矿井采煤机截割部件动态特性仿真分析研究.pdf

第 ４３ 卷第 １１ 期能 源 与 环 保 Ｖｏｌ． ４３ Ｎｏ． １１ ２０２１ 年１１ 月 Ｃｈｉｎａ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＮｏｖ． ２０２１ 收稿日期 ２０２１ － ０７ － ０６； 责任编辑 陈朋磊 ＤＯＩ １０． １９３８９ ／ ｊ． ｃｎｋｉ． １００３ － ０５０６． ２０２１． １１． ０４１ 基金项目 西安铁路职业技术学院 ２０１９ 年院级课题项目（ ＸＴＺＹ１９Ｇ０４） 作者简介 崔广宇（ １９８９） ， 男， 陕西铜川人， 讲师， 硕士， 研究方向为机械、 仿真。 引用格式 崔广宇， 张欣， 邵千城， 等． 矿井采煤机截割部件动态特性仿真分析研究［ Ｊ］ ． 能源与环保， ２０２１， ４３（ １１） ２５１- ２５５， ２６１． Ｃｕｉ Ｇｕａｎｇｙｕ， Ｚｈａｎｇ Ｘｉｎ， Ｓｈａｏ Ｑｉａｎｃｈｅｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｍｉｎｅ ｓｈｅａｒｅｒ ［ Ｊ］ ． Ｃｈｉｎａ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， ２０２１， ４３（ １１） ２５１- ２５５， ２６１． 矿井采煤机截割部件动态特性仿真分析研究 崔广宇１， 张 欣２， 邵千城１， 邹俊俊１ （ １． 西安铁路职业技术学院， 陕西 西安 ７１００２６； ２． 陕西应用物理化学研究所， 陕西 西安 ７１００６１） 摘要 矿井采煤机是高效的煤炭采掘机械， 随着矿井智能化设备应用的增多， 对矿井采煤机的可靠性 和动态特性有了更高的要求。由于煤炭储藏地层的复杂性， 需要采煤机具有机械灵活性来适应地下 开采环境。组成采煤机的零部件和铰接部位较多， 且机械节点的受力载荷、 动态特性曲线影响了采煤 机整机的工作可靠性， 尤其是截割部件是采掘煤炭的关键结构。为了掌握采煤机截割部件的动力学 特性变化规律， 充分利用截割部件的工作性能， 通过仿真技术对截割部件的运动特性进行数值模拟计 算， 得到了截割部件运动状态的变化规律以及受力特点。 关键词 煤矿； 采煤机； 截割部件； 仿真分析； 动态特性； 运动规律 中图分类号 ＴＤ４２１ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００３ － ０５０６（ ２０２１） １１ － ０２５１ － ０５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｍｉｎｅ ｓｈｅａｒｅｒ Ｃｕｉ Ｇｕａｎｇｙｕ１， Ｚｈａｎｇ Ｘｉｎ２， Ｓｈａｏ Ｑｉａｎｃｈｅｎｇ１， Ｚｏｕ Ｊｕｎｊｕｎ１ （ １． Ｘｉ ａｎ Ｒａｉｌｗａｙ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｘｉ ａｎ ７１００２６， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｓｈａａｎｘｉ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｘｉ ａｎ ７１００６１， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｍ ｉｎｅ ｓｈｅａｒｅｒ ｉｓ ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ． Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｎｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ， ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｉｎｅ ｓｈｅａｒｅｒ． Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｔｒａｔａ， ｔｈｅ ｓｈｅａｒｅｒ ｎｅｅｄｓ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ａｄａｐｔ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｍｉｎｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ． Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｍａｎｙ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ ｐａｒｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｅｒ， ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｌｏａｄ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｎｏｄｅｓ ａｆｆｅｃｔ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅａｒｅｒ， ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ ａｒｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｍｉｎｉｎｇ ｃｏａｌ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｓｔｅｒ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｌａｗ ｏｆ ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｈｅａｒｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ ａｎｄ ｍａｋｅ ｆｕｌｌ ｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ， ｔｈｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ ａｒｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ ｌａｗ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒｔｓ ａｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ； ｓｈｅａｒｅｒ； ｃｕｔｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｄｙｎａｍｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ； ｍｏｔｉｏｎ ｌａｗ 我国煤炭资源储量丰富， 位居世界所有国家的 前列， 虽然我国正在大力实施绿色能源发展战略， 但 是我国经济社会的发展仍然离不开煤炭资源的支 撑。矿井采煤机作为采掘煤炭的机械设备， 具有较 高的机电一体化集成系统， 包括机械系统、 电气系统 和液压系统。如果采煤机在采掘煤炭的过程中出现 了故障， 不仅使得煤炭企业蒙受巨大的经济损失， 还 有可能引发安全生产事故。采煤机截割部件是直接 接触煤炭的核心部件， 关系到了采煤机整机的平稳 运行， 在恶劣的矿井开采环境中， 容易受到外界不利 因素所产生的振动、 受力载荷、 腐蚀等物理和化学影 响［ １］。为了提升采煤机整机的动态平稳性， 对截割 部件的运动特性以及关键机械连接部位的受力载荷 情况进行分析。利用数值模拟分析的计算方法， 结 合截割部件在实际工况条件下的运动特性， 对其转 动电机、 传动齿轮等动态系统的规律进行分析。将 １５２ 万方数据 ２０２１ 年第 １１ 期能 源 与 环 保 第 ４３ 卷 截割部件设计为一个虚拟数值计算模型， 可将结构 进行参数化设计。试验方法可为矿井机械设备制造 企业在截割部件结构优化研究方面提供依据。 １ 采煤机受力负载特性分析 １． １ 采煤机结构组成 矿井采煤机采用了多种分类的方法， 主要的分 类方式为牵引方式、 牵引部动力分类方式、 工作机构 位置划分方式［ ２］。我国综采工作面主要采用的是 滚筒式采煤机， 液压结合机械牵引的方式实施动力 的输出。为了提高研究的广泛性， 以中厚煤层大倾 角综采工作面所采用的双滚筒采煤机为研究对象， 该类型的采煤机使用了双轮驱动的动力系统， 如图 １ 所示。 ★★★★ ★★★★ 牵★★★ ★★★组★ ★★★★ ★★★★★★ ★★★★ ★★★★ 牵★★★ 图 １ 双滚筒采煤机结构组成简化示意 Ｆｉｇ. １ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｄｏｕｂｌｅ- ｄｒｕｍ ｓｈｅａｒｅｒ 截割部件包括 ２ 个装置， 分别为滚筒和截割摇 臂。