采煤机球形滚筒的设计与仿真.pdf

公开 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他 个人或集体已发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名签字日期年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解太原理工大学有关保留、使用学 位论文的规定学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复 印件和电子版；允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于保密 □在年解密后适用本授权书 不保密□ 论文作者签名导师签名 签字日期年月日签字日期年月日 硕士工程类专业学位 学位论文答辩信息表 论文题目采煤机球形滚筒的设计与仿真 课题来源* 论文类型 在[ ]内打 “√” []产品研发[]工程设计[]应用研究 []工程/项目管理[]调研报告[]基础研究 论文答辩日期2020 年 6 月 9 日答辩秘书刘枫彬 学位论文答辩委员会成员 姓名职称博导/硕导工作单位 答辩委员 会主席 王学文教授博导太原理工大学 答辩委员 1李娟莉副教授硕导太原理工大学 答辩委员 2李博副教授硕导太原理工大学 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、国家社 科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科技厅项目、 省教育厅项目、企事业单位委托项目、其他 其他 √ 摘要 I 摘要 滚筒是采煤机的截割执行部件，滚筒性能的好坏直接影响着煤矿煤炭 的开采。滚筒根据结构不同，可以分为圆柱形滚筒、锥形滚筒、阶梯型滚 筒以及球形滚筒等。良好的滚筒具有截割性能好，装载效率优，块煤产出 率高的特点。德国公司生产的球形滚筒就具有这样的特点。但是，该滚筒 相较于其他滚筒而言，价格昂贵，是普通滚筒的 67 倍。因此，对于球形 滚筒的消化吸收以至于国产化生产具有重要的意义。 本文可归类为三部分展开 第一部分主要介绍了球形滚筒的结构和工作原理，描述了滚筒的安装 位置，并说明了滚筒的工作环境，其中包括了煤岩的力学与物理性能。并 对比了球形滚筒与普通圆柱形滚筒的差异，指出了滚筒性能的评价指标。 整理了两种滚筒在国内外煤矿生产中的实际工作效果。从结构与实际工作 效果来看，球形滚筒相较于普通螺旋滚筒性能更加优越。 第二部分指出了国外球形滚筒在端盘结构上的不足，特别是对于直径 2000 mm 的滚筒，采用平端盘已经不相适应，容煤效果差，振动性不好， 不利于排煤，易产生整个部件的波动。因此设计了蝶形端盘，以满足端盘 的排煤效果。借助 ANSYS Workbench，对端盘进行了有限元的模态分析， 并得出了端盘较高的固有频率，滚筒在工作时，因为端盘的变形断裂失效 可能性不大。确定了球形滚筒的其余部分，即叶片部的各参数值，利用 Solidworks 建立了几何模型。 为了符合我国煤炭行业关于验收的标准， 特此 对滚筒的连接方式进行了选型，采用方轴连接，并确定了各参数。 第三部分介绍了球形滚筒焊接所需的工作平台，设计了滚筒焊接工装， 即 XZ 定位器， 用以保证截齿座焊接的准确性。 对该工装进行了静力学分析， 结果表明，工装在两种工况下都可靠运行。 关键词关键词球形滚筒；端盘设计；模态分析；XZ 定位器设计；静力学分析 II ABSTRACT III ABSTRACT The drum is the cutting cution part of the shearer, and the perance of the drum directly affects the production of coal in coal mine. The good drum has the characteristics of good cutting perance, excellent loading efficiency and high yield of block coal. The spherical rollers produced by German companies have such characteristics. However, the drum’s overseas production and ocean distribution lead to that the acquisition of such a drum has a long period of time. At the same time, compared with other rollers, the price is more expensive with 67 times than ordinary rollers. Therefore, it is of great significance for the digestion and absorption of spherical rollers for the domestic production. This paper can be classified as three parts The first part mainly introduces the structure and working principle of the spherical drum, describes the installation position of the drum, and explains the working environment of the drum, which includes the mechanical and physical properties of coal and rock. The structure of the spherical drum is detailed, the difference between the two is compared, and the uation index of the perance of the drum is pointed out. The practical effect of two kinds of rollers in coal mine production at home and abroad is sorted out. From the point of view of structure and actual working effect, the perance of spherical drum is more superior than that of ordinary spiral drum. The second part points out the shortcomings of the spherical drum in the end disc structure, Especially for rollers with diameter 2000 mm, the use of flat end plate is not suitable, the coal capacity effect is poor, vibration is not good, is not conducive to coal discharge, easy to produce the fluctuation of the whole component. Therefore, the butterfly end plate is designed to meet the coal discharge effect of the end plate.And the finite element modal analysis of the end disk is carried out with the help of ANSYS Workbench, and the higher natural frequency of the end disk is obtained. When the drum is working,the possibility of deation and fracture failure of the end disk is not great. A geometric model is established by using the solidworks to determine the parameters of the