固定截割方向掘进机截割臂摆角垂直跳动规律.pdf

第4 3 卷第5 期煤炭学报 V 0 1 ．4 3N o ．5 2 0 1 8 年5 月J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T YM a y 2 0 1 8 宗凯，张鹏，王鹏江，等．固定截割方向掘进机截割臂摆角垂直跳动规律[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 8 ，4 3 5 1 4 5 5 1 4 6 3 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ． c n k i ．j C C S ．2 0 1 7 ．1 0 0 4 Z O N GK a i ，Z H A N GP e n g ，W A N GP e n g j i a n g ，e ta 1 ．R e g u l a t i o no ft h ec u t t i n ga r m ’ss w i n ga n g l er n n o u tp e r p e n d i c u l a rt ot h ef i x e dc u t t i n g d i r e c t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 1 8 ，4 3 5 1 4 5 5 1 4 6 3 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 7 ．1 0 0 4 固定截割方向掘进机截割臂摆角垂直跳动规律 宗凯，张鹏，王鹏江，符世琛，李一鸣，张敏骏，吴淼 中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要基于系统动力学L a g r a n g e 方程，推导建立了掘进机截割臂摆角跳动动力学模型，然后根据 其求解的输入问题，提出了一种截割头载荷计算方法，并通过仿真计算分析得到截割头栽荷与截割 臂驱动油缸压力及截割臂摆角之间的关系。建立了S i m u l i n k 仿真模型，在截割臂垂直摆动和水平 摆动两种截割工况下，分别选取5 种截割臂摆角进行仿真求解分析，得到固定截割方向截割摆角垂 直跳动规律截割臂垂直摆动截割时，随截割头载荷的增大，其水平摆角跳动量先减小后增大，最大 值可达到5 ．3 0 ，最小值为0 ．5 0 ；随截割臂垂直摆角的增大，其水平摆角跳动量先增大后减小，约在 2 0 0 时达到最大值。截割臂水平摆动截割时，其垂直摆角跳动量先减小后增大，最大值可达到 5 ．4 。，最小值为0 ．3 。；随截割臂水平摆角的增大，其垂直摆角跳动量基本呈线性减小。掘进机截割 臂摆角跳动规律可为截割臂自动控制及截割头空间位置纠偏提供借鉴。 关键词掘进机；固定截割方向；截割臂摆角跳动；动力学模型；截割头载荷计算方法 中图分类号T D 4 2 1 ．5文献标志码A 文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 8 0 5 1 4 5 5 - 0 9 R e g u l a t i o no ft h ec u t t i n ga r m ’ss w i n ga n g l er u n - o u tp e r p e n d i c u l a rt o t h ef i x e dc u t t i n gd i r e c t i o n Z O N GK a i ，Z H A N GP e n g ，W A N GP e n g j i a n g ，F US h i c h e n ，L IY i m i n g ，Z H A N GM i n j u n ，W UM i a o S c h o o lo f M e c h a n i c a lE l e c t r o n i ca n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e m i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nl a g r a n g ee q u a t i o ni ns y s t e md y n a m i c s ，t h ed y n a m i c a lm o d e lo ft h ec u t t i n ga r m ’ss w i n ga n g l er u n o u tw a sd e r i v e d ．