滚筒采煤机截割载荷的模拟系统开发及其模拟.pdf

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第4 1 卷第2 期 2 0 1 6 年2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 .4 1N o .2 F e b .2 0 1 6 李晓豁,李婷,焦丽,等.滚筒采煤机截割载荷的模拟系统开发及其模拟[ J ] .煤炭学报,2 0 1 6 ,4 1 2 5 0 2 5 0 6 .d o i 1 0 .1 3 2 2 5 / j .c n k i .j c c s .2 0 1 5 .0 4 3 0 L ix i a o h u o ,“T i n g ,J i a oL i ,e ta 1 .D e V e l o p m e n to fc u t t i n gl o a ds i m u l a t i o ns y s t e ma n di t ss i m u l a t i o ns t u d yo nd m ms h e a r e r [ J ] .J o u m a lo f C h i n aC o a lS o c i e t y ,2 0 1 6 ,4 1 2 5 0 2 5 0 6 .d o i 1 0 .1 3 2 2 5 /j .c n k i .j c c s .2 0 1 5 .0 4 3 0 滚筒采煤机截割载荷的模拟系统开发及其模拟 李晓豁,李婷,焦丽,徐广明,杨婷婷 辽宁工程技术大学机械工程学院,辽宁阜新1 2 3 0 0 0 摘要为解决因采煤机螺旋滚筒截割载荷计算难、导致滚筒设计缺少依据、产品质量低、截割性能 差的实际问题,在给出滚筒截割载荷确定方法的基础上,基于M a t l a b /G u I 开发了采煤机螺旋滚筒 截割载荷的模拟系统。该系统采用M a Ⅱa b /G U I 界面,利用M a t l a b 软件为平台,通过输入不同的滚 筒及采煤机参数和煤岩的特性参数,可模拟采煤机截割各种对象、以各运动参数工作时滚筒的截割 载荷,并能直观显示各载荷的图形、数据和统计结果。该系统具有数据与程序分离、操作简便、适应 性强等特点,能快速、准确地获取滚筒的截割载荷。以国产某型薄煤层采煤机为例,对其滚筒截割 载荷进行了模拟分析,得出了前、后滚筒三向载荷和负载扭矩曲线及统计结果,搞清了该采煤机截 割载荷的大小、变化规律及其相关关系,为改进滚筒设计、研究、评价和改善采煤机的截割性能提供 了参考。 关键词采煤机;螺旋滚筒;截割载荷;M a t l a b /G U I 中图分类号T D 4 2 1 .6 1文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 6 0 2 一0 5 0 2 0 5 D e V e l o p m e n to fc u t t i n gl o a ds i m u l a t i o ns y s t e ma n d i t ss i m u l a t i o n s t u d yo nd r u ms h e a r e r UX i a o h u o ,L IT i n g ,J I A OL i ,X UG u a n g m i n g ,Y A N GT i n g - t i n g 蒯o , ‰ o 凡沁fE 嚼删一增,L i n o n 垤z 0 如n 如口f ‰觇瑙妙,F 眦讯 1 2 3 0 0 0 ,傩i 眦 A b s t r a c t I no r d e rt os o l v et h ep r o b l e m so fl a c k i n gd e s i g ne v i d e n c e ,l o wd e s 返nq u a l i t ya n dp o o rc u t t i n gp e r f o m a n c eo f as h e a r e rs p i m ld r u mb e c a u s eo ft h ed i m c u l t yi ni t sc u t t i n gl o a dc a l c u l a t i o n ,as i m u l a t i o ns y s t e mo fas h e a r e rd m mc u t t i n gl o a d sh a sb e e nd e v e