不同工况下连续采煤机滚筒的载荷分析.doc

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1、不同工况下连续采煤机滚筒的载荷分析曹艳丽作者简介：曹艳丽（1979-），女，讲师，主要研究方向：现代机械设计理论与方法、系统建模及动态设计与仿真. E-mail: ylcao1631.51.51.51.51.51.5School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China辽宁工程技术大学，机械学院，辽宁省阜新市 1230001230001394185630813941856308辽宁工程技术大学，机械学院，辽宁省阜新市 123000ylcao163曹艳丽（1979-），女，讲师，主要

3、-66.<CR>5*|*期刊*|*曹艳丽,李晓豁,沙永东.连续采煤机截齿截割能力的分析J.世界科技研究与发展,2010,(2);196-197<CR>6*|*期刊*|*曹艳丽,李晓豁,邓喜平等.连续采煤机截割部力学性能J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,(3):301-304.<CR>7*|*期刊*|* J. R. Bartels,C. C. Jobes,J. P. DuCarme et al.Evaluation of Work Positions used by Continuous Miner Operators in Undergrou

5、新市 123000|123000|ylcao163|13941856308|13941856308不同工况下连续采煤机滚筒的载荷分析|Load analysis drum of continuous miner under different conditions|（辽宁工程技术大学，机械学院，辽宁省阜新市 123000）摘要：分析连续采煤机滚筒上瞬时处于截割位置的截齿，考虑瞬时处于截割状态的滚筒的长度和位置，利用matlab得到不同工况下整个滚筒任意时刻的截割力和力矩曲线，进一步分析其最大值、最小值、均值、均方根和载荷波动系数，通过比较得到载荷变化规律，分析其影响因素。关键词：连续采煤机；截

6、齿；截割力；力矩中图分类号：TD421Load analysis drum of continuous miner under different conditionsCAO Yanli(School of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China)Abstract: In this paper, it analyzed of cutting instantaneous position of continuous miner's pick, considered the leng

7、th and position of the drum in instantaneous cutting state, obtained the load of cutting and torque curve at any time under different conditions by MATLAB, and further analysis of its maximum, minimum, mean, RMS and load fluctuation coefficient, obtained load change law by comparison and analyzed it

8、s influencing factors.Key words: continuous miner; pick; load of cutting;torque0 引言连续采煤机适于薄、中厚及厚煤层，最大采高6m，是集截割、装载和运输于一体的大型连续采掘设备。在新开采工艺下，用连续采煤机开采边角煤、不规则煤以及回收残留煤柱，是实现煤矿高产高效的重要途径，也是延长矿井使用寿命、减少地下资源浪费的重要手段1。连续采煤机在工作时，并不是所有的工况中滚筒整个宽度都处于截割位置。尤其是在采边角煤、不规则煤以及回收残留煤柱时，滚筒的某一部分处于截割位置。由于连续采煤机截割过程既有截割对象煤岩分布的随机性，截

9、割速度的不均匀性，截齿以及截割滚筒在空间位置变化以及相互作用的不确定性，使得连续采煤机截割过程所受到的载荷不确定，致使连续采煤机在工作中产生种种问题，不仅加速了机械零件、电子、液压元件和截齿等部件的早期失效、工作机构寿命降低、也使整机的使用性能和可靠性下降，加速了设备损坏。1 连续采煤机工作机构分析1.1 分析运动如图1所示，连续采煤机在截割工作面截割时，滚筒在电机的带动下以转速 (r/min)转动，活塞杆以速度v(m/s)缩回，带动截割臂摆动，同时液压缸也会摆动。坐标原点取开始截割时截割臂与机体联结的铰点O；是悬臂在最低点时与OB之间交角，°；是悬臂的瞬时摆角，°。图1