A c c o r d i n gt ot h ei n p u tp r o b l e mi ns o l v i n gt h em o d e l ，ac a l c u l a t i n gm e t h o do ft h ec u t t i n gh e a dl o a d w a sp r o p o s e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i p so ft h ec u t t i n gh e a dl o a dr e l a t i v et op r e s s u r eo ft h ed r i v i n gc y l i n d e r sa n dt h es w i n g a n g l eo ft h ec u t t i n ga r mw a so b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a t i n gc a l c u l a t i o na n da n a l y s i s ．T h es i m u l a t i o nm o d e lw a se s t a b - l i s h e di nS i m u l i n k ．I nt h et w ok i n d so fc u t t i n gc o n d i t i o n so ft h ec u t t i n ga i m ’sv e r t i c a la n dh o r i z o n t a ls w i n g ，f i v ek i n d s o ft h ec u t t i n ga r m ’ss w i n ga n g l ew e r es e l e c t e dt oc o n d u c ts i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l y ，a n dt h er e g u l a t i o no ft h ec u t t i n g a r m ’ss w i n ga n g l er u n o u tp e r p e n d i c u l a rt ot h ef i x e dc u t t i n gd i r e c t i o nw a so b t a i n e d ．W h e nt h ec u t t i n ga r ms w i n g sv e r - t i c a l l y ，a st h ec u t t i n gh e a dl o a di n c r e a s e s ，t h eh o r i z o n t a ls w i n ga n g l er u n o u td e c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s e s ；i t ’S m a x i m u mi s r e a c h i n gt o5 ．3 。，a n di t ’Sm i n i m u mi s0 ．5 。；a st h ec u t t i n ga r m ’sv e r t i c a la n g l ei n c r e a s e s ，t h eh o r i z o n t a l s w i n ga n g l er u n o u ti n c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e nd e c r e a s e s ，w h i c hr e a c h e st ot h em a x i m u mw h e nt h ec u t t i n ga r m ’sv e a i c a la n g l ei s2 0 。．W h e nt h ec u t t i n ga r ms w i n g sh o r i z o n t a l l y ，a st h ec u t t i n gh e a dl o a di n c r e a s e s ．t h ev e r t i c a ls w i n ga n g l e r u n - o u td e c r e a s e sf i r s t l ya n dt h e ni n c r e a s e s ；i t ’Sm a x i m u mi s r e a c h i n gt o5 ．4 。，a n di t ’Sm i n i m u mi s0 ．3 。a st h ec u t t i n ga r m ’sh o r i z o n t a la n g l ei n c r e a s e s ，t h ev e r t i c a ls w i n ga n g l er u n o u td e c r e a s e sl i n e a r l y ．