整的，所以需要连续采煤机后 退日以平整新截割的基面 厶 y ，；，；，南 图2 3 连续采煤机滚筒的运动过程 2 2 2 截割滚筒上截齿的运动轨迹建模 在这里采用向量建模法，由图2 3 可以得到滚筒上户点的向量坐标通式为： 辽宁工程技术大学硬士学位论文 p 。= l 一+ r 一( 2 1 ) 其中；三一一滚筒中心的向量坐标； j l 一一滚筒上p 点相对于滚筒中心的向量坐标； 图2 5 滚筒水平截割的向量图 由图2 5 所示，经过时间f 滚筒水平进给的深度为| i ；，所以： l = 厶+ h ( 2 - 2 ) 将( 2 - 2 ) 式代入( 2 - 1 ) 式得 p = 上o + _ i l + r ( 2 - 3 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 其中：厶= s i n 识o ) i + ( l c o s 毋o ) j ； 三一一连续采煤机滚筒截割臂长度： 一一初始截割时截割臂的角度( 与截割高度有关，这里取4 5 。 ) i = 谢； ( 萤j 圣= 【r c o s ( q 哪+ 卜五s i n ( q 0 y ； r 一一连续采煤机滚筒半径； q 一一连续采煤机滚筒角速度； 将、和代入( 2 - 3 ) 得： p = 陋s i n 吼+ 1 ，r + r c o s ( 国l f 冲+ 陋c o s 口，o r s i n ( q f ) l ， 令 口枰= 工s i n 仍o + v t + r c o s ，) ( 2 - 4 ) b 枰2 三c o s 卵。一r s i n ( q f ) ( 2 - 5 ) 其中上面的口糸平和6 水平即分别为滚筒水平进给时p 点的x 和_ ) ，坐标。 2 2 2 2 滚筒的垂直摆动截割运动过程 在图2 - 6 中d ，为水平截割运动后得截割臂铰点，由图中可以得到连续采煤 机在垂直摆动截割煤层时滚筒上p 点的向量坐标为： 一一 斗 一 p = l + 国2 f + r ( 2 - 6 ) 其中：三= 豆+ 厶； 豆一一连续采煤机水平进给截割完成后机身前进的向量，通常 情况下青= 盥。 在表示啄时采用极坐标比较方便，摆动前： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 _ ：p l = l 一 经过时间f 之后： i岛= 工 k = 么一哆f - 弛 所以得到： 吐f = l ( c o s 尹2 一c o s q , i ) i + l ( s i n 仍- s m 仍) j j 同水平运动过程。 将结果代入( 2 - 6 ) 式得： 户= 【r + 三s i n ( ( 0 2 t + f a o ) + r c o s ( a ，l ，) ，+ 弘c o s ( 吃，+ ) 一r s h l ( ( 0 1 f ) 】歹 令 a i 动= r + l s i n ( c o z f + 钆) + r c o s ( c a l r ) ( 2 7 ) b 黝2 工c o s ( c 0 2 f + ) 一r s i n ( c o , 0 ( 2 - 8 ) 其中、b 黝即分别为滚筒摆动过程时p 点得位置坐标。 图2 - 6 滚筒摆动截割的向量图 上述问题中截割臂的角速度吐假设是恒定的“”，实际上当液压系统的流 量一定的情况下，截割臂的角速度呸是变化的。下图为截割臂的运动简图。