l o p e du s i n gM a d a b /G U Is o f t w a r eb a s e do na1 0 a dd e t e n n i n a t i o nm e t h o di nt h i ss t u d y .M a t l a b / G U Ii n t e 血c ei sa d 印t e da n dM a Ⅱa bs o f t w a r ei s 印p l i e da sap l a 怕珊i nt h es y s t e m .1 1 } l ec u t t i n gl o a d so nt h ed n l m w h e nd i f .f e r e n to b j e c t sa 地c u tw i t l ld i f b r e n tk i n e m a t i cp 盯舢e t e r sa r es i m u l a t e da n dd e t e 珊i n e db ye n t e r i n gt h ec h a 卜 a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so fe a c hd 1 1 l ma n ds h e a r e r ,a n dt h ec h a r a c t e r i s t i cp a m m e t e r so fc o a la n dm c ko nac o a lf a c e ,t h e n e a c hl o a d 罢即p h i c s ,d a t aa n ds t a t i s t i c sa r ev i s u a l l yd i s p l a y e d .B ys e p a r a 上i n gd a 土aa n dp r o c e d u r e s ,t h es y s t e mi se a s yt o 叩e r a t e ,a n dh a sag o o da d a p t a b i l i t y .I tc a nq u i c k l ya n de f f e c t i V e l yo b t a i nt h ec u t t i n gl o a d so f as p i r a ld m m .T a k e na d o m e s t i ct h i ns e a ms h e a r e ra sa ne x a m p l e ,t h ed 1 1 l mc u t t i n g1 0 a d sa r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ,t h ef 而n ta n db a c kd n l m l o a d s ,l o a dt o r q u ec u r v e sa n ds t a t i s t i c a lr e s u l t sa r eo b t a i n e d ,t h em a g n i t u d e so ft h el o a d s ,t h er e l a t i o n s h i pa n d1 a w sa r e f o u n d ,w h i c hp r o v i d e sab a s i sf o ri m p m v i n gt h ed e s i g no fd 1 1 l m ,e V a L l u a t i n ga n di m p m V i n gs h e a r e rc u t t i n gp e d ’0 咖a n c e . K e yw o r d s s h e a I e r ;s p i r a ld m m ;c u t t i n g1 0 a d ;M a t l a b /G U I 收稿日期2 0 1 5 0 3 3 0 修回日期2 0 1 5 0 5 1 2责任编辑许书阁 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 9 7 7 4 0 3 3 ;中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划资助项目 M T K J 2 叭卜3 2 5 作者简介李晓豁 1 9 5 3 ~ ,男,辽宁锦州人,教授,博士生导师。