T h er e g u l a t i o no ft h ec u t t i n g a r m ’ss w i n ga n g l er u n o u ti nt h ef i x e dc u t t i n gd i r e c t i o nc a np r o v i d ei m p o r t a n tt h e o r yb a s i sf o rt h ea u t o m a t i cc o n t r o lo f 收稿日期2 0 1 7 0 7 2 2修回日期2 0 1 7 0 9 2 9责任编辑许书阁 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 资助项目 2 0 1 4 C B 0 4 6 3 0 0 作者简介宗凯 1 9 9 l 一 ，男，山西朔州人，博士研究生。T e l 0 1 0 6 2 3 3 9 1 1 9 ，Em a i l z o n g k a i w d l 9 9 1 1 6 3 ．t o n i 万方数据 煤炭学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 t h ec u t t i n ga Y n la n dr e c t i f i c a t i o no ft h ec u t t i n gh e a d ’Ss p e c i a lp o s i t i o n ． K e yw o r d s r o a d h e a d e r ；f i x e dc u t t i n gd i r e c t i o n ；c u t t i n ga i T l l ’ss w i n ga n g l er u n o u t ；d y n a m i c a lm o d e l ；c a l c u l a t i n gm e t h - o do ft h ec u t t i n gh e a dl o a d 悬臂式掘进机是煤矿井下掘进工作面最重要的 设备，主要用于巷道的挖掘，为布置采煤工作面做准 备。随煤矿开采深度与机械化程度的不断提高。J ， 由于悬臂式掘进机安全，高效，灵活性高，适应性强等 特点，其应用越来越广泛，尤其是纵轴式掘进机，在半 煤岩巷道掘进中已得到普遍应用H 。6J 。 在巷道掘进过程中，因断面内煤岩赋存条件和物 理机械性质的复杂多变，导致所截割的煤岩硬度不断 变化且具有较大的随机性。因此在截割臂水平或垂 直摆动截割煤岩的过程中，截割头载荷也在连续复杂 地变化“ ‘10 | 。理论上，当截割臂水平摆动截割时，其垂 直摆角固定不变，截割头在断面内沿水平直线移动，但 是复杂多变的截割头载荷会使截割臂的垂直摆角产生 跳动现象；同样地，当截割臂垂直摆动截割时，其水平 摆角也会在截割头载荷的作用下产生跳动现象。而这 种截割臂摆角跳动现象对巷道断面边界规整度与巷道 成形质量造成严重的影响H2 | 。因此，掌握固定截割 方向截割臂摆角垂直跳动规律，对提高巷道成形质量 及截割臂摆动作业自动控制有重要意义。 在对掘进机截割过程中截割臂动力学行为的研 究方面，李晓豁等1 基于L a g r a n g e 方程建立了掘进 机整机动力学模型，通过构造虚拟截割头激励，进行 了截割臂振动响应分析；张付凯等引基于L a g r a n g e 方程建立了截割臂水平摆动和垂直摆动的动力学模 型，并通过迭代学习控制对截割臂运动轨迹进行控 制；凌睿等4 。1 副建立了掘进机截割臂横摆与径向伸 缩数学模型，并采用滑模控制与二级滑模控制方法对 截割臂的横摆角度和伸缩长度进行控制；D O N GZF 等钊通过有限元分析，研究了掘进机截割臂的振动 特性及其影响因素；W A N GJ 等Ⅲ1 通过实体模型动 力学仿真与实验，分析了掘进机截割臂振动特性及其 动态负载；刘萍等副通过实体建模与仿真对截割臂 进行了静力学特性研究，分析了截割头载荷作用下截 割臂的应力一应变和变形情况。 截止到目前，对截割臂运动过程进行动力学建模 的研究已有不少，但都是用于截割臂振动特性分析与 摆动状态控制研究，而对截割臂摆角跳动的研究较 少。针对该现状，以E B Z l 6 0 型掘进机为例，基于L a g r a n g e 方程法，通过动力学建模与仿真求解分析，对 固定截割方向截割臂摆角垂直跳动规律进行研究，并 通过井下工程实验对仿真结果进行验证。 1 截割臂摆角跳动动力学模型 1 ．1 运动状态分析 理论上，由于煤矿井下工作环境极其复杂，悬臂 式掘进机在截割过程中应该是一个有无限多个自由 度的系统。因此，要建立掘进机截割臂摆角跳动动力 学模型，必须对掘进机的工作状态进行合理、适当的 简化与假设9 | 。