不同工况下采煤机截齿截割阻力实验研究.pdf

第 41 卷 第 2 期 2017 年 4 月 南京理工大学学报 Journal of Nanjing University of Science and Technology Vol. 41 No. 2 Apr. 2017 收稿日期2016-04-29 修回日期2016-10-23 基金项目国家能源研发实验中心重大项目2015_215;国家自然科学基金51304107;辽宁省教育厅创新团 队资助项目LT2013009;辽宁省煤矿液压技术与装备工程研究中心开放基金CMHT-201206 作者简介李强1987-,男,硕士生,主要研究方向机械动态设计及仿真、机电一体化产品,E-mailliqiang1205 163. com;通讯作者毛君1960-,男,博士,教授,博士生导师,主要研究方向机械设计及仿真、机电 一体化,E-mail461387448 qq. com。 引文格式李强,毛君,张明玉. 不同工况下采煤机截齿截割阻力实验研究[J]. 南京理工大学学报,2017,412 159-164. 投稿网址http/ / zrxuebao. njust. edu. cn 不同工况下采煤机截齿截割阻力实验研究 李 强1,2,毛 君2,张明玉1 1. 宿州学院 机械与电子工程学院,安徽 宿州 234000;2. 辽宁工程技术大学 机械工程学院,辽宁 阜新 123000 摘 要针对采煤机在不同工况下的截齿截割阻力的变化特性及斜切进刀工况下事故频发的状 况,该文设计了由贴应变片插入式测量截齿和无线信号采集模块等组成的截齿截割阻力在线实 验方案。 将该方案用于 MG400/930-WD 型采煤机,在某大型采掘装备研究中心进行截割实验, 得到了不同工况下采煤机截割阻力的变化曲线。 分析实验结果可知,各截齿截割阻力在斜切进 刀和正常工况下均为“间歇周期”变化,在单个周期内截割阻力先增大后减小,且增大和减少过 程中呈波动变化;截割阻力在斜切进刀工况下先增大后减小,正常工况下较为稳定;在斜切进刀 工况下,各截齿最大截割阻力数值及其出现的位置均不同,越晚参与截割的截齿出现最大截割 阻力的位置越靠后,数值也越小,最大相差 0. 4 kN;斜切进刀工况下各截齿开始参与截割时,采 煤机位置差异较大,最早与最晚位置相差约 11. 0 m;斜切进刀工况下的最大截割阻力达到 6 kN,约为正常工况下的 6 倍。 该文实验方案可为采煤机斜切进刀工况下事故频发原因分析和 截割部设计提供实验依据。 关键词采煤机;截割阻力;实验;斜切进刀 中图分类号TD421 文章编号1005-9830201702-0159-06 DOI10. 14177/ j. cnki. 32-1397n. 2017. 41. 02. 004 Experimental study of cutting resistance of cutting teeth under different condition of shearer Li Qiang1,2,Mao Jun2,Zhang Mingyu1 1. School of Mechanical and Electronic Engineering,Suzhou University,Suzhou 234000,China; 2. College of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China AbstractAiming at properties of the cutting resistance under different conditions of shearers and frequent accidents under the oblique cutting feed condition, the on line experimental program consisting of the strain gauge plug-in measuring cutting teeth and the wireless strain acquisition module is designed. The program is applied to the type MG400/930-WD