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 7 截割臂的运动简图 由图中可以看到，连续采煤机截割臂的摆动速度与活塞杆的伸缩速度有 关，即： 臂2 鳖s i n # ( 2 - 9 ) 在图中由三角公式可得 4 口彳c s i n #s i n 防一( 口+ 岛+ ) 】 解得 血声2 面霉矛a i b s i 菰n ( a + 菰0 2 ) 丽( 2 - 1 0 ) 其中：口为安装角；分母即为这一瞬时b c 的长度。 在截割滚筒下摆的情况下，活塞杆是向回缩的过程，此时液压油的有效 作用面积为： s ；r c ( d 2 - d 2 ) 式中d 一一液压缸缸筒内径； d 一一活塞杆直径。 所以活塞杆的速度“朝为 v 话l ：j 芝一( 2 1 1 )l2 万( d 2 l - d a ) ( 2 式中q 一一液压系统额定流量。 辽宁工程技术大学硬士学位论文 将( 2 - 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 式代入( 2 - 9 ) 式得 - = 4 q x 4 丽c 2 汪+ j i b 而2 - 面2 丙4 c 而a b 刁c o 厂s ( a + 0 2 ) 即连续采煤机截割臂的摆动瞬时角速度为 鹞：丝：坐生生二；：笔：竺竺坚坠( 2 - 1 2 ， 7 仙4 c ( - d 2 ) s i n ( a 4 - 岛) 由上式可见，连续采煤机截割臂的摆动角速度并不是恒定得，它是液压 油流量q 的函数，也是截割臂位置参数岛得函数。 另外岛可表示为： 岛= 岛一【c o , d r ( 2 - 1 3 ) 式中岛一一截割臂的初始摆角。 式2 1 3 中右侧第二项为截割臂的摆动角，因为是向下摆动截割，所以取 负值。 将式( 2 1 3 ) 代入式( 2 - 1 2 ) ，得： 鸥：竺：兰! ：竺：二! ：竺：竺：竺竺二曼二竺竺。( 2 - ，4 ) 国，= _ 二一l l 碍j 石4 占4 c ( d 2 一d 2 ) s i n ( a + 0 0 一( m 2 奶 再将式( 2 1 4 ) 分别代入式( 2 - 7 ) 、式( 2 8 ) ，即分别为滚筒摆动过程时p 点得位置坐标( 下面的魏均同式( 2 - 1 4 ) ) 。 2 2 2 3 后退平整过程 后退平整过程即水平进给过程得逆过程，此处不再讨论 2 2 3 滚筒运动速度和加速度建模 分别对( 2 - 4 ) 、( 2 - 5 ) 式求导即得到水平运动截割的速度： v 承取。v r 。q s i n ( d o , f ) ，1 水平y 2 一r q c o s ( 国i f ) 速度的大小为： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 平= 少象平x + v 主早y = v 2 - 2 r m q s i n ( o 口, f ) + r 2 砰( 2 - l s ) 方向为：纽咖水取，v 采却) = v 水7 乏骶 再对v 采取、咏竹分别求导即得到水平运动截割的加速度； 口木和= 足研c o s ( q f ) ，a t k l f - y - - - r 砰s i n ( a ，, f ) 。 加速度的大小为： 口术平= - 口象平。+ 4 柔珊= 置砰( 2 1 6 ) 速度的方向为该点的切线方向。 同理，摆动截割过程的速度和加速度大小为： v 摆动= r 2 斫+ r 露- 2 l r c o l c 0 2 咖【( q + c 0 2 ) f + 九】( 2 - 1 7 ) 口摆动= r 2 研+ r 呸4 + 2 z 皿o g , 4s i a ( c o , + 吃) f + 九】( 2 - 1 8 ) 2 2 4 截割滚筒运动模拟及分析 根据1 2 c m l 8 型连续采煤机的结构参数进行模拟，模拟结果如下列各图 所示。 