根据掘进机的实际结构和工作环 境，对掘进机的工作状态作如下简化与假设 1 总体来说，掘进机各部分的质量分布比较均 匀且弹性较小，故可忽略其弹性，将其简化为集中质 量截割头质量m ，，截割臂质量m ，机体质量m ， 包 括行走机构 ； 2 假设掘进机各部分之间通过无质量的弹性 元件连接，其中截割头与截割臂之间的刚度用K 。来 表示，截割臂与机体之间的刚度用恐来表示； 3 假设掘进机各部分之间的阻尼均为黏性阻 尼，截割头与截割臂之间的阻尼用C 。来表示，截割臂 与机体之间的阻尼用c 2 来表示； 4 本文研究的目标是固定截割方向下的掘进 机截割臂摆角跳动规律，因此在确定截割头载荷时， 没有必要对单个截齿的受力进行分析。可将截割头 载荷简化为三向力，即水平方向，竖直方向以及垂直 于煤壁方向的力。 以掘进机机体重心的初始位置为原点，建立三维 直角定坐标系O X Y Z ，以掘进机机体重心为原点，建 立固定于掘进机机体并随机体运动的动坐标系O ’X 7 y ’z ’，如图1 和2 所示。x 轴为水平方向，y 轴为垂直 于煤壁方向，z 轴为竖直方向。 ●Ⅳ’ k 蕊 f 冬l 1 { 1 戈{ 列臂水、f ‘摆∥J { 1 戈1 9 4 g [ 1 0 t ’i z I } , tz d l ‘、、i 1 1 9I ’⋯l i t i { ⋯l “t h e u l l i n g ⋯“ 图1 中，A 为截割臂相对于机体的水平摆角；△A 为截割臂水平摆角跳动量；9 为x 轴与x7 轴之间的 夹角在定坐标系中X O Z 平面内的投影；是为0 与0 7 之间的距离在定坐标系中x 轴上的投影；S ，为0 与 霸 商～一 ～P 万方数据 第5 蚓。蠢】j 【等“ ；b L - “ 俄削力州捌进机截割臂摆角垂直跳动规律 、z 、． 、、、A j ’ ‘、 PI ，I ．．‘亲掣。。， ㈥2陂割’婿巫血摆动戡剂 F i g ．2V e r t i c a l l ys w i n gc o n d i t i o no ft h ec u t t i n ga r m O ’之间的距离在定坐标系中y 轴上的投影；R ，为截 割头载荷在水平方向的分力；R ，为截割头载荷在垂 直于煤壁方向的分力。图2 中，y 为截割臂相对于机 体的垂直摆角；A y 为截割臂垂直摆角跳动量；0 ，为l ， 轴与y ’轴之间的夹角在定坐标系中Y O Z 平面内的投 影；．s 。为O 与O7 之间的距离在定坐标系中z 轴上的 投影；尺。为截割头载荷在竖直方向的分力；9 为煤层 坡度角。 1 ．2 动力学模型 掘进机在截割过程中可以看作一个完整的系统， 应用系统动力学L a g r a n g e 方程，可以建立截割臂摆角 跳动的运动微分方程，从而精确描述掘进机截割过程 中截割臂的动力学行为。 系统动力学第二类L a g r a n g e 方程Ⅲ1 蔷㈢一嚣吨 ㈩ 考虑黏性阻力，引入R a y l e i g h 耗散函数D ，则L a g r a n g e 方程变为 躺一薏 罢吨 ㈩ 将有势力从式 2 右端分离出去，即引入势能函 数U q j ，那么式 2 可以进一步变为 苦 薏 一嚣 蓑 型O q i Q i c 3 ， 式中，r 为系统的动能；D 为系统的耗散能；U 为系统 的势能；i 为广义坐标数；Q i 为广义力。 以式 3 形式的L a g r a n g e 方程，在截割臂垂直摆 动和水平摆动两种截割工况下，分别建立掘进机截割 过程截割臂水平摆角跳动和垂直摆角跳动的动力学 模型，并进行仿真求解分析。 截割臂垂直摆动截割工况下，其水平摆角跳动的 运动微分方程推导过程如下 旦 m 。￡ m ￡ ．，、 e o s 2 T A , i 一 m 。L m ￡， 0 A A [ S y c o s , ／s i n A 一△A S x C O Sy c o s A A A ] 4 j d 。＼{ a O △T 天 ，n 。￡2 ，n ￡2 ， ．，、 c 。s 2 7 △又一 m 1 ￡ ，扎2 L ， [ S r C O Sy c o s A 一△A 一 S x C O Sy s i n A A A ] 5 a 0 _ △Z r A ，n l L ，n 2 L ， [ S ‘x c o sy s i n A 一△A 一 S y c o sy c o s A A A ] A A 6 O D c △天 7 a △A ． O _ U ．K 2 A 一△A 8 a A A ’、。 将式 5 一 8 代人式 3 ，得到截割臂垂直摆动 截割工况下，其水平摆角跳动动力学模型如下 m l ￡2 m 2 ￡ - ，x c o s 2 y △又一{ [ m 1 ￡ ，孔2 ￡， S x C O Sy s i n A A A 一S r C O Sy c o s A A A ] C 2 } A A 一 ，孔】L ，孔2 ￡， [ S r c o sy c o s A A A 一 S x C O Sy s i n A A A ] 坞 A 一△A R x L c o sy c o sA M H 9 式中，L 为截割臂回转中心与截割头回转中心的之间 的距离；L 。