悬臂式掘进机关键结构的运动特性分析_高亚男.pdf

悬臂式掘进机关键结构的运动特性分析高亚男（晋能控股煤业集团永定庄煤业公司创新公司，山西大同037003）摘要：基于悬臂式掘进机的工作原理，提出一种通过基本副替代运动副的冗余驱动模型，但考虑到悬臂式掘进机关键结构的具体运动情况，为研究此冗余驱动模型的有效性，具体研究过程中会分别构建非冗余驱动模型和冗余驱动模型两种模型，并且在具体模型仿真分析过程中实现两种模型的匹配对比，检验所提出的冗余驱动模型的有效性，将冗余驱动模型应用于工程实践，对模型有效性实施进一步检验分析，该模型具有较强的实用性。关键词：悬臂式掘进机；关键结构；运动特性中图分类号：TD421.5文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0030-030引言悬臂式掘进机作为综采工作面的重要设备之一，其关键结构性能将会直接影响到综采工作面的总体工作效率及效果。因此，以悬臂式掘进机关键结构的运动特性为研究视角，通过仿真模型分析的方式指出现有悬臂式掘进机构关键结构运动方式中存在的不足，进而提出针对性约束优化方案，为后续悬臂式掘进机关键结构设计优化提供理论参考的同时，也进一步提高悬臂式掘进机的整体工作效率，为煤矿企业的经济效益提升提供一定理论支持。1悬臂式掘进机的工作原理在实际生产工作中，悬臂式掘进机的截割头转轴方向与截割臂轴向基本一致，并且此过程中截割头会沿逆时针方向不断转动。在具体煤层截割过程中，悬臂式掘进机会先升降，再回转油缸，然后带动截割臂上下或者左右摆动，进而带动截割头一同摇摆，最后，在截割头摇摆过程中会通过截割头旋转的方式截割煤层。在截割到一定深度以后，悬臂式掘进机会开始垂直向上移动到一定高度，并开始水平方向切割，如此反复，直至掘进出一条完整巷道为止。2悬臂式掘进机关键结构运动特性模型构建在悬臂式掘进机关键结构运动特性模型构建中，为保障模型精度，将会引入虚拟样机技术。结合实际情况来看，虚拟样机技术集成仿真建模技术、现代信息技术、先进制造技术等多种技术的优势及特点，可以满足设计开发人员样机设计及模式的相关要求。综合当前市面上多种虚拟样机软件后，最终选用 ADAMS软件作为本研究中所使用的虚拟样机软件1-2。在实际模型构建中，需要根据悬臂式掘进机关键结构特点合理设置系统单位参数，并将悬臂式掘进机三维立体模型导入到软件中，系统会自动计算出各关键构建的质量、转动惯性以及质心位置，进而自动创建质心点。同时，为避免模型构建中是存在冗余约束情况，还需要对悬臂式掘进机关键结构的约束通过点线副和点面副进行替代处理。但由于悬臂式掘进机关键结构相对复杂，在模型构建中是极易出现冗余约束情况，所以需要对模型进行简化处理，直至将模型简化为仅剩截割头转动、截割臂摆动以及左右移动三个自由度为止，最终所构建的虚拟样机模型如图 1 所示。3悬臂式掘进机关键结构运动特性模型分析结果由于悬臂式掘进机关键结构存在冗余驱动和非冗余驱动两种工作状态，所以在模型构建中需要分别构建冗余驱动模型和非冗余驱动模型，通过软件完成虚拟样机构建后，还需要对两种模型进行运动学仿真模拟，进而分别获取冗余驱动工况和非冗余驱动工况条件下油缸驱动和截割头回转运用轨迹3-4。3.1冗余驱动和非冗余驱动仿真分析以虚拟样机的左升降油缸和左回转油缸驱动为研究对象，将右升降油缸和右回转油缸设置为随左侧共同转动状态，进而获取到非冗余驱动工况下四个驱动油缸的驱动力曲线如下页图 2 所示。由下页图 2 可知，虚拟样机中添加驱动的两个驱动油缸存在驱动力，而随左侧一同转动的右侧油缸则没有驱动力，此仿真结果与悬臂式掘进机的具体工作状态保持一致。在冗余驱动工况条件下，四个驱动油缸均会添加驱动，进而获取到下页图 3 中的仿真模拟结果。如下页图 3 所示，在冗余驱动工况条件下，虚拟样机的两个回转油缸均会产生驱动力，并且两侧的回转油缸所产生的驱动力之间的相互误差不超过 2.1%，此仿真结果与悬臂式掘进机的具体工作状态大致相同。收稿日期：2022-04-27作者简介：高亚男（1992），女，山西大同人，本科，毕业于辽宁工程技术大学，助理工程师，研究方向为矿用机械维修与创新。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.012图 1虚拟样机模型示意图试验研究2023 年第 6 期相对来说，冗余驱动可以对悬臂式掘进机关键部件的工作性能得到一定优化，其对于提高悬臂式掘进机整体运动性能将有着一定的积极效果。3.2截割头回转中心仿真分析通过 ADAMS 软件对虚拟样机冗余驱动工况条件下运动特性进行仿真模拟分析（见图 4），进而发现冗余驱动工况条件下的截割头回转曲线与非冗余驱动工况条件下的截割头回转曲线基本保持一致，深入分析后确认两种模型中截割头运动轨迹误差不超过2.9%，其中最大的误差主要位于垂直方向运动轨迹上5。3.3回转台回转中心作用力分析回转台回转中心作为悬臂式掘进机关键结构的整体受力终点位置，其作用力性能将会直接影响到悬臂式掘进机关键结构整体运动性能。