採煤機動態特性及結構設計論文

摘要:隨着我國工業化進程的推進，煤炭的開採量日益增多，在煤炭開採中需要利用一些設備，連續採煤機是一種重要的設備。國產連續採煤機的設計性能較差，質量也有待提高，因此不能更好地滿足現場施工的需要，影響了我國連續採煤機的發展，降低了採煤的效率。本文介紹了連續採煤機的工作原理，並分析了連續採煤機的動態特性，並進行結構的優化設計。

關鍵詞:連續採煤機;動態特性;結構設計與實現

在煤礦施工中，可以透過連續採煤設備來開採煤炭，連續採煤機可以對岩石巷道進行開挖，也可以單獨進行採煤，在很多大型的煤礦中被應用，是一種值得推廣的挖煤機械設備。然而，我國國產的連續採煤機由於在技術上還不完善，投入相對較少，因此，在施工中往往不能適應現場的狀況，就需要對連續採煤機的結構進行設計和優化。

1連續採煤機的結構和運動

1．1連續採煤機的結構和工作原理連續採煤機可以適用於各種煤層煤礦的開採，最大的開採高度達到6m，在新開採的工藝下，同樣可以利用連續採煤機開採邊角煤、呈不規則性狀的煤炭等，有利於增加煤炭的產量，也有利於提高礦井的使用率，延長壽命。目前我國比較常見的連續採煤機爲12CM15－10D連續採煤機，其在技術上有一些較突出的特徵。其截割的寬度可以達到3300mm，生產能力在15t/min～27t/min，在工作時，可以跨高進行操作，最大采高高度爲4．6m。可以充分發揮其截割優勢和採高優勢，增大采煤的效率和採煤量。連續採煤機的結構可以包括幾個方面:行走結構、裝運結構、切割結構、安全保護裝置、電氣系統等。其通常具有的結構特點主要包括四個方面:①可以進行多電機驅動。透過多個電動機進行驅動，分別作用與行走、切割、裝運、冷卻等系統，一般可以採用八個電機，有利於分工操作，提高施工的效率;②可以採用側式裝載的方法，在挖掘之後可以透過側式裝載機進行裝運，並可以利用刮板機將其轉運到採煤機的機尾處進行卸載;③具有履帶行走機構。履帶行走裝置不僅可以順利地透過，還可以很好地附着在土壤上，從而可以增大支撐面積，避免在不規則的道路中發生傾倒、歪斜的情況;④採煤機的電氣系統。採煤機都配備電氣系統，一般要求保證電氣系統的安全性和可靠性，當主電路發生漏電、短路的情形時可以起到很好的隔絕和保護的效果。1．2連續採煤機運動學分析1．2．1行走機構運動分析履帶行走機構在對工作面進行切割時保持靜止不動，而在掏槽時則以固定的速度前行，當履帶行走機構向前行走時，主要經過發動機系統和傳動系統，然後傳送到驅動輪，可是實現驅動輪上的輪齒和履帶齒的齧合，從而將履帶捲起，並由後方向前方進行鋪設，從而推動導向輪和支重輪的行走。1．2．2裝載機構的運動分析裝載機構的型式可以分爲兩種，一是蟹爪式裝載機構。其結構較爲簡單，裝載的效率較高，但受到裝載能力的限制，裝載量小。二是星輪式裝載機，星輪式裝載機的機械結構也較爲簡單，可靠性強，其裝載寬度也比蟹爪式裝載機大，因此其裝載能力大，裝載量大。基於星輪裝載機的優勢，在具體的應用中，連續採煤機通常採用的是星輪裝載機。具體的運動流程爲:在兩臺交流電動機的驅動作用下，左右兩側的星輪裝載機開始工作，兩側的裝載機構分別進行驅動，更爲安全可靠。1．2．3截割機構運動分析截割機構的運動分爲兩個方面，一是採煤機挖槽的運動，二是截割機構的運動，這兩個機構在運動時不相同，掏槽時連續採煤機一邊行走一邊進行截割，但搖臂不擺動，而在截割工作面時，連續採煤機是停止行走的，但搖臂搬動截割。

