螺旋钻采煤机钻头运动参数的优化设计.pdf

16第38卷2010年第9期采掘本栏目编辑杨健螺旋钻采煤机钻头运动参数的优化设计付林*杜长龙高魁东中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221008摘要：在对钻杆转速、煤岩特性、切削厚度等钻头运动参数影响因素分析的基础上，以钻头落煤生产率为目标函数，以钻头运动参数及钻杆相关参数为设计变量，建立了钻头运动参数的优化数学模型。并以MZ75/165钻式采煤机为例，编程对其钻头运动参数进行了优化设计。结果表明，优化后的钻头生产率比现有钻头提高了7.9%。关键词：螺旋钻采煤机；钻头运动参数；优化数学模型中图分类号：TD421.2+5文献标识码：A论文编号：1001-3954(2010)09-0016-04OptimizationdesignofmovementparametersofaugerminersaiguillesFULinDUChanglongGAOKuidongCollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou221008,Jiangsu,ChinaAbstract：Basedonanalysisoffactorsaffectingaiguillemovementparameterssuchasrotaryspeedofdrillstem,mineralcharacteristicsandcuttingthicknessetc.,thepaperestablishesthemathmodelusedforoptimizingtheparametersofaigullemovement,takingaiguilleproductivityforobjectivefunctionaswellasparametersofaiguillemovementandrelativeparametersofdrillstemfordesigningvariables.ItalsocarriesoutprogrammingtooptimizethedesignforthemovementparametersofaiguilleofMZ75/165augerminer.Theresultsshowthattheproductivityofoptimizedaiguilleincreasedby7.9%thanthepresentone.Keywords：augerminer；movementparametersofaiguilles；optimizationmathmodel螺旋钻采煤机是一种薄与极薄煤层开采设备，其利用钻头割煤，钻杆输煤，刮板输送机运煤，实现了工作面无人开采。转速n和钻进速度v为钻头的2个运动参数，选取的合理与否不但影响整机的采煤效率，而且还会影响钻头的切割性能。同时，钻头运动参数的选取也是钻头设计的前提。因此，笔者对钻头的运动参数进行了分析研究及优化设计。1工作原理螺旋钻采煤机的工作原理如图1所示。首先通过调斜油缸6调整整机的工作角度，当其与煤层倾角一致后，通过支撑油缸7顶紧巷道两帮，固定机组；然后，主机2使螺旋钻杆3和钻头4以转速n旋转并以钻进速度v向前钻进；钻进一节钻杆长度后利用单轨吊1加接钻杆，直到钻到指定深度。1.单轨吊2.主机3.螺旋钻杆4.钻头5.刮板输送机6.调斜油缸7.支撑油缸图1螺旋钻采煤机的工作原理Fig1Workingprincipleofaugerminer2钻头运动参数约束条件分析2.1钻头转速约束条件分析2.1.1钻杆转速对钻头转速的约束螺旋钻杆通过一传动箱把运动和动力传递给钻*作者简介：付林，男，1985年生，在读硕士研究生，研究方向为机械设计及理论。17采掘本栏目编辑杨健第38卷2010年第9期头，由于传动箱传动比为11，故钻头具有和钻杆相同的工作转速。为了防止高转速下钻杆中的煤粒因离心力作用产生垂直于输送方向的径向运动，进而影响钻杆的输煤效果，钻杆转速应不超过其临界转速1，即nADy，(1)式中：A为材料的综合特性系数(见表1)；Dy为螺旋叶片的外缘直径(根据钻头结构参数选取)，m；n为钻杆转速(钻头钻速)，r/min。表1部分物料的综合特性Tab1Comprehensivenatureofpartialmaterials物料块度物料名称填充系数Kc物料系数KA粉状粉煤灰0.350.40.041575小块(60mm）块煤0.20.250.0600302.1.2煤岩特性对钻头转速的约束钻头转速越高，截齿的切削速度越大，煤对截齿的抗力便会越大，则截齿受力便会越大。煤岩特性、截齿的切削速度还会直接影响截齿温升，截齿切削速度越大，煤越硬，截齿温升便越高。过高的温度会降低截齿齿尖硬质合金的强度及耐磨性，进而缩短截齿的使用寿命，故应根据煤岩特性合理选择钻头转速。文献2综合考虑了煤岩特性、截齿切削速度与截齿温升间的关系，给出了截齿切削速度vc与煤岩抗压强度y间的取值关系，即：当y6080MPa时，vc12m/s；当y3060MPa时，vc13m/s；当y0.5vp+0.52g(2p+f2Dy)f1Dy(Dy-2f2p)，对该式变形为vp=n0.5-2g(2p+f2Dy)f1Dy(Dy-2f2p)G，(7)式中：p为钻杆螺距，pL/m，m；g为重力加速度，m/s2；f1为钻杆与孔壁间的摩擦系数；f2为钻头与孔壁间的摩擦系数。p，Dy由螺旋钻杆的结构决定；f1，f2可根据钻杆材料和煤岩性质选取。2.2.2煤层特性对钻头钻进速度的约束钻削式机械的钻头钻压会随着钻头钻进速度的增大而有所升高，过大的钻压会使截齿与煤之间的摩擦力增大，进而加速截齿的磨损。因此，应根据煤层性质，使钻头最大钻进速度满足一定范围，即vvmax，文献5给出了钻头钻进速度上限vmax与煤岩截割阻抗F间的取值关系。