10、连续采煤机工作机构简图 Fig. 1 Sketch of continuous miners work mechanism1.2 分析处于工作位置的截齿在工作面上，由截割臂和滚筒扫过的面积可以看出，滚筒的中心位置由C到达C´过程中，处于工作位置的截齿范围与掏槽时是不一样的，在滚筒圆周方向上是变化的，与截割角度和掏槽深度有关3，如图2所示。图2 截齿工作位置Fig. 2 Work station of picks当截割臂摆角时：当截割臂摆角时：任意时刻截齿相对滚筒轴的圆周位置为：，满足上式时截齿才处于截割位置。2 不同工况下滚筒受力分析连续采煤机在工作时，并不是所有的工况中滚筒整个

11、宽度都处于截割位置。尤其是在采边角煤、不规则煤以及回收残留煤柱时，滚筒的某一部分处于截割位置。由于螺旋滚筒旋向呈左右对称，因此在分析时，取几个特殊的位置进行分析。分析从端盘开始，滚筒宽度的1/3、1/2、3/4以及整个宽度都处于截割位置时的载荷变化规律。其采高为4m，截割油缸的速度为0.056m/s，截割深度0.7m。运用matlab绘图，其载荷如图3所示，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为滚筒的1/3、1/2、3/4及整个宽度都处于截割位置时力和力矩的变化规律。 2.1 不同工况下滚筒受力图由截割滚筒载荷图3可以看出：无论在哪种工况下，整个截割过程中，力和力矩的变化都比较剧烈，幅值也比

12、较大，而且没有规律可循。但总体来说，在同一工况下，Ra和Rb变化幅值比Rc大很多，受到的力矩中Mc最大，Ma次之，Mb最小。处于截割位置的滚筒宽度越大，力和力矩就越大。最大载荷大致都出现在整个宽度都处于截割位置时。024681012-1-0.500.511.5t/s024681012-4000-20000200040006000t/s331122×104Ra、Rb、Rc /kNMa、Mb、Mc /kN·m（a）024681012-1-0.500.511.5t/s024681012-50000500010000t/s112233×104Ma、Mb、Mc /kN

13、83;mRa、Rb、Rc /kN（b）024681012-2-10122t/s024681012-50000500010000t/s112233Ra、Rb、Rc /kNMa、Mb、Mc /kN·m×104（c）024681012-2-10123t/s024681012-5000050001000015000t/s112233Ra、Rb、Rc /kNMa、Mb、Mc /kN·m×104（d）1-Ra；2-Rb；3-Rc 1-Ma；2-Mb；3-Mc图3 截割滚筒载荷图Fig. 3 Load sketch of drum2.2 不同工况下滚筒载荷表将图3进一

14、步分析，得到各工况下载荷或力矩的最大值、最小值、均值、均方根和载荷波动系数，具体如表1所示，其中a、b、c、d分别代表滚筒的1/3、1/2、3/4及整个宽度都处于截割位置时的工况。表1 截割滚筒载荷表Tab. 1 Load table of drum名称最大值最小值均值均方根载荷波动系数Ra/kNa1116703034.62540.50.8372b1398404063.03008.90.7406c1969505707.14364.10.7647d2796808126.06017.80.7406Rb/kNa7525.101270.31866.11.4691b8680.501670.82355.4

15、1.4098c1229302340.63362.31.4365d1736103341.54710.81.4098Rc/kNa1663.00426.9364.70.8541b2078.70570.2427.60.7499c2910.20800.5605.70.7566d4157.501140.5855.20.7499Ma/kN·ma3784.50966.5927.40.9595b4240.801086.3965.50.8889c3324.701019.2871.60.8548d2054.70555.9457.40.8228Mb/kN·ma1572.80328.8390.61.