shearer under different 万方数据 南京理工大学学报第 41 卷第 2 期 conditions in a large mining equipment research center and the experimental curves of cutting resistance are obtained. Analysis of the experimental curves show that the cutting resistance is in in- termittently periodical change and fluctuates in every period under both the oblique cutting feed condition and the normal condition. Within a single period,the cutting resistance first increases and then decreases and fluctuates. Under the oblique cutting feed condition,the cutting resistance firstly increases and then decreases,and it is relatively stable at the normal condition. Under the oblique cutting feed condition, the maximum cutting resistance of every tooth has different values and positions. The later the cutting of shearers starts,the later the position of the maximum cutting resistance occurs, the smaller the value is, and the biggest difference of the maximum cutting resistance reaches 0. 4 kN. Under the oblique cutting feed condition,every tooth has different starting positions and the maximum difference of starting positions is 11. 0 m;the maximum cutting resistance is 6 kN,six times of that at the normal condition. All the results show that the experimental scheme is feasible,it can provide experimental data for the reason analysis of accidents under the oblique cutting feed condition and the designing of the cutting tooth and the shearer cutting unit. Key wordsshearers;cutting resistance;experimental study;oblique cutting feed condition 采煤机截割煤岩时,滚筒消耗的功率占整 个采煤机功率的 80 90 以上,主要用于截 煤和螺旋叶片输煤[1]。 采煤机工作时,根据不 同的工作条件,其工况一般分为正常截煤、斜切 进刀和截割电动机堵转 3 种[2]。 采煤机每割一 刀煤后都要斜切进刀[3,4]。 处于斜切进刀工况 时采煤机受载振动幅度最大,截齿截深大,受力 情况恶劣,滚筒轴向力大,摇臂振动幅度大,因 此,经常造成截齿崩裂、齿座断裂、滑靴磨损、滚 筒轮毂扭曲变形或摇臂根部断裂等事故[5,6]。 研究采煤机截齿截割阻力的变化规律,能为采 煤机的稳定性和可靠性设计及静动力学分析提 供理论依据[7,8]。 