为截割臂的重心与其回转中心之间的距 离；厶为截割臂水平摆动时的转动惯量；M 。为截割 臂水平摆动驱动力矩。 截割臂水平摆动截割工况下，其垂直摆角跳动的 运动微分方程推导过程如下 旦[ m ，￡z m ￡ s i n 2 y 一△y I ，，] △；一 O A T m l L m 2 L ， S z s i n 7 一△y 1 0 旦d t ＼l 卢o A y ＼ [ m l L 2 m 。L 2 y s i n 2 y 一△y ．，，m 2 s i n y A y c o s y a y m l ￡2 m 2 ￡ 却2 一 S z C O S y A y ，n I L 玑2 L ， a y 1 1 基 s i n y 一酬c o s y 一训 啡2 毗； A y 2 一 m l ￡ ，n 2 L ， S z A y c o s y A y 1 2 堕c ．s i n y a y [ ，s i n 9 一日。 O A T S z c o s 妒一0 1 J s x s i n0 2 ] 2 ／c o s 3 y a y 1 3 豢 毗，1 ￡ g c o s [ y 一剐 妒咱] 万方数据 煤炭 学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 恐 y A y K 。{ L s i n [ y A y 妒一0 。] 一 L s i n [ y 一△y 妒] 一b s i n0 2 S y s i n 妒一0 1 S z C O S 9 0 1 J s x s i n0 2 } { L c o s [ y A y 妒一0 I ] 一L c o s [ y A y 妒] } ／c o s 2 7 一A y K ls i n y A y { L s i n [ y A y 9 0 1 ] 一L s i n [ 7 一A y 妒] 一b s i n0 2 S v s i n 9 0 1 S z C O S 妒一 0 1 s x s i n 如} 2 ／c o s 3 7 一A y 1 4 将式 1 1 一 1 4 代人式 3 ，得到截割臂水平摆 动截割工况下，其垂直摆角跳动动力学模型如下 [ m l L 2 ，扎2 ￡； s i n 2 y a y ．，，] △i 3 s i n y A y c o s y 一△7 m l L 2 ，孔2 L △y 2 2 S z c o s y A y m l L m 2 L ， A y m 2 L ，一m l L g c o s [ 7 一△7 妒一0 I ] 心 y 一△y { C l t a n y A y [ ．s y s i n 妒一0 I S z C O S 妒一0 1 S Ⅳs i n0 2 ] 2 K l { L s i n [ y 一△y 妒一日1 ] 一 L s i n [ 7 一A y 妒] 一b s i n0 2 I s y s i n 妒一0 I S z C O S 妒一0 I S x s i n0 2 } { L c o s [ y A y 妒一0 1 ] 一L c o s [ y A y 妒] } K l t a n y A y { L s i n [ y A y 妒一0 1 ] 一L s i n [ y A y 妒] 一b s i n0 2 S v s i n 妒一0 1 S z C O S 9 0 1 S x s i n 吼] 2 } } ／c o s 2 y A y R z L c o sy c o sA M v M G 1 5 式中，b 为掘进机机体长度的1 ／2 ；J ，为截割臂垂直 摆动时的转动惯量；M 。为截割臂垂直摆动驱动力 矩；M G 为截割臂自身重力矩。 2 截割头载荷计算 由式 9 和 1 5 可知，要对掘进机截割臂摆角跳 动动力学模型进行求解，必须先得到截割头载荷作为 初始输入量。而掘进机截割过程中截割头载荷复杂 多变的现状，决定了直接在现场获取截割头载荷谱的 难度很大，个别研究人员获得的载荷谱也极其复杂且 无规律，很难进行处理并被有效利用旧卜22 | 。针对该 现状，笔者提出了一种截割头载荷离散化计算方法。 掘进机截割臂水平摆动截割时由一对回转油缸 驱动，垂直摆动截割时由一对升降油缸驱动，而随所 截割煤岩硬度的不同，回转油缸与升降油缸的压力也 在不断变化，且呈正相关关系旧3 | 。回转油缸与升降 油缸的压力可以用油缸压力传感器精确测量，因此， 根据回转油缸和升降油缸的压力可以计算出截割头 对煤壁的破碎力，根据牛顿第三定律，截割头对煤壁 的破碎力即为该组油缸压力下的截割头载荷。 