【《某摇臂采煤机的调高系统设计计算过程案例》5500字（论文）】

某摇臂采煤机的调高系统设计计算过程案例目录TOC\o"1-3"\h\u5537某摇臂采煤机的调高系统设计计算过程案例 1217521.1.采煤机参数的确定 119112第二章调高系统 6306672.1.采煤机调高液压系统及原理 6143372.2.自动调高系统数学模型 9276982.2.1.液压油缸数学模型 9199912.2.2.采煤机滚筒高度和调高油缸行程之间的数学关系 12220632.3.液压操作 14309792.3.1.调高锁紧回路 14209612.3.2.滚筒调高 15274352.3.3.调高油路 16153132.3.4.卸载回路 1671092.3.5.调高油缸位置锁定 16204522.4.调高油缸 1667882.4.1.油缸受力的确定 1973912.4.2.确定系统工作压力 20270182.4.3.调高油缸基本长度和行程的确定 21227872.4.4.调高油缸压力参数确定 231采煤机总体方案的确定采煤机参数的确定主要技术参数确定输入转速：1460rad/min；输出转速：29.6rad/min采高：6m滚筒直径：3.5m紧固性系数：f=3牵引速度：10m/min滚筒转速滚筒转速取值：直径为0.5~0.7m，转速n=80~120r/min；直径为1.8~2.0m，转速n=30~40m/s。直径较大的滚筒选用低档转速，直径较小的滚筒选用高档转速。现在绝大多数滚筒的转速都是下减的趋势，根据上面所确定的滚筒的直径应该是3.5m,设计滚筒的转速应该是30r/min。式(2.1)式中：则：根据上述计算结果，截割速度为4.6m/s符合要求。采煤机功率预计装机功率采煤机的装机功率：式(2.2)式中：，硬煤及韧性煤取上限，软煤及脆性煤取下限。本次设计取3.0。则:式(2.3)截割功率采煤机工作机构消耗的功率占用大部分装机功率的；采煤机截割功率为：式(2.4)牵引和辅助功率故采煤机牵引功率：式(2.5)辅助装置功率:式(2.6)装机功率则采煤机实际装机功率为：式(2.7)采煤机的采煤效率与采高密切相关，有时，可以根据采煤机的采高来估算装机功率。采煤机的采煤效率还和煤的硬度有关，通常情况下，煤的硬度越高，所需要的装机功率也会随之增大。（三）采煤机牵引力一般由经验公式确定：则：式(2.8)由上述计算结果可得采煤机的主要技术参数如下表2.1所示：表2.1采煤机的主要技术参数采高m6截深mm800适应倾角适应煤层硬度滚筒转速r/min30滚筒直径mm3500牵引速度m/min10牵引力KN1260牵引方式齿轨式无链电牵引灭尘方式内外喷雾最大卧底量mm315装机功率KW2520电压V1140调高系统采煤机调高液压系统及原理右图为采煤机的调高液压系统结构图。当采煤机开始运行时，电动机带动液压齿轮泵通过油箱吸入压力油，压力油经过滤器过滤后进入液压齿轮泵提供必要的动力。在滚筒完成升降的过程下，调高换向阀处于开始操作的状态，通过控制阀回路，压力油经过调高换向阀作用到油缸，直到调节高度到达指定位置，压力油经过调高油缸排油腔回油池，此时调高换向阀停止工作。如果没有操作调高换向阀，采煤机滚筒的高度将保持不变，为了保持系统的稳定，液压油经过控制阀回路调节。在强吸引力的影响下，阀体和换向阀芯也会做出相应改变油路也会发生改变，要想活塞杆能够左右移动，那么就对油缸进油方式进行控制，两侧承受压力不等，那么滚筒就与之匹配的完成了这个升降过程。液压系统主要由控制和动力两部分组成。