由文献[9-12]可知,现有采煤机截齿实验大 都是单齿情况下的离机模拟实验,不能实时在线 准确测出截齿瞬态的各种受力状况[13-15]。 因此, 有必要克服上述不足,探寻不同工况下截割电 动机堵转时截齿不截割,所以该工况不在本文讨 论范围之列的截齿截割阻力关系,研究斜切进 刀工况下采煤机事故的发生根源,设计出能在采 煤机斜切进刀工况和正常工况下实时在线测量截 割阻力的实验方案,并进行相关实验研究[16,17]。 基于此,本文设计了采煤机截齿截割阻力实验方 案,并将该实验方案应用于 MG400/930-WD 型采 煤机,在某大型采掘装备研究中心进行了实验研 究,得到了不同工况下截齿截割模拟煤壁时截割 阻力的变化规律,为探寻采煤机斜切进刀工况下 事故频发的原因提供基础,为研究不同工况下截 割阻力的变化规律、截割部的设计等提供实验 数据。 1 实验方案设计 1. 1 实验中截齿及运行参数的确定 以 MG400/930-WD 型采煤机及与之配套的 SGZ1000/1050 型刮板输送机为实验机型。 该型 采煤机截齿数为 51 个,其中端盘区截齿 21 个,叶 片区截齿 30 个,螺旋叶片头数为 3 个。 叶片区截 齿为顺序式排列,截线数为 10,端盘区截齿和叶 片区截齿均为等截距排列,且端盘区截距为叶片 区截距的一半,端盘区截线数为 5,叶片包角为 140,截齿布置如图 1 所示。 图 1 MG400/930-WD 型采煤机截齿布置图 061 万方数据 总第 213 期李 强 毛 君 张明玉 不同工况下采煤机截齿截割阻力实验研究 图 1 中 1,2,3,,10 代表叶片区截线,a,b, ,e 代表端盘区截线;每个截齿的编号用 ij 表 示,例如12 代表第 1 截线上第二个截齿,a3 代表 第 a 截线上第 3 个截齿;叶片区截线间距 d 80 mm,端盘区截线间距 d′40 mm。 端盘区共有 5 条截线,截齿顺序排列,各截线 上相邻截齿间隔位置角为17. 15585. 75。 叶 片区每条截线上均有 3 个截齿均匀分布,叶片区 每条截线上相邻截齿位置角间隔为 120,每个叶 片上均有 10 个截齿,同一叶片上相邻截齿位置角 间隔为 10。 令 φa100,则其余截齿初始位置角 φij0可由式1计算 φij0 85. 75j-17. 15i-1ia,b,,e 10i20120j-1i1,2,,10 { 1 计算端盘区各截齿初始位置角时,a 对应取 为 1,b 对应取为 2,以此类推,e 对应于 5 来计算。 进行斜切进刀工况实验时,首先要确定与采煤 机相配套的刮板输送机弯曲段即“S”型弯的工艺 参数。 依据煤矿行业相关标准和实验中心条件,弯 曲段从起始端到末端保证了滚筒的一个截深,结合 SGZ1000/1050 型刮板输送机使用手册中规定弯 曲段必须大于12 节,最终确定斜切进刀工况下“S” 型弯的工艺参数如表1 所示。 表 1 斜切进刀工况下每节中部槽弯曲参数 节数12345678910111213 偏角/ 1234567654321 横偏量/ mm 26.18 78.53 157.0 261.6 392.4 549.1 732.0 888.71 019.51 124.11 202.61 255.01 281.1 模拟煤壁的材料主要有煤、水泥、减水剂和 水。 选用的煤为精选优质高强度煤,经洗选后破 碎成粒径为 0 50 mm 不等的颗粒,其中含有较 少的针、片状煤以及泥或泥块。 根据 MG400/930- WD 型采煤机使用工况和实验现场条件,实验时 采煤机运行参数及地质条件如表 2 所示。 表 2 实验时采煤机运行参数及地质条件 参数参数值 模拟煤壁坚固性系数 f2. 5 4. 0 采高范围/ m2. 4 4. 1 滚筒直径/ m2 摇臂摆角/ -21 42 斜切工况下牵引速度/ m min-11. 5 模拟煤壁材料煤、水泥、减水剂、水 适应倾角/ ≤15 滚筒转速/ r min-135 滚筒截深/ m1 正常工况下牵引速度/ m min-17. 2 为保证实验的连续性,使实验结果更能反映 井下采煤机工况,在进行斜切进刀工况实验后,当 采煤机通过“S”弯后即进行正常工况下的采煤机 截齿截割阻力实验。 1. 2 实验方案的确定 由于采煤机滚筒上截齿数量多,测量出各截 齿每 个 瞬 时 的 截 割 阻 力 变 化 情 况 是 不 现 实 的[16-18]。 