彭天好, 王光耀, 張義龍, 黃　鵬, 鐘偉才

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

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基于相似理論的采煤機(jī)模擬螺旋滾筒的設(shè)計(jì)

彭天好, 王光耀, 張義龍, 黃鵬, 鐘偉才

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 安徽 淮南 232001)

為研究采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高,提出建立采煤機(jī)模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置,給出了模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.針對(duì)某型薄煤層采煤機(jī),根據(jù)相似理論建立了模型與原型間相似參數(shù)的相似準(zhǔn)則,確定了模擬螺旋滾筒相關(guān)參數(shù)數(shù)值,為螺旋葉片和端盤配置了截齒,使用SolidWorks建立了模擬螺旋滾筒各零件模型,經(jīng)虛擬裝配及干涉檢查完成了模擬截割裝置的螺旋滾筒三維建模,為采煤機(jī)模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置整機(jī)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).

相似理論； 螺旋滾筒； 模擬截割； 截齒配置； 三維建模

采煤機(jī)截割滾筒自動(dòng)調(diào)高技術(shù)是實(shí)現(xiàn)采煤工作面自動(dòng)化的重要關(guān)鍵技術(shù)之一[1-3].滾筒自動(dòng)調(diào)高技術(shù)的實(shí)現(xiàn)依賴于調(diào)高系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),煤巖分界辨識(shí)技術(shù)的精確可行及自動(dòng)調(diào)高控制策略的合理制定.然而受采煤工作面特殊工況的限制,無(wú)法通過(guò)真實(shí)采煤機(jī)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工況來(lái)研究采煤機(jī)調(diào)高的相關(guān)問(wèn)題[4],為此提出建立采煤機(jī)模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置,該裝置能模擬采煤機(jī)的截割運(yùn)動(dòng)、調(diào)高運(yùn)動(dòng)及牽引運(yùn)動(dòng),為采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高研究提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置以某型薄煤層采煤機(jī)為原型，按照相似理論進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖1所示：截割電機(jī)8經(jīng)過(guò)模擬搖臂2驅(qū)動(dòng)模擬螺旋滾筒3旋轉(zhuǎn)來(lái)模擬采煤機(jī)截割運(yùn)動(dòng)；調(diào)高油缸5連接于機(jī)身6與模擬搖臂2,在液壓泵站1的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)調(diào)高運(yùn)動(dòng)模擬；牽引油缸9一端固定在底座7上,另一端固定在機(jī)身6下部,在液壓泵站1的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)牽引運(yùn)動(dòng)模擬.

1—液壓泵站；2—模擬搖臂；3—模擬螺旋滾筒；4—模擬煤壁；5—調(diào)高油缸；6—機(jī)身；7—底座；8—截割電機(jī)；9—牽引油缸.圖1　采煤機(jī)模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of simulated cutting experiment device for shearer

螺旋滾筒具有外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、截齒定位參數(shù)多、截齒配置困難等特點(diǎn),同時(shí)它作為采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)是牽引部、調(diào)高部等其他部件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),對(duì)整機(jī)的性能有重要影響,是采煤機(jī)模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn).為此,本文重點(diǎn)論述該模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置中模擬螺旋滾筒的設(shè)計(jì).

1　確定模擬螺旋滾筒相關(guān)參數(shù)

1.1相似參數(shù)的確定

在相似模型設(shè)計(jì)中,首先需要確定相似參數(shù).為使模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置準(zhǔn)確模擬采煤機(jī)的實(shí)際工況,必須做到2個(gè)相似：一是模擬螺旋滾筒與實(shí)際螺旋滾筒相似,二是截割材料與實(shí)際煤巖的力學(xué)性質(zhì)相似.據(jù)此,在確定模擬螺旋滾筒的相似參數(shù)時(shí),不僅需要選取螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù),同時(shí)應(yīng)選取采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)和截割材料特性參數(shù)[5].螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)包括滾筒直徑D、螺旋葉片外緣直徑Dy、筒轂直徑Dg、螺旋葉片導(dǎo)程L、滾筒寬度B、截齒沖擊角β、葉片頭數(shù)Z和葉片上同一截線上截齒數(shù)m.采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括滾筒轉(zhuǎn)速n和牽引速度ν.截割材料特性參數(shù)包括材料密度ρ和材料抗壓強(qiáng)度σ.此外,考慮到裝置實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相似性,因螺旋滾筒截割阻力矩Tf能夠反映截割狀態(tài),故將截割阻力矩Tf作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相似參數(shù).