滚筒在旋转轴的带动下， 通过截齿采掘煤炭。 底部的负载托架与导轨相连， 在安装于综采工作面 的导轨平面上移动。除了上述机械部件在电控箱组 件内部布置有各类电气元件。由于在矿井环境内使 用， 所有电气元件都应具备防火、 防潮、 防爆的本质 安全设计。双滚筒采煤机内部还设计有水冷装置， 防止过热所产生的机械破坏。根据专业测算， 截割 部件在双滚筒采煤机采掘煤炭过程中所消耗的功率 占到了近 ９ 成［ ３］， 凸显的截割部件作为核心结构的 地位。 １． ２ 截割部件的负载特性分析 截割部件所面临的采掘煤炭环境复杂具有较大 的随机性， 因此要求截割部件面对不同的煤岩采掘 对象要时刻输出不同的机构载荷。截割部件面临的 负载剧烈变化对机械电机系统造成了危害。在分析 截割部件的负载特性时， 应注意以下 ４ 个方面 ①判 断截割功率与电动机的功率是否匹配， 能否充分发 挥两者的工作性能； ②减少负载波动， 通过安装弹性 缓冲装置， 实现采煤机的过载保护； ③保持采煤机输 出功率的恒定， 确保生产效率的可持续性； ④准确判 断工况条件以及外界影响因素， 选择与截割部件工 作负载相适应的输出特性。 １． ３ 截割部件受力分析 以 Ｍ Ｇ７５０／ １８００- ＧＷＤ 采煤机截割部件为研究 对象， 该型号采煤机的装机功率为 １ ８００ ｋＷ、 截割 功率为 ２ ７５０ ｋＷ， 牵引功率为 ２ ９０ ｋＷ、 牵引速 度为 １３． ０／ ２５． ９ ｍ／ ｍｉｎ， 滚筒转速为 ２３ ｒ／ ｍｉｎ， 滚筒 截割深度为 ８００ ～１ ０００ ｍｍ［ ４］， 采用交流变频的调 速方式驱动截割部件。 由于矿井开采环境的特殊性， 会使截割部件的 载荷变化规律性较弱。随着采掘煤炭的进行， 各零 部件的磨损造成了截割部件在轴向旋转过程中的偏 振， 对采煤机及其整机系统产生了严重的振动效应。 截割部件滚筒采掘煤炭受力如图 ２ 所示。 ★ ★ ★ ★ ★Ｒ ★Ｒ ★Ｒ 图 ２ 截割部件滚筒采掘煤炭受力示意 Ｆｉｇ. ２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐａｒｔ ｄｒｕｍ ｄｕｒｉｎｇ ｃｏａｌ ｍｉｎｉｎｇ 由图 ２ 可知， 受力方向随着滚筒的转动而发生 变化， Ｒ 系列力代表是双滚筒所受到的截齿矢量分 力， 由于截齿的分布位置不同， 各分力的方向均不相 同。截割滚筒转动过程中的速度波动大约为 ８％， 在对双滚筒采煤机做负载特性计算时， 如果速度波 动较低， 可忽略。为了提高计算时的效率， 适当对采 煤机作出简化假设是有必要的。采煤机内部的弹性 部件受力情况可假设为黏性阻尼， 垂直于采煤机牵 引方向的销轮、 齿条等部件不考虑旋转过程中的不 平衡离心力作用［ ５］。 ３ 截割部件三维模型的建立 ３． １ 零部件模型的建立原则 采用 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 软件对截割部件的各零部件进 行单独的建立， 对每一个零部件按照其基础结构特 征完成拉伸、 旋转、 倒角等建模工作， 实现精细化设 计。同时为了提高仿真计算的效率， 对截割部件结 构整体受力性能影响不大的零碎部件以及结构设计 ２５２ 万方数据 ２０２１ 年第 １１ 期崔广宇， 等 矿井采煤机截割部件动态特性仿真分析研究 第 ４３ 卷 进行简化处理， 尽量在保证整体结构完善的情况下， 进行简单化的绘制。分别对截割部件的行星齿轮 架、 摇臂、 齿轮、 电机、 滚筒、 调高油缸的模型进行建 立。由于组成截割部件的结构较多， 无法通过一次 建模成型的方法对其结构三维模型进行建立， 应分 别建立起每个重要零部件的三维模型并通过装配的 方式将各零部件进行组合， 形成截割部件的整体模 型， 如图 ３ 所示。 零★零★零★零★ 零★★★★零★★★★ ★★★ 图 ３ 截割部件模型装配设计流程 Ｆｉｇ. ３ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｕｔ ｐａｒｔ ｍｏｄｅｌ ３． ２ 截割部件装配模型建立 工作装置零件的三维实体模型完成后， 为了建 立虚拟样机， 需要对其各个零件进行虚拟装配。在 ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 的装配模块中， 通过确定零件之间的位 置约束关系， 并检查零件之间是否有干涉以及装配 体的运动情况是否合乎设计要求。