因此,需测量出在整个截煤过程中有代 表性的截齿所受截割阻力的变化情况,再考虑不 同截割起点和截割间距,对其他截齿所受截割阻 力进行类推。 其中,有代表性的截齿的截割时长、 切削厚度、截割阻力受力特性等应能反映其他各 截齿截割阻力的变化特性。 结合采煤机斜切进刀 和正常截割工况、截齿布置、截齿安装角等方面的 差异,对端盘区和叶片区各选取代表截齿为测量 截齿,再考虑边界截齿的特殊性,选定端盘区测量 截齿为a1、a2、a3、b1,叶片区测量截齿为 11、 103。 测量截齿的编号、位置、安装角等均与截齿 在采煤机上的实际情况保持一致,具体数值可由 图 1 及式1、2计算,不再赘述。 为保证测量方案对现有采煤机滚筒和截齿改 动量最小,测量截齿采取只更改截齿座与采煤机滚 筒连接方式来实现,将截齿座与滚筒的连接改为插 入式,改变后只需将带应变区及贴有应变片的截齿 座插入到焊接在滚筒上的连接套中即可。 同时,为 了不影响采煤机正常工作,测量截齿的截齿部分不 做任何改动,与正常截齿保留一致,如图2所示。 由图 2 可见,测量截齿座插入连接套内的部 分是截齿座应变区,截齿座应变区分为轴段Ⅰ和 轴段Ⅱ。 轴段Ⅰ为弹性轴,在其 4 个侧面均开有 应变片槽和导线槽,其中的一个侧面上还开有应 变花槽;轴段Ⅱ固定在轴段Ⅰ的末端,在轴段Ⅱ上 开设有导线槽,开设导线槽的位置与轴段Ⅰ上开 设导线槽的位置相对应;应变片和应变花贴在对 应的槽内,应变片和应变花的引线安放在导线槽 内;轴段Ⅱ的末端还开设有纽扣电池槽和信号处 理发射装置安装槽,对应装置安装在对应槽内。 161 万方数据 南京理工大学学报第 41 卷第 2 期 图 2 测量截齿组成及与连接套的连接安装 截齿截割煤岩时受力,带动截齿座长轴的轴 段Ⅰ产生应变,贴在轴段Ⅰ上的应变片随之变形, 产生电信号,经放大、变换等处理后由无线发射装 置发出,无线信号采集模块接收、采集、记录该信 号的变化情况,经数据处理后反映出截齿所受截 割阻力的变化情况。 采煤机机身位置由测定刮板位置间接测定, 在斜切进刀起始刮板上安装霍尔传感器,并在其 他刮板底部对应位置预埋磁钢。 当起始刮板开始 运动后,霍尔传感器通过磁钢,即输出脉冲信号; 当安装在起始刮板上的霍尔传感器与预埋磁钢距 离最近时,产生的脉冲信号最强,记录最强脉冲信 号与单个刮板长度即可得出采煤机的相对位置。 2 实验及结果 2. 1 实验系统安装与布置 实验系统由 6 个测量截齿、霍尔传感器、无线 信号采集模块、数据处理与显示装置等组成,无线 信号采集模块安装在滚筒螺旋叶片端部开槽空间 内,测量截齿实物安装、分布和无线信号采集模块 的安装布置如图 3 所示,图 3b中“1”即为无线 信号采集模块。 图 3 测量装置安装布置图 在 MG400/930-WD 型采煤机上安装调定好 上述测量截齿、霍尔传感器、无线信号采集模块、 数据处理与显示装置等模块,应用某大型采掘装 备研究中心的模拟煤壁进行采煤机在不同工况下 的截齿截割阻力实验,实验现场如图 4 所示。 图 4 实验现场 2. 2 实验结果及分析 根据采煤机在井下的工作顺序,先进行斜切 进刀工况下的截割阻力实验,当采煤机行走出 “S”型弯后,再进行正常工况下的截割阻力实验。 经放大、转换等数据处理得到的各测量截齿截割 阻力变化曲线,以等间距的采煤机行走路程为横 坐标、截割阻力数值的实测转化结果为纵坐标显 示出来。 发现端盘区 4 个测量截齿变化规律基本 相同,只是在具体数值和出现极值时的采煤机位 置有差异;叶片区两个测量截齿的变化规律也基 本相同,在具体数值和出现极值的采煤机位置有 差异。 同时叶片区与端盘区的各测量截齿截割阻 力变化曲线也不同。 选取端盘区 a1 测量截齿、叶片区 103 测量截 齿实验结果为代表来分析截齿截割阻力变化情 况。 端盘区 a1 测量截齿和叶片区 103 测量截齿 实验结果分别如图 5、6 所示。 图 5 端盘区 a1 测量截齿截割阻力变化情况 由图 5a和图 6a可知,截齿截割阻力全 过程呈现出两部分显著不同的变化情况,第一部 分整体先增大后减小,为斜切进刀工况下的截割 261 万方数据 总第 213 期李 强 毛 君 张明玉 不同工况下采煤机截齿截割阻力实验研究 阻力变化情况;第二部分整体较稳定,是正常工况 下的截割阻力变化情况。 