图2 8 水平进给截割时的截齿轨迹 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 9 摆动截割时的截齿轨迹 图2 - l o 水平进给截割时的截齿速度图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 1 i 摆动截割时的截齿速度图 图2 1 2 摆动截割时的加速度图 其中图2 8 和图2 - 9 是截割滚筒上截齿的轨迹图，根据截齿的轨迹及其 截齿在截割滚筒上的分布就可以得到截齿的切削图；在图2 1 0 和图2 1 l 中 截齿的速度中值均为2 8 m s ，但是在水平截割过程中截齿的速度范围为 2 8 士0 0 6 5 m l s ，摆动截割过程中截齿的速度范围为2 8 0 4 5 m l s ，即摆动截割 时的截齿速度变化要大些，所以在考虑速度对截齿的影响时应主要考虑在摆 动截割时的速度；在水平进给截割时加速度的大小是不变的，即a 。= 孟2 ， 但是在摆动截割过程中加速度是周期变化的( 图2 1 2 ) ，所以在本文中主要 研究连续采煤机垂直摆动截煤得过程。在摆动截割过程中有变化的加速度， 必然存在着变化的力，这种变化的力就必然产生振动；另外，水平进给过程 虽然加速度的大小不变，但是方向是变化的，即在坐标轴上的分量也是变化 辽宁工程技术大学硬士学位论文 的可见在截割滚筒上存在振动是必然的、不可避免的，是由连续采煤机截 割煤层的运动决定的。另外，我们可以根据( 2 1 8 ) 式选择适当的滚筒角速 度和截割臂角速度，使得截齿的加速度的大小及其变化范围最小，以增加截 齿的使用寿命。 2 3 连续采煤机力学分析 在该论文连续采煤机动力学行为研究中主要运用的是l a g r a n g e 等人创立 的分析力学理论，该理论区别于牛顿第二定律( f = m a ) 的地方是它不需要 考虑系统内部相互作用力的影响，而只考虑外力的影响，因此避免了连续采 煤机系统内部所有内力的繁琐计算。在l a g r a n g e 方程的右侧是广义力，而连 续采煤机在截割煤层时主要外力有如下三部分：截割煤层时来自煤层三个 方向的支反力；来自地面的静摩擦力；滚筒由于偏心质量旋转所产生 的离心力。下面将逐个确定这些力的大小。 2 3 1 截割滚筒的支反力 2 3 1 1 截割滚筒上单个截齿受力 连续采煤机截割滚筒所受的外载荷，乃是其上参与截割煤层的截齿负荷 的叠加。其中钝齿的平均载荷按下式确定“”。 ( 1 ) 截割阻力 z = z o + ，( 】，+ ) ( 2 - 1 9 ) 式中三一一钝齿的平均截割阻力，k n ； z 0 一一锐齿的平均截割阻力，k n ； f 一矗一一截齿磨钝后引起的推进阻力增量，k n ； 厂一一截割阻力系数，为截齿磨损端面上的摩擦力与推进阻力的比 值，一般情况下取o 3 8 o 4 4 。截割阻越大的煤层，其，越 小。 其中锐齿的平均截割阻力z 0 可按下列经验公式估算： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 z o = 巧彳百0 i 3 + 再0 五3 5 两b p 厅f e 毛巧耳磊1 万 科( 2 - 2 0 ) 式中彳一一煤体的抗截阻抗，觑伽； 丹一一截割深度，删； 西一一截齿的计算宽度，m m ； 尹一一截槽侧向崩裂角，度； “，一一崩裂角影响系数，韧性煤巧- - 0 8 5 ，脆性煤局= 1 o q 2 5 5 f 一一截距，m ； “* 一一煤体裸露系数； “a 一一截角口影响的系数； “，一一截齿前刃面形状系数； x ，一一考虑截齿配置型式的系数，顺序式排列群= 1 ，棋盘式排列 k e = 1 2 5 ： 一一截齿相对于工作机构移动方向的安装角度，度。 ( 2 ) 推进阻力 f = k + 墨( 2 - 2 1 ) 式中 蚝一一锐齿的推进阻力，删； 一一煤的单向抗压强度，m t o ； 瓦一一截齿磨损端面在截割平面上的投影，m 2 ； 五一一煤体应力状况的容积系数。 锐齿的推进阻力 k = 砟z o 删( 2 - 2 2 ) 式中砟一一锐齿推进阻力与截割阻力的比值。 以上相关系数可参照参考文献【1 4 1 来选取。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( 3 ) 侧向阻力：它是作用于截齿两侧力的代数和，它的大小与截齿的 排列方式有关 顺序式配置： 五= 场+ o t 习 “2 艺3 ， 棋盘式配置： 五= 场南删) c 2 艺4 ) 式中正负号的选取是依据截齿的侧向力又是否指向煤壁而定。当截齿的 受力牙指向煤壁的取正，反之取负。 2 3 i 2 截割滚筒截齿受力总和 上面给出了单个截齿三向受力，将所有参与截割煤层的截齿受力叠加便 得到截割滚筒的三向受力。同时，连续采煤机的截割滚筒在截割煤层过程中， 由于煤层的物理机械性能无规则变化和截齿的不均匀分布，其载荷的大小和 作用点都是随机变化的“”，即螺旋滚筒的负荷在连续采煤机截煤过程中是随 机变化的，是瞬时值。 在一瞬时连续采煤机螺旋滚筒的受力如图2 1 3 所示，图中置、互为 滚筒上第f 个截齿所受的阻力。其中坐标系的原点为截割滚筒的中心，口轴竖 直向上、b 轴水平向前、c 轴沿滚筒轴向且向右为正。兄、焉和疋分别为截 割滚筒上所以截齿所受阻力在a 、b 和c 轴的合力，即： r4 l 兄= ( es i n y ，+ z ，c o s ) l1 i l 兄= ( - y , c o s y , + 互血 ) ( 2 - 2 5 ) i管 l 也= 置 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 1 3 滚筒三向受力图 按照任一时刻连续采煤机截割滚筒处于某一位置的载荷计算方法，把截 割滚筒连续旋转的一周分为若干个离散点，然后逐点计算，就可得到截割滚 筒载荷的连续变化曲线。选取的离散点数越多，计算的结果就越准确，但计 算量也随之增大。反之，如果离散点数取的太少，可能造成模拟结果与实际 情况不符，所以，离散点的个数应合理选取“”。 设所选取的离散点的个数为疗、截割滚筒的转速为w ，( r o d s ) ，则载荷模 拟的周期为： 则时间步长即为： r ：三 q 址：一t ：三 刀 开q 取连续采煤机截割滚筒进行截割的任一时刻为起始时刻o = o ) 以，为时 问步长，分别计算在不同时刻各参与截割的截齿受力即可求得截割头载荷的 模拟曲线。下图便是连续采煤机截割滚筒在旋转一周截割煤层时的三向受 力。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 1 4截割滚筒转动一转的载荷变化 由图2 1 4 可以看出：连续采煤机在三个方向上的载荷是随机变化的， 这种载荷变化是连续采煤机产生振动的一个主要原因；在竖直方向的载 荷要比其他两个方向的都要大，这是因为在截割时不仅有滚筒自身转动的影 响，还有截割臂摆动影响及其滚筒自身重量影响：其次在截割滚筒的轴向上 载荷较小而且变化也最小，这是因为截割滚筒上截齿在轴向上基本上是对称 分布的原因。 2 3 2 摩擦力的确定 大多数连续采煤机都是靠履带行走进行工作，在这里不考虑连续采煤机 整机的内部摩擦；而且连续采煤机滚筒上的截齿在轴向是对称排列的，所以 忽略其侧向分力( 即忽略侧向摩擦力) 。