通过输入控制信号，对控制信号进行处理，来对一些控制元件（即各种液压阀）执行控制操作，控制元件又可以实现对动力原件（各种油泵）以及执行元件（液压缸或者马达）的控制。如图3.2所示。图3.2液压控制系统结构与其他控制系统相比，液压控制系统具有重量轻、刚度大、精度高、响应快、等比较明显的优点。重量虽然轻，但是却可以产生很大的动力，同时，在解决多余的热量上，回路中的油液能够将多余的热量散去，与此同时，液压油还能起到缓解摩擦的作用，即使煤矿井下环境恶劣，但是液压控制系统具有更高的灵敏度，可以减少调高过程对负载的影响。更适用于采煤机对滚筒的调整。在负载较大时，即大惯量负载下，具有良好的动态特性和良好的平稳性。能有效抑制控制预防状态。高度调节过程根据采煤机与顶板之间高度的整体变化，来调节不同厚度的过程。在设计采煤机高度调节液压系统时，应根据上下板的条件和要求，合理设置和安装液压元件。高度调节系统所需的液压元件主要由电动机、精滤油箱、齿轮泵、液压高度调节控制阀、换向阀、高度调节油缸、油箱压力表、冷却和过滤部件组成。如图3.3所示，高度可调泵箱基本上安装了除液压控制阀（液压锁紧装置等）以外的所有液压件和零件。高度可调泵箱体由焊接组成，箱体由油箱和电机箱组成。这个举足轻重的部件，装有对应的抽屉板去连接对应的箱体，以便操作员可以随时观察油情况。采煤机运行时，油位应达到最低油位，油箱窗口可显示油液高度。图3.3调高泵箱自动调高系统数学模型为了适应不同厚度的煤层，快速有效地进行开采作业，如图3.4所示，在高度调节过程中主要采用高度调节机构来调节采煤机滚筒。此阶段采煤机高度调节机构的工作过程主要是通过控制高度调节液压缸的活塞杆左右移动，带动摇臂进行高度调整，从而改变滚筒截割煤的位置，进而完成滚筒自动调高。图3.4采煤机调高机构简图液压油缸数学模型调高液压系统由多个液压元件组成，它们紧密相连，依靠液压介质作为动力，在各个环节互通有无，保障系统可以安全平稳的运行。由于整个系统较为复杂，且其中的非对称油缸，以及其他因素，比如连接的其他设备也会影响整个系统的稳定性，为了方便观察，故建立一数学模型：液压缸可以忽略其中的摩擦损耗，不考虑其他因素，例如液压油其他输油管道；保障缸体内工作压力平均分配；液压油各项参数视为常数；忽略外泄露，液压缸内外泄露用层流流动来表示。在此建立液压缸的压力和负载力的力平衡方程：式(3.1)式中，——调高油缸位移，m；——等效至活塞杆的当量质量，kg；——调高油缸有杆腔压力，；——活塞和负载等运动部件的阻尼系数，——调高油缸无杆腔压力，；——调高油缸有杆腔截面积，；——调高油缸无杆腔截面积，；——作用在油缸活塞上的外力，N；油缸无杆腔的流量连续性方程如式(3.2)所示：式(3.2)式中，——油缸内泄漏系数，；——无杆腔流量，；——无杆腔与液压阀之间的管道等效容积，；——工作液体的体积弹性模量，。油缸有杆腔的流量连续性方程如式(3.3)所示：式(3.3)式中，——油缸外泄漏系数，；——无杆腔流量，；——无杆腔与液压阀间的管道等效容积，。为了计算方便，取流量连续方程为(3.4)(3.5)式所示：式(3.4)式(3.5)阀控缸系统在建立模型时，关心的是液压缸的固有频率最小时的情况。固有频率与系统的弹簧刚度和质量有关，对于液压缸质量不变，弹簧刚度可以推理出：式(3.6)式(3.7)将和代入式(3.7)可得：式(3.8)式中，——油缸总行程，m；——弹簧刚度，N/m。