这是由于斜切进刀工况 下截齿是逐渐截入煤岩的,截齿切削厚度由小变 大再变小引起截割阻力先增大后减小;而在正常 工况下,截齿截入煤岩深度较稳定,截齿切削厚度 较稳定,致使该工况下的截割阻力呈现出整体较 稳定状态。 图 6 叶片区测量截齿截割阻力变化情况 分析图 5a和图 6a可以发现,在斜切进 刀工况和正常工况下,截齿截割阻力均会出现一 些突变,这些突变与模拟煤壁的物理特性存在差 异性和随机性有关;忽略突变,从整体上来比较斜 切进刀和正常工况下的最大值,在斜切进刀工况 下截齿的最大截割阻力达到 6 kN,接近正常下截 齿最大截割阻力的 6 倍,截割阻力的成倍数变大 直接影响采煤机滚筒及摇臂的受力和寿命,为采 煤机处于斜切进刀工况下事故频发的原因找到了 实验依据;进一步发现,a1 截齿和 103 截齿开始 截割时采煤机所处的位置不同,以 a1 截齿开始截 割时采煤机位置记为S 0 mm,103 截齿大约在 S11. 0 m 才开始截割,验证了斜切进刀工况下 采煤机各截齿参与截割不是同时进行的,结合截 齿分布情况,a1 是斜切进刀工况下最早参与截割 的截齿,103 是最晚参与截割的截齿,可以得到, 斜切进刀工况下截齿起始截割时采煤机所处的位 置最大相差 11. 0 m。 由图 5b和图 6b可知,在斜切进刀工况 下,a1 和 103 截齿单次截割出现最大截割阻力时 先增大后减小,且在增大和减少过程中是波动变 化的;a1 截齿最大截割阻力发生在 S12. 83 m 附 近,最大截割阻力约为 6. 7 kN;103 截齿最大截割 阻力发生在 S13. 82 m 附近,最大截割阻力约为 6. 3 kN,与 a1 截齿最大截割阻力相差 0. 4 kN;a1 截齿比 103 截齿的最大截割阻力大,即在斜切进 刀工况下各截齿最大截割阻力数值及其出现的位 置是不同的,越晚参与截割的 103 截齿出现最大 截割阻力的位置也越靠后,数值也越小。 这是由 截齿所处的位置、安装角、受煤壁的挤压程度不 同、截齿切削厚度的变化等造成的。 分析图 6a和c可知,正常工况和斜切进 刀工况下截齿截割阻力是“间歇周期”变化的文 中未给出斜切进刀工况下的局部放大图,出现 “间歇周期”变化与截齿参与截割的间歇周期性 的实际情况是相符的。 截割阻力实验结果的具体数值及其波动还受 实验时应变片贴片误差、无线信号采集模块的精 度、测量截齿的位置参数、截齿磨损程度、采煤机 运行速度、模拟煤壁物理特性的非均匀性、煤壁受 挤压形成“煤核”等影响,因此实验结果的主要误 差也与上述因素有关,测量精度在0. 1 kN 内波 动认为是可以接受的。 根据端盘区和叶片区测量截齿的测量结果, 依据采煤机相关截煤理论[1,18],推导出其余截齿 在截煤过程中受力变化情况,进而推算出整个采 煤机在不同工况下的滚筒受力情况,为设计采煤 机所需的力学数据提供依据,也可验证上述实验 方案的可行性。 3 结论 为研究采煤机不同工况下的截齿截割阻力变 化特性,设计了截割阻力实验方案。 在某大型采 掘装备研究中心,基于 MG400/930-WD 型采煤机 及其模拟煤壁应用该实验方案,进行了斜切进刀 工况和正常工况下的截割实验,得到1所设计 的由贴应变片插入式测量截齿、霍尔传感器、无线 信号采集模块等组成的截齿截割阻力实验方案是 可行的;2从整体上来看,斜切进刀工况下截割 阻力整体上先增大后减小,而正常工况下较稳定; 361 万方数据 南京理工大学学报第 41 卷第 2 期 3斜切进刀工况和正常工况下,截齿截割阻力 均为“间歇周期”变化,在单个周期内部截割阻力 先增大后减小,且在增大和减少过程中波动变化; 4斜切进刀工况下,各截齿最大截割阻力的数 值及其出现的位置不同,越晚参与截割的截齿出 现最大截割阻力的位置越靠后,数值也越小,最大 相差 0. 4 kN;5斜切进刀工况下,各截齿开始参 与截割时,采煤机所处位置差异较大,最早与最晚 位置相差约1. 10104mm;6斜切进刀工况下最 大截割阻力达到6 kN,接近正常工况下最大截割 阻力的 6 倍。 参考文献 [1] 刘春生. 滚筒式采煤机理论设计基础[M]. 徐州 中国矿业大学出版社,2003. 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