rest of the spherical drum, that is, the blade part. In order to 太原理工大学硕士学位论文 IV meet the standards of Chinas coal industry on acceptance, this paper selects the connecting mode of the roller, adopts the square shaft connection, and determines the parameters. A working plat for spherical roller welding is introduced in the third part, and a roller welding tool, i.e. XZ positioner, is designed to ensure the accuracy of the cutting seat welding. The statics analysis of the tooling shows that the tooling operates reliably under both conditions. Key Words Spherical Drum; End Disc Design; Modal Analysis; XZ Positioner Design; Statics Analysis 目录 V 目录 摘要......................................................................................................................................... I ABSTRACT..............................................................................................................................III 第一章绪论.............................................................................................................................1 1.1选题背景及意义............................................................................................................1 1.2国内外研究动态............................................................................................................2 1.2.1国内外关于普通圆柱形滚筒的研究.....................................................................2 1.2.2国内外关于螺旋滚筒结构的研究.........................................................................4 1.3论文主要研究内容........................................................................................................5 第二章煤岩概述与滚筒工作环境.........................................................................................7 2.1煤岩体概述....................................................................................................................7 2.1.1煤岩的机械性质.....................................................................................................7 2.1.2煤岩的物理性质.....................................................................................................7 2.2滚筒安装位置与工作原理............................................................................................8 2.3煤岩对截割性能的要求................................................................................................9 第三章球形滚筒与普通滚筒的对比...................................................................................11 3.1球形滚筒与普通滚筒的结构差异..............................................................................11 3.1.1普通滚筒结构及参数...........................................................................................11 3.1.2球形滚筒结构.......................................................................................................13 3.2滚筒的运动参数..........................................................................................................15 3.3球形滚筒与普通滚筒的使用对比..............................................................................15 3.4结论..............................................................................................................................20 第四章球形滚筒端盘的改进设计.......................................................................................21 4.1端盘的结构及作用......................................................................................................21 4.2现有球形滚筒端盘的弊端..........................................................................................21 4.3端盘的结构设计..........................................................................................................22 4.4端盘配齿......................................................................................................................24 4.4.1截齿安装角...........................................................................................................24 