E m a i l l i x i a o h u o 1 6 3 .c o m 第2 期 李晓豁等滚筒采煤机截割载荷的模拟系统开发及其模拟 螺旋滚筒的截割载荷 以下简称滚筒载荷 是采 煤机工作机构及整机设计的依据,是影响截齿损耗、 采煤机截割性能、振动、工作可靠性与使用寿命和生 产率的重要因素。由于井下环境恶劣、工作面条件 差、煤层结构随机性大、采煤机工况复杂、截齿截割的 不连续性,加上煤岩脆性崩落无规律等,使得采煤机 截割过程中滚筒载荷复杂多变,对其计算十分困难, 给滚筒及采煤机设计带来很多困难,致使国产采煤机 的滚筒大多依靠进口,即便自己设计也多采用类比 法,很难进行有的放矢、有针对性的设计,也无法对设 计结果进行定量分析和评价。 国内外专家、学者对采煤机滚筒载荷已有较多研 究_ l 一7 | ,但能直观的通过输入参数来确定载荷的方法 较少。为此,本文通过确定的载荷模型,基于M a t l a b /G u I 开发了采煤机滚筒载荷的模拟系统,旨在解 决因采煤机滚筒载荷计算难而导致的滚筒设计质量 低、截割性能差、设计和评价缺少依据的问题,并以国 产某型滚筒采煤机为例,利用该系统对其截割载荷进 行了模拟分析。 1 截割载荷与波动及相关函数的确定方法 滚筒割煤时,各截齿位置随其转角改变,每瞬时 参与截割的截齿数量也不一样,任意时刻,第i 个截 齿 滚筒上的圆周角妒i 受有截割阻力互、牵引阻力 K 和侧向阻力置‘9 j ,沿滚筒竖直方向口、进给方向 6 、滚筒轴向c 投影,得分力o i ,6 i ,c i ,将所有参与截割 截齿 凡。个 的分力求和就得到滚筒的三向载荷 “p’‘P R 。 ∑o i ∑ 一l c o s 妒i z i s i n 妒i I 1i l n pn p 尺。 ∑6 i ∑ 一K s i n 妒i z i c o s 妒i 1 i l江l n Pn p 尺。 ∑c i ∑置 在割煤过程中,绕滚筒口,6 ,c 三轴的负载扭 矩 或称阻力矩 分别为 r A 乞 一R 6 £6 。 R 。£。6 2M 6 尺。£。一R 。£。 2 【M 。 一R 。£。6 R 6 £k 式中,£扪£6 c ,£。L ⋯L 。。,三。。为滚筒合力作用点的力 臂,由下式确定 n Pn p ∑口。D s i n 妒i∑n 。B i “。6 2 尺。 ’“。。一 R 。 ∑6 。D c o s 妒i∑6 。曰i』- 一‘J‘』_一‘‘ L h2 三二} ,£k 2 三三丢_ 一 ∑c i D c o s 驴。∑c 。D s i n 妒i £c n 矿,L c a 矿 式中,B i 为第f 个截齿到煤壁的距离;D 为滚筒直径。 载荷的波动系数 或 去√点耄 R 。一砭 2 式中,6 。为沿坐标系戈方向力的波动系数√为滚筒的 转角位置,取3 6 个,每1 0 。一个。 同样,有6 ,,6 。,艿肌,6 肘,,6 胁,其波动系数越大,载 荷波动越严重。 载荷的自相关函数 ,、驯砸 z 警譬撕 2 7 置L 丁,一了一一了一 一 ∑K i 胙胀2 午 式中,Ⅳ为模拟点数;取 下 为自相关序列;盯为方差; K 为载荷矩阵;K 为滚筒载荷的样本均值。 K i [ 口 i ,6 i ,c i ,饩 i ,眠 i ,M 。 i ] 载荷的互相关函数 E { R 。。 丁 }一_ ,、R 。。 丁 一云i j 了_ _ 一口6 盯。盯6盯Ⅱ盯6 式中,o ,6 为口 凡 ,6 n 的均值;盯。,盯。为血 n , 6 n 的方差。 2 截割载荷模拟系统的开发 利用M a t l a b 软件为平台,改变以往单一数据的 输入、繁琐程序编写的局面,采用程序与数据的分离, 设计出了容易操作的人机界面。该系统的软件总体 结构如图1 所示。图中箭头指程序模块的调用,只需 要输入滚筒的参数和煤岩参数,并保存数据,滚筒参 数、煤岩参数可设置多个,模拟时可选择相应的参数 组,计算得到其截割载荷和负载扭矩的数据,并保存 于内存中,接下来可进行滚筒截割载荷的波动分析、 统计分析和相关分析。 设计系统的编辑主界面 图2 包括绘图显示界 面、1 个主数据显示界面、5 个分组单元,还有多个单 选、控制按键等。该系统以M a t l a b 软件为平台,避免 煤炭学报 2 0 1 6 年第4 1 卷 滚筒参数设定 二二工二 滚筒数据保存 开始 煤岩参数设定 ..................I..