连续采煤机截割部的运动及力学分析.docx

连续采煤机截割部的运动及力学分析李晓豁,赵岐刚( 辽宁工程技术大学 机械工程学院, 辽宁 阜新 123000)摘要: 连续采煤机截割部的运动和力学特征对整个机器的截割性能、效率有重要的影响。以顶部悬挂式连续采煤机截割部为例, 建立了截割部液压缸活塞运动速度与悬臂摆动角速度以及活塞推力与 悬臂摆动力间的函数关系。经计算机模拟, 得到了悬臂摆动角速度与悬臂摆角的关系曲线以及摆动力与 悬臂摆角的关系曲线。力学分析得到悬臂的速度、力的大小及变化规律, 为设计和改善采煤机的工作性 能提供了理论依据。关键词: 连续采煤机; 截割部; 运动学; 摆动力中图分类号: TD421.5; TH113.2文献标识码: AKine ma tics a nd me cha nics a na lys is of cuttingunit for continuous mine rLI Xiaohuo, ZHAO Qigang( Mechanical Engineering College of Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)Abstr act : A cutting unit is a working device of a continuous miner which contacts directly with coal and rock and completes cutting task. Its kinematics and mechanics characteristics have influences on the cutting performance and efficiency of whole machine, are a foundation to design a continuous miner. The function about velocity of piston of cutting unit and the function about pushing force and swaying force of boom are established through analyzing kinematics and mechanics of cutting unit of the top hanging continuous miner in the paper. Relation curve between angular velocity and waving angular of boom and relation curve between swaying force and waving angular are obtained by computer simulation. The simulation results are also analyzed. The given conclusions lay the theoretical foundation for deeply studying characters of a continuous miner.Key wor ds : continuous miner; cutting unit; kinematics; swaying force缓和得多。因此, 大截高的连续采煤机多采用顶部悬挂式 2 。连续采煤机截割部的运动及力学分析为连续采煤 机工作机构运动学及动力学参数的选择与 计 算 所 必 需, 是整机设计和研究的基础。为此, 将对顶部悬挂式 连续采煤机的截割部进行运动及力学分析。0引言连续采煤机不仅可以用于房柱式采煤, 也可用于巷道掘进 1 。其悬臂的布置一般有底部和顶部悬挂两种 形式。底部悬挂式其悬臂的回转点位于机身下侧, 升降 液压缸置于机身上侧。顶部悬挂式的布置与前者刚好 相反。在截高较高时, 底部悬挂式割出的形状是一个倒 圆弧, 是一种不稳定形状, 而顶部悬挂式割出的形状则1运动学分析连续采煤机割煤时, 一般是先抬起悬臂使滚筒到达煤壁顶部, 然后机器行走, 滚筒旋转切入煤壁, 悬臂收稿日期: 2005- 06- 13第 5 期李晓豁, 等: 连续采煤机截割部的运动及力学分析283的液压缸推动悬臂向下运动, 使滚筒割出整个断面, 工作原理与横轴式掘进机相同 3, 4 , 其机构如图 1 所示。2力学分析该机构的受力分析如图 2 所示。取整个截割部为平衡对象, 铰接点的约束为理想约束, 悬臂总重 G 及活 塞推力 F0 为主动力。根据平面任意力系的平衡条件知, 力系的主矢和力系对任一点的主矩都等于零, 即:vayvcvrCA$#R=0,MA=0 。BxFvF01yC F02图 1机构运动分析GFig. 1 Analysis diagr am of mechanism kinematics$A# %B悬臂摆动机构为摇块机构, 主动件为活塞杆, 液压油进入液压缸, 推动活塞杆运动, 从而带动悬臂摆动。 由图 1 可见, 该结构作平面运动, 可用瞬时速度中心法 及速度的矢量合成与分解来求解悬臂的摆动角速度。 图 1 中的虚线表示滚筒在最低点时各部件位置。悬臂绕定点转动, 其摆动 角速度为x图 2 机构受力分析Analysis diagr am of mechanism for cesFig. 2则悬臂上、下摆动力为Fv= 2F0hGlcos( $- %) ,!=va /AC,式中: va悬臂上 C 点的绝对速度, m/min, va=( 1)( 3)vrL式中: F0液压缸推力, N, 上摆时: F01= 2!;sin D2p, 下摆vr活塞运动速度, m/min, 上升时 vr= 40q4,!D2时: F02= 2! ( D2- d2) p;40q4p液压系统的压力, Pa;h铰点 A 至液压缸的垂直距离, m,下降时 vr=;!