1.2相似準(zhǔn)則的推導(dǎo)

對(duì)于量綱相同的多個(gè)參數(shù)，其滿足相同的相似準(zhǔn)則,為簡(jiǎn)化計(jì)算,僅取其中一個(gè)參數(shù)進(jìn)行相似準(zhǔn)則推導(dǎo).對(duì)于滾筒直徑D、螺旋葉片外緣直徑Dy、筒轂直徑Dg、螺旋葉片導(dǎo)程L和滾筒寬度B這5個(gè)參數(shù),其單位均為mm,即滿足相同的相似準(zhǔn)則,限于篇幅在表1、表2、表3中僅對(duì)參數(shù)滾筒直徑D進(jìn)行相似準(zhǔn)則推導(dǎo).

采用MLT基本量綱系統(tǒng),列出原型機(jī)滾筒相關(guān)參數(shù)數(shù)值及量綱表,如表1所示.

表1　滾筒相關(guān)參數(shù)數(shù)值及量綱表

由表1知在MLT基本量綱系統(tǒng)下Z,m和β為無(wú)量綱物理量,在相似模型設(shè)計(jì)中,原型與模型相關(guān)物理量數(shù)值相等[6],不需要推導(dǎo)相似準(zhǔn)則.

經(jīng)上述分析,需推導(dǎo)相似準(zhǔn)則的參數(shù)共6個(gè),分別為D，n，ρ，ν，σ，Tf.根據(jù)相似第二定理(π定理),相似參數(shù)個(gè)數(shù)為6,基本量綱個(gè)數(shù)為3,那么π法則數(shù)目為3(6-3)個(gè).由量綱分析知D，n，ρ包含了M，L，T三個(gè)基本量綱.同時(shí)D，n，ρ分別對(duì)應(yīng)著螺旋滾筒結(jié)構(gòu)類參數(shù)、采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)類參數(shù)、截割材料特性類參數(shù).所以,選定D，n，ρ為基本物理量列出量綱矩陣指數(shù)表，如表2所示.

表2　量綱矩陣指數(shù)表

根據(jù)表2中量綱的指數(shù)值,由因次量綱矩陣的量綱關(guān)系得

(1)

根據(jù)量綱矩陣列出π矩陣.按式(1)計(jì)算出矩陣中各數(shù)值并填入表3的矩陣中

.

表3　滾筒主要參數(shù)的π矩陣

根據(jù)表3列出π法則,如式(2)所示：

(2)

1.3相似系數(shù)的確定

相似系數(shù)Cx為

(3)

式中：x表示原型中物理量；xm表示對(duì)應(yīng)原型中x的模型物理量.

由式(2)和式(3)可建立相似系數(shù)關(guān)系式為

(4)

(5)

常用的截割速度vj=3～4 m/s[9],取模型vj=4 m/s,因此確定Cn=2.5,模擬截割材料由原型機(jī)截割的煤粉及巖粉配制而成,Cρ=1,由此結(jié)合式(4)確定其他相關(guān)參數(shù)的相似系數(shù)，如表4所示.

表4　滾筒相關(guān)參數(shù)的相似系數(shù)Table 4　Similarity coefficients of drum correlative parameters

2　模擬螺旋滾筒截齒配置

2.1葉片上截齒配置

螺旋葉片上的截線數(shù)Ny為

(6)

對(duì)于配制的模擬截割材料,具有均質(zhì)無(wú)裂隙、崩裂角大的特點(diǎn),取

(7)

(8)

由式(6)，式(7)，式(8)計(jì)算得Ny=7 條,所以,葉片上布置7條截線.

目前,葉片上截齒配置方式有順序式、棋盤式、畸變Ⅰ式、畸變Ⅱ式等方式[11-12].原型機(jī)葉片上采用Z=2個(gè),m=2個(gè)的順序式截齒配置,由表4知,模型的螺旋葉片頭數(shù)、葉片上同一截線上截齒數(shù)數(shù)值與原型機(jī)相應(yīng)參數(shù)相同,即模型的葉片上也采用順序式截齒配置.

滾筒上截齒具有3類安裝角度:沖擊角β、傾斜角β1、歪斜角β2.截齒安裝角示意如圖2.

圖2　截齒安裝角示意圖Fig.2　Sketch of the assembly angle of cutting pick

螺旋滾筒上的所有截齒沖擊角相等,螺旋葉片上截齒歪斜角與傾斜角都為零,只有沖擊角不為零[8].由表1知,原型機(jī)截齒沖擊角為40°,因而模型葉片上截齒沖擊角β=40°.

2.2端盤上截齒配置

端盤上的截齒靠近煤壁,工作條件惡劣,端盤部截距t′應(yīng)為葉片部截線距t的一半,即

t′=0.5t，

(9)

端盤截齒的截線數(shù)Nd為

(10)

得Nd=3條,故端盤上布置3條截線.

從煤壁向采空區(qū),依次定義端盤上3條截線為D1,D2,D3.