4.4.2端盘配齿...............................................................................................................24 4.5端盘几何模型建立......................................................................................................25 太原理工大学硕士学位论文 VI 4.5.1截齿三维模型的建立...........................................................................................25 4.5.2截齿座几何模型的建立.......................................................................................26 4.5.3端盘几何装配体模型的建立...............................................................................26 4.5.4干涉检查...............................................................................................................28 4.6本章小结......................................................................................................................28 第五章端盘的模态分析.......................................................................................................29 5.1模态分析介绍..............................................................................................................29 5.2模态分析理论..............................................................................................................29 5.3端盘模态分析..............................................................................................................30 5.3.1建立有限元模型...................................................................................................30 5.3.2约束及求解...........................................................................................................31 5.3.3求解结果...............................................................................................................31 5.3.4结果分析...............................................................................................................34 5.4本章小结......................................................................................................................36 第六章球形滚筒叶片部参数确定与连接方式确定...........................................................37 6.1球形滚筒叶片部概述..................................................................................................37 6.2球形滚筒叶片部的参数确定及几何建模..................................................................37 6.3连接方式选型设计......................................................................................................39 6.4本章小结......................................................................................................................42 第七章工装设计与焊接平台...............................................................................................43 7.1焊接平台......................................................................................................................43 7.1.1平台结构...............................................................................................................43 7.1.2使用时的注意事项...............................................................................................44 7.2滚筒工装设计..............................................................................................................44 7.2.1XZ 向定位工装结构。........................................................................................ 44 7.2.2XZ 定位器工作原理............................................................................................ 45 7.3XZ 定位器静力学分析............................................................................................... 46 7.3.1正压力下，XZ 定位器的静力学分析................................................................ 46 7.3.2切应力下，XZ 定位器的静力分析.................................................................... 