连续采煤机整机受力如图2 1 5 所示， 则外部总摩擦力为： e = 一( 啊十2 ) + 玩m ( 2 - 2 6 ) 式中一一一履带与地面间的动摩擦系数，它取决于摩擦表面以及连续采煤 机的运动速度等； z ：一装载机构与地面的摩擦系数： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 、2 一连续采煤机两履带所受到的支捧反力： 3 一一装载机构受到的支撑反力 f i ( 2 ) 0 2 en , f 只 图2 。1 5 连续采煤机截割煤层时的受力图 前面分析了连续采煤机在行走过程中所受的摩擦力，在行走过程中主要 受动摩擦系数的影响。但是本论文中是主要考虑连续采煤机在截割煤层是 的动力学闯题，而在摆动截割煤层时，连续采煤机机体是停止不前的，只是 截割臂的上下摆动过程，此刻连续采煤机所受的摩擦力主要是履带与底板地 面的静摩擦力，它的大小与滚筒的载荷有关。要直接计算它的大小比较困难， 但是根据文献它的大小与整个连续采煤机的质量成正比。所以引入常数六、 乃，则在截割煤层时的x 、j ，方向的阻力分别为： e = 正g ( 2 - 2 7 ) m 砭 ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 = g ( 2 - 2 8 ) 式中五一一考虑滚筒载荷咫影响的在x j y 向阻力的系数； 一一考虑滚筒载荷墨影响的在x 方向阻力的系数； g 一一连续采煤机整机的重量。 2 3 3 截割滚筒偏心质量的简化模型 由于滚筒在设计、制造、安装过程中存在误差，再加上叶片和截齿在圆 周上布置部均匀，使截割滚筒存在偏心质量，致使截割滚筒在旋转过程中， 受不平衡的离心力作用而产生振动“”。这种振动只存在于竖直方向( z 向) 和连续采煤机的前进方向( y 向) 。 图2 1 6 截割滚筒偏心质量的简化模型 如图( 2 - 1 6 ) 所示，图中o 为截割滚筒的回转中心，0 1 为质量中心，质量 中心的偏心距为e 。，假设截割滚筒的偏心质量为删，截割滚筒的角速度为鳓。 则截割滚筒的离心力为： 鼻= 臃4 q 研 该离心力在z 、y 方向的投影分别为： 曼：2 优4 卵汹 ( 2 - 2 9 ) 忆= m 4 e l c o ? s i n y 豇宁工程技术大学硕：学位论文 2 - 2 9 中，= q ，f ，可见离心力在y 和：是以詈为周期变化的，这个周期 变化的力也是连续采煤机产生振动的另一原因 辽宁工程技术大学硕上学位论文 3 连续采煤机动力学模型的建立 上世纪八十年代，我国便开始引进连续采煤机。它作为一种集破煤、落 煤、装运、行走、电液系统及辅助装簧为一体综合性采煤设备，在短壁机械 化开采方面逐渐显出优势，尤其在开采小块段、不规则块段、工作面准备巷 道以及回采残留煤、边角煤和“三下”煤方面显示出了很大的优势。连续 采煤机在工作过程中，经常遇到不均匀，不连续、不规则的不同性质的煤岩， 这将引起连续采煤机的载荷变化不均匀，从而产生振动现象。同时，由于连 续采煤机滚筒的安装精度不高，存在误差，在螺旋滚筒转动过程中，形成径 向力的周期性变化也将引起机器的振动。而且螺旋滚筒上的截齿在圆周上分 布也不均匀，使滚筒在旋转过程中偏心质量引起机身、滚筒以致整机的振动。 连续采煤机的振动对机器的寿命、工作性能有严重的影响，它不仅加速 截齿的磨损和破坏，使截割部受到巨大的冲击载荷，传动系统的剧烈变化， 而且增大液压控制系统故障的概率，严重影响滚筒、回转机构、升降液压缸、 截齿及其其他零部件的寿命。所以，对连续采煤机动力学的研究非常重要。 3 1 连续采煤机工况的简化和假设 连续采煤机是一种集截割、装载、转运、行走、降尘、打桩等于一身的 综采设备，它经常应用于小块段、不规则块段、工作面准备巷道以及回采残 留煤、边角煤和“三下”煤等条件下，其作业环境和条件极其恶劣，工作 载荷随机多变，起动载荷的计算非常复杂。