一煤岩数据保存 系统载荷计算模拟程序 t l 载荷模拟保存l 滚筒| | 载荷力、| | 滚筒装| | 滚筒频谱自ll 数据信号I I 功率计算 优化| | 力矩显示| | 煤分析| | 互相关分析| | 小波分析l I 与显示 l 生兰壑塑堡查l ● ④ 图1 软件总体结构 F 培1 S o f t w a r eo v e r a Us t r u c t u r ed i a g r a m 了以往由单一数据输入、繁琐的编程问题0 I ,并将程 序与数据分离。 图2 系统界面 F i g .2S y s t e mi n t e 曲c 8 系统输人参数包括采煤机滚筒参数、工作面及其 煤岩参数两部分。滚筒参数设置主要有截齿类型、端 盘和叶片参数、滚筒直径、螺旋头数、螺旋升角。工作 面参数主要有采高和其他参数组成。煤岩参数设置 包括煤岩的截割破碎指标和力学性质。 煤岩参数设置页面如图3 所示,可选择4 种不同 类型包裹体和3 层不同夹石层,其中夹石层用长方体 显示,包裹体用椭球体表达。 程序开始,导人事先设置好的煤岩参数和滚筒参 数,设置滚筒的中心坐标,设置包裹体的种类、个数和 大小以及夹石层的位置、大小和倾角。经模拟计算, 输出截割载荷曲线,并进行统计分析和相关分析。 3 截割载荷的模拟实例 以国产某型滚筒采煤机为例进行模拟,有关参 图3 煤岩参数设置 n 昏3 C o a lr o c kp a r a m e t e rs e t t j n gd i a g r a m 数适用采高1 .1 ~1 .9m ,截深0 .6 3m ,牵引速度0 ~ 6H ∥m i n ,滚筒转数5 5r /m i n ,滚筒直径咖10 0 0m m ; 截割煤层的厚度18 2 0m m ,倾角2 5 。,煤的截割阻抗 2 4 0N /c m 。利用该系统模拟得到该采煤机前、后滚 筒的载荷随转角p 的变化分别如图4 所示。 由图4 a 可见,由于割煤量大,前滚筒R 。,尺。较 大,且呈现一定的周期性,近似正弦规律变化,周期约 为1 2 0 。,这是截齿排列的周期性所致;而尺,较小,且 周期性较差,其显随机性,无规律。而后滚筒尺。, R 。 图4 b 的波动较小,周期与前滚筒大致相同, 第2 期李晓豁等滚筒采煤机截割载荷的模拟系统开发及其模拟 蚕1 ; 图4 滚筒载荷模拟曲线 F i g .4 S i m u l a t e dc u r v e so fd r u ml o a d s 尺。比较集中,偶有突起,尺。主要分布在中心线两端, 但尺,的周期较前滚筒明显,约为1 2 0 。。因前滚筒位 于采煤机前进方向的前端,整个滚筒都切人煤壁,且 处于封闭截割;因两滚筒直径大于最大采高,后滚筒 截割煤层厚度小,且前滚筒截割后煤层变得松软,所 以载荷小于前滚筒。但由于后滚筒上位于高于其截 割煤层厚度处的截齿不截割,故导致其载荷波动较剧 烈。所得结果与实际情况相符。 图5 为该采煤机前滚筒载荷统计结果。可见,尺, 向均值最大,尺。向均值最小,负载扭矩必的平均值 最大,且明显大于M 。和眠。由此可知,滚筒的侧向 载荷虽小,但扭矩较大。而且,尺。的周期性没有尺。, R 。明显;M 。,帆,丝的周期性以及在均值上下的波动 亦不如R 。,吃明显。可见,最能体现滚筒载荷频率特 征的是R 。,死 即滚筒的横向、纵向载荷 。 图6 为三向力载荷和负载扭矩的自相关曲线,以 及。向、6 向载荷互相关曲线。由图6 可见,o 向、6 向力载荷的自相关系数在趋向于0 的过程中存在明 显的周期性波动,c 向载荷并无此现象。o 向、6 向、c 向载荷的自相关系数曲线的周期都比较长,并且都存 在着无规则的波动。图6 后两个图分别为口向、6 向 力载荷的相关曲线和口向、6 向扭矩的相关曲线。可 1 0 8 舍 ● 6 孑 o 4 呈 涮 2 辞 O 载荷载荷载荷转矩转矩转矩 R 。R bR cM 。M bM 图5 滚筒载荷的统计结果 F i g .5 S t a t i s t i c a lr e s u l t so fd I u ml o a d s 见,各载荷间互相关系数的总体趋势是随着时移的增 大而减小并趋于O 。 由于血向、6 向力载荷之间的周期较接近,导致 两者的互相关系数曲线存在明显的周期,而口向与6 向扭矩的互相关系数曲线没有周期。c 向与。向和6 向的扭矩不相关。 模拟结果还表明,力臂三扪三£。。,三∽£。。,£。均 异于0 ,可见采煤机割煤过程中,滚筒受有大小变化、 且偏心的载荷作用,这是导致采煤机振动的主要根 源。所得结果与文献[ 1 l 一1 2 ] 相符,说明研究方法可 行,结果可信。 