按照截割部件的 实际结构以及相互配合关系， 对零部件的装配图进 行设计。对各零部件模型进行装备组装过程中， 应 注意 ２ 个部件之间的过盈配合， 采用“ 小零件先装、 大零件后装” 的方式完成整体模型装备。装配完过 后在软件中读取零部件的装配参数， 对不合理的间 距进行调整， 尤其注意关键控制部件的边界条件以 及约束位置。正确的装配位置关系有利于提升仿真 计算的精确性， 采煤机截割部件的装配完成以及内 部构造如图 ４ 所示。 ★★★★★★★★★★★★★★★★★★构★ 图 ４ 截割部件三维装配模型示意 Ｆｉｇ. ４ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｒｅｅ- ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ３． ３ 截割部件装配干涉检查 由于截割部件是采用装配组成， 在装配过程中 部分零部件的装配位置无法精准的设计， 造成了受 力部件或者运动部件出现了干涉问题。一方面干涉 问题影响到了运动连杆部件的协调性， 导致驱动机 构无法达到正确的预定工位， 降低了运动连杆的工 作性能； 另一方面不同性质机构之间的干涉问题会 导致机构之间发生碰撞， 从而造成结构的损坏， 严重 时会造成采煤机的整体停机。ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 软件集成 了检查干涉问题的功能可以准确的检测出采煤机截 割部件的干涉行为， 并且在软件中进行提示。在一 定干涉范围内， 能通过软件直接对干涉位置的结构 进行修改。在截割部件设计中， 应该尤其注意连接 件、 摇臂、 液压件之间的相互干涉问题， 因为上述三 者构件出现了干涉问题， 无法正常对截割部件进行 负载特性的仿真分析。 ４ 截割部位动态特性仿真参数设定 ４． １ 约束条件添加 为了使截割部件达到与实际工况条件下的运动 状态， 对其组成的各个零部件的约束和驱动进行定 义， ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ 软件中对常见的机构运动副和边际 约束条件进行定义。通过运动副限制某个部件在 Ｘ、 Ｙ、 Ｚ 空间内的自由度［ ６］， 除了对运动副的转动和 移动进行限制以外， 截割部件还将完成复杂的运动， 应该对截割部件的部位点运动进行定义。根据对截 割结构部件的分析， 相对运动副之间都属于低副状 态。由于截割部件的驱动装置为液压缸， 应当分别 对移动副和转动副的驱动方式进行重新的定义。运 动定义参数的数据形式要被虚拟样机的仿真环境所 识别［ ７］， 准确的定义可以增加仿真计算结果的精确 性， 具体的分析流程如图 ５ 所示。 ★★★★ ★★★★★ ★★★ ★★★★★★ ★★★★★★ ★★★★★构 ★取★★★★ ★★★ ★★★★ ★★★★ ★★ ★★★★★ ★★★荷 ★★★★★★ ★★★★ 图 ５ 采煤机动态参数分析环境流程 Ｆｉｇ. ５ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｈｅａｒｅｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎａｌｙｓｉｓ 通过对运动构件力、 约束、 接触的准确定义， 实 ３５２ 万方数据 ２０２１ 年第 １１ 期能 源 与 环 保 第 ４３ 卷 现采煤机的牵引部件、 截割部件、 行走箱等组成部分 左、 右两侧都能按照实际工况条件运动。实现采煤 机整机的移动、 双滚筒的同时旋转以及摇臂上下升 降等 ３ 个主要运动的正常进行。 ４． ２ 零部件驱动设置 ４． ２． １ 运动部件间的定义 采煤机是实现采掘煤炭为主要功能的机械设 备， 应首先对其滚筒的旋转运动进行定义。通过旋 转副的设置（ 图 ６） ， 将采煤机截割部位单个滚筒与 摇臂之间的旋转接触状态进行设置， 包括摩擦属性 和运动属性。尤其是设置旋转副时， 要对旋转速度 进行精确的计算。旋转副与移动副的约束条件有一 定的区别， 旋转副应添加 Ｒａｇｉｄ Ｊｏｉｎｔ 约束， 实现刚性 连接。 ★★★★★★ＦＥ★★性 ★用★★★★★★Ｒ★ ★束★★★★★★ ★★★ ★择★一★★★★★★★ ★★ｎｔ★ｎ★－★ ★择★★★★★★★２★ ｊｉ★★★－★ ★★用户★★★ ★束 ★择★★★★Ｌ★ ｊｉ★★★－★★★★－★★ＤＤＭＥ★★★★★ ｊｉ★★★－★★★★－★★ＤＤＭＥ★★★★★ ★择★★★★Ｄ★ 图 ６ 截割部件旋转副的设置界面 Ｆｉｇ. ６ Ｓｅｔｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｓ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｐａｉｒ 摇臂升降运动是通过 ５ 个部件联合实现， 包括 摇臂、 油缸、 过渡架、 液压箱、 活塞缸等［ ８］。