大功率采煤机的研发.pdf

1 百度文库帮手网 w w w .365x u e y u a n .c o m 免费帮下载 文库积分资料 1 本文由w a n g w e n h u i 2011贡献 p d f 文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机 查看。 大功率采煤机的研发 吴彦, 高志明 煤炭科学研究总院 上 海分院, 上海 200030 摘 要 本文介绍了天地科技股份公司上海分公司高效大功率采煤机的研发过程。 采煤 机; 有限元分析; 动力学分析 关键词 中图分类号 TD421 6 1 . 文献标识码 B 文章编号 1001- 0874 2006 05- 0003- 04 Th e De v e l o p m e n t o f He a v y d u t y Co a l Sh e a r e r WU Ya n , GAO Zh i m i n g Ch i n a Co a l Re s e a r c h In s t i t u t e Sh a n g h a i B r a n c h . , Sh a n g h a i 200 030, Ch i n a , Ab s t r a c t T h i s p a p e r d e a l s w i t h t h e r e s e a r c h i n g a n d d e v e l o p i n g p r o c e s s o f h i g h e f f i c i e n t h e a v y d u t y s h e a r e r o f T i a n d i Sc i e n c e a n d T e c h n o l o g y L t d , Sh a n g h a i B r a n c h . . Ke y w o r d s s h e a r e r FEM a n a l y s i s ; d y n a m i c s a n a l y s i s ; 效重型采煤机的全过程。 1 项目的提出 根据国内市场的需 求, 公司决定研制开发适用 于厚煤层综采工作面的一次采全高年产 600万 t 大 功率 电牵引采煤机, 使国产装备的生产能力、 自动化 水平、 工作可靠性和使用寿命等技 术指标达到或接 效益和间接经济效益显著, 设备的一次性投资通常 可以在 9个月到 16个月的生产中全部收回。 2 模糊控制技术的应用, 系统在实现模糊速 度跟踪 的同时又完成了模 糊软启与模糊软 停的功 能, 不仅解决了电机起、 停过程中电流 、 转矩对电机 本身的机械冲击, 有利于延长设备的使用寿命, 而且 避免了传统闭环 P I 控制参数整定复杂的弊端。 D 3 该系统可直接应用于各工矿企业的通风系 统, 稍加改造还可推广到供气, 供水等领域, 具有很 好的应用前景。 参考文献 [ 1] 诸静. 模糊控制原理与应用 [ M ]. 北京 机械工业出版社, 1998 作者简介 薛永存 1981 - , 男, 助教, 在读硕士研究生。 2004年毕 业于 辽宁工程技术学电气工程系, 主要 从事控制 理论与控 制工程方 面的研究。 收稿 日期 2006- 04- 19; 责任编辑 姚克 我国经济的快速发展对煤炭需求大幅度增加, 年产超 600万 t 高产高效工作面得 到快速发展, 大 功率采煤机的市场需求日益增加。电力电子技术、 微电子技术、 计 算机计术的飞速发展, 为开发集电力 电子、 信息采集、 微机控制及智能监测系统于 一身的 大采 高重 型 电牵 引 采 煤机 创 造 了条 件。本 文以 M G750 /1815 GW D 型采煤机为例, 介绍研发高产高 量 90 时, 进行模糊控制 计算得到压差 e 及其变 化率 e c , 再经过量化、 模糊化处理后直接通过模糊控 制表 2得到控制所需的控 p a g e 1 制变量的论域值, 即将模 糊量清晰化, 之后再乘以比例因子去控制 PWM 波 的占空比 , 再经整形滤波输出给变频器去控制电机 的转速, 从而达到调节控制风速风量的目的 ; 当所测 风压对应的风量大于总风量的 90 时, 自动切换到 工频电源供电。