1 .0 O .8 O .6 气O .4 ≈ 、 O .2 O _ 0 .2 - o .4 1 .O 0 .8 O .6 气O .4 ≈ 、 O .2 0 - o .2 - o .4 1 .O O .8 0 .6 懿 0 _ o .2 _ o .4 0 .4 0 .3 0 .2 岔o .1 SO _ 0 .1 _ 0 .2 加.3 O 8 6 4 2 O Z 芑H 、挺搽 5 0 6 煤炭学报 2 0 1 6 年第4 1 卷 _ o .2 5 时间/s 图6 载荷和扭矩的自相关曲线 F i 昏6 A u t o c o Ⅱ.e l a t i o nc u r v e so fl o a da n dt o f q u e 4 结论 1 开发的滚筒截割载荷模拟系统界面清晰,操 作简便,计算快捷、准确,显示直观,可为采煤机螺旋 滚筒的设计与改进、截割性能研究与评价提供了方法 和依据。 2 该系统能计算采煤机截割不同对象、尤其是 复杂地质条件下以不同参数工作时各位置截齿的受 力和前、后滚筒的瞬时载荷,并进行统计分析和相关 分析。 3 模拟可知两滚筒载荷大小随时间变化、且 合力偏离轴心。虽然后滚筒载荷较前滚筒小,但波动 较大,与实际情况相符。横向、纵向力载荷能体现滚 筒载荷频率特征。其中口向、6 向力载荷有明显的波 动性,c 向载荷不存在波动,o 向、6 向力载荷的相关 曲线波动明显。 参考文献 [ 1 ] 兀0 3 H H E3 ,M a 衄P H e BB3 ,y K H HB B .ⅢH p e pT e o P H H r r Ⅱ且[ M ] . Ⅱe K H H H 3 Ⅱa 1 聊bC T B o y r o 肪H o 前Ⅱp o M b I 姗e H H o c T H ,1 9 9 2 . [ 2 ]M u r a l i d h 啪nV e n k a t m m a n .E 雎c to 置r a t eo fs u m p i n go n 曲g m e n t a - t i o np r o c e s si nl a b o r a t o r yc u t t i n gs i m u l a t o r [ D ] .u s A w e s tV i r g i n i a U n i V e r s i t y ,2 0 0 3 . [ 3 ] 李晓豁,宋纪侠,赵树强,等.采煤机瞬时载荷的模拟研究[ J ] . 矿山机械,2 0 0 4 ,3 2 1 2 2 5 . “X i a o h u o ,S o n gJ i ] 【i a ,Z h a 0S h u q i a r I g ,e ta 1 .S i m u l a l i o no fs h e a r e r i n s t a n t a n e o u sl o a d [ J ] .M i n i n gM a c h i n e r y ,2 0 0 4 ,3 2 1 2 2 5 . [ 4 ] N i s h i m a t 8 uY .7 1 1 1 em e c h a n i c so fm c k c u t I i “g [ J ] .I n t e m a t i o n a lJ o u r _ n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gS c i e n c e ,1 9 7 2 ,9 2 6 l 一2 7 0 . [ 5 ] E v a n sI .At h e o r yo ft h ec u t t i n gf o r c ef o rp o i n t 吨n a c kp i c k s [ J ] .I n t e m a t i o n a lJ o u m a l0 fR o c kM e c h a n i c sa n dM i n i n gS c i e n c e ,1 9 8 4 , 2 1 6 7 7 1 . [ 6 ]B i I 百nN ,D e m i r c mMA ,c o p u rH ,e ta 1 .D o m i n a n tm c kp m p e r t i e sa f - f e c t i n gt h ep e d b 瑚a n c eo fc o n i c a 】p i c k sa n dt h ec o m p a r i s o no fs o m e e x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a