52 7.4本章小结......................................................................................................................54 第八章结论...........................................................................................................................55 8.1结论..............................................................................................................................55 目录 VII 8.2展望..............................................................................................................................55 参考文献...................................................................................................................................57 攻读学位期间取得的科研成果...............................................................................................59 致谢...........................................................................................................................................61 太原理工大学硕士学位论文 VIII 绪论 1 第一章绪论 1.1选题背景及意义 在我国各大煤炭集团的煤炭生产当中， 井工形式的开采最常见， 也是最主要的形式。 据统计，这种形式开采的煤炭产量占比不低于百分之九十。现有煤炭集团都在采用综合 机械化采煤的开采技术，地质条件良好的矿井也相继引入智能化开采装备。井工煤炭开 采中，无论开采技术怎样改变，都离不开滚筒式采煤机这个重要设备。伴随新机型的研 发和生产，采煤机的装备水平进一步提升。因此，它的其需求量将只增不减。螺旋滚筒 是采煤机截割部的执行机构，同时，截割部的功率占整机功率的百分之八十五以上。这 也就意味着这个主要消耗部件的需求量也将逐年增加。 与煤炭开采相关的国家也纷纷致 力于螺旋滚筒的研究与改进，从而设计、生产出满足截割与装煤效果较优的产品。 良好的采煤机的截煤效果、 高效的装煤效率及不超过规定的粉尘要求是长壁式采煤 的关键。要做到这些，主要是取决于滚筒的设计。以往传统的圆柱式滚筒的装载效能已 经不相适应，堵塞与超负荷的现象时常出现，进而造成煤的重复破碎和装载效果不佳的 现象。本人通过阅读文献和查阅相关资料发现，国内学者与工程技术人员对螺旋滚筒进 行优化设计与结构参数的研究主要针对的是采煤机圆柱形滚筒，也就是普通滚筒，对异 截面形螺旋滚筒，特别是球形滚筒，鲜有涉猎。球形滚筒改变了轮毂形状，卸载端的空 间体积不断增大，改善了滚筒的排煤效果，减少了煤的重复破碎，使得煤粉和粉尘量降 低。 特别是综合国国外的现场试验，采集并整理相关数据，可得出 （1）采煤机在截割煤壁的过程当中，牵引速度平均可以提高 0.85 m/min。 （2）装煤效率可以提升 20 30 。 （3）比能耗降低。 在球形滚筒的截煤试验中，小粒度煤粒甚至更细小的煤粒在原煤中的比率有效降 低。从煤的块度分析来看，1 mm 下块度的比率由原来的 16.10 ，可以下降到 9.6 。 同时，在德国库门瑙尔公司的球形滚筒约是国内圆柱滚筒的价格的 67 倍。 但是从球形滚筒的结构来看，也有不足的地方。端盘结构采用可分离的方式，虽然 对于装配而言，能够有所简化，但是，该滚筒还是要服务于煤炭生产这个环境当中的。 这样的结果就是会出现端盘脱落频繁的现象，另一种可能性是由于螺栓变形等，拆检及 其困难。需要拆检的，甚至需要动用焊接切割技术。但是井下环境对此类工作的要求苛 刻，地面检修，又难免造成相关结构的破坏。同时，采用平端盘在现场工作，容易造成 端盘的变形与失效。端盘与煤壁紧紧摩擦，缺少一定的容煤空间，二者之间的积煤不能 太原理工大学硕士学位论文 2 排除，特别是在工况不良的环境中运行，振动大，弊端显而易见。 基于球形滚筒的优缺点，并结合国内外的优化理论与成果，提出对采煤机球形滚筒 的设计与仿真这一课题的研究，具有以下意义 （1）拓展国内螺旋滚筒研究的发展新方向。 （2）降低我国煤炭企业对球形滚筒的购买成本，降低开采能耗，提高开采效能。 （3）球形滚筒相较于其他曲线形滚筒易于加工和检修，便于实现量产，提高煤矿 煤矿装备制造业水平，国内市场前景广阔。 1.2国内外研究动态 滚筒采煤机是煤矿综采工作面最为主要的生产设备之一， 它在煤炭综采方面发挥着 相当重要的作用。 采煤机与刮板输送机和支架等设备配合， 一起完成煤炭的生产与运输。 一般来说，采煤机的技术装备水平，标志了煤矿装备制造的发展水平。因此，采煤机的 研究与创新是煤矿装备制造业发展的中心主题。 滚筒采煤机的设计与研发就是要满足截 煤效果好、装煤效果佳的要求。随着研究的深入与技术的进步，截煤性能受摇臂截割电 机功率的影响。有研究机构采用增大截割电机功率的方法来提高截割性能。但是在生产 实际中发现，结果并非如此。提高装煤性能的方法不单取决于截割电机功率，还受其他 多方面原因的影响。因此，科研人员将目光转向了滚筒的研究与开发。 根据井下滚筒使用的特定要求，研发人员采取优化采煤机滚筒的最佳结构形式和运 动参数这两项内容进行研制。希望研制的滚筒在正常工作条件下，采出的煤具有最大的 块度和最低的单位能耗，同时要求滚筒工作时的动态性能较好。这也是国内外研究者对 于滚筒优化的设计内容。 球形滚筒等异性结构滚筒截煤性能的研究与普通圆柱形滚筒的研究方法相似， 二者 具有共通之处，但是对于此类结构滚筒的文献少之又少，因此对圆柱滚筒的探究实例就 具有了借鉴作用，特别是其他异结构的滚筒研究的方法也与圆柱滚筒类似。所以，对国 内外的研究动态以圆柱滚筒为主。 1.2.1国内外关于普通圆柱形滚筒的研究 近年来，在滚筒优化设计中，对螺旋滚筒的参数优化是国内外研究人员主要集中研 究的对象，特别是借助于先进的分析理论和计算机辅助软件，构建了仿真模型，进行了 仿真分析。 （1）借助先进算法的优化研究 李章东等人引入模糊理论的分析方法，调整了普通圆柱形滚筒的结构参数。他们将 模糊优化问题非模糊化，并按照一般优化问题处理。通过分析发现，滚筒参数的设计结 绪论 3 果更与现实工作情况相似[1]。 于信伟等考虑到滚筒的结构特点， 在滚筒不同截割阻抗下， 利用遗传算法进行优化， 重新确定了结构参数，并对运动参数进行了重新选择[2]。秦大同等也采用了相同的方法 进行优化，得出了圆柱形螺旋滚筒牵引-截割的最佳运动参数。通过对比原有工作状态 下的采煤机滚筒截割性能，发现在新的运动参数下，滚筒工作的经济性与安全可靠性明 显提高[3]。毛君等采用 NSGA-Ⅲ算法进行了模型优化设计，并且研发出滚筒的优化设计 系统，以此得到最优的滚筒设计方案[4]。 陈晓飞等介绍了混沌粒子群算法， 并在对螺旋滚筒的优化设计中采用了该方法进行 优化。同时，编制了滚筒的优化设计程序[5]。 （2）利用计算机辅助软件进行的仿真分析与研究 计算机辅助软件是科研工作者与技术工程师在对采煤机滚筒研发与设计时采用的 重要的工具之一。并且伴随着计算机技术的不断进步，其可靠程度也越来越高。但由于 软件类型较多，科研工作者在研发工作中也采用了不同的计算机辅助软件和方法，以下 就是国内外研究时，不同计算机辅助软件在其中的应用。 系统软件的应用 Somanchi 等建立了采煤机滚筒数据库， 该数据库是利用 Microsoft Access 系统进行开发的，并采用多用户操作[6]。 MATLAB 软件的应用陆辉等借助 UG 建模软件，制作了四类滚筒结构，并模拟 了这几种滚筒截割煤壁的过程。利用 MATLAB 求出截割阻力均值，并在 UG/NASTRA 中，对三种切向安装角的截齿进行平均阻力加载，同时，进行疲劳寿命分析。结果表明， 45切向安装角的镐形截齿由于折断破坏产生失效的可能性不大， 并且这类截齿的疲劳 寿命较长[7]。MATLAB 是杜可建立圆柱形滚筒工作模型时，采用的计算机软件。他将截 齿的布置参数作为变量参数，研究该参数对块煤率的影响。仿真结果也表明，块煤率的 提高可以采用调整截齿的布置参数[8]。李晓豁等利用 MATLAB/GUI 设计了一种模拟系 统，研究对象是采煤机滚筒截割煤壁时的截割载荷。解决了以往载荷计算难等问题，系 统操作简单，载荷图形显示直观，对滚筒设计的改进大有帮助[9]。2017 年，Zeng 等在 圆柱形滚筒的基础上