16、1877b1573.90362.7414.11.1416c1588.70227.1252.91.1135d1618.70138.0136.10.9857Mc/kN·ma5623.301443.81233.20.8541b7029.101928.31445.90.7499c9840.802707.22048.30.7566d1405803856.52891.80.7499(1) Ra、Rb、Rc、Ma、Mb、Mc各参数的最小值都为0。(2) Ra、Rb、Rc、Ma、Mb、Mc各参数的最大值绝大部分都是逐渐增大的，变化比较大，而且最大值都出现在工况d中，只有Ma和Mb比较特殊。其中Ma的

17、最大值从a到b是增大的，由3784.5kN·m增加到4240.8kN·m，b到d又逐渐减少，由4240.8kN·m减少到2054.7kN·m，而Mb的最大值变化并不大，在1572.8kN·m到1618.7kN·m之间变动，呈小幅上升趋势。那是由于a到d工况处于截割位置的滚筒宽度是逐渐增大的，参与截割的截齿数也相应地增加，因此承受的外载荷是增大的，Ra、Rb、Rc、Mb、Mc就会相应地增加。Ma的变化是由于滚筒左右两侧受力不均衡引起的，a工况中滚筒的1/3处于截割位置，b工况中滚筒的1/2处于截割位置，因此b工况下不均衡的现象最严重，受

18、到的力矩Ma最大，c工况中滚筒的3/4处于截割位置，超过了宽度的一半，平衡了一部分侧向力矩，因此Ma会相应地减少，直到整个滚筒都处于截割位置时最小。侧向力矩加剧了截割部传动系统零部件的磨损，尤其是行星传动中的齿轮、花键轴的疲劳点蚀，这些部件过早失效，使工作机构寿命大大降低、同时整机的使用性能和可靠性也会下降。因此在设计滚筒时，为了减少侧向力矩，通常把左滚筒设计成右旋，右滚筒设计成左旋。(3) Ra、Rb、Rc、Mc各参数的均值和均方根都是逐渐增加的，最大值都出现在工况d中。同时说明截割载荷也是增大的，而Ma和Mb则是先增大后减少，最大值都出现在工况b中，由截割工况决定，与前面的分析相吻合。(4

19、) Ra、Rb、Rc、Ma、Mb、Mc各参数的载荷波动系数基本上都是逐渐减少的，说明参与截割的截齿数愈多，载荷愈平稳。Ra、Rb、Rc在工况b和d基本相同，那是由于滚筒上的截齿基本上呈对称布置，工况b滚筒的1/2处于截割位置，而工况d滚筒整个宽度都处于截割位置，因此就会出现均值和均方根大致倍增，而载荷波动系数却近似的情况。由于连续采煤机在截割过程中的不确定性，载荷变化比较大，因此在进行分析时要依据实际情况确定。3 结论本文给出了处于不同截割状态的滚筒的长度和位置条件下，整个滚筒任意时刻的截割力和力矩曲线，得到其变化规律：(1)Ra、Rb、Rc、Mc各参数的均值和均方根会随着参加截割齿数的增加而

20、增加。Ma和Mb则与处于截割位置的截齿有关，愈偏离对称轴则该值愈大。(2)Ra、Rb、Rc、Ma、Mb、Mc各参数的载荷波动系数也与处于截割位置的截齿有关，处于截割位置的截齿越多，波动系数越小，载荷也越平稳。参考文献 (References)1 刘文群，王兵纵. 论连续采煤机的发展趋势J.黑龙江科技信息，2010(4)：782 常映辉.连续采煤机截割、牵引参数的确定J.煤矿机械,2011,07:3-4.3 梁健.连续采煤机行走部动力学分析及其疲劳可靠性研究D.太原理工大学,2010.4 麻晓红.连续采煤机滚筒载荷的模拟研究J.煤矿机械,2007,12:64-66.5 曹艳丽,李晓豁,沙永东.

21、连续采煤机截齿截割能力的分析J.世界科技研究与发展,2010,(2);196-1976 曹艳丽,李晓豁,邓喜平等.连续采煤机截割部力学性能J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,(3):301-304.7 J. R. Bartels,C. C. Jobes,J. P. DuCarme et al.Evaluation of Work Positions used by Continuous Miner Operators in Underground Coal MinesJ.Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting,2009,3:1622-1626.

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