可以说连续采煤机的力学模型是 一个无限个自由度的系统，实际计算这样的系统在是不可能的。因此，在建 立连续采煤机截割煤层的动力学模型时，有必要对它的运行工况做适当的、 合理的假设和简化，使问题得以求解，且能满足工程的精度要求。 根据连续采煤机的实际结构和工作状态，做如下基本假设： 煤层的单轴压缩强度恒定； 连续采煤机各部分的质量分布均匀切弹性小，故可忽略其弹性，将 其简化为集中质量，其中：加一一截割头质量、册，一一截割臂质量、 朋，一一机体及其他机构的质量； 辽宁工程技术大学顾士学位论文 各部分之间通过无质量的弹性元件连接，其中：蜀一一截割头与悬 臂间的刚度、k ：一一悬臂与机体间的刚度、为，一一机体前部与底板 问的刚度、如一一机体后部与底板间的刚度； 各部分之间的阻尼为粘性阻尼，其中：c l 一一截割头与悬臂间的阻 尼、c 2 一一悬臂与机体间的阻尼、c 3 。一一机体前部与底板问的阻尼、 c 3 2 一一机体后部与底板问的阻尼； 连续采煤机运行正常，无引发连续采煤机振动的故障。 3 2 连续采煤机的数学模型 3 2 1 模型的简化 一般在推导振动系统的运动方程时，主要是用到牛顿第二定律：f = 朋，。 在这个方程中，它是就质点写出的，或者说是就可视为质点的“脱离体”写 出的。当一个系统中存在多个质点时，就必须分别就多个质点列出方程： e = m 。芦。( i = l ，2 ，n ) 。这种将一个系统分为若干个脱离体来分别列出 方程的方法，就必须涉及约束力，而这往往会造成一种累赘，因为在求解系 统的运动时，往往对各个部分之间的约束力并不感兴趣。为了克服牛顿力学 方程的上述缺陷，由l a g r a n g e 等人创立的分析力学采取了另一种策略；首 先，它把一个系统作为一个整体，列出其运动方程，而不在取脱离体，也不 一定要求计算约束力；其次，它采用所谓广义坐标，将对系统的描述参数减 小到最少而又不失去其充分性的程度，而约束条件也就自动的得到了保证。 此外，分析力学摈弃了位移与力这些向量的概念，而采用能量和功等标量来 描述力学系统，这些量与具体的坐标系无关，因此以这些术语表达的力学方 程具有更广阔的用途。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图3 1连续采煤机振动的简化模型 以l a g r a n g e 方程建立系统的运动方程的主要步骤如下“”： ( 1 ) 判断系统的自由度，选定广义坐标； ( 2 ) 以广义坐标及广义速度来表示系统的动能、势能和阻尼力虚功； ( 3 ) 对于非保守力，则需要将其虚功表示出来，从而确定各广义力； ( 4 ) 将以上各量代入l a g r a n g e 方程，即得到了该系统的运动方程 l a g r a n g e 方程为 丢夤，一詈= g j 乩2 ，疗 式中z 一一系统的动能； 栉一一广义坐标系； q ，一一广义力。 口一一广义坐标a 其中：方程的数目与系统的自由度相等；如果广义坐标的量纲是长度m ， 那么广义力的量纲就为力；如果广义坐标的量纲为弧度t a d ，那么广义力 的量纲就为力矩m 。 如果将系统的势能从方程中分离出来，即引入势能函数d ( q ，) ；同时引入 阻尼力虚功u ( q ) ，即考虑与速度大小成工f 比，与速度方向相反的粘性阻力对 系统的影响“”川。则l a g r a n g e 方程可改写为 要( 争一要+ 詈+ 署：9 _ ，- l ，2 2 ，开( 3 1 。) 一l l 一一+ + 一2 u 。 ，= l ，开l ，- j d t 、钧| 。a q i 钧| a q i 。 。 