( D2- d2)q液压系统额定流量, L/min;D液压缸内径, m;d活塞杆直径, m;h= ACABsin( #+$) ;2 2!AC+AB - 2ACABcos( #+$) , sin = AB 悬 臂 与 活 塞 杆 夹 角 ,(G截割部的重力, N;l悬臂重心距铰点 A 的距离, m; 悬臂最低点与水平线之间的交角,( ) ; L悬臂长度, m。式( 3) 上摆时取- , 下摆时取+, 整理可得:Fv= 2F0ACABsin( #+$) Glcos( $- %)BCsin( +) ;ABA 点到 B 点的距离, m;悬臂在最低点时与 AB 之间交角,(悬臂的摆动角度,( ) ;BCB 点到 C 点距离, m,) ; 1 2 2AC +AB - 2ACABcos( #+%) 2 L- 122 1 BC= !AB+AC - 2ABACcos(#+$);2 2AC +AB - 2ACABcos( #+%) 2 。( 4)ACA 点到 C 点距离, m。由式( 4) 可知, 悬臂在垂直面摆动时, 在给定液压缸推力的情况下, 悬臂的摆动力是随 $ 的变化而变化 的。同时, 可根据设计要求的工作力和悬臂的结构尺 寸, 求出整个工作范围内液压缸活塞的推力, 确定液压 系统的工作压力。经整理, 得活塞运动速度与悬臂摆动角速度的关系式:22!= vr!AB +AC - 2ABACcos( #+$)。 ( 2)ABACsin( #+$)根据设计要求,由悬臂在垂直面摆动的角速度 !及结构尺寸 AB、AC、, 即可求出活塞运动速度 vr, 依3算例与结果分析此确定液压缸的流量; 反之, 确定了液压缸的流量后,也可求出悬臂的摆动角速度。从式( 2) 可以看出, 在给根据以上运动及力学分析得出的关系式, 编写了相应的计算程序, 模拟运算可以求得在给定液压缸速定 AB、AC、vr 的情况下,悬臂的摆动角速度 ! 在摆动的过程中随 $ 的变化而变化。284黑龙江科技学院学报第 15 卷度及推力的条件下, 整个工作过程各点的悬臂摆动角速度及截割力的大小。 已知某型连续采煤机的参数如下:截割部的结构尺寸: AB=1 500 mm, AC=2 900 mm,40035030025020015010050下摆力=29.5, l=3 500 mm, L=5 700 mm。截割滚筒质量: 4 500 kg。 悬臂质量: 14 000 kg。活塞的运动速度: 下降时 1.5 m/min; 上升时 1 m/min。 液压缸的推力: 下降时 400 kN; 上升时 600 kN。 计算结果见表 1, 模拟曲线如图 3、4 所示。上摆力01020304050截割臂摆角 (/ )图 4 悬臂摆动力与转角关系曲线Fig. 4 Relation cur ves between pulling for ce and waving angular of boom表 1 悬臂摆动角速度及摆动力计算结果Table 1Calculation r esults for angular velocity andcutting for ce of boom摆角/( )下摆速度/radmin- 1上摆速度/radmin- 1下摆力/kN上摆力/kN生在 =0处, 而下摆力的最大值发生在 =25附近, 最小值发生在 =0处, 其原因是摆动力的变化除与结构 尺寸有关外, 还与液压缸推力的方向有关。悬臂摆动角速度的变化量为 19%, 上摆速度平均 值为 0.694 3 rad/min, 下摆角速度的平均值为 1.041 5 rad/min。因悬臂的上、下摆角速度决定了滚筒向煤层的推进速度, 从而决定了连续采煤机的生产能力。而悬臂的下摆力是克服滚筒阻力的一项重要指标, 在设计时 应根据连续采煤机的生产能力来合理确定悬臂的上、 下摆角速度。同时, 应根据阻力的最大值来确定下摆力 的最小值, 并且使下摆力的最小值大于推进阻力的最 大值; 上摆力最小值还应克服最大阻力, 从而使滚筒能 正常抬起。051015202530354045501.245 21.150 31.088 71.049 01.024 91.012 41.009 01.013 31.024 21.041 51.064 80.830 10.766 90.725 80.699 40.683 30.674 90.672 70.675 50.682 80.694 30.709 8315.23331.56343.18350.59354.29354.67352.09346.86339.21329.37317.55107.45125.99140.28151.11159.22165.19169.51172.56174.65175.99176.761.5下摆速度4结束语1.0上摆速度通过对连续采煤机截割部的运动和力学分析, 得出了悬臂的速度和力的大小、变化规律及其特征, 为合 理地设计截割部的结构与参数和改善连续采煤机的工 作性能提供了依据。0.501020304050参考文献:截割臂摆角 (/) 1 谢锡钝, 李晓豁. 矿山机械与设计 M . 徐州: 中国矿业大学出版社, 2000.赵建军. 连续采煤机截割部结构探讨 J . 煤矿机械. 1998 , 26( 7) : 31- 32.李晓豁. 掘进机截割头设计与研究 M . 北京: 中国华侨出版 社, 1997.黄日恒. 悬臂式掘进机 M . 北京: 中国矿业大学出版社, 1996.图 3悬臂摆动角速度与摆角关系曲线Fig. 3Relation cur ves between angular velocity andwaving angular of boom 2 3 从表 1 及图 3、4 可以看出, 悬臂摆角 的变化过程中, 悬臂摆动角速度先减小后增大, 其下摆速度大于 上摆速度。悬臂上摆和下摆速度的最大值均发生在