另外, 系统设置了手动的工频电源 与变频控制之间的双向切换开关, 在系统出现故障 的时 候可以直接手动投入工频电源的工作, 确保系 统的生产的可靠性, 以免停机停产。 5 结语 1 通过风门控 制和变频调速 控制方式的比 较, 又在高风量区设置了工频 与变频调速器之间的 双向切换功能, 获得了很好的节能效果, 其直接经济 近国际同类装备的先进水平, 形成批量化生产制造 能力, 打破外国公司的垄断 , 为综采生产发展和大型 煤炭基地建设提供技术和物质保障。 主要性能指标 采高 范围 3 6m , 适应煤质硬度 f 6夹矸硬度 f 10 , 生产能力达到 3000t / h 供电 , 电压 3300V, 工作面开机 率达到 80 , 自动化程度 接近国外同类机型的水平。 2 总体设计 大功率采煤机应有足够的强度和良好的散热条 件, 并具有灵活的操作性 。设计摇臂要充分考虑结 构强度, 滚筒要针对采煤工作面地质条件进行设计, 具有很 强的过断层能力, 电气设计必须考虑过断层 强烈冲击的影响。采煤机要有适当的重量 抗冲击; 同时要有足够的牵引力过断层。采煤机功率大, 发 热量大, 必须充分考虑各 部件的散热问题。为了适 应采 煤工况要 求, 必 须实现机 载交流变 频, 一拖 一 方式平衡牵引, 并开发保护、 监测功能齐全、 运 行可靠的程序。为使采煤机可靠 运行, 必须解决机 器联结的松动问题, 除部件间用螺栓紧固外, 采用多 个高强度长 螺杆和液压螺母组合将机身三大段联结 起来形成一个刚性整体。 根据国内外大功率 大采高电牵引采煤机的主要 技术参数和性能指标以及我国厚煤层的开采情况, 分析大 采高综采工作面的生产能力和煤质硬度与所 需的采煤机截割功率、 滚筒直径、 滚筒 转速、 牵引速 度、 牵引功率、 调高油缸推拉力等采煤机主要性能参 数的关系, 在 可行性、 可靠性、 先进性和经济性等方 面进行比较, 并考虑与已有采煤机部分元部 件的互 换, 最后确定 MG750 /1815 GW D型电牵引采煤机的 总体结构 图 1 。 3 部件设计 在详细设计采煤机单个部件和组件之前, 根据 确定的总体方案建立 整机有限元模型 图 2。 图 2 整机 FEM 模型 根据这个模型, 在模拟所有可以想像的工作负 荷情况下采用 FEM 分析手 段测 得各 组件的负 荷。 这些负荷就是确定设备尺寸和详细设计的基础, 为 下一步研发 工作提供依据。 1 摇臂设计 图 3为采煤机摇臂研制过程示意图, 新摇臂设 计全 部采用 So l i d Ed g e 三维设计, 设计时必须满足以 下条件 图 3 摇臂研制过程示意图 1 在确定所有齿轮和轴承尺寸时, 必须坚持天 图 1 采煤机结构 地公司要求的安全系数和采煤设备标准; 2 在确定外壳尺寸时, 必须考虑所有 截割、 牵 引和震动负荷, 同时保证设备的稳定性, 考虑轴承在 外壳内的安装位置; 3 考 虑冷却器、 供水管路和传感器的位置; 4 在兼顾铸造工艺的前提下使重量最佳化; 5 壳体造型最佳化。 在生成总体方案和各部件的详细图纸后, 进行 失误可能性及影 响因素分析 FMEA , 避免设计失 误和减小失误次数。 为此, 专门成立了由设计、 制造、 安装和质检等 部门专家组成的专家组, 并按照以下标准检查和评 估所有功 能部件 1 机器功能; 2 对其功能的影响因素 尺寸误差 制造公差 安装误差 磨损 材料选择 3 设备功能和工作效果; 4 优化潜力 和纠正失误的可能性及措施。 为了提高设计质量, 使用有限单元法, 确定高负 荷设 备部件的规格尺寸。为此, 根据制造图纸建立 部件有限元模型。 图 4 。 3 超载试验; 4 噪声测试; 5 最佳工作状态下的注油量。 2 强力销轨式 行走机构设计 为了满足大牵引力的要求, 采用节距 147m m 的 销轨式行走机构。对行 走轮进行动力学分析, 确定 行走轮与销轨之间的间隙、 导向滑靴与销轨、 箱体之 间的间隙, 优化齿廓 图 5 确保最佳的配合性能和 设计强度。 图 5 齿廓优化设计 3 控制系统设计 根据国内煤炭开采对采煤机先进可靠控制技术 的迫切需求 , 在以 PLC为核心的采煤机控制系统的 基础上, 开拓性的开发了新一代分布嵌入式控 p a g e 2 制系 统。