2 ．1 截割头载荷水平方向分力计算方法 掘进机截割臂固联于回转台上，由对称布置的水 平回转油缸驱动。油缸杆与回转台相连，油缸筒与本 体架相连。工作时，一侧油缸伸长另一侧油缸同步缩 短，协同作用推动回转台转动，带动截割臂绕其回转 中心水平摆动。如图3 所示，回转台回转中心为0 点；右侧油缸杆与回转台铰接点为A 点，油缸筒与本 体架铰接点为B 点，左侧油缸筒与本体架铰接点为C 点，油缸杆与回转台铰接点为D 点；截割头受力点为 R 点；回转台回转半径为O A O D r ，O B O C Z 。， O R 厶，／A O B [ C O D O l 。当截割臂水平摆动一定 角度A 后，A 点运动到A7 点，D 点运动到D7 点，此时 C D ’ 1 2 ，A ’B f 3 。 R ≥ 艇科一 图3 截割臂水平摆动二维图 F i g ．3 T w o - d i m e n s i o n a ld i a g r a mo fh o r i z o n t a ls w i n gp r o c e s s 以截割臂水平向右摆动为例进行分析。水平向 右摆动截割时截割头载荷在水平方向的分力水平向 左，左侧油缸无杆腔进油对回转台外推，右侧油缸为 有杆腔进油对回转台回拉，左侧外推力大于右侧回拉 力。截割臂水平向左摆动截割时，受力情况与上述分 析对称相反，此处不再赘述。 以回转台回转中心点0 为基点，左侧油缸的外 推力对点0 的力矩为 M T P l S l [ r l l s i n a A ] ／f 2 1 6 右侧油缸的回拉力对点0 的力矩为 M L P 。 5 1 一S 2 [ r l I s i n a A ] ／Z 3 1 7 截割头载荷对点O 的力矩为 M l R x L l C O Sy c o sA 1 8 掘进机在钻进煤壁过程中，回转台承受较大的单 侧压力，而在断面截割过程中，回转台承受压力很小 且较为分散；并且回转台与回转支承之间为滚动轴承 连接且润滑充足。因此，相对于驱动油缸的驱动力和 煤壁作用于截割头的阻力，回转台自身摩擦力矩可忽 略不计。联立式 1 6 ～ 1 8 得截割头载荷力在水平 方向的分力为 。P l r l t [ 1 3 S l s i n a A z 2 J s l 一．s 2 s i n o r A ] 嘞一瓦i i 面五一 万方数据 第5 期宗凯等固定截割方向掘进机截割臂摆角垂直跳动规律 式中，P 。为回转油缸压力；S 。为回转油缸缸径横截面 积；S 为回转油缸杆径横截面积。 2 ．2 截割载荷竖直方向分力计算方法 截割臂垂直摆动截割时由一对平行对称布置的 升降油缸驱动，油缸杆与截割臂相连，油缸筒与回转 台相连。工作时，一对升降油缸同步伸长或缩短，推 动截割臂上下摆动。如图4 所示，截割臂与回转台铰 接点为07 点；油缸筒与回转台铰接点为E 点；油缸杆 与悬臂铰接点为F 点；截割头受力点为尺点；0 ’E f 。，0 ’F l ，，0 ’R L ，截割臂重心到07 的距离为k ， ／E O7 F 3 。当截割臂垂直摆动一定角度y 后，F 点 运动到F7 点，此时E F ，- k 。 R R 』 厂／一￡_| j。j Ⅷ槲寄1 ⋯6 ＼√i 硎 N 、＼．一．灿P 沁 ．创 幽4 诚剖’婿巫直攫功维幽 F i g ．4 T w o d i m e n s i o n a ld i a g r a mo fv e r t i c a ls w i n gp r o c e s s 以截割臂垂直向上摆动为例进行分析。垂直向 上摆动截割时截割头载荷在竖直方向的分力竖直向 下，升降油缸无杆腔进油将截割臂向上推。截割臂垂 直向下摆动截割时，受力情况与上述分析对称相反， 此处不再赘述。 以截割臂与回转台铰接点O ’为基点，截割头载 荷对点O ’的力矩为 鸩 R z L 2 C O SA c o sy 1 9 截割臂自身重力对点07 的力矩为 M G m l m 2 g L G C O SA c o sy 2 0 升降油缸驱动力对点O ’的力矩为 M s 2 P s 3 丝掣 2 1 ￡6 联立式 1 8 一 2 0 得截割头载荷在竖直方向的 分力为 。一2 P 2 s 3 f 4 f 5 s i n 7 ／3 一 m l r r h 9 1 6 L c c o sA c o sy ／X Z 一 1 6 L 2 c o sA c o sy 式中，P 为升降油缸压力；S ，为升降油缸缸径横截面 积。 2 ．3 截割头载荷计算结果 基于井下工程性实验，在E B Z l 6 0 型掘进机上测 取截割臂回转驱动油缸和升降驱动油缸油路中的压 力，并对实测数据进行处理。在截割过程中，回转驱 动油缸压力在5 ～2 1M P a 变化，如图5 所示；根据回 转驱动油缸压力和截割臂水平摆角对截割头载荷在 水平方向的分力尺，进行仿真计算，结果如图6 所示。 