因此，在虚拟样机分析过程中将会分别提出回转中心的转动副上的三向作用力。通过对非冗余驱动与冗余驱动进行匹配对比，检验两种工况条件下回转台回转中心作用力变化情况。以 x 方向为例，具体虚拟样机仿真模拟结构如图 5 所示。如图 5 所示，冗余驱动工况条件下的回转台回转中心 x 方向上作用力变化曲线与非冗余驱动工况条件下回转台回转中心 x 方向上作用力变化曲线基本一致。此种情况的主要原因在于回转台在工作中的实际摆动幅度较小，并且趋于匀速运动，使得悬臂式掘进机关键结构运动中所产生的惯性力对关键结构整体运动的影响较小，进而使得两种模型仿真后所获取的仿真结果趋于一致。通过仿真模拟结果可以发现，悬臂式掘进机关键结构在冗余驱动工况条件下运动轨迹与非冗余驱动工况条件下的运动轨迹基本相同，并且在截割头回转中心位置变化和回转台回转中心作用力变化两方面变化也趋于一致。此种说明冗余驱动工况条件下，悬臂式掘进机关键结构控制精度与非冗余驱动工况条件下的控制精度差距较小，并且结合仿真分析结果可以发现，相对非冗余驱动工况条件来说，冗余驱动工况条件下的悬臂式掘进机关键结构运动性能得到进一步提升，所以在具体悬臂式掘进机生产工作中，应2-1回转油缸2-2升降油缸图 2非冗余驱动工况下回转油缸和升降油缸驱动力曲线图 3冗余驱动工况下回转油缸驱动力曲线图 4两种驱动工况下截割头回转中心位置变化曲线图 5两种驱动工况下回转台回转中心 x 方向上作用力变化曲线8006004002000-200-400-6001002003004000时间/s驱动力/kN左回转油缸驱动力右回转油缸驱动力7506004503001500-1501002003004000时间/s驱动力/kN左升降油缸驱动力右升降油缸驱动力4003002001000-100-200-300-4001002003004000时间/s驱动力/kN左回转油缸驱动力右回转油缸驱动力43210-1-21002003004000时间/s位移/mmx 方向y 方向z 方向200150100500-50-1001002003004000时间/s非冗余驱动仿真值冗余驱动仿真值回转台回转中心作用力/kN103高亚男：悬臂式掘进机关键结构的运动特性分析31机械管理开发第 38 卷优先采用冗余驱动。4悬臂式掘进机关键结构运动特性模型工程应用根据仿真模拟结果，将悬臂式掘进机关键结构运动特性模型在悬臂式掘进机关键机构优化设计中进行具体应用，最终发现相对于传统冗余特性模型来说，所提出通过基本副替代运动副的冗余驱动模型不仅可以有效简化虚拟样机模型的仿真模拟性能要求，还能够有效提高虚拟样机仿真模型结构的精准性，进而为设计工作者对于悬臂式掘进机关键结构优化设计提供更为科学合理的模型支持，降低结构设计难度，提高设计效率，保障设计有效性，所以值得在当前悬臂式掘进机关键结构优化设计中进行参考应用。5结语本文提出一种通过基本副替代运动副的冗余驱动模型，并将此模型与非冗余驱动模型进行匹配对比，最终发现冗余驱动模型与非冗余驱动模型所获取的仿真模拟结果基本保持一致，说明冗余驱动模型具有较强的实用性。同时，因为冗余驱动模型可以有效改善悬臂式掘进机关键结构运动性能，所以相比较非冗余驱动模型，冗余驱动模型具有更强的实用价值，可以在后续悬臂式掘进机关键结构设计优化中进行参考应用。参考文献1朱阳阳.悬臂式重型掘进机伸缩结构的设计与分析J.煤矿机械，2020，41（5）：114-116.2冯君玲，田慕琴，贺颖，等.纵轴式掘进机截割头载荷影响因素的仿真分析J.工矿自动化，2020，46（5）：21-27.3王本林.悬臂式掘进机铲板结构参数解析设计J.煤矿机电，2020，41（3）：116-117；119.4王艳丹，邵辉，宋禹.EBZ135 悬臂式掘进机液压控制系统分析J.中国机械，2020（5）：22-23.5张强.不同工况下 EBZ160 型悬臂式掘进机回转台的结构强度分析J.机械管理开发，2021（4）：86-88.（编辑：王慧芳）Analysis of the Motion Characteristics of the Key Structure of a Cantilever TunnelingMachineGao Yanan（Jinneng Holding Coal Industry Group Yongdingzhuang Coal Industry Company Innovation Company,Datong Shanxi 037003）Abstract:Based on the working principle of a cantilever tunneling machine,a redundant driving model is proposed that replaces themotion pair with a basic pair.However,considering the specific motion situation of the key structure of the