当，此时式(3.9)由式(3.9)可得：式(3.10)式(3.11)对以上(3.10)和(3.11)两式拉式变换后，把两腔的截面面积近似为二者的平均值，即令后得到传递函数：式(3.12)由(3.12)可知系统调高油缸受到的外力扰动的影响较大，具有较强的非线性。采煤机滚筒高度和调高油缸行程之间的数学关系在采煤机调高机构关系的基础上，得出油缸活塞杆位移与滚筒高度之间的数学模型。图3.5为滚筒调高结构设计图，当调高液压缸活塞发生细微变化时，可以近似认为：图3.5采煤机滚筒调高结构设计图式(3.13)式中，——调高油虹活塞伸缩量，m；——滚筒调高机构小摇臂的长度，m；——在活塞伸缩改变量为时，大摇臂与水平面夹角的变化量。釆煤机滚筒的高度调整量为：式(3.14)式中，——在调高油缸活塞伸缩量为时，采煤机滚筒高度变化量。由式(3.14)可得：式(3.15)由式(3.15)可得：式(3.16)联立(3.15)、(3.16)可得：式(3.17)由式(3.17)可得：式(3.18)化简式(3.18)可得采煤机滚筒位置变化量和油缸活塞位移间的关系式：式(3.19)综上可得采煤机滚筒高度表达式为式(3.20)因为在实际工作中环境多变复杂，煤层的顶端也不会发生巨大变化，而且一周内的变化很少，用k来表示两者之间的关系，即大小摇臂长度之比，即：式(3.21)液压操作调高锁紧回路“调高锁紧回路”作为调高系统的重要一部分，需要对其进行系统分析。调高锁紧式回路主要是采煤机液压系统中一种能够使得液压缸中的一个活塞杆能够在任何一个位置上进行固定的回路，利用调高锁紧式回路，可以使得活塞杆在任意位置停留后也不会因为任何外力的作用而发生移动的一种液压回路，如图3.6所示。例如，如果当液压换向阀的控制口处于右位或者左位时，液控式单向阀的控制口或油液管道内通入了液压油，此时，液体以及气缸的回油就可以通过反向流经单向阀口，此时液压缸的活塞就可向左或向右地移动。当换向阀保持在一个中位时，就可以控制活塞停止，此时该阀的压力和中位传感器机能转化成为h型，所有的压力和控制油液都直接通入到换向阀的油箱，油箱的压力就会迅速减少，使得控制阀不会在一个方向导通，油缸也会因为油液不通而关闭，利用这种闭合回路，可以让采煤机的滚筒能够在所需要的地点进行固定，增强了采煤机的适应性能。图3.6调高锁紧回路就目前采煤机发展水平来看，还是需要人为控制采煤机滚筒截割煤的高度，需要采用各种换向阀进行调整。滚筒调高调高油缸可也控制摇臂升降，由手、液动换向电磁阀操纵。专用的径向柱塞泵、手动换向阀→滚筒调高换向阀30、31→控制左右摇臂升降安全阀33的额定调定压力为20MPa，被用作限制调高泵29的最大压力。安全阀34的调高压力为32MPa，用以保护调高油缸。液控单向阀35的作用是固定调高油缸的位置。由于采用了三个串联的H机能的换向阀，因此三个油缸只能单独使用。调高油路当电磁阀30右端的电磁铁通电时，调活塞杆伸出，带动摇臂上摆，油路是：进油路：调高液压泵29→手、液动换向阀30→单向阀（右方）→油缸活塞腔回油路：油缸→单向阀（左方）→手液动单向阀→油缸当手、液压换向阀30左端的按钮打开时，油路与上述相反，摇臂向下摆动。卸载回路手、液动换向阀（不动）→油缸与换向阀相通→液压泵卸荷油路是：液压泵→手、液动换向阀→油箱当手、液动换向阀（动作）→油缸不通，保证系统正常工作。调高油缸位置锁定同理，按下任意每对调高阀，即可利用液动的方法移动换向阀的阀芯，使左边右边摇臂位置发生变化，断开控制装置，导致液压油路不通，换向阀复位，保持在固定位置上。