需要对 相互之间的 ６ 个运动副进行设置， 不仅要设置旋转 副， 还应设置滑动副和移动副， 实现双滚筒采煤机前 后摇臂的对称性。 ４． ２． ２ 运动部件添加驱动 根据采煤机截割部件的动力驱动传递路线， 由 电机离合器减速器滚筒的逐级传动［ ９］， 如图 ７ 所示。在对每个零部件的运动副参数进行定义 时， 要尽量减少对于自由度的限制。不同机构之间 的连接转换需要设置特定的驱动形式， 例如移动驱 动方式应用于导轨接触之间， 而旋转驱动方式适用 于滚筒与煤炭物料的接触。驱动参数包括了对运动 函数的定义， 可以考虑将时间函数设定为恒定值。 在 ＣＯＳＭ ＯＳＭ ｏｔｉｏｎ 环境下， 对双滚筒采煤机在沿导 轨方向施加 １ ２００ ｍｍ／ ｍｉｎ 的速度， 截割部件的摇臂 绕驱动轴以顺时针方向的旋转速度为 １８０ ／ ｓ［ １０］。 ★★ ★★★ ★★ ★★★★★ ★★★★★ 图 ７ 截割部件动力传递路线示意 Ｆｉｇ. ７ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｒｏｕｔｅ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ 在 ＣＯＳＭ ＯＳＭ ｏｔｉｏｎ 的软件环境中， 截割部件在 采掘煤炭过程中将实现 ３ 类交互控制 ①采煤载荷 的交互控制； ②采掘作业的交互控制； ③仿真计算的 交互控制。根据不同部件的载荷施加形式， 设定不 同力的谐波曲线， 并且根据不同工序条件下载荷特 征， 对力的自定义函数进行重新编写。通过模拟电 机传动轴驱动力的表现形式， 在 ＸＹＺ 三个方向上的 分量进行独立设置， 其中 Ｘ方向力为９２３ ｋＮ、 Ｙ方向 力为 ２３０ ｋＮ、 Ｚ 方向力为 ７４３ ｋＮ［ １１］， 忽略了截割部 件受到的重力影响以及飞溅出来的煤炭颗粒的冲击 影响。 ５ 截割部件的动态特性仿真结果分析 在 ＣＯＳＭ ＯＳＭ ｏｔｉｏｎ 环境中， 作用力是以时间为 函数的， 根据时间的变化， 力的函数可为恒定值、 谐 波函数、 样条曲线或自定义函数， 给截割部施加不同 类型的力， 比较分析在不同输入载荷下的动力学情 况， 对于采煤机截割部物理样机的制造与力学研究 都有很大的帮助。采煤机负载特性非常复杂， 模拟 其负载比较困难。因此， 分别施加恒定、 谐波负载信 号， 仿真摇臂对负载的响应。根据采煤机截割部装 配关系可知， 采煤机摇臂和牵引部及调高液压系统 有 ３ 个铰接点。在调高液压缸作用下， 采煤机摇臂 调整到某一位置割煤， 施加负载仿真铰接点的响应。 双滚筒采煤机的输出轴转速 ｎ ＝ ２４． ４０ ｒ／ ｍｉｎ、 截割 功率为 ９００ ｋＷ、 滚筒直径为 ２． ５ ｍ， 设定仿真分析 ４５２ 万方数据 ２０２１ 年第 １１ 期崔广宇， 等 矿井采煤机截割部件动态特性仿真分析研究 第 ４３ 卷 类型为运动学分析， 仿真时间设为 １０ ｓ， 仿真步数为 ５００ 步， 仿真结果如图 ８ 所示。 ★★★ ★ ★★ ★★★Ｍ★★ ★间★★ 图 ８ 摇臂与调高液压缸铰接点的力学曲线 Ｆｉｇ. ８ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｈｉｎｇｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｒｏｃｋｅｒ ａｒｍ ａｎｄ ｈｅｉｇｈｔ- ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃｙｌｉｎｄｅｒ 在对数字样机进行虚拟分析时， 考虑到不同作 用力下的采煤机工作情况， 更有利于对采煤机的优 化设计。本节中对采煤机滚筒施以相对于时间为谐 波函数的作用力， 研究其动力学曲线变化。研究施 加的单作用力时， 其谐波函数参数设置 频率为 ３６０ ／ ｓ、 振幅为 ４５ 、 没有时移和相移、 平均值为 ０ 的情况下， 采煤机 ３ 个铰接点的动力学特性曲线。 仿真条件分析 设定仿真分析类型为运动学分析， 仿 真时间依然设为 １０ ｓ， 仿真步数为 ５００ 步， 对应仿真 结果如图 ９ 所示。 －★★★７ ２★★２ ★★ ★★★★★ｍ★★ ★ －２ ★★★★★ｒ★★ ｎ 图 ９ 摇臂曲柄转角与端部加速度关系曲线 Ｆｉｇ. ９ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｃｒａｎｋ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｒｏｃｋｅｒ ａｒｍ ａｎｄ ｅｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ 根据仿真结果可知， ２ 种负载下顶部铰接点的 受力最大， 底部铰接点的受力最小。摇臂与滚筒铰 接点受力幅值变化最大， 摇臂与中间连接壳体铰接 点力的变化依然为恒定值。在谐波函数作用下， 质 心的速度、 加速度以及摇臂的平均速度都保持了不 变。因此， 摇臂对谐波函数的响应更趋近于采煤机 工作的理想状态， 实现了截割部件的数字化参数设 计。在其结构设计方面， 可以按照拟定流程对各个 铰接点的受力、 速度进行分析。 ６ 结语 为了提升矿井采煤机在采掘煤炭过程中的安全 可靠性， 对其截割部件的运动特性以及受力分布规 律进行了分析研究。利用数值模拟分析了计算方 法， 对采煤机截割部件的运动轨迹进行了可视化研 究。根据仿真计算结果， 得出了截割部件的关键设 计参数以及结构安全性设计指标， 并对关键机械连 接点的力学载荷数据进行了读取。在实际工程中难 以对截割部件进行拆卸分析的情况下， 利用了有限 元仿真技术对截割部件进行了虚拟化数值计算。数 值计算结果验证了截割部件的组成零部件能够满足 正常的工程运行要求， 并且得到了截割部件结构设 计不合理之处， 为截割部件结构的优化设计指明了 方向。 参考文献（ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［ １］ 雍建军． 煤矿采煤机牵引速度和滚筒高度智能协调控制方法 研究［ Ｊ］ ． 能源与环保， ２０２０， ４２（ ７） １５９- １６２． Ｙｏｎｇ Ｊｉａｎｊｕｎ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｄｒｕｍ ｈｅｉｇｈｔ ｏｆ ｃｏａｌ ｓｈｅａｒｅｒ［ Ｊ］ ． Ｃｈｉｎａ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， ２０２０， ４２（ ７） １５９- １６２． ［ ２］ 邢茂林， 阴静慧． 陕北沙漠区浅埋厚煤层开采潜水位及生态响 应［ Ｊ］ ． 能源与环保， ２０２０， ４２（ １） １６９- １７３， １７７． Ｘｉｎｇ Ｍ ａｏｌｉｎ， Ｙｉｎ Ｊｉｎｇｈｕｉ． Ｍ ｉｎｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ ｔａｂｌｅ ａｎｄ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ｓｈａｌｌｏｗ － ｂｕｒｉｅｄ ａｎｄ ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ ｉｎ ｄｅｓｅｒｔ ａｒｅａ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｓｈａａｎｘｉ［ Ｊ］ ． Ｃｈｉｎａ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， ２０２０， ４２（ １） １６９- １７３， １７７． ［ ３］ 邓博， 刘威， 李健． 边底水稠油油藏蒸汽吞吐开采特征及开发 优化数值模拟研究［ Ｊ］ ． 能源与环保， ２０２０， ４２（ ２） １４５- １４７， １７４． Ｄｅｎｇ Ｂｏ， Ｌｉｕ Ｗｅｉ， Ｌｉ Ｊｉａｎ． Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｔｅａｍ ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｄｇｅ- ｂｏｔｔｏｍ- ｗａｔｅｒ ｈｅａｖｙ ｏｉｌ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ［ Ｊ］ ． Ｃｈｉｎａ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃ- ｔｉｏｎ， ２０２０， ４２（ ２） １４５- １４７， １７４． ［ ４］ 梁家豪． 高应力区沿空留巷围岩现状监测研究与分析［ Ｊ］ ． 能 源与环保， ２０２０， ４２（ ２） １４８- １５１， １５５． Ｌｉａｎｇ Ｊｉａｈａｏ． Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｒｏｃｋ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｇｏｂ- ｓｉｄｅ ｅｎｔｒｙ ｒｅｔａｉｎｉｎｇ ｉｎ ｈｉｇｈ ｓｔｒｅｓｓ ｚｏｎｅ［ Ｊ］ ． Ｃｈｉｎａ Ｅｎ- ｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， ２０２０， ４２（ ２） １４８- １５１， １５５． ［ ５］ 王占银， 胥海东， 吴江， 等． 中厚煤层切眼顶板人工预制裂缝卸 压护巷应用研究［ Ｊ］ ． 能源与环保， ２０２０， ４２（ ２） １５２- １５５． Ｗａｎｇ Ｚｈａｎｙｉｎ， Ｘｕ Ｈａｉｄｏｎｇ， Ｗｕ Ｊｉａｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａｒｔｉｆｉ- ｃｉａｌ ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｃｒａｃｋ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒｅｌｉｅｆ ｒｏａｄｗａｙ ｆｏｒ ｃｕｔｔｉｎｇ ｈｏｌｅ ｒｏｏｆ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ- ｔｈｉｃｋ ｃｏａｌ ｓｅａｍ［ Ｊ］ ． Ｃｈｉｎａ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ， ２０２０， ４２（ ２） １５２- １５５． （ 下转第 ２６１ 页） ５５２ 万方数据 ２０２１ 年第 １１ 期李 媛， 等 新能源电力系统复合储能多目标优化研究 第 ４３ 卷 Ｓｕ Ｘｉａｎｇｙａｎｇ， Ｂａｉ Ｘｉａｏｑｉｎｇ， Ｚｈｅｎｇ Ｙｉ． Ｍ ｕｌｔｉ- ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｍｉｚａ- ｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｇｒｏｕｐｓ ［ Ｊ］ ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ， ２０１９， ４４（ ２） ４１６- ４２５． ［ １４］ 肖俊明， 高洪洋， 朱永胜， 等． 考虑新能源接入的电力多目标优 化调度［ Ｊ］ ． 计算机工程与应用， ２０１９， ５５（ ２３） ２４１- ２４７． Ｘｉａｏ Ｊｕｎｍｉｎｇ， Ｇａｏ Ｈｏｎｇｙａｎｇ， Ｚｈｕ Ｙｏｎｇｓｈｅｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｍ ｕｌｔｉ- ｏｂｊｅｃ- ｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ ａｃｃｅｓｓ［ Ｊ］ ． Ｃｏｍｐｕｔ- ｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ， ２０１９， ５５（ ２３） ２４１- ２４７． ［ １５］ 蒋迎花， 侯少攀， 刘永忠． 多电池储能系统实现削峰填谷的分 步优化方法［ Ｊ］ ． 高校化学工程学报， ２０２０， ３４（ ５） １２６５- １２７３． Ｊｉａｎｇ Ｙｉｎｇｈｕａ， Ｈｏｕ Ｓｈａｏｐａｎ， Ｌｉｕ Ｙｏｎｇｚｈｏｎｇ． Ａ ｓｔｅｐ- ｗｉｓｅ ｏｐｔｉｍｉ- ｚａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｐｅａｋ- ｓｈａｖｉｎｇ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉ- ｔｙｐｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒ- ａｇｅ ｓｙｓｔｅｍｓ［ Ｊ］ ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｕｎｉ- ｖｅｒｓｉｔｉｅｓ， ２０２０， ３４（ ５） １２６５- １２７３． ［ １６］ 陶莉， 高岩， 朱红波， 等． 有可再生能源和电力存储设施并网的 智能电网优化用电策略［ Ｊ］ ． 