2．1連續採煤機的震動模型連續採煤機是一個複雜的系統，由多個運動、轉動和擺動的零部件組成，在工作時，由於環境多變，其工作狀態也多變，連續採煤機的動力學模型是由無限個動力學的系統組成。因此，在設計時可以將其簡化如下:①煤壁單軸壓縮的強度保持不變;②連續採煤機各個部分的質量均勻分佈，零部件的質量都彙集在質心上;③每個部分的連接處的元件視爲無質量;④底板不產生震動，視爲平整，也沒有變形。將系統簡化，則系統的組成部分可以分爲三個部分:滾筒、搖臂和機體，這三個部分的質量都彙集在質心上。2．2震動來源震動的來源衆多，其中主要包括四個方面:一是工作荷載引起的波動;二是旋轉質量的不平衡;三是往復質量的不平衡，四是由於設計的安裝或者故障引發的震動，本文主要探討第一個和第二個方面的振動。2．2．1工作荷載引起的波動在對煤巖進行截割時，不同的煤巖介質會施加不同的作用力，從而引起單個截齒承受力度的變化，突然變動的作用力可能導致截齒的磨損，甚至會發生截斷的情況。因此，如果連續採煤機在已經遲鈍或者截斷的狀態下工作，則截割時就會大量損耗機械能量，增加了採煤的成本。在截割的過程中，每個截齒所承受的力度具有不確定性，因此導致滾筒上的荷載量出現較大的波動，從而使機器產生劇烈的波動，影響了連續採煤機工作中的穩定性，縮短了各個零部件的使用壽命，增加了執行、維修的成本，可能產生安全隱患。2．2．2截割滾筒旋轉質量的不平衡滾筒在安裝的過程中或多或少都會存在一些偏差，同時，葉片和截齒在滾筒圓周上不是均勻分佈的狀態，因此截割滾筒的`中心和軸線不能實現重合，會產生離心力，慣性離心力大小和旋轉不平衡質量、偏心距和角速度的平方成正比例關係。2．3連續採煤機的振動控制連續採煤機工作的過程中，產生的振動會對設備的工作精度和準度產生影響，特別是當截齒瞬間的切割深度沒有達到標準的要求時，則會進一步使截齒磨損，甚至破壞結構的內部，同時，還可能使機械的零部件產生位移，從而影響機械的正常工作。因此連續採煤機的振動對機械的使用壽命有着重大的影響，還會降低採煤的工作效率，因此對連續採煤機進行振動的測試和提出解決的方法具有重要的意義。振動控制可以分爲兩種:一是振動的被動控制，二是振動的主動控制。振動的被動控制結構相對不靈活，不能及時反饋。在振動的主動控制中，做功機構需要消耗大量的能量，能量主要由能源進行補充，通常可以分爲開環控制和閉環控制，目前主要利用閉環控制。振動的主動控制的方法可以分爲三種:第一，及時調整諧振點來防止振動。要根據振動系統響應的大小來調整結構參數，從而可以有效地改變諧振點，防止共振;第二，對其施加反方向的作用力，從而達到減震效果;第三，將阻尼的大小進行調整，來吸收振動產生的能量，從而達到隔振的效果。

3連續採煤機結構動態優化設計

3．1建立有限元模型3．1．1物理模型進入Pro/E，在標準的模式下建立一個三維模型，進行合理的推測和駕駛，將實體轉化成對應的物理模型，簡化的假定是每個物體的材料具有同向性，且內部沒有缺陷。3．1．2數學模型數學模型是在物理模型的基礎上得來的，可以進行適當的假設，假定各種材料是線性的，平板大而薄，在簡化後可以透過偏微分來對其進行描述。3．1．3建立有限元模型有限元模型是在數學模型的基礎上，也就是將偏微分方程離散爲代數方程，從而進行解答。3．2靈敏度設計建立有限元模型主要是爲了進行優化設計，按照一定的約束目標，從而可以找到設計目標的假定值。在設計中，參數較多，因此每個具體的參數對目標的影響也不同，因此在進行優化設計時，可以忽略掉一些次要的設計參數，透過靈敏度的設計來選擇重要的參數，找到最優的設計結果。截割臂的主要參數可以如圖1所示，OA與AC的夾角爲2°，OA和AC之間長度，截割臂的橫截面積，還有截割油缸和截割臂之間連接點的位置。

4結語

我國煤炭開採量日益增多，在施工中利用連續採煤機是必不可少的，連續採煤機的行走機構、裝載機構和截割機構各有其自身動力學原理，在採煤機的執行中發揮着重要的作用。可以透過建立物理、數學和有限元模型的方法來對設計進行優化，減少連續採煤機的振動，提高整體性能，並推動連續採煤機不斷進行改進，提高採煤水平。

參考文獻:

［1］張紅順．連續採煤機裝運齒輪箱的約束模態試驗分析［J］．煤炭科學技術，2011，12:80－83．

［2］周茂普，等．緩傾斜煤層連續採煤機短壁開採工藝研究與應用［J］．採礦與安全工程學報，2014，01:55－59．

［3］羅芳瓊．基於ＲBF神經網絡的連續採煤機故障診斷研究［J］．煤礦機械，2013，05:297－299．