升降驱动油缸压力在8 2 1M P a 变化，如图7 所示； 根据升降驱动油缸压力和截割臂垂直摆角对截割头 载荷在竖直方向的分力如进行仿真计算，结果如图 8 所示。 O5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 数据采集时间／s 图5 回转油缸压力 F i g ．5 P r e s s u r eo t 。a n g l i n gc y l i n d e r O ．1 0 0 ．0 9 0 ．0 8 0 ．0 7 Z o ．0 6 姜 ≈ 0 ．0 5 0 ．0 4 O ．0 3 图6 截割头载荷水平分力R 。 F i g ．6 H o l ‘i z o n t a lf o r ‘eR 。0 1 “ t h ec u t t i n gh e a dl 1 图7 升降油缸压力 F i g ．7 P r e s s u r eo fl i f t i n gc y l i n d e r 3 仿真分析与实验验证 3 ．1 S i m u l i n k 模型及仿真条件设定 根据截割臂水平摆角跳动动力学模型和垂直摆 角跳动动力学模型，即式 9 和 1 5 ，在M a t l a b ／S i m ． u l i n k 中分别建立求解微分方程的仿真模型，如图9 和1 0 所示。 E B Z l 6 0 型掘进机截割臂水平左右摆动的最大摆 勉加婚№H 坦m 8 6 4 叠q∈R邕培畏蜱量 控加博M M 眩m 0 6 叠至＼R邕耳熙遨索 万方数据 煤炭 学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 O ．1 4 0 ．1 2 0 ．1 0 0 ．0 8 至 0 ．0 6 毒 0 ．0 4 O ．0 2 O 图8 截割头载荷竖直分力R ， F i g ．8 V e r t i c a lf o r c eR zo ft h ec u t t i n gh e a dl o a 图9截割臂水平摆角跳动求解仿真模型 F i g ．9 S i m u l a t i o nm o d e lo fs o l v i n gc u t t i n ga r m ’Sh o r i z o n t a s w i n ga n g l eF U n o u t H1 0f { L ；- J 臂睡I 。I 摆角跳动} I ； 求解f 方其模7 魁 I i g ．1 0 S i m t l [ a l i o nl l l lJ l l l - lo f 、⋯l l g u t t i l l g 。⋯1 1 ’、、f j ㈨l s w i n ga n g l er u n o u t 角均为2 8 。；垂直向上摆动的最大摆角为3 8 0 ，向下摆 动的最大摆角为2 4 。。因此，求解截割臂水平摆角跳 动动力学模型时，选取y - 2 4 。，一1 2 。，0 。，2 0 。和3 8 。 五种截割位置；求解截割臂垂直摆角跳动动力学模型 时，选择A - 2 8 。，- 1 4 。，0 。，1 4 。和2 8 。五种截割位置。 仿真初始参数见表1 ‘m 26 。。 表1 仿真初始参数 T a b l e1P a r a m e t e r so fs i m u l a t i o n ’si n p u t 参数值 3 ．2 井下工程实验 井下实测机型为E B Z l 6 0 型悬臂式掘进机，实验 地点为冀中能源邢东矿，该矿井深度在5 8 0 ～ 12 0 0m ，综掘工作面条件较好，适合安装各类传感器 对掘进机进行工作状态监测。 选用本安型G U C 3 6 0 矿用倾角传感器测取截割 臂的垂直摆角；选用抗噪声干扰能力强、测试稳定性 好的W 1 8 L D 型双路测速传感器测取截割臂的水平 摆角；选用满足井下煤安规程要求的B Y D - 6 0 型矿用 隔爆型压力变送器测取升降驱动油缸和回转驱动油 缸油路中的压力。所有检测到的数据均存储在机载 大容量数据记录仪中。实验设备实物如图1 1 所示。 a 倾角传感器 b 双路测速传感器 c J i 、／J 受送器 d 目l 域人芥{ 遗数拂；i L 球仪 图1实验没箭实物 F i g ．11 P i c t u r e so ft h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t 测量截割臂水平摆角时，根据掘进机回转台实际 结构，在回转台内侧环面一定弧长范围内安装2 套钢 铁齿条，一套齿条固定不动，另一套齿条随回转台转 动，齿条齿宽为4m i l l ，对应截割臂水平摆动角度为1 。。 将W 1 8 L D 型双路测速传感器敏感面对准齿条，作用距 离为0 ～2n u n ，如图1 2 所示。随回转台的