即：F180N/m时，vmax1.52.0m/min；当F180240N/m时，vmax0.81.5m/min；当F240360N/m时，vmax0.50.8m/min。2.2.3端盘截齿切削厚度对钻头钻进速度的约束由式(3)可知，端盘截齿切削厚度不但与钻头的转速有关，还与钻头的钻进速度相关。由此可知，钻头的钻进速度应满足如下条件15mn100060v25mn100060。(8)3钻头运动参数优化模型钻头运动参数的确定是对钻头进行截齿优化布置的前提，在分析出钻头运动参数应满足的约束条件前提下，给出运动参数的优化计算方法也至关重要。3.1目标函数为使螺旋钻采煤机工作时有较高的生产效率，在满足各种约束条件下，希望钻头有尽可能大的落煤生产率。因此，可以把钻头落煤生产率作为目标函数，包括钻头运动参数在内的各待确定参数作为设计变量，建立优化模型。优化模型目标函数见式(5)。3.2设计变量钻头运动参数n，v为待优化设计变量，但在约束条件式(6)中，参数Dg，L，y，g也为未知量，因此总设计变量X可选取为Xx1，x2，x3，x4，x5，x6Dg，L，y，g，n，v。3.3约束条件前面分析了钻头运动参数n、v需满足的约束条件，其他各设计变量应满足的约束条件分别为：(1)螺旋叶片内缘直径约束60.3DyDg0.45Dy；(2)螺旋叶片导程约束7Lcosg+y20.4；(3)螺旋叶片升角约束1,78y30，25g45；(4)螺旋叶片等式约束L-Dytany0，L-Dgtang0。3.4优化数学模型Min-F(X)-kx6dD24+2lDn。S.t0.3Dyx10.45Dy，0.4-x2cosx3+x420,8x330，25x445，x2-Dytanx30，x2-x1tanx40，x5ADy，30vcminrmaxx530vcmaxrmax，x6vmax，x6-15mx51000600，15mx5100060-x60，x2m=x50.5-2g(2x2/m+f2Dy)f1Dy(Dy-2f2x2/m)G-x60，kx6dD24+2lDn-c4(Dy2-x12)=x2cosx3+x42-mGx560Kccosdx3+x42+ncos0。4优化算例以MZ75/165型螺旋钻采煤机为例，利用MATLAB编程对该机钻头运动参数进行优化设计，各已知参数见表2，优化前、后结果见表3。表2优化设计已知参数Tab2KnownparametersofoptimizationdesignD/mmDy/mmvcmin/(ms-1)vcmax/(ms-1)rmax/mmvmax/mml/mm/mm/()4504001322524651230mf1f2kcKcmA10.580.401.21.50.4175由表3可以看出，优化后，钻头转速n由原先的60r/min提高到78r/min，钻头推进速度v由原来的19采掘本栏目编辑杨健第38卷2010年第9期0.02m/s提高到0.0217m/s，钻头落煤生产率Q提高了近7.9%。5结语(1)钻头运动参数的选取受煤岩特性、截齿切屑厚度和钻杆输煤率等综合因素的影响。(2)通过优化设计获得的钻头运动参数，不但能有效改善钻头的切屑性能，而且能让钻头获得最大的落煤生产率，进而提高生产效率。(3)优化实例表明，通过优化设计，钻头落煤生产率提高了7.9%。参考文献1李建平，张永忠，杜长龙.螺旋钻采煤机钻杆的结构参数优化设计J.煤炭科学技术，2006，34(8)：8-10.2黄日恒.悬臂式掘进机M.徐州：中国矿业大学出版社，1996.3宋相坤.螺旋钻采煤机钻头设计研究D.徐州：中国矿业大学，2007.4唐正清，梁伯图.螺旋钻机主参数的优化研究J.煤矿机械，2005(7)：44-45.5BSHK-2DM型螺旋钻采煤机组使用说明书Z.乌克兰马雷雪夫工厂.(出版时间不详).6刘伟，杜长龙，宋相坤，等.螺旋钻采煤机螺旋钻杆的模糊优化设计J.矿山机械，2006(11)：24-26.7李建平.螺旋钻采煤机的设计理论及关键技术的研究D.徐州：中国矿业大学，2006.(收稿日期：2009-12-29)(修改稿日期：2010-01-18)表3优化结果Tab3Resultsofoptimizationdesign参数Dg/mL/my/radg/radn/(rmin-1)v/(ms-1)Q/(m3min-1)常规值0.15500.33000.25640.594960.0000.02000.8340优化值0.17860.48880.37150.716778.0000.02170.9000基于虚拟样机技术的截割减速器动力学分析及仿真*田大丰1张强2,31阜新矿业集团辽宁阜新1230002工业装备结构分析国家重点实验室3辽宁工程技术大学机械工程学院摘要：通过三维软件Pro/E创建了掘进机工作机构截割减速器的参数化实体模型，利用ADAMS中的接口技术实现了减速器的虚拟样机的构建，提高了设计效率，而且所设计的减速器既满足传动比和结构强度要求，又具有体积小、重量轻和结构紧凑的特点，有利于改善掘进机的工作性能。关键词：掘进机；截割减速器；虚拟样机技术；仿真中图分类号：TH132.4文献标识码：A论文编号：1001-3954(2010)09-0019-04DynamicanalysisandsimulationofcuttinggearboxbasedonvirtualprototypetechnologyTIANDafeng1ZHANGQiang2,31FuxinMiningIndustryGroup,Fuxin123000,Liaoning,China2StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment3SchoolofMechanicalE