lr e s u l t s [ J ] .I n t e m a t i o n a lJ o u m a l o f R o c kM e c h a I l i c sa n dM i n i n gS c i e n c e s ,2 0 0 6 ,4 3 1 3 9 1 5 6 . [ 7 ] B oY u .N u m e d c a ls i m u l a t i o no fc o n t i n u o u sm i n e rm c kc u t t i n g p r o c e s s [ D ] .u s A w e s tV i 唱i n i au n i v e r s i t y ,2 0 0 5 . [ 8 ] 李晓豁.采煤机螺旋滚筒随机载荷的模拟[ J ] .黑龙江科技学院 学报,2 0 0 1 ,1 1 4 8 1 0 . I J iX i a o h u o .S i m u l a t i o no fs h e a r e rd r u mm n d o ml o a d 『J ] .J o u m a l H e i l o n 舀i a J l gI n s t i t u t eo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,2 0 11 ,1 1 4 8 1 0 . [ 9 ] 岳嘉为.滚筒式采煤机载荷谱的分析研究[ D ] .太原太原理工 大学,2 0 1 3 . Q i uJ i a w e i .s t u d yo nl o a ds p e c t n l mo fd m ms h e a r e l .[ D ] .T a i y u a n I n s t i t u t e so fT e c h n o l o g yo fT a i y u a n ,2 0 1 3 . [ 1 0 ]唐仁鹏.采煤机滚筒载荷的仿真软件开发与研究[ D ] .阜新辽 宁工程技术大学,2 0 1 2 . T a “gR e “p e n g .R e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o ns o f t w a r eo f s h e a r e rd m ml o a d [ D ] .F u x i n L i a o n i n gT e c h n i c a lu n i v e r s i t y , 2 0 1 2 . [ 1 1 ] 李晓豁,李婷,唐仁鹏,等.采煤机截割滚筒载荷模拟系的研究 [ J ] .机械设计,2 0 1 5 ,3 2 s 2 4 6 4 8 . “X i a o h u o ,L iT i n g ,T a n gR e n p e “g ,e ta 1 .S t u d yo 儿oads i m u l a t i o n s y s t e mf c l rs h e a r e rc u t t i n gd n l m [ J ] .J o u m a lo fM a c h i n eD e s i g I l , 2 0 1 5 ,3 2 S 2 4 6 4 8 . [ 1 2 ]赵丽娟,董萌萌.含硫化铁结核薄煤层采煤机工作机构载荷问 题[ J ] .煤炭学报,2 0 0 9 ,3 4 6 8 4 0 8 4 4 . z h a 0L i j u a J l ,D o n gM e n g m e n g .k a dp m b l e m so f w o r k i “gm e c h a n i s mo ft h es h e a r e ri nc o n t a i n i “gp y r i t e sa n dt h i n c o a Is e a m [ J ] . J 0 u m a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ,2 0 0 9 ,3 4 6 8 4 0 8 4 4 . O 8 6 4 2 O 2 4 0 8 6 4 2 O 2 4 0 8 6 4 2 O 2 4 5 。o o n o 加加。o o o o 埘却。o o o o 加m 一日吣Y 一窖Y 一譬
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