控制系统采用模块化网络分布式结构, 根据控 制对象的结构和功能特点将 控制系统划分为若干功 能模块, 各模块相对独立, 模块之间以高可靠性的现 场总线 相连。主控模块设计成 以 DSP 控制器为核 心的功能单元, 利用 DSP 控制器的超强 数字运算功 能, 综合处理传感器的大量信息, 从而实现高度实时 性的智能控制。 4 安装与兼容性配套测试 采煤机部件的研发过程与摇 臂的研发过程相 似。在通过功 能测试后, 进行最后的安装, 接着按协 议由用户对采煤机进行验收。验收中主要检查 所有 图 4 摇臂应力云图 用计算机模拟工作负荷时可以看到应力的质和 量的变化过程。这样, 可以了解 超高应力范围并能 加以改进。在达到能 投入生产的最 佳部件设计之 前, 这个过程 通常要进行多次。 摇臂组装完成后要在加载试验台上测试, 主要 做以下综合检查 1 无载荷情况下的功能状况 左、 右旋转 ; 2 温升试验和热平衡试验; 功能, 检查重点是 1 几何尺寸和运动参数; 2 工作状态和压力; 3 控制系统、 安全接线和故障诊断系统; 4 测试液压和电气设备的温升情况。 完成 上述工作后, 采煤机、 工作面输送机和液压 支架进行配套测试, 模拟现场情况, 检 测和排除各系 统间可能出现的衔接问题。 下转第 12页 轴的受力分析和轴承受力及寿命计算, 用常规 方法进行。 表 3 供油方式比较 供油方式 油泵类型 动力源 液压循环回路 主动供油方式 圆弧齿轮泵 单独的小 电机 主要在偶合器 箱体外部, 连接环节多, 结构复杂 单独配置供电电 源, 程序 控 制供油 较高 需要经常检查油 路, 油管 容易 碰 伤、 损坏, 但 更换 零件较简便 被动供油方式 摆线齿轮泵 输送机主电机 全 部在 偶 合 器 箱 体 内 部, 油 路 简 单, 安装相对困难 随 主电 机 启 动 供 油 较高 无须日常维护, 整 机 大修 时 进 行 检 验, 更换零件复杂 电控要求 可靠性 使用维护 4 设计流程 本文提出的调速型液力偶合器的一般设计流程 见图 1, 将传统 设计方法和现代设计手段相结合, 引入了三维实体有限元方法进行叶轮强度计算、 对 传动主轴进行优化设计 [ 2、 3] , 而有限元计算的结果, 又反馈到施工图纸设计过程, 对应力集中部位进行 结构调整; 整机结构设计与 传动主轴的优化设计相 结合, 并根据优化设计的结果进行轴承选型计算。 5 结论 在 本文提出的流程指导下研发了新型可控调速 型液力偶合器。实践证明, 该流程系统性 较强, 效率 较高, 对偶合器整机、 尤其是其系列化产品的设计、 制造、 试验过程 都具有较好的指导效果。 参考文献 [ 1] [ 2] 杨乃乔. 液力偶合器 [ M ] . 北京 机械工业出版社, 1989 韩东劲. 调速型液力偶合器叶轮强度的有限元分析 [ J] . 煤矿 机电, 2001 6 [ 3] 图 1 设计流程示意图 韩东劲. 液力偶合器 传动轴的 优化设计, 煤 矿机电 [ J] . 2005 2 作者 简介 韩东劲 1969- , 男, 高级 工程 师。 1991 年毕业 于上海 交通大学机械 工程系, 曾获原煤炭工业部科技进步二等奖, 发表论文 多篇。 收稿日期 2006- 02- 24 责任编辑 陶驰东 ; 上接第 5页 [ 2] 5 白忠喜. 有限单元法基础教程 [ M ] . 长春 吉 林科学技术出版 社, 1 992 [ 3] 冯泾若, 伍丽娅. 375 W 1 型采煤机摇臂有限元分析 [ C ] . M SC 公司论 文集, 2001 作者简介 吴彦 1977 - , 男, 硕士研 究生。 2003 年毕 业于 煤 炭科 学研究总院上海分院机械设计及理论 专业, 现在 天地科技 股份有限 公司上海 分公司从事采掘机械研发设计及有限元分析工作。 收稿日期 2006- 05- 12 责任 编辑 陶驰东 ; 4 工作展望 MG750 /1815 GWD 型电牵引采煤机 2005年 11 月开始在大同白洞矿 p a g e 3 投入生产, 使用情况良好, 实际 生产效率接近潜在的能力。目前已售出 4台, 使用 前景可观, 具有极高的市场推广价值。 参考文献 [ 1] 吴彦. 国产大功率采煤机摇臂 CA E分析 [ J] . 煤矿机电, 2 003 1 p a g e 4