圮宁工程技术大学硕士学位论文 本文便以式( 3 - 1 ) 的l a g r a n g e 方程形式推导连续采煤机摆动截割煤层 时的动力学微分方程。 图图 3 2 连续采煤机截割煤层时的力学模型 图3 2 为连续采煤机截煤时的力学模型，其中以初始时刻的机体重心。为 坐标原点，沿前进方向为y 轴，竖直向上为z 轴，沿截割滚筒轴线方向为x 轴。 由动力学模型可知，系统的广义坐标为 口一一截割臂相对于机体的仰角； 口一一机体相对于x 轴的摆角； ，一一机体相对于y 轴的摆角； 毛一一机体重心在x 轴方向的位移； 儿一一机体重心在y 轴方向的位移； 乙一一机体重心在z 轴方向的位移； 从前面的分析中可知，虽然连续采煤机的工作过程一般包括三个部分， 但是在垂直方向上摆动截割时速度和加速度变化时最大的，所以在研究连续 采煤机的动力学问题时，只研究它的垂直摆动截割过程。 3 2 2 系统的动能t ( 1 ) 截割滚筒的动能z 截割滚筒的动能包括两部分，一部分是滚筒绕自身以角速度儡转动的动 辽宁工程技术大学硕士学位论文 能；另一部分是滚筒相对于绞点a 以角速度矽转动的动能住。”1 i p 五= 丢以砰+ _ 2 1m 。 ( l o s i n ( 0 删一乞) 2 + ( l 0 c o s ( 0 + 口) + 夕口) 2 】 式中以一一截割滚筒的转动惯量。 埘l 一一滚筒的质量； q 一一截割滚筒转动的角速度； 三一一绞点一至截割滚筒重心c 的距离。 ( 2 ) 摇臂的动能l 疋：三埘2 q o s i n ( 0 + 口) 一乞) ：+ c t o c o s ( p + 口) + 九) 2 】 式中，一一截割臂重心口至绞点的距离5 脚，一一摇臂的质量； ( 3 ) 机体的动能正 机体的动能包括两部分，一部分是机体沿x 、y 和z 轴平动的动能；另 外一部分是机体绕z 和y 轴转动的动能。即 五= j 1m ，碡+ 露+ j ：) + 三j ，彦2 + 1 j , a 2 式中册，一一连续采煤机除了摇臂和截割滚筒之外的质量； ，。一一机体绕y 轴转动的转动惯量； ，一一机体绕x 轴转动的转动惯量； 所以系统的总动能 3 r = 正习+ 疋+ 五 t - i = 三一研+ j 1 柳。睢p s i | i 够训- 乞) 2 + ( 三矽酬口训+ p o ) 2 】 辽宁工程技术大学硕士学位论史 + l m 2 ( t e s i n ( o + 口) 一乞) 2 + p 参。p + 口) + 儿) 2 】 + i 1m ，t 2 + 彰+ 露) + 三以夕2 + 圭以西2 = 三n 砰u 夕2 + 以虚2 ) + m i 【r 分2 + 艺+ z + 2 三。上分s m ( 秒+ 功+ 2 多。上矽s i l l ( 口+ 口) 】 + m 2 1 2 矽2 + 之+ 力一2 t o l o s i n ( 8 + 0 0 + 2 y o l o s i n ( 8 + u ) + 鸭( + z + 司) 3 2 3 系统的势能d 系统的势能包括重力势能d i 和弹性势能d 2 。 ( 1 ) 重力势能d l 在计算系统的重力势能时将连续采煤机机体重心所在的水平面视为零势 面，其中重力势能包括以下三部分。 机体的重力势能d f 截割滚筒的重力势能d l ： b i = m 3 9 z 。 d 1 2 = m i g l s i n ( 0 + a ) + a s i n a 】 式中口一一截割臂绞点彳距离机体重心0 的距离。 截割臂的重力势能q ， ( 2 ) 弹性势能d 2 d i ，= m 2 9 1 s i n ( o + a ) + a s i n a 】 辽宁工程技术大学硕i ：学位论文 机体相对于底板地面的弹性势能d 2 d 2