中国管理科学， ２０１９， ２７（ ２） １５０- １５７． Ｔａｏ Ｌｉ， Ｇａｏ Ｙａｎ， Ｚｈｕ Ｈｏｎｇｂｏ， ｅｔ ａｌ． Ｏｐｔｉｍａｌ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｆｏｒ ｓｍａｒｔ ｇｒｉｄｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ ｄｅ- ｖｉｃｅｓ［ Ｊ］ ． Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍ ａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２０１９， ２７（ ２） １５０- １５７． ［ １７］ 武利会， 范心明， 董镝， 等． 基于机会约束的有源配电网 ＳＯＰ 优 化配置方法［ Ｊ］ ． 电力系统及其自动化学报， ２０１９， ３１（ １０） １８- ２３， ３０． Ｗｕ Ｌｉｈｕｉ， Ｆａｎ Ｘｉｎｍｉｎｇ， Ｄｏｎｇ Ｄｉ， ｅｔ ａｌ． Ｏｐｔｉｍａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｓｏｆｔ ｏｐｅｎ ｐｏｉｎｔ ｉｎ ａｃｔｉｖｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｈａｎｃｅ- ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ［ Ｊ］ ． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＣＳＵ- ＥＰ- ＳＡ， ２０１９， ３１（ １０） １８- ２３， ３０． ［ １８］ 崔杨， 张汇泉， 仲悟之， 等． 考虑需求响应的含光热电站可再生 能源高渗透率电力系统多源优化调度［ Ｊ］ ． 高电压技术， ２０２０， ４６（ ５） １４８６- １４９６． Ｃｕｉ Ｙａｎｇ， Ｚｈａｎｇ Ｈｕｉｑｕａｎ， Ｚｈｏｎｇ Ｗｕｚｈｉ， ｅｔ ａｌ． Ｍ ｕｌｔｉ- ｓｏｕｒｃｅ ｏｐｔｉ- ｍａｌ ｓｃｈｅｄｕｌｉｎｇ ｏｆ ｒｅｎｅｗａｂｌｅ ｅｎｅｒｇｙ ｈｉｇｈ- ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓ- ｔｅｍ ｗｉｔｈ ｃｓｐ ｐｌａｎｔｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｄｅｍａｎｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ［ Ｊ］ ． Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔ- ａｇｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２０２０， ４６（ ５） １４８６- １４９６． ［ １９］ 田德， 陈忠雷， 邓英． 考虑预测误差的综合能源系统优化调度 模型［ Ｊ］ ． 太阳能学报， ２０１９， ４０（ ７） １８９０- １８９６． Ｔｉａｎ Ｄｅ， Ｃｈｅｎ Ｚｈｏｎｇｌｅｉ， Ｄｅｎｇ Ｙｉｎｇ． Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｅｎｅｒｇｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｐｔｉ- ｍａｌ ｄｉｓｐａｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｅｒｒｏｒｓ［ Ｊ］ ． Ａｃｔａ Ｅｎ- ｅｒｇｉａｅ Ｓｏｌａｒｉｓ Ｓｉｎｉｃａ， ２０２０， ４６（ ５） １４８６- １４９６． ［ ２０］ 张程， 金涛， 李培强， 等． 采用多目标蝙蝠算法的电力系统广域 协调控制策略［ Ｊ］ ． 浙江大学学报（ 工学版） ， ２０１９， ５３（ ３） ５８９- ５９７． Ｚｈａｎｇ Ｃｈｅｎｇ， Ｊｉｎ Ｔａｏ， Ｌｉ Ｐｅｉｑｉａｎｇ， ｅｔ ａｌ． Ｗｉｄｅ- ａｒｅａ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｍｕｌｔｉ- ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｂａｔ ａｌｇｏ- ｒｉｔｈｍ［ Ｊ］ 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