截齒數(shù)：截線D1暴露在最外側(cè),工作條件最惡劣,截線上齒數(shù)最多,其截齒數(shù)應(yīng)比葉片上截齒數(shù)多3～4個(gè),為提高設(shè)計(jì)可靠性,D1上布置6個(gè)截齒；截線D2及D3上截齒數(shù)應(yīng)大于葉片上截齒數(shù),且小于截線D1上截齒數(shù),取截齒數(shù)為3個(gè).

沖擊角：端盤上截齒沖擊角與葉片上截齒沖擊角相同,即β=40°.

傾斜角：截線D1截齒應(yīng)具備在煤壁上自開(kāi)缺口的能力,截線D1截齒應(yīng)取較大傾斜角,且傾斜角不大于50°,取傾斜角為40°；截線D2為0°齒截線,傾斜角為0°；螺旋滾筒工作中受較大側(cè)向力,為抵消滾筒所受側(cè)向力,截線D3傾斜角取-8°,向采空區(qū)一側(cè)傾斜.

歪斜角：歪斜角的設(shè)置是為了增加最外側(cè)截線上齒座與煤壁側(cè)壁間隙,減小齒座與煤壁間摩擦.對(duì)于本設(shè)計(jì),只有截線D1上截齒與煤壁側(cè)壁可能產(chǎn)生摩擦,取截線D1歪斜角為5°,截線D2和D3上截齒歪斜角取0°.

匯總端盤截齒配置信息如表5所示.模擬螺旋滾筒截齒配置如圖3所示.

表5　端盤截齒配置

圖3　模擬螺旋滾筒截齒配置圖Fig.3　Picks arrangement of simulated spiral drum

3　基于SolidWorks的三維建模

在SolidWorks軟件環(huán)境下,首先建立模擬螺旋滾筒中各零件的模型：1)筒轂,2)螺旋葉片,3)端盤,4)截齒,5)齒座.螺旋葉片2上開(kāi)有安裝槽,安裝槽定位對(duì)于后續(xù)截齒虛擬裝配十分重要,現(xiàn)就螺旋葉片2建模過(guò)程作簡(jiǎn)要說(shuō)明：①在SolidWorks草圖模式下繪制2條直徑分別為葉片外緣直徑與筒轂直徑的螺旋線；②使用放樣折彎特征,選?、僦械?條螺旋線,設(shè)定葉片厚度為20 mm,生成螺旋葉片；③根據(jù)圖3中滾筒上端部安裝槽的位置信息,使用拉伸切除特征在螺旋葉片上切出一個(gè)安裝槽；④運(yùn)用曲線陣列特征陣列③中安裝槽,陣列出7個(gè)安裝槽,完成螺旋葉片全部建模.

根據(jù)螺旋滾筒零件間連接關(guān)系,在零件模型間添加配合約束實(shí)現(xiàn)虛擬裝配.運(yùn)用SolidWorks干涉檢查功能對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查,根據(jù)檢查結(jié)果完善設(shè)計(jì).最終,模擬螺旋滾筒的三維建模如圖4所示.

1—筒轂；2—螺旋葉片；3—端盤；4—截齒；5—齒座.圖4　模擬螺旋滾筒三維圖Fig.4　Graphic model of simulated spiral drum

4　結(jié)束語(yǔ)

論文依據(jù)相似理論確定了模擬螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)及截割材料特性參數(shù)；對(duì)螺旋滾筒進(jìn)行了截齒配置，確定了葉片和端盤上的截線條數(shù)、截齒分布及各齒的沖擊角、傾斜角和歪斜角，在此基礎(chǔ)上完成了模擬螺旋滾筒的三維建模，為采煤機(jī)模擬截割實(shí)驗(yàn)裝置整機(jī)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).

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Design of shearer simulated spiral drum based on similarity theory

PENG Tian-hao, WANG Guang-yao, ZHANG Yi-long, HUANG Peng, ZHONG Wei-cai

(School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

In order to study automatic height adjustment for shearer drum, a simulated cutting experiment device for shearer was built and the schematic diagram of the device was provided.One type of thin seam shearer was selected as prototype.The similarity criterions between model and prototype were established based on similarity theory,and the correlative parameters of simulated spiral drum were determined.Picks arrangement on helical vanes and drum plate were accomplished. By using SolidWorks software,the 3D models of the parts of the simulated spiral drum were established,then the 3D models were assembled,and the interference between parts was checked,thus the 3D model of the simulated spiral drum was finished,also laid the foundation for the design of simulated cutting experiment device for shearer．

similarity theory; spiral drum; simulated cutting; pick arrangement; 3D modeling

2016-01-14.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475001).

彭天好(1964─),男,江西鄱陽(yáng)人,教授,博士,從事液壓節(jié)能傳動(dòng)、礦山機(jī)械及機(jī)電液控制方面的研究,E-mail：thp1909@163.com.http://orcid.org//0000-0002-3356-4633

10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.04.004

TD 421

A

1006-754X(2016)04-0322-05