cantilever tunneling machine,the effectiveness of this redundant driving model is studied.In the specific research process,two types of models will be constructed,namely non redundant driven model and redundant driven model,and matching and comparison of the two models will be achieved in thespecific model simulation analysis process to verify the effectiveness of the redundant driven model proposed in this article.Finally,theredundant driven model will be applied to engineering time to further verify and analyze the effectiveness of the model.Key words:cantilever tunneling machine;key structures;motion characteristics5李志海，刘治翔，谢苗，等.交替测量式掘进机定位系统误差建模与分析J.工矿自动化，2022，48（1）：7-15；32.6杨阳，王鹏江，吉晓冬，等.基于模糊数学的掘进机截割头转速分档预测方法J.煤炭工程，2022，54（2）：172-176.7石茂林，孙伟，宋学官.隧道掘进机大数据研究进展：数据挖掘助推隧道挖掘J.机械工程学报，2021，57（22）：344-358.8刘志强，宋朝阳，程守业，等.全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标体系与评价方法J.煤炭科学技术，2022，50（1）：86-94.9刘双，郝素锋，郑永光.全断面隧道掘进机系列国家标准助推中国高端装备“走出去”J.建筑机械，2021（11）：18-19.10程云飞.EBZ135 型矿用掘进机截割头截齿的受力分析及其优化改进J.机械管理开发，2021，36（8）：70-71；74.11韩艳赞，史增芳.基于 ABAQUS 的掘进机截割臂载荷分析与研究J.煤炭技术，2021，40（9）：174-176.12段鹏鹏.EBZ220 掘进机销轴在不同工况下的结构强度分析J.机械管理开发，2021，36（10）：140-142.（编辑：王慧芳）Research on the Influence of Different Angles of Pick Pick on the Cutting Performance ofRoadheaderZhao Shushan（Jinneng Holding Coal Industry Group Wajinwan Coal Industry Company,Datong Shanxi 037000）Abstract:The cutting angle and inclination angle of the pick type pick during installation on the cutting head have an important impact onthe cutting performance of the pick.Finite element simulation analysis is used to analyze the cutting resistance of different cutting anglesand inclination angles.The results show that when the cutting angle is 45 and the inclination angle is 15,the cutting resistance ofthe cutting teeth is the smallest,and the cutting performance of the cutting teeth is the best.In the cutting process of coal and rock,theoptimal angle should be selected as much as possible to improve the efficiency of the tunneling machine.Key words:pickaxe type pick;cutting angle;inclination angle;cutting resistance;cutting performance（上接第 29 页）32