调高油缸双滚筒式采煤机的调高传动系统是一个直接决定采煤机截割滚筒和升降的一个核心元器件，采用双作用单活塞式油缸对采煤机滚筒进行了调高，由于滚筒的上升摇臂和滚筒的自重较大，导致上升滚筒的载荷远远超过了下升滚筒的载荷，因此，我们设计中的活塞杆可以伸出作用为上升，活塞杆收缩控制滚筒下降。调高油缸的设计调高油缸的设计要点液压式采煤机对于调高式油缸的各个组成部位，其结构要求是设计合理，结构简洁、紧凑，在工艺流程中要求是加工、装配、维修方便。选择适当的调高油缸，缸筒中的内径主要参数D及其活塞杆直径d。保证每个油缸都具有一个足够的输出力、速度、行程，同时也应该使其具有相当高的强度，以便于承受液压力、负荷压力、意料中的冲击力。摇臂的工作稳定性及过载保护。调高油缸的结构及工作原理采煤机油缸结构如图3.7所示。1.活塞杆2.法兰3.卡环4.导向套5.缸体6.活塞7.液压锁图3.7采煤机油缸结构图调高油缸为双作用油缸，从一个压力油缸两侧油液向前运动进液，正反2个油缸方向向前运动，都主要是在油缸压力和两侧油液的相互作用下运动完成，通过手动调整一个油缸的横向运动量和行程高度来随时调节进油滚筒高度，以便于随时适应油缸压力和控制煤层的运动改变。系统工作压力的确定载荷和装置都能够直接决定整个系统的工作压力，选择适当的工作压力对工作效率有很大提升，原件所承载的阻力也可以帮助系统更准确的调整工作压力。在清晰的知道负载的前提下，就可推导出压力与液压执行原件的大小成反比，如果传动器的工作时压力相对较高，就要尽量减小执行时压力最小的尺寸，反之，就要考虑选择更多的方式来增加执行时压力最小的尺寸；但是，由于调节系统压力油的压力越大，因此执行系统原件的生产制造技术要求也会随之得到更高，从而大大降低了经济效益。现在我国采煤发动机中普遍使用的压力油调高系统压力为12mpa左右，随着时代的发展，技术与的进步，高性能的采煤发动机也逐渐普及到各个矿业，本设计所选的压力油为10mpa。液压调高油缸活塞杆直径的计算油缸就是一种通过液压传动能量变化的装置，可以把油缸中的液压能变化成驱动采煤机滚筒调高的机械能。油缸采用很高效的结构，可以提供工作所需要的全部能量，强劲且稳定。本设计中的液压传动系统主要选择了油缸，这种是双作用的单活塞杆液压缸，当一个活塞杆进行一个往复运动时，就可以实现正反两个相反方向的运动。油缸受力的确定调高油缸拉力的确定根据摇臂截割煤的受力可以确定调高油缸的推力和拉力。采煤机摇臂在截煤过程中受到许多力的作用，主要包括截割阻力、牵引力、摇臂重力等，根据力矩平衡原理，即可确定摇臂不同位置时，调高油缸的推力和拉力。图2、图3、分别为采煤机最大卧底、最大采高时的摇臂受力图。其中，滚筒扭矩；式(3.22)滚筒截割阻力式(3.23)式中滚筒直径，。由图2可知，当滚筒推进阻力时，摇臂下降到最低位置，调高油缸的理论推力最大，根据，代入数值计算得出由图3可知，根据，代入数值计算得出确定系统工作压力在正常的工况下,由液压传动执行元件的压力油按照液压调高系统和液压缸的具体大小来确定,如图中表3-1所示:表3-1执行液压原件实际工作压力工况执行原件名称载荷KN背压力工作压力计算公式初始位置油缸3.36011.40调高锁定油缸3.46011.01截煤油缸3.58010.70式(3.24)式中，本课题为11.40Mpa。即可确定油缸的工作条件和安装位置，调高油缸基本长度和行程的确定下图为采煤机摇臂调高简图，由图可知，采煤机的采高式(3.25)式中图1中B点与